第8章集成運算放大器集成運算放大器在線性和非線性應(yīng)用時的基本概念和分析依據(jù)集成運算放大器應(yīng)用電路的分析方法負(fù)反饋的概念、反饋極性及類型的判別，負(fù)反饋對放大電路性能的影響。集成運算放大器在線性和非線性應(yīng)用方面常用電路的組成、工作原理和電路功能學(xué)習(xí)要點8.1集成運算放大器簡介8.2模擬運算電路8.3放大電路中的負(fù)反饋8.4信號處理電路8.5正弦波振蕩器第8章集成運算放大器8.1集成運算放大器簡介8.1.1集成運算放大器的組成通常由差動放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點漂移、提高輸入阻抗。通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。通常由互補(bǔ)對稱電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力。一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。集成運放的電路符號如圖所示。它有兩個輸入端，標(biāo)“+”的輸入端稱為同相輸入端，輸入信號由此端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相同；標(biāo)“－”的輸入端稱為反相輸入端，輸入信號由此端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相反。8.1.2集成運算放大器的主要參數(shù)及種類1、集成運放的主要參數(shù)2、集成運放的種類8.1.3集成運算放大器的理想模型集成運放的理想化參數(shù)：Ado=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等非線性區(qū)（飽和區(qū)）非線性區(qū)分析依據(jù)：當(dāng)ｕi>0，即ｕ＋>ｕ－時，ｕo＝＋ｕOM當(dāng)ｕi<0，即ｕ＋<ｕ－時，ｕo＝－ｕOM集成運放的理想化參數(shù)：Ado=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等線性區(qū)（放大區(qū)）線性區(qū)分析依據(jù)：（1）虛斷。由rid=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運放兩個輸入端的輸入電流為零。（2）虛短。由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運放兩個輸入端的電位相等。若信號從反相輸入端輸入，而同相輸入端接地，則u－＝u＋=0，即反相輸入端的電位為地電位，通常稱為虛地。8.2模擬運算電路8.2.1比例運算電路1、反相輸入比例運算電路2、同相輸入比例運算電路電壓跟隨器8.2.2加法和減法運算電路1、加法運算電路2、減法運算電路例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成。例：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。8.2.3積分和微分運算電路1、積分運算電路ui為恒定電壓時積分電路uo的波形2、微分運算電路8.3放大電路中的負(fù)反饋8.3.1反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部，通過某種電路（反饋電路）送回到輸入回路，從而影響輸入信號的過程。反饋到輸入回路的信號稱為反饋信號。根據(jù)反饋信號對輸入信號作用的不同，反饋可分為正反饋和負(fù)反饋兩大類型。反饋信號增強(qiáng)輸入信號的叫做正反饋；反饋信號削弱輸入信號的叫做負(fù)反饋。

若xi、xf和xd三者同相，則xd>xi

，即反饋信號起了削弱凈輸入信號的作用，引入的是負(fù)反饋。例：判斷圖示電路的反饋極性。解：設(shè)基極輸入信號ui的瞬時極性為正，則發(fā)射極反饋信號uf的瞬時極性亦為正，發(fā)射結(jié)上實際得到的信號ube（凈輸入信號）與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負(fù)反饋。例：判斷圖示電路的反饋極性。解：設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，經(jīng)RF返送回同相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為負(fù)，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比增大了，即反饋信號增強(qiáng)了輸入信號的作用，故可確定為正反饋。例：判斷圖示電路的反饋極性。解：設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負(fù)反饋。8.3.2反饋的類型及其判別根據(jù)反饋信號是取自輸出電壓還是取自輸出電流，可分為電壓反饋和電流反饋。電壓反饋的反饋信號xf取自輸出電壓uo，xf與uo成正比。電流反饋的反饋信號xf取自輸出電流io，xf與io成正比。電壓反饋和電流反饋的判別，通常是將放大電路的輸出端交流短路（即令uo=0），若反饋信號消失，則為電壓反饋，否則為電流反饋。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸入端的連接方式，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋的反饋信號和輸入信號以電壓串聯(lián)方式疊加，ud=ui－uf，以得到基本放大電路的輸入電壓ud。并聯(lián)反饋的反饋信號和輸入信號以電流并聯(lián)方式疊加，id=ii－if，以得到基本放大電路的輸入電流ii。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋可以根據(jù)電路結(jié)構(gòu)判別。當(dāng)反饋信號和輸入信號接在放大電路的同一點（另一點往往是接地點）時，一般可判定為并聯(lián)反饋；而接在放大電路的不同點時，一般可判定為串聯(lián)反饋。綜合以上兩種情況，可構(gòu)成電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)和電流并聯(lián)4種不同類型的負(fù)反饋放大電路。1、電壓串聯(lián)負(fù)反饋①設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為負(fù)反饋。②將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電壓uf=0，即反饋信號消失，故為電壓反饋。③輸入信號ui加在集成運算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號uf加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點，故為串聯(lián)反饋。uiuf2、電壓并聯(lián)負(fù)反饋①設(shè)輸入信號ui（ii）瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號）if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時極性為正，凈輸入信號id與沒有反饋時相比減②將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電流if=0，即反饋信號消失，故為電壓反饋。③輸入信號ii加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號if也加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點，故為并聯(lián)反饋。iiif小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為負(fù)反饋。3、電流串聯(lián)負(fù)反饋①設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為負(fù)反饋。②將輸出端交流短路，盡管uo=0，但輸出電流io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是電流反饋。③輸入信號ui加在集成運算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號uf加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點，故為串聯(lián)反饋。uiuf4、電流并聯(lián)負(fù)反饋①設(shè)輸入信號ui（ii）瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號）if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時極性為正，凈輸入信號id與沒有反饋時相比減②將輸出端交流短路，盡管uo=0，但輸出電流io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是電流反饋。③輸入信號ii加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號if也加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點，故為并聯(lián)反饋。iiif小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為負(fù)反饋。8.3.3負(fù)反饋對放大電路性能的影響1、穩(wěn)定放大倍數(shù)如某放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A=1000，由于外界因素（如溫度、電源波動、更換元件等）使其相對變化了dA/A=10%，若反饋系數(shù)F=0.009，則閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化為dAf/Af=10%/(1+1000×0.009)=1%?？梢姺糯蟊稊?shù)的穩(wěn)定性大大提高了。但此時的閉環(huán)放大倍數(shù)為Af=1000/(1+1000×0.009)=100，比開環(huán)放大倍數(shù)顯著降低，即用降低放大倍數(shù)的代價換取提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。2、減小非線性失真無負(fù)反饋時產(chǎn)生正半周大負(fù)半周小的失真。引入負(fù)反饋后，失真了的信號經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)又送回到輸入端，與輸入信號反相疊加，得到的凈輸入信號為正半周小而負(fù)半周大。這樣正好彌補(bǔ)了放大器的缺陷，使輸出信號比較接近于正弦波。3、展寬通頻帶引入負(fù)反饋可以展寬放大電路的通頻帶。這是因為放大電路在中頻段的開環(huán)放大倍數(shù)A較高，反饋信號也較大，因而凈輸入信號降低得較多，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也隨之降低較多；而在低頻段和高頻段，A較低，反饋信號較小，因而凈輸入信號降低得較小，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也降低較小。這樣使放大倍數(shù)在比較寬的頻段上趨于穩(wěn)定，即展寬了通頻帶。4、改變輸入電阻對于串聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路串聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分串聯(lián)相加，故可使放大電路的輸入電阻增大。對于并聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路并聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分并聯(lián)，故可使放大電路的輸入電阻減小。5、改變輸出電阻對于電壓負(fù)反饋，由于反饋信號正比于輸出電壓，反饋的作用是使輸出電壓趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電壓源特性，故而使輸出電阻減小。對于電流負(fù)反饋，由于反饋信號正比于輸出電流，反饋的作用是使輸出電流趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電流源特性，故而使輸出電阻增大。8.4信號處理電路8.4.1有源濾波器濾波器：選出所需要的頻率范圍內(nèi)的信號，使其順利通過；而對于頻率超出此范圍的信號，使其不易通過。不同的濾波器具有不同的頻率特性，大致可分為低通、高通、帶通和帶阻四種。無源濾波器：僅由無源元件R、C構(gòu)成的濾波器。無源濾波器的帶負(fù)載能力較差，這是因為無源濾波器與負(fù)載間沒有隔離，當(dāng)在輸出端接上負(fù)載時，負(fù)載也將成為濾波器的一部分，這必然導(dǎo)致濾波器頻率特性的改變。此外，由于無源濾波器僅由無源元件構(gòu)成，無放大能力，所以對輸入信號總是衰減的。有源濾波器：由無源元件R、C和放大電路構(gòu)成的濾波器。放大電路廣泛采用帶有深度負(fù)反饋的集成運算放大器。由于集成運算放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，使濾波器輸出和輸入間有良好的隔離，便于級聯(lián)，以構(gòu)成濾波特性好或頻率特性有特殊要求的濾波器。一階低通濾波器截止角頻率：8.4.2采樣保持電路采樣階段：控制信號uG出現(xiàn)時，電子開關(guān)接通，輸入模擬信號ui經(jīng)電子開關(guān)使保持電容C迅速充電，電容電壓即輸出電壓uo跟隨輸入模擬信號電壓ui的變化而變化。保持階段：uG=0，電子開關(guān)斷開，保持電容C上的電壓因為沒有放電回路而得以保持。一直到下一次控制信號的到來，開始新的采樣保持周期。8.4.3電壓比較器運算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM?；鶞?zhǔn)電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=0；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=UZ時。輸出端接雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行雙向限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=－UZ；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=＋UZ時。電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域。如圖所示為用過零