1、第第 11 章章 運算放大器運算放大器第第 11 章章 運算放大器運算放大器第第 11 章章 運算放大器運算放大器第第 11 章運算放大器章運算放大器11.1運算放大器的簡單介紹運算放大器的簡單介紹11.2放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋11.3運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用11.4運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用11.5運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用11.6使用運算放大器應注意的幾個問題使用運算放大器應注意的幾個問題第第 11 章章 運算放大器運算放大器第第 11 章運算放大器章運算放大器分立電路分立

2、電路是由各種單個元件連接起來的電子電路。是由各種單個元件連接起來的電子電路。 集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。價格低。集成電路分類集成電路分類集成電路集成電路是把整個電路的各個元件以及相互之間的連是把整個電路的各個元件以及相互之間的連接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分的整體。接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分的整體。按集成度按集成度按導電類型按導電類型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬第第 11 章章 運算放大器運算放大器第第

3、 11 章運算放大器章運算放大器集成運放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦集成運放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。合放大器。用于模擬運算、信號處理、信號測量、波形轉換、用于模擬運算、信號處理、信號測量、波形轉換、自動控制等領域。自動控制等領域。本章主要討論分析運算放大器的依據(jù)及其在信號本章主要討論分析運算放大器的依據(jù)及其在信號運算、信號處理、波形產(chǎn)生方面的應用，并介紹放大運算、信號處理、波形產(chǎn)生方面的應用，并介紹放大電路中的負反饋。電路中的負反饋。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.1運算放大器的簡單介紹運算放大器的簡單介紹11.1.1集成運放的組成集成運放的組成輸入級輸入

4、級中間級中間級輸出級輸出級輸入端輸入端輸出端輸出端偏置偏置電路電路輸入級輸入級 差分放大器差分放大器輸出級輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器射極輸出器或互補對稱功率放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成第第 11 章章 運算放大器運算放大器運算放大器的符號運算放大器的符號反相反相輸入端輸入端uO+uu +同相同相輸入端輸入端信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端輸出端+Auo理想理想運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.1.2主要參數(shù)主要參數(shù)1最大輸出電壓最大輸出電壓 UOP

5、P2開環(huán)電壓開環(huán)電壓 Auo3輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB6共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.1.3理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：運算放大器。理想化的主要條件：1開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo 2開環(huán)輸入電阻開環(huán)輸入電阻rid 3開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻ro 04共模抑制比共模抑制比KCMR 由于實際運算放大器的技術指標接

6、近理想化條件，而由于實際運算放大器的技術指標接近理想化條件，而用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化，因此后用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化，因此后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.1.3理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)實際運放電壓傳輸特性實際運放電壓傳輸特性表示運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間關系的曲表示運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間關系的曲線稱為線稱為傳輸特性傳輸特性。uO uuOUo(sat)Uo(sat)UimUim線性區(qū)線性區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)

7、負飽和區(qū) 若若Auo = 106 Uo(sat) = 15 V則則 UIM = 0.015 mV運放要工作在線性運放要工作在線性區(qū)必須有負反饋。區(qū)必須有負反饋。uOu+uuO = Auo(u+ u )第第 11 章章 運算放大器運算放大器理想運放電壓傳輸特性理想運放電壓傳輸特性11.1.3理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)uO uuOUo(sat)Uo(sat)UimUim線性區(qū)線性區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)負飽和區(qū) 因為理想運放因為理想運放Auo 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 所以，當所以，當 u+ u 時，時，uO = +Uo(sat)u+ u 時，時， uO =

8、+Uo(sat)u+ u uO = Uo(sat)依然成立依然成立u+ = uuO 發(fā)生躍變發(fā)生躍變第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋凡是將放大電路凡是將放大電路( (或某個系統(tǒng)或某個系統(tǒng)) )輸出信號的一部分或輸出信號的一部分或全部經(jīng)某種電路全部經(jīng)某種電路( (反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡) )引回到輸入端，稱為反饋。引回到輸入端，稱為反饋。11.2.1反饋的基本概念反饋的基本概念如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為正反饋正反饋。如。如果反饋信號使凈輸入信號減小，稱為果反饋信號使凈輸入信號減小，稱為負反饋負反饋。無負反饋放大

9、無負反饋放大電路方框圖電路方框圖AxIxO第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2.1反饋的基本概念反饋的基本概念帶有負反饋放帶有負反饋放大大電路的方框圖電路的方框圖AxIxOFxF+xD基本放大電路基本放大電路反饋電路反饋電路比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)xI 輸入信號輸入信號xO 輸出信號輸出信號xF 反饋信號反饋信號xD 凈輸入信號凈輸入信號凈輸入信號凈輸入信號 xD = xI xF反饋信號使凈輸入信號減小，則為反饋信號使凈輸入信號減小，則為負負反饋。反饋。反饋信號使凈輸入信號增大，則為反饋信號使凈輸入信號增大，則為正正反饋。反饋。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2.2負反饋與正反饋

10、的判別負反饋與正反饋的判別瞬時極性法瞬時極性法是判別正、負反饋的基本方法：是判別正、負反饋的基本方法：設接地參考點的電位為零。某點在某瞬時的電位高設接地參考點的電位為零。某點在某瞬時的電位高于零電位者，則其瞬時極性為正于零電位者，則其瞬時極性為正( (用用“ “ ” ”表示表示) )；反；反之為負之為負( (用用“ “ ” ”表示表示) )。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2.3負反饋的類型負反饋的類型AF+xIxOxFxD根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不同，負反饋有以下四種類型。方式不同，負反饋有以下四種類型。在輸

11、出端在輸出端反饋量取自輸出電壓為電壓反饋，反饋量取自輸出電壓為電壓反饋，取自輸出電流為電流反饋；取自輸出電流為電流反饋；在輸入端在輸入端反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。負反饋的類型有：負反饋的類型有：電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2.3負反饋的類型負反饋的類型ui+R1R2uORF

12、+RLuD+uF+ 設某一瞬時設某一瞬時 uI 為正，則此時為正，則此時 uO也為正，同時反饋電壓也為正，同時反饋電壓 uF 也為正。也為正。凈輸入信號凈輸入信號ud = ui uf小于輸入信號，即小于輸入信號，即 uF 的存在使凈的存在使凈輸入信號減小，所以為輸入信號減小，所以為負負反饋。反饋。反饋電壓反饋電壓取自輸出電壓，并與之成取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。正比，故為電壓反饋。uF 與與 uI 在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型1串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 首先用電

13、位的首先用電位的瞬時極性瞬時極性判別反判別反饋的正、負。饋的正、負。1FOF1RuuRR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器1串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋AF+uFuDuIuO 串聯(lián)電壓負反饋方框圖串聯(lián)電壓負反饋方框圖uI+R1R2uORF+RLuD+uF+ 反饋電壓反饋電壓1FOF1RuuRR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器uOR1R2RF+uI+RL iIiDiF-設某一瞬時設某一瞬時 uO 為正，則此為正，則此時時 uO 為負，各電流實際方向如為負，各電流實際方向如圖所示。圖所示。凈輸入電流凈輸入電流iD = iI iF小于輸入電流，即小于輸入電流，即 iF 的存在使凈的存在

14、使凈輸入電流減小，所以為負反饋。輸入電流減小，所以為負反饋。反饋電流反饋電流取自輸出電壓，并與之取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。成正比，故為電壓反饋。iF 與與 iI 在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并聯(lián)反饋。聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 2并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋 首先用電位的瞬時極性判別首先用電位的瞬時極性判別反饋的正、負。反饋的正、負。OOFFFuuuiRR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器2并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋AF+uIuOiFiDiI 并聯(lián)電壓負反饋方框圖并聯(lián)電壓負反饋方框圖uOR1

15、R2RF+uI+RLiDiF iI-反饋電流反饋電流OOFFFuuuiRR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器 iD = iI iF為負反饋；為負反饋；反饋電壓反饋電壓uF = RiO與輸出電流成正比，故為電流反饋；與輸出電流成正比，故為電流反饋；判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 3串聯(lián)電流負反饋串聯(lián)電流負反饋 AF+uFuDuIiO 串聯(lián)電流負反饋方框圖串聯(lián)電流負反饋方框圖uF 與與 uI 在輸入端以電壓形式作比較在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)故為串聯(lián)反饋。反饋。R2uOR+RLuD+ uF+iOuI+第第 11 章章 運算放大器運算放大器圖中圖中iD

16、= iI iF判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 4并聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電流負反饋 并聯(lián)電流負反饋方框圖并聯(lián)電流負反饋方框圖AF+uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+RL iOR1iIiDR2-FOF()RiiRR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器如何判別電路中反饋類型小結如何判別電路中反饋類型小結( (1) )反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負載電阻靠近從負載電阻靠近“地地”端引出的，是電流反饋；端引出的，是電流反饋；( (2) )輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，是串聯(lián)反饋；加

17、在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；( (3) )反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。( (也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。) ) 第第 11 章章 運算放大器運算放大器 例例 1 判別圖示電路從判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。uOuI+ uO1uD+RL RuF+A1A2 解解 反饋電路從反饋電路從 A2 的輸出端引出，故為電壓反饋；的輸出端引出，故為

18、電壓反饋；反饋電壓反饋電壓 uF 和和 uI 輸入電壓分別加在同相和反相兩個輸入端，輸入電壓分別加在同相和反相兩個輸入端，故為串聯(lián)反饋；故為串聯(lián)反饋；設設 uI為正，則為正，則 uO1 為負，為負， uO 為正。為正。反饋電壓反饋電壓 uF 使凈輸入電壓使凈輸入電壓 uD = uI uF 減小，故為負反饋；減小，故為負反饋；串聯(lián)電壓負反饋。串聯(lián)電壓負反饋。第第 11 章章 運算放大器運算放大器uOuI+ RuO1iI+RL -A1A2iDiF a 例例 2 判別圖示電路從判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。 解解 反饋電路從反饋電路從 RL 靠

19、近靠近“地地”端引出，為電流反饋；端引出，為電流反饋；反饋電流反饋電流 iF 和和 iI 輸入電流加在輸入電流加在 A1 的同一個輸入端，故為的同一個輸入端，故為并聯(lián)反饋；并聯(lián)反饋；設設 uI為正，則為正，則 uO1 為正，為正， uO 為負。反饋電流實際方向如為負。反饋電流實際方向如圖所示，凈輸入電流圖所示，凈輸入電流 iD = iI iF減小，故為負反饋；減小，故為負反饋；并聯(lián)電流負反饋。并聯(lián)電流負反饋。第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.2.4負反饋對放大電路工作的影響負反饋對放大電路工作的影響1 1提高放大電路的穩(wěn)定性提高放大電路的穩(wěn)定性 AF+xIxDxOxF開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)

20、放大倍數(shù)DOxxA 反饋系數(shù)反饋系數(shù)OFxxF 引入負反饋后凈輸入信號引入負反饋后凈輸入信號xD = xI xF引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)AFAxxA 1IOF對上式求導對上式求導AAAFAAd11dFF 可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高了。穩(wěn)定性卻提高了。第第 11 章章 運算放大器運算放大器uF負反饋負反饋改善了波形失真改善了波形失真2改善非線性失真改善非線性失真加入加入負反饋負反饋無負反饋無負反饋FufAuuIuO+uDuO大大小小略大略大略小略小略小略小略大略大uIAu接近正弦波接近正弦波

21、第第 11 章章 運算放大器運算放大器3對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響四種負反饋對四種負反饋對 ri 和和 ro 的影響的影響串聯(lián)電壓串聯(lián)電壓串聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)電流并聯(lián)電流riro減低減低增高增高增高增高增高增高增高增高減低減低減低減低減低減低思考題：為了分別實現(xiàn)：思考題：為了分別實現(xiàn)： ( (a) )穩(wěn)定輸出電壓；穩(wěn)定輸出電壓；( (b) )穩(wěn)定輸出電流；穩(wěn)定輸出電流； ( (c) )提高輸入電阻；提高輸入電阻；( (d) )降低輸出電阻。降低輸出電阻。應引入哪種類型的負反饋？應引入哪種類型的負反饋？第第 11 章章 運算放大器運算放大

22、器11.3運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用1反相輸入反相輸入0 uu11.3.1比例運算比例運算由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出可列出由此得出由此得出閉環(huán)電壓閉環(huán)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)平衡電阻平衡電阻若若R1 = RF則則uO = uIiFR1R2uORFiIuI+IFiiIII11uuuiRR OOFFFuuuiRR FOI1RuuR OFfI1uuRAuR 1OfIuuAu R2 = R1 / RF第第 11 章章 運算放大器運算放大器2同相輸入同相輸入11.3.1比例運算比例運算由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出可列出由

23、此得出由此得出閉環(huán)電壓閉環(huán)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)若若 R1 = 則則或或 RF = 0ifR1R2uORFiiuI+IFiiIuuuII11uuiRR OIOFFFuuuuiRR()FOI11RuuROFfI11uuRAuR OfI1uuAu第第 11 章章 運算放大器運算放大器 例例 11求圖中求圖中 uO 的大小的大小 解解 此圖為一電壓跟隨器。電源此圖為一電壓跟隨器。電源 + 15 V 經(jīng)兩個經(jīng)兩個 15 k 的電阻分壓的電阻分壓后，在同相輸入端得到后，在同相輸入端得到 + 7.5 V 的輸入電壓。的輸入電壓。故故 uO = + 7.5 V可見只與電源電壓和分壓電阻有關其精度和穩(wěn)定性較可見

24、只與電源電壓和分壓電阻有關其精度和穩(wěn)定性較高高，可作為基準電壓可作為基準電壓15kuO+15k7.5k+15 V第第 11 章章 運算放大器運算放大器 例例 2 此圖所示的兩級運算電路此圖所示的兩級運算電路中，中，R1 = 50 k ，RF = 100 k 。若輸入電壓若輸入電壓 uI = 1 V ，試求輸出電壓，試求輸出電壓 uO，并說明輸入級的作用。并說明輸入級的作用。 解解 A1 是電壓跟隨器是電壓跟隨器uO1 = uI = 1 VA2 為反相比例運算電路為反相比例運算電路FOO111001V2 V50RuuR +uOuIA1R1uO1RFR1A2R2第第 11 章章 運算放大器運算放大

25、器11.3.2加法運算加法運算由圖可列出由圖可列出由上列各式可得由上列各式可得當當R11 = R12 = R1時，時， 則上式為則上式為平衡電阻平衡電阻R2 = R11/ R12 / RFuOifR12R2RFii2uI2+R11iI1uI1+I1I111uiRI2I212uiROFI1I2FuiiiR()FFOI1I21112RRuuuRR ()FOI1I21RuuuR 第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.3.3減法運算減法運算如果兩個輸入端都有信如果兩個輸入端都有信號輸入，則為差分輸入。號輸入，則為差分輸入。因為因為 u u+ ，故上列兩式可得，故上列兩式可得由圖可列出由圖可列出i

26、FR1R2uORFiIuI1+R3+uI2+3I223RuuRRI11 IuuR i()1I1I1O1FRuuuRR()3FFOI2I112311RRRuuuRRRR第第 11 章章 運算放大器運算放大器11.3.3 減法運算減法運算當當 R1 = R2 ，和，和 RF = R3 時時平衡電阻平衡電阻R2 = R11/ R12 / RF則上式為則上式為當當 RF = R1 時，則得時，則得 可見，輸出電壓與兩個輸入電壓的差值成正比，故可可見，輸出電壓與兩個輸入電壓的差值成正比，故可進行減法運算。進行減法運算。ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+()3FFOI2I112311RRRuu

27、uRRRR()FOI2I11RuuuROI2I1uuu第第 11 章章 運算放大器運算放大器iFR1R2uORFiIuI1+R3+uI2+ 例例 3 圖中，圖中，uI1 = uIc1 + uId1 ， uI2 = uIc2 + uId2 ， uIc1 = uIc2 是共模分量，是共模分量，uId1 = uId2 是差模分量。如果是差模分量。如果R1 = R2 = R3，試問試問 RF 多大時輸出電壓不含共模分量？多大時輸出電壓不含共模分量？第第 11 章章 運算放大器運算放大器 解解 欲使欲使 uO 不含共模分量不含共模分量 uIc2，必須滿足下列條件，必須滿足下列條件：0)1(1F3231F

28、 RRRRRRR)(11)()112Id1F2Id1231FIc21F1231F1Id1Ic1F2Id2Ic1231F2I1F2I1231FOuRRuRRRRRuRRRRRRRuuRRuuRRRRRuRRuRRRRRu （第第 11 章章 運算放大器運算放大器 解解 0)1(1F3231F RRRRRRR因因 R1 = R2 = R3 ，經(jīng)整理后得經(jīng)整理后得 RF = R1 。此時輸出電壓。此時輸出電壓2Id2Id1F2Id1231FO2)(1uuRRuRRRRRu 例如例如uI1 = 10 mV = (8 + 2) mV = uIc1 + uId1uI2 = 6 mV = (8 2) mV = uIc2 + uId2則則uO = 2uId2 = 4 mV第第 11 章章 運算放大器運算放大器 例例 4 如圖所示，兩級運算如圖所示，兩級運算電路試求電路試求 uO 。 解解 前級前級 A1 是加法運算電路是加法運算電路uO1 = (0.2 0.4 )V = 0.2 V后級后級 A2 是減法運算電路是減法運算電路uO = ( 0.6 0.2 )V = 0.8