第6章集成運算放大器集成運算放大器是非常重要的一種線性集成電路，它的應(yīng)用十分廣泛。它用在模擬信號的運算、放大、檢測、變換、處理、信號產(chǎn)生等等。6.1集成運算放大器內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)

集成運算放大器是通過半導(dǎo)體集成工藝制成的一種高增益直接耦合式多級放大器。一、集成運放的典型結(jié)構(gòu)運放的典范電路通常有三級放大電路組成運放輸入級：—差分放大（差動放大器）電路，該級要求有低溫漂，高共模抑制比和高輸入電阻特性。

中間放大級：通常采用CE(CS)放大電路，運算放大器的增益主要由這一級承擔(dān)，所以這一級要有很高的電壓增益。

輸出級—采用互補對稱式射極跟隨器結(jié)構(gòu)。輸出級要求能驅(qū)動較大的負(fù)載，有一定的輸出電流和輸出電壓，因此，對該級要求具有低輸出電阻。

二、集成運放的主要特點1﹒它具有“二高一低”特性的線性組件。即高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的多級直接耦合放大器2﹒為保證有合適的靜態(tài)工作點，并低功耗，電路采用微電流源作為偏置，放大電路負(fù)載采及有源負(fù)載，以提高電壓增益。3﹒在理想條件下，集成運算放大器可以看成一個電壓控制電壓源。等效（VCVS）三、集成運放的電路符號（回顧）國標(biāo)符號簡化符號慣用符號反相輸入端同相輸入端在低頻小信號的條件下運算放大器可用下面電路等效低頻小信號模型Rid→∞Rod→0Aod→∞在理想條件下有：差分放大器為克服直接耦合放大器的零點漂移而推出。是集成運算放大器十分重要的一級。6.2集成運放輸入級——差分放大電路6.2.1基本電路形式和工作原理電路由二個參數(shù)和特性完全對稱的晶體三極管組成，電路的其它元件也對稱。T1、T2都是共射放大器，發(fā)射極連接在一起后經(jīng)電阻接到負(fù)電源。電路由二組對稱電源供電。1、直流分析

輸入信號為零，二個基極接地。因電路參數(shù)是對稱的，所以：

由于電路結(jié)構(gòu)對稱，元件參數(shù)和特性相同，因而溫度變化時VC1Q、VC2Q始終相等，使VOQ＝0，從而有效地抑制了溫漂和零點漂移。請問：若Rc1≠Rc2，則ICQ和VCQ是否相等？2、動態(tài)分析由橋式測量電路引入差模信號和共模信號。差分放大器對反映變化部分的差模信號能實現(xiàn)再放大，而對反映環(huán)境條件或外界干擾的公共信號（即共模信號）不能放大，要加以限止或抑制。差分放大電路的工作原理（動態(tài)考慮）

（1）對差模信號的放大能力

①端和②端的信號為大小相等，而極性相反。這種信號分別加在①端和②端的方式稱雙端輸入方式。①②6.2.2差模和共模分析現(xiàn)以右邊電路為例分析過程：畫差模信號時的交流通路→再畫低頻小信號等效電路→用電路原理求解各技術(shù)指標(biāo)。畫交流通路方法與前介紹方法相同。但是，因差動信號輸入，所以，流過T1、T2管發(fā)射極電流的增加量正好和減少量相等，即流Re的電流保持不變，即ΔvE＝0，有差模信號交流通路如圖：由此可以求出不同輸出端口對差模信號的放大能力二個輸出端的差模輸出電壓大小相等而極性相反單端輸出單端輸出雙端輸出（2）對共模信號的抑制能力則①端和②端的信號大小相等，其極性也相同，這種信號稱共模信號。共模信號輸入后的共模交流通路差分放大電路的二個輸出端上的共模輸出電壓大小相等并且極性也相同；雙端輸出時，輸出電壓為零。注意：發(fā)射極E點的波形！Avc在一定程度上反映差分放大電路抑制共模干擾和溫漂的能力，Avc越小，則抑制溫漂能力越強。共模抑制比KCMR定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值。常用分貝表示：理想的差分放大電路雙端輸出時，KCMR→∞引入恒流源概念！差動放大器若在①端和②端輸入信號時，這信號中即包含有差模信號，又含有共模信號。差分放大器的輸出電壓應(yīng)包括對差模信號放大后的電壓，和對共模信號放大后的輸出電壓。即有：Avd大Avc小差模輸入方式：只考慮差模輸入電壓，即差分放大電路的輸入端加上兩個幅度相同而極性相反的信號。

共模輸入方式：只考慮共模輸入電壓，即差分放大電路的輸入端加上兩個極性相同且幅度也相同的信號。

差分放大電路具有對差模信號進行放大、對共模信號進行抑制的能力?！纠?.2.1】已知某差分放大電路的兩個輸入端①端和②端分別加入ΔvI1=5.01V、ΔvI2=4.99V，的信號電壓，其電路的差模電壓增益Avd＝-80，共模電壓增益為Avc＝-0.01，試求ΔvO＝？ΔvE＝？vE＝？電路的差模信號為：兩端輸入信號之差電路的共模信號為：兩端輸入信號之平均值差分放大器的輸出電壓有：注意：發(fā)射極E點的波形！【例6.2.2】差分放大電路如圖所示，已知

=80，rbe=2k

。求該電路的差模電壓放大倍數(shù)Avd、差模輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。6.2.3不同輸入輸出下動態(tài)性能指標(biāo)

◆輸入方式以上分析為雙端輸入方式。在許多情況下，輸入信號只加在一個端子上，而另一端接地，以便放大器與信號源間有公共地端，這稱單端輸入方式。將單端輸入分解成雙端輸入情況差模成分：兩個輸入信號之差共模成分：兩個輸入信號平均值單端輸入時的電壓放大倍數(shù)與差模輸入（雙端輸入）時的電壓放大倍數(shù)近似相同KCMR足夠大時差動電路對差模信號和共模信號有不同的響應(yīng),有Rid和Ric

差模輸入電阻Rid共模輸入電阻Ric◆輸出方式雙端輸出：單端輸出：【例6.2.3】

電路如圖所示，已知β=80，rbb′=100Ω，Rw在中間位置，RL=50k

求：

(1)ICQ；(2)Avd、Rid和Ro；(3)KCMR；(4)若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，求ΔvO1。解：(1)靜態(tài)分析：直接耦合輸出(2)求Avd、Ri和Ro；(3)求共模抑制比KCMR(4)若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，則注意相位！題6.6采用射極恒流源的差分放大電路如圖所示

6.2.4運放輸入級典型電路分析

1.場效應(yīng)管差分放大電路FET差分放大電路差模輸入電阻很高，減小了輸入偏置電流的不對稱性。Ro=2Rd

*2、FET－BJT混合型差分放大電路

通用型集成運放的具體電路多種多樣，但其輸入級電路的組成原理基本相似，均以差分放大電路為基礎(chǔ)，通常采用雙端輸入、單端輸出方式，并由電流源提供偏置電流及作為有源負(fù)載，從而可以達到有效地抑制共模信號、放大差模信號的目的。運放中間級是運放電壓增益的主要承擔(dān)者主要任務(wù)是提高電壓增益，所以，常用共射或共源放大電路。從電壓增益表達式可知，提高電壓增益的主要途經(jīng)如下：

Rc代之以恒流源；采用縱向三極管或達林頓復(fù)合管，提高β；增加一級CC電路(射極跟隨器)進行阻抗變換。6.3集成運放中間級放大電路分析集成運放中間級的電路形式恒流源+射極跟隨器T1、R1構(gòu)成恒流源電路，其內(nèi)阻為

而T2是射極跟隨器，T3是準(zhǔn)共射放大電路，R3加了點負(fù)反饋以提高電路的工作穩(wěn)定性。恒流源+復(fù)合管6.4集成運放輸出級——OCL電路集成運放的輸出級要求:輸出電阻小最大不失真輸出電壓盡可能大輸出級的輸入電阻大T1T26.4.1運放輸出級的基本電路形式與工作原理如右圖所示，由兩只參數(shù)和特性完全對稱的PNP和NPN管組成互補對稱電路。靜態(tài)

(vi=0)時，T１、T２管均截止，VO＝0；T1T2在輸入正弦信號時：當(dāng)輸入信號正半周(vi＞0)時，T１管導(dǎo)通，T２管截止，流過負(fù)載電阻RL的電流路經(jīng)為：VCC→T1→RL→GND當(dāng)輸入信號負(fù)半周(vi＜0)時，T1管截止，T2管導(dǎo)通，電流路經(jīng)將為GND→RL→T2→-VCC在一個信號周期內(nèi)，流過負(fù)載的電流正好也是一個信號周期。互補對稱放大電路的最大輸出電壓T1T2由于互補對稱電路在一個周期內(nèi)二只晶體管輪流導(dǎo)電，并盡量工作在極限狀態(tài)，即截止與飽和導(dǎo)通，其負(fù)載線如圖最大輸出電壓為VCC－VCES。當(dāng)電源電壓為±15V時，最大不失真輸出電壓幅度一般為±(12～14)V。輸入電阻較高T1T2乙類放大電路的交越失真問題在輸入信號小于三極管的開啟電壓時，T１與T２管均截止，產(chǎn)生交越失真。T1T26.4.2

運放輸出級典型電路分析靜態(tài)T1、T2處于微導(dǎo)通狀態(tài)，VOQ＝0。當(dāng)輸入正弦波時，由于二極管的動態(tài)電阻很小，所以vb1≈vb2≈vi。利用二極管提供靜態(tài)偏置，使輸入信為零時，兩只管子不完全截止。甲乙類互補對稱輸出電路利用恒壓電路提供靜態(tài)偏置選擇合適的R1、R2阻值，使VCE3≈1.4V。乙類功率放大器：導(dǎo)通角為θ=π，或靜態(tài)時管子截止；甲類功率放大器：導(dǎo)通角甲乙類功率放大器：導(dǎo)通角介于π和2π之間，靜態(tài)時，晶體管微弱導(dǎo)電；T1T2下面幾種功率放大器。根據(jù)靜態(tài)工作點的高低（或晶體管的導(dǎo)電角）可以分成：為θ=2π，晶體管在整個周期內(nèi)都導(dǎo)電，靜態(tài)時，晶體管也完全導(dǎo)電；*6.5典型運放內(nèi)部電路分析

自主學(xué)習(xí)+研討

6.6集成運放的主要性能指標(biāo)

6.6.1集成運放的電壓傳輸特性和三項基本參數(shù)例如設(shè)Aod=105，、為±10V，則±Vim＝±10/105

＝±10-4V

＝±0.1mV集成運放線性放大區(qū)所對應(yīng)的輸入信號范圍很小。實際運放的傳輸特性曲線不通過坐標(biāo)原點，稱為輸出失調(diào)。為了彌補輸出失調(diào)電壓，通常在運放輸入級電路中設(shè)置了調(diào)零端。在理想條件下集成運放的電壓傳輸特性曲線通過坐標(biāo)原點。運放的電壓既可以用增量(或交流量)表示，也可以用瞬時量表示（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod如CF741的Rid≈1MΩ，高阻型運放的Rid

可達104MΩ以上。Aod一般為104～106(即80～120dB)。

在手冊中Aod常以V/mV作單位，如100V/mV即為105。（2）差模輸入電阻Rid（3）輸出電阻Ro集成運放的R。通常為100Ω至1kΩ之間。6.6.2、集成運放的失調(diào)參數(shù)集成運放在vId=0時的輸出電壓稱作輸出失調(diào)電壓，記作VOO。（1）輸入失調(diào)電壓VIO為了使輸出電壓回到零，需在輸入端加上反向補償電壓，該補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。（2）輸入失調(diào)電壓漂移dVIO/dT輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調(diào)電壓隨溫度而變化的程度。（3）輸入失調(diào)電流IIO反映集成運放輸入端輸入電流的不平衡程度。偏置電流輸入失調(diào)電流（4）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT反映輸入失調(diào)電流IIO隨溫度而變化的程度。分析輸出失調(diào)模型(1)應(yīng)選擇R1＝R2。R１、R2

稱為輸入平衡電阻。(2)R１和R2越小，則IIO對VOO的影響也越少。在實際使用時，要求運放兩個輸入端的外接平衡電阻相等且較小。(3)即使運放輸入端短路，輸出電壓也已進入飽和狀態(tài)

假定Aod=104，VIO為1.5mV，則VOO已達15V。集成運放在用作線性放大時必須接成閉環(huán)方式6.6.3集成運放的共模參數(shù)（1）共模抑制比KCMR集成運放的共模抑制比一般在60dB以上，性能較好的運放在100dB以上。（2）最大共模輸入電壓VIcmax當(dāng)共模輸入電壓超出VIcmax時，將影響運放電路中相關(guān)晶體管的工作狀態(tài)。運放失去正常的差模放大能力。（3）共模輸入電阻Ric6.6.4集成運放的時域和頻域參數(shù)（1）-3dB帶寬

fHBW＝fH－fL＝fH通用型運放的帶寬fH僅為幾赫茲至幾十赫茲。（2）單位增益帶寬fc指運放差模開環(huán)電壓增益Aod下降至0dB

時的頻率。集成運放是直接耦合多級放大電路

集成運放的增益很大，而增益帶寬積為常數(shù)。集成運放的帶寬很窄，即上限頻率很低。

（3）轉(zhuǎn)換速率SR（壓擺率）是衡量運放在大幅度信號作用下工作速度的參數(shù)。（4）全功率帶寬fp表示當(dāng)運放輸出較大幅度電壓時，為保證輸出波形不產(chǎn)生因SR為有限值而引起的波形失真，運放所能工作的最高頻率。6.6.5

集成運放應(yīng)用時應(yīng)考慮的幾個問題運放類型：①通用型：其性能指標(biāo)適合于一般性使用，產(chǎn)品量大面廣。②低功耗型：靜態(tài)功耗在1mw左右，可用于便攜設(shè)備。③高精度型：失調(diào)電壓溫漂在1μV以下。④高速型：轉(zhuǎn)換速率在10V/μs左右。⑤高阻型：輸入電阻在1012Ω左右。⑨跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出為電流。⑩差動電流型：輸入為差分電流，輸出為電壓。⑾其它：如程控型、電壓跟隨型等。⑥寬帶型：單位增益帶寬在10MHz左右。⑦高壓型：允許供電電壓在±30V以上。⑧功率型：允許的供電電壓較高可輸出電流較大。選擇集成運放時注意的問題：

不要盲目追求指標(biāo)先進

應(yīng)盡量選擇通用型運放

應(yīng)考慮能避免沖擊電壓和電流的保護措施

要注意單元之間的輸出電平配合問題

要注意性能指標(biāo)的測量條件

在弱信號條件下使用時，應(yīng)注意噪聲系數(shù)不能太大第7章負(fù)反饋放大電路反饋—是自動控制和自動調(diào)節(jié)中一個必不可少的環(huán)節(jié)。不管是工業(yè)控制或是社會經(jīng)濟管理，人的機體調(diào)理，都存在著各種各樣的反饋。

集成運放在開環(huán)下不能正常工作，只有在引入負(fù)反饋的閉環(huán)條件下才能穩(wěn)定地工作。

放大器引入負(fù)反饋后能改善放大器的許多技術(shù)指標(biāo)，如：提高放大器的工作穩(wěn)定性，改善非線性失真，抑制噪聲，提高輸入電阻，降低輸出電阻，展寬通頻帶等。7.1反饋的基本概念與增益函數(shù)

反饋—放大器輸出電量（電壓或電流）中的一部分（或全部），通過一定的電路形式（稱反饋網(wǎng)絡(luò)），送回到輸入回路，與原輸入信號一起加到放大器的凈輸入端，從而使輸出電量得以自動調(diào)節(jié)。7.1.1反饋的基本概念由負(fù)反饋放大器的方塊圖可知，放大器的閉環(huán)增益函數(shù)為：式中的項稱“環(huán)路增益”或“回路增益”。凈輸入Xi7.1.2反饋放大電路的增益函數(shù)如果，閉環(huán)增益小于開環(huán)增益電路為負(fù)反饋。若，則電路為深度負(fù)反饋，其電壓增益為：閉環(huán)后的電路增益由反饋系數(shù)決定兩種取樣電路：電壓取樣，反饋信號與輸出電壓成正比電流取樣，反饋信號與輸出電流成正比電壓反饋電流反饋7.2反饋的分類反饋網(wǎng)絡(luò)：它向輸出電路索取電量，并將該電量轉(zhuǎn)換成與原輸入量綱一致的電量。

由于輸入量可能是電壓量，也可能是電流量，反饋量只有與輸入量的量綱相一致時，才能求和，所以，反饋網(wǎng)絡(luò)還承擔(dān)信號的變換作用。比較求和電路：輸入量與反饋量在相同的電量下相加減。也有兩種電路，如圖所示：電壓相加減電流相加減串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋時并聯(lián)反饋時比較求和后，凈輸入增加時——正反饋比較求和后，凈輸入減少時——負(fù)反饋正反饋一般用在振蕩器中，而負(fù)反饋通常用在放大器中，以改善放大器的性能指標(biāo)。交流反饋：僅存在交流反饋量的反饋。

直流反饋：僅存在直流反饋量的反饋。

7.3負(fù)反饋放大電路的四種基本組態(tài)

1、電壓串聯(lián)反饋：且反饋量為

只有在為電壓量的情況下，才能與輸入信號電壓相串聯(lián)連接，即電壓負(fù)反饋能穩(wěn)定輸出電壓！2.電壓并聯(lián)反饋：反饋量為電流量。只有在為電流量的情況下，才能與輸入信號電流相并聯(lián)，即3.電流串聯(lián)反饋：且反饋量為電壓量。只有在為電壓量的情況下，才能與輸入信號電壓相并聯(lián)，即4.電流并聯(lián)反饋：且反饋量為電流量。只有在為電流量的情況下，才能與輸入信號電流相并聯(lián)，即電流負(fù)反饋能穩(wěn)定輸出電流！反饋組態(tài)開環(huán)增益閉環(huán)增益反饋系數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋

電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋電壓增益電阻增益電導(dǎo)增益電流增益電壓傳輸比電導(dǎo)傳輸比電阻傳輸比電流傳輸比例：試分析下列電路，說明電路連接著何種的反饋組態(tài)（即正/負(fù)反饋、電壓/電流反饋、串聯(lián)/并聯(lián)反饋、交流/直流反饋等）。

正反饋和負(fù)反饋的判定：反饋后凈輸入增加即為正反饋；反饋后凈輸入減少為負(fù)反饋。判斷方法：用瞬時極性法：假若在某瞬時輸入極性為⊕，然后根據(jù)放大器的組態(tài)，逐級推出該時刻的瞬時變化極性、經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后的極性，然后決定反饋信號與原信號的相位關(guān)系。反饋網(wǎng)絡(luò)是Rf，Rf和R1組成取樣電路，其取回來的反饋信號是電壓信號。電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋例:試分析下圖所示電路的反饋組態(tài)。電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋（1）串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋—取決于反饋量Xf是電流量還是電壓量，即反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入信號的連接方式。串聯(lián)反饋：其反饋信號Xf一定是電壓量，電壓量才能相串聯(lián)；并聯(lián)反饋：其反饋信號Xf一定是電流量，電流量才能并聯(lián)，進行電流求和。判斷方法：將輸出端瞬時短路，即RL=0，如果此時無反饋了，即,為電壓反饋；如果則為電流反饋。也可用輸出開路來做，即RL開路，則如果此時無反饋了，即，為電流反饋；如果則為電壓反饋。（2）電壓反饋還是電流反饋—取決于反饋量Xf是正比于輸出電壓還是正比于輸出電流？（3）正反饋和負(fù)反饋（在頻帶的中頻段）反饋后凈輸入增加即為正反饋；反饋后凈輸入減少為負(fù)反饋。判斷方法：用瞬時極性法：假若在某瞬時輸入極性為⊕，然后根據(jù)放大器的組態(tài)，逐級推出該時刻的瞬時變化極性、經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后的極性，然后決定反饋信號與原信號的相位關(guān)系?！纠?.3.1（a）】試分析下圖所示分立元件放大電路的反饋組態(tài)。電壓串聯(lián)負(fù)反饋這種電路連接，可以用運放的電壓串聯(lián)負(fù)反饋來等效

電壓并聯(lián)負(fù)反饋組態(tài)【例7.3.1（b）】試分析下圖所示分立元件放大電路的反饋組態(tài)。可以用運放的電壓并聯(lián)負(fù)反饋等效：

直流反饋和交流反饋在直流通路存在的反饋為直流反饋；在交流通路存在的反饋為交流反饋；在交直流通路中都有反饋交直流反饋并存。Re2

只存在直流反饋，沒有交流反饋；Rf、Cf只存在交流反饋，沒有直流反饋；Re1既存在著直流反饋，同時也存在交流反饋，即交直流反饋并存；思考：不同的信號源內(nèi)阻和負(fù)載大小的變化對負(fù)反饋效果的影響？7.4負(fù)反饋對放大電路性能的影響

負(fù)反饋降低了增益，但換來了許多技術(shù)指標(biāo)的提高

7.4.1、提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性放大器的增益會因環(huán)境的各種因素而發(fā)生變化，加了負(fù)反饋后會抑制這種變化，使其增益穩(wěn)定。假定信號在中頻段，且反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻，故放大倍數(shù)和反饋系數(shù)都是實數(shù)。所以增益函數(shù)表達式為：微分得兩邊同除Af后得該式表明：放大器引入了負(fù)反饋后，其增益的相對變化量dAf/Af是無反饋時的1/（1+AF）。說明負(fù)反饋越深，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性越好。7.4.2、改善放大器的非線性失真非線性失真由器件的非線性特性引起。假定輸入信號為正弦，經(jīng)放大后產(chǎn)生了不對稱的輸出波形，即產(chǎn)生了失真了。加了負(fù)反饋波形改善情況無負(fù)反饋情況非線性失真的定量分析：由于非線性失真是信號大了之后引起，所以假定失真由末級引起，如圖所示：開環(huán)時：閉環(huán)后：輸出信號降低了，并為模擬失真的信號式子表明，有用信號和失真信號部分都下降為開環(huán)時的。比較反饋效果應(yīng)該在同一輸出幅度下才有意義，所以應(yīng)加大使其反饋后的輸出電壓和反饋前的相等。增大后，上式變?yōu)椋菏阶颖砻?，?fù)反饋后，可以加大有用的輸入信號，使損失部分得以補嘗，而負(fù)反饋將失真部分的信號得到了抑制。這里必須注意：信號本身的非線性，負(fù)反饋將無能為力。7.4.3改善閉環(huán)放大電路的溫漂，噪聲，提高抗干擾能力

如果噪聲、干擾來自電路內(nèi)部時，負(fù)反饋能起到抑制作用，這時只要加大有用信號，以提高信噪比（S/N）。

如果噪聲、干擾混在有用信號中或來自電路外部，則負(fù)反饋無能為力。只能用屏蔽、隔離、濾波或消除干擾源等手段加以剔除。7.4.4、擴展閉環(huán)放大電路的通頻帶

假定反饋網(wǎng)絡(luò)為純電阻，F(xiàn)為實數(shù)，且放大電路在低頻段和高頻段都只有一個轉(zhuǎn)折頻率（極點頻率）。因此，高低頻段頻率特性的復(fù)數(shù)表達式分別為：低頻段高頻段可見閉環(huán)后，上限頻率展寬了。加了負(fù)反饋后的高頻段頻率特性可見閉環(huán)后，中頻增益下降了。加了負(fù)反饋后的低頻段頻率特性其中可見放大器引入負(fù)反饋后，上限頻率升高了，下限頻率降低了，因而使放大器的通頻帶擴展了，下圖是負(fù)反饋使通頻帶展寬的波特圖。負(fù)反饋展寬通頻帶的波特圖說明

7.4.5對閉環(huán)放大電路輸入電阻的影響開環(huán)放大器串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻增加并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻減少開環(huán)放大器無反饋時，加了負(fù)反饋后輸入電流增加了可見，輸入電阻下降了，且為：7.4.6、對閉環(huán)放大電路輸出電阻的影響電壓串聯(lián)假定反饋電路中信號單向化傳輸，取樣電路不取電流并無壓降；電壓負(fù)反饋使輸出電阻減少電壓并聯(lián)開環(huán)放大器電壓負(fù)反饋使輸出電阻減少電流并聯(lián)開環(huán)放大器電流負(fù)反饋使輸出電阻增加電流負(fù)反饋使輸出電阻增加電流串聯(lián)開環(huán)放大器7.5分立元件負(fù)反饋電路近似分析工程中常用方法：方塊圖法、雙口網(wǎng)絡(luò)分離法、環(huán)路增益法、拆環(huán)法等，（在自動控制理論課中介紹）拆環(huán)法的思路：閉環(huán)放大器拆成開環(huán)→求開環(huán)下的A、F、Ri、RO；再利用（1＋AF）可以求出Af、Rif、Rof拆環(huán)法的條件：

⑴閉環(huán)時的信號傳輸只通過基本放大器，不經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)；

⑵反饋信號只經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)傳到輸入，不經(jīng)過基本放大器；

⑶反饋系數(shù)與信號源內(nèi)阻及負(fù)載電阻無關(guān)；

分立元件多級負(fù)反饋放大電路一般都可作為深度負(fù)反饋來處理【例7.5.1】分析并估算下面深度負(fù)反饋電路的Avf,Rif,Rof。（模擬運放的深度負(fù)反饋估算）畫交流通路，把單管的b和e看作運放的二個輸入端。這里b是同相端，e為反相輸入端。輸入信號加在b，反饋信號引到e，這種反饋連接為電壓串聯(lián)反饋。類似于運放的同相輸入電路是一個電壓串聯(lián)負(fù)反饋。由于滿足深度負(fù)反饋條件，即有：輸入電阻輸出電阻假定信號和反饋信號都是單向傳輸[例7.5.2]分析并估算深度負(fù)反饋放大電路的Avf。解：把b1和b2看成運放的二個輸入端，b1是反相輸入端，而b2是同相輸入端。因此該電路的反饋是一個電壓并聯(lián)負(fù)反饋。與運放的反相比例運算相同。由于是深度負(fù)反饋：7.6負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性分析

7.6.1、產(chǎn)生自激振蕩的原因和條件負(fù)反饋改善了放大電路的許多技術(shù)指標(biāo)，但是負(fù)反饋處理得不當(dāng)時，會使放大器產(chǎn)生自激振蕩，使電路不能正常工作。自激是指：電路在沒有任何輸入信號時，也會有一定頻率的輸出信號。

如下電路是一個電壓串聯(lián)負(fù)反饋，設(shè)放大器具有三個極點頻率，其頻率特性表達式如下：

三級放大器的開環(huán)頻率特性曲線在通頻帶內(nèi)(f≤fp1)放大器的相移較小(ΔφA<-45°)，所引入的為負(fù)反饋。但對某一個通頻帶以外的頻率fc，其附加相移ΔφA=-180°。放大器的同相輸入端在f=fc時，已轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪噍斎攵?。因此，對于fc來說，已構(gòu)成了產(chǎn)生正反饋的相位條件，可能使放大器產(chǎn)生自激振蕩。放大器在通頻帶以內(nèi)是負(fù)反饋，但是在通頻帶以外的某一頻率上，原負(fù)反饋已變成了正反饋了，這導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定，可能自激。

產(chǎn)生自激振蕩的條件:

若=0，此時

→∞，說明在無輸入()的條件下，放大器也有輸出()，此時放大器產(chǎn)生了自激振蕩。可寫為：

只有同時滿足這兩個條件，電路才會產(chǎn)生自激振蕩在通頻帶以內(nèi)，該電路是負(fù)反饋，而當(dāng)在通頻帶以外，在波特圖中的其附加相移-180o，如果此時的信號，該信號正好代替了，即使為0，反饋回來的信號又經(jīng)放大和反饋，如此不斷的循環(huán)，電路會具有一定的輸出。實際上，整個起振過程為：剛開始時環(huán)路增益使反饋回來的信號不斷加強，由于器件的非線性，逐漸接近并等于1，振蕩幅度達到平衡.7.6.2、穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度

1.穩(wěn)定判據(jù)

一個負(fù)反饋放大器工作是否穩(wěn)定，會不會產(chǎn)生自激振蕩？可以通過產(chǎn)生自激的兩個條件決定。當(dāng)時，或者當(dāng)時，【例】某負(fù)反饋放大電路中，其開環(huán)幅頻和相頻特性曲線如圖所示。設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，試分析為防止產(chǎn)生自激振蕩｜｜必須小于多少?

利用開環(huán)幅頻特性和相頻特性來判斷臨界自激振蕩線在圖中作出了三條反饋線，在F1時的反饋線和開環(huán)電壓幅頻特性交點M，對應(yīng)附加相移為90o,則有90o度的相位裕度；在反饋系數(shù)為F2時，交點為N，有45o的相位裕度；第三種反饋系數(shù)F3時，正好處在臨界振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

這說明，在一定的開環(huán)增益下，反饋越深，越容易自激。說明負(fù)反饋對性能改善和穩(wěn)定性應(yīng)合理考慮。*可以用環(huán)路增益的波特圖來判斷判據(jù)：==幅度平衡條件）或()0||lg20(1||....FAFA+=D+D=D（相位平衡條件）pjjj)12(....nFAFA±具體操作：①作出環(huán)路增益波特圖；

②從相位條件看幅度條件。從波特圖的

處，找幅頻特性上的幅度

是＞0dB還是＜0dB，如＞0dB則一定自激；如＜0dB則放大電路工作穩(wěn)定，不會自激。

③從幅度條件看相位條件。從=0dB處，找相頻特性上的附加相移＞180o時，必定存在某一頻率，滿足幅度和相位條件，使放大器產(chǎn)生自激振蕩；如果＜180o時，則不滿足相位條件，放大電路工作穩(wěn)定，不會產(chǎn)生自激。2.穩(wěn)定裕度

為保證負(fù)反饋放大器在各種環(huán)境下都處于穩(wěn)定的工作，工程上在處的回路增益或在處的相位都有一定的余量。它是衡量一個放大器工作是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。裕度有兩種標(biāo)準(zhǔn)：①增益裕度Gm表示環(huán)路增益

的附加相移時，其對應(yīng)的環(huán)路增益，即為增益裕度Gm（幅度裕度）②相位裕度表示環(huán)路增益

處時，其對應(yīng)的環(huán)路附加相移為相位裕度

幅度裕度（為負(fù)值）相位裕度（為正值）穩(wěn)定的負(fù)反饋放大電路的增益裕度為正值，工程上通常要求≥。

7.6.3消除自激振蕩的方法思路：用相位補償來破壞產(chǎn)生自激振蕩的兩個條件；具體方法：在放大電路的適當(dāng)?shù)胤郊幼枞菰≧C元件），使環(huán)路增益的頻率特性發(fā)生變化，從而相位和幅度不滿足自激條件。1.電容滯后補償法將補償電容連接在前一級的輸出電阻和后一級的輸入電阻都比較大的回路，如下二個電路所示。它的目的是使決定上限的截止頻率下移。該兩個電路的等效電路可以有下面的形式。

在未接補償電容C前，其上限頻率為：接入補償電容C后，上限頻率變?yōu)椋河秒娙菅a償法消除自激振蕩的原理該補償優(yōu)缺點：簡單，方便；但上限頻率下降了，通帶變窄了。2.阻容滯后補償法（RC滯后補償）該補償也稱零點—極點補償，在原單接電容補償?shù)牡胤礁慕与娮鑂和電容C串聯(lián)。阻容補償阻容補償?shù)刃щ娐?/p>

它同樣可以與電容補償一樣寫出補償前后的頻率特性表達式，然后畫出補償前后的Bode圖，求出補償后的上限頻率和通帶寬度。這種補償同樣使通帶變窄，但比單純用電容補償時的通帶要寬一些。所以，普遍采用。3.密勒效應(yīng)補償法補償原理與前相同，只是此時可以用較小的電容值，就可起到明顯補償效果。這種補償?shù)碾娐啡鐖D所示。幾種密勒效應(yīng)補償電路利用密勒效應(yīng)可以達到增大補償電容的效果。如集成運放μA741內(nèi)部的中間級電路在基極和集電極之間接一個30pF的小電容，

4.相位超前補償法該種補償?shù)幕舅悸罚涸O(shè)法在環(huán)路增益處的相位超前，使之不滿足自激條件。這種補償可以不損失通頻帶的寬度，但對電路參數(shù)苛刻，且較難調(diào)節(jié)。放大器加了反饋之后使電路復(fù)雜了，傳統(tǒng)方法是畫出等效電路后，利用電路原理中的方法求解各項技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)代可用計算機輔助分析。目前大量的可用計算機仿真。

而在工程實際中，在某些條件下，常常用工程中的估算方法來處理。第8章集成運放組成的典型應(yīng)用電路

深度負(fù)反饋放大器的工程估算：深度負(fù)反饋的條件：工程上就算是深度負(fù)反饋了

凈輸入：在低頻小信號條件下的等效電路Rid→∞Ro→0Aod→∞在理想條件下有：深度負(fù)反饋的條件下：放大器的凈輸入電壓近似為零，輸入端為“虛短”。輸入端開路一樣,稱作“虛斷”。

集成運放的開環(huán)增益為無窮大，由運放組成的各種放大電路都滿足深度反饋的條件。

測量放大器具有全面高性能指標(biāo)，如高增益、高共模抑制比、高精度（低失調(diào)、低漂移）、高輸入阻抗、低輸出阻抗等；常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計量、生物測量以及其他有較大共模干擾的微弱差值信號的放大；常用測量放大器按性能分類有：通用型如AD620、INA114、INA131等，高精度型如AD522、INA128、AD624等，低噪聲低功耗型如INA102、INA103等，以及可編程型如AD526、PGA102、PGA204等。8.1.1儀用放大電路差分輸入方式（減法輸入方式）A1和A2構(gòu)成第一級，由于A1和A2均為同相輸入，放大電路具有很高的等效輸入阻抗；第二級A3接成差分形式（減法器），可把雙端輸入信號轉(zhuǎn)換成單端輸出；由于內(nèi)部電路完全對稱，因此可獲得很高的共模抑制比。差模增益只要改變外接電阻RG的取值，就可調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。為了提高共模抑制比：（1）三對電阻嚴(yán)格對稱，并做到集成塊內(nèi)部；（2）Rg外接（調(diào)節(jié)增益）最好屏蔽起來；（3）A1、A2參數(shù)嚴(yán)格對稱，Kcmr1與Kcmr2相差小于0.5db；（4）輸入端接入處采用數(shù)據(jù)保護技術(shù)；

（5）精密場合下，將參考源經(jīng)一電壓跟隨器接入R端儀用放大器LH0084的結(jié)構(gòu):實用型的單片儀用放大器型可編程增益放大器，內(nèi)部集成有儀用放大器、模擬開關(guān)、譯碼電路及不同的增益電阻。1、積分運算電路輸入電壓為方波時，輸出為一個三角波。8.1.2積分、微分運算電路輸入階躍信號呢？2、微分運算電路8.1.3對數(shù)、指數(shù)運算電路1、對數(shù)運算電路2、指數(shù)運算電路外加信號：8.1.4電流/電壓變換電路使輸出電壓和輸入電流成線性關(guān)系，而與RL無關(guān)。1、電流—電壓變換電路負(fù)載不接地型V/I電路負(fù)載接地型V/I電路

輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，與負(fù)載大小無關(guān)。電流并聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)正反饋2、電壓—電流變換電路負(fù)載接地型V/I電路

在許多場合，負(fù)載必須接地，此時可列方程組后求得輸入電壓與輸出電流關(guān)系：解得：線性關(guān)系，與RL無關(guān)。8.1.5精密整流電路1、精密半波整流電路在輸入電壓較小的正值時，同樣有可以消除二極管開啟電壓對電路的影響2、精密全波整流電路D1導(dǎo)通，D2截止D1截住，D2導(dǎo)通反向求和精密全波整流電路傳輸特性8.2有源濾波器8.2.1濾波器的功能與分類濾波器實質(zhì)上是一種選頻電路，其功能是讓指定頻段的信號通過，而將其余頻段上的信號加以抑制，或使其急劇衰減。用低通濾波器（LPF）進行信號處理示意圖

濾波電路傳遞函數(shù)定義濾波電路時，有其中——

模，幅頻響應(yīng)——

相位角，相頻響應(yīng)時延響應(yīng)為分類：按處理方法分硬件濾波軟件濾波按所處理信號分模擬濾波器數(shù)字濾波器按構(gòu)成器件分無源濾波器有源濾波器按頻率特性分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按傳遞函數(shù)分一階濾波器二階濾波器N

階濾波器:濾波器的種類很多，但從通帶性質(zhì)來分，濾波器主要有以下四種基本類型：低通濾波器（LPF）；高通濾波器（HPF）；帶通濾波器（BPF）；帶阻濾波器（BEF）。

(一）無源低通濾波器：低頻信號能通過而高頻信號不能通過的濾波器電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率

電路缺點：電壓放大倍數(shù)低，帶負(fù)載能力差

解決辦法：有源濾波器8.2.2有源低通濾波器（LPF）（二）有源低通濾波器（LPF）（1）通帶增益

它是指濾波器在通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。對于LPF電路，是指f=0時的增益。在通帶或阻帶內(nèi)，幅頻特性基本上是水平的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)近似為零。

（2）通帶截止頻率

過渡帶越窄，說明濾波電路的選擇性越好，理想濾波電路沒有過渡帶。1.簡單的二階有源LPF①負(fù)載不是直接與網(wǎng)絡(luò)連接而是通過高輸入阻抗、低輸出阻抗的運放來連接，從而使濾波性能不受負(fù)載的影響；②電路不僅具有濾波功能，而且能起放大作用。

（1）通帶增益

當(dāng)f=0時（2）傳遞函數(shù)

二階LPF電路

（3）通帶截止頻率

令

s換成根據(jù)定義

從波特圖上可以看出，二階LPF在衰減的斜率為-40dB/十倍頻程，比一階LPF的下降斜率（-20dB/十倍頻程）快一倍，使濾波性能得到改善。時增益已開始下降時下降還不夠快2.二階壓控型LPF

改接C1目的是使電路在附近形成正反饋，使該頻段上的增益不衰減甚至提升一點，從而可改善它的通帶特性。而當(dāng)時，因C1的阻抗明顯增大，反饋也大為減弱，故對增益影響不大（1）通常帶增益

這種電路又稱為賽倫-凱電路（2）傳遞函數(shù)在節(jié)點1上，可寫出下列方程：將以上三式聯(lián)立求解，可得電路的傳遞函數(shù)為:該電路的通帶增益應(yīng)小于3，否則，電路將不能穩(wěn)定地工作。（3）頻率特性比較:

當(dāng)或時，二式近似相等，其幅頻特性也基本相同。只是在附近，兩個電路的幅頻特性差別較大，當(dāng)時電壓放大倍數(shù)的模與通帶增益之比定義為Q值Q＞1，則而簡單的二階LPF在在將若附近幅頻特性將得到提升（出現(xiàn)一共振峰）。（）可見C1改接后，在Q值合適的情況下，電路的幅頻特性較接近理想情況

不同Q值時的幅頻特性曲線，如圖所示。顯然，當(dāng)電路已發(fā)生自激。

0.1-40-20-0110－20dB/十倍頻－40dB/十倍頻

一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：低通濾波器的幅頻特性理想特性【例8.2.1】設(shè)要求圖所示的壓控型二階LPF的試選擇和計算電路中各電阻、電容值

由于電容標(biāo)稱值規(guī)格比電阻少得多，總是優(yōu)先選用和確定電容值而后確定電阻。

對于LPF電路而言，f0的頻率范圍在對應(yīng)的電容取值范圍約在1～0.01μF。根據(jù)運放兩個輸入端上的電阻平衡條件，

可取標(biāo)稱值7.2kΩ

可分別選取標(biāo)稱值電阻：

信號由運放的同相端輸入，其優(yōu)點是輸入阻抗高，所用元、器件少，且性能調(diào)節(jié)方便，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。但缺點是如電路參數(shù)選擇得不合適時將產(chǎn)生自激振蕩（如通帶增益必須小于3）。為了克服這一缺點，可將輸入信號引至運放的反相輸入端，采用這種接法的另一種典型的濾波電路是二階多路反饋型濾波電路

反相型二階LPF

(a)簡單型(b)多路反饋型

8.2.3有源高通濾波器(HPF)高通濾波器是指高頻信號能通過而低頻信號不能通過的濾波器，將低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容互換，即成為高通有源濾波器（一）無源高通濾波器其通帶截止頻率：（二）有源高通濾波器（HPF）1.通帶增益當(dāng)頻率足夠高時，電容C1、C2可視為短路2.傳遞函數(shù)利用HPF與LPF之間傳遞函數(shù)的對偶關(guān)系，只需將式中換成3．頻率特性令

f0為HPF的截止頻率

該HPF具有以下特點：

（1）當(dāng)時，幅頻特性曲線斜率為+40dB/十倍頻程；（2）通帶增益仍應(yīng)小于3，否則電路將產(chǎn)生自激。二階壓控型LPF

二階壓控型HPF

多路反饋型二階LPF

將C1與R1、C2與R2位置互換，則將變成二階帶通濾波器，而不是二階高通濾波器。

在濾波器設(shè)計中，按照不同的頻域或時域特性要求，又可分為巴特沃斯型（Buterworth）、契比雪夫型（Chebyshev）和貝塞爾型（Bessel）,它們對R、C參數(shù)的取值要求不同（1）巴特沃斯型要求傳遞函數(shù)中，分母采用巴特沃斯多項式，這種濾波器具有最平坦的通帶幅頻特性，又稱最大平坦型（2）契比雪夫型的傳遞函數(shù)分母采用契比雪夫多項式，其特點是通帶內(nèi)增益有起伏（紋波），也叫紋波型，但這種濾波器的通帶邊界（即過渡帶）下降最快（3）貝塞爾型的傳遞函數(shù)分母為貝塞爾多項式，這種濾波器通帶邊界下降較緩慢，但其相頻特性接近線性，故又稱線性相位型

帶通濾波器(BPF)

將一個低通濾波電路和一個高通濾波電路串聯(lián)連接即可組成帶通濾波電路，fh>fL能組成帶通電路。

其他類型有源濾波器低通高通f2fO低通ff1O高通阻阻f2f1fO通帶通濾波器原理示意圖

在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。 一個低通濾波電路和一個高通濾波電路并聯(lián)連接組成的帶阻濾波電路，fh<fL能組成帶阻電路帶阻有源濾波電路（BEF）低通高通f2f1fO通

阻

通fO低通f1f2fO高通帶阻濾波器原理示意圖

8.3電壓比較器電壓比較器輸入的是模擬信號，輸出的則是屬于數(shù)字性質(zhì)的信號。電壓比較器作為模擬電路與數(shù)字電路之間的接口電路，廣泛應(yīng)用于數(shù)字儀表、A/D轉(zhuǎn)換、信號檢測、自動控制和波形變換等各個領(lǐng)域。國內(nèi)外均有專用集成電壓比較器產(chǎn)品，但也可以用通用型集成運算放大器組成各種形式的電壓比較器，此時運放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，屬非線性應(yīng)用。對電壓比較器的基本要求是：動作迅速，反應(yīng)靈敏，判斷準(zhǔn)確，同時抗干擾能力強，另外還應(yīng)有必要的保護措施。8.3.1

單限比較器采用模擬電壓比較器：對兩個輸入模擬信號進行比較，使電路輸出在兩個極限電平之間自動轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)方波（矩形波）輸出。在用模擬電路產(chǎn)生非正弦波形時，電壓比較器是其中的主要單元電路。1、過零比較器反相單門限比較器及電壓傳輸特性同相單門限比較器及電壓傳輸特性8.3.2滯回比較器反相滯回比較器同相滯回比較器比較電壓接反相端，參考電壓在同相端，輸出與輸入構(gòu)成正反饋。比較電壓接同相端，參考電壓在反相端，輸出與輸入構(gòu)成正反饋。①反相滯回比較器

由于運放的開環(huán)增益無窮大，所以比較實際上在兩點電平的比較。

利用疊加原理，求得點的電位為當(dāng)

時，上觸發(fā)電平當(dāng)

時，下觸發(fā)電平VTH和VTL是比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)的兩個閾值電平模擬電壓比較器

輸入和輸出之間的關(guān)系用電壓傳輸特性表示如圖由于其特性如同滯遲回線，故稱滯遲比較器（或滯回比較器）反相滯回比較器電壓傳輸特性如反相模擬比較器的輸入比較信號為三角波，則輸出是一個方波，如圖所示:②同相滯回比較器

同相滯回比較器電壓傳輸特性怎么分析？從滯回比較器電壓傳輸特性可知，它有一個十分重要的特性：回差特性—電路由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平所需的觸發(fā)電平VTH，和由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平所需的觸發(fā)電平VTL不一致特性（該處指同相滯回比較器）。這兩個觸發(fā)電平之差稱回差電壓（簡稱回差）反相滯回比較器電壓傳輸特性同相滯回比較器電壓傳輸特性

回差是滯回比較器的固有特性，它的大小可以通過有關(guān)電阻調(diào)節(jié)。回差電壓越大，電路越不易誤觸發(fā)，即抗干擾能力越強。

可用于消除抖動比較器抖動：利用遲滯比較器消除抖動：斯密觸發(fā)器電壓傳輸特性斯密觸發(fā)器電路符號實現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換

【相關(guān)知識回顧】

用于脈沖整形將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。將邊沿變換緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，

用于鑒幅電路8.3.3

窗口比較器和三態(tài)電壓比較器

窗口電壓比較器電路有兩個參考電壓VRH和VRL，當(dāng)＞VRH時，VO1=VOH，VO2=VOL，VO=VOH；當(dāng)＜VRL時，VO1=VOL，VO2=VOH，VO=VOH；當(dāng)

VO1=VO2=VOL，VO=0；由此畫出電壓傳輸特性如左圖所示。三態(tài)電壓比較器三態(tài)比較器電壓傳輸特性D2導(dǎo)，D1截，D2截，D1導(dǎo)，D2截，D1截，三態(tài)比較器電路8.3.4集成比較器

1.LM311型集成比較器特點：電源電壓可以單組+5V，也可±15V，適應(yīng)范圍寬；輸出與TTL或CMOS電平兼容；可以直接驅(qū)動多種負(fù)載（燈泡、繼電器等）。LM311的幾種實際連接兩種典型應(yīng)用磁性測量電路繼電器驅(qū)動電路2.MC14574（CMOS）集成四電壓比較器MC14574比較器電路原理圖MC14574比較器引腳排列圖接成單門限比較接成單門限比較接成斯密特觸發(fā)器在測量、控制、通訊、廣播、電視，計算機中有各種各樣的信號（信號波形）。正弦波是最常見的波形。在這一章中，將討論用正反饋構(gòu)成的正弦波發(fā)生電路第9章信號發(fā)生電路9.1產(chǎn)生正弦振蕩的條件

正弦振蕩器：即不需要任何輸入信號，能產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的一定幅度和頻率的正弦波。

在負(fù)反饋放大電路中，放大器在通頻帶以內(nèi)是負(fù)反饋，而在通頻帶以外，由于附加相位移的原因，可能會形成正反饋，從而產(chǎn)生自激振蕩。這是必須加以克服的。而在正弦波振蕩電路中，目的是產(chǎn)生正弦波，所以在通頻帶以內(nèi)，就要求接成正反饋。這是構(gòu)成正弦振蕩電路的首要條件。在無輸入信號下（）能振蕩起來（稱自激），應(yīng)使電路的環(huán)路增益大于1（即），這樣能利用開啟電源時的噪聲，使不斷地增大，最終產(chǎn)生自激振蕩。所以，產(chǎn)生自激振蕩必須滿足下列兩個條件：＞1通常滿足這兩個條件時，電路一定振蕩。但是穩(wěn)定的正弦波振蕩還應(yīng)該有：

單一頻率的正弦波—所以要有選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的正弦波—環(huán)路增益自動達到一個正弦波振蕩電路應(yīng)包括放大環(huán)節(jié)、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個部分。9.2RC正弦振蕩器

用RC選頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)正弦振蕩的電路如圖所示RC正弦波振蕩器的振蕩頻率較低，一般在1MHz以下電路由三部分組成：放大器A部分；RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)—形成正反饋；二只電阻構(gòu)成了負(fù)反饋支路—穩(wěn)定振蕩幅度。電路是如何振蕩起來？RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性可用下式表示當(dāng)參數(shù)選取，令則正反饋網(wǎng)絡(luò)的幅頻表達式：正反饋網(wǎng)絡(luò)的相頻表達式：頻率特性如左圖所示⑴當(dāng)電路為正反饋，而且正反饋最強。所以，只有在此時才能產(chǎn)生單一頻率的振蕩。⑵所以有說明，只要有大于3倍的閉環(huán)增益，電路就能起振。3倍的閉環(huán)增益可方便地通過調(diào)節(jié)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的兩只電阻實現(xiàn)。起振后，如不加穩(wěn)幅措施，則輸出幅度會越來越大，最終出現(xiàn)非線性失真（飽和和截止失真）→停振→又慢慢起振→…。兩條反饋回路來看穩(wěn)幅過程實際上是使環(huán)路增益自動保持在1（即）的過程。=1

這個過程可由負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，如固定，則用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻；如固定，則用正溫度系數(shù)的熱敏電阻。當(dāng)振蕩幅度較小時，

二極管支路內(nèi)的電流較小

二極管等效電阻較大（）

9.3LC正弦波振蕩器LC正弦振蕩器通常用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，所以，其振蕩頻率即為諧振頻率。根據(jù)電路原理，回路總阻抗：①諧振時振蕩器常用作高頻信號源，其振蕩頻率多在幾百千赫以上③電路諧振時，諧振電流比外電路的電流大得多，所以可以略去外電路的影響。②電路諧振時，回路呈現(xiàn)純阻特性，且阻抗最大④電路諧振時的諧振特性和品質(zhì)因數(shù)

在LC正弦波振蕩器中，由于增益大，環(huán)路增益大于1的條件很容易滿足，因此只要保證其滿足正反饋（即相位條件）就能振蕩?？梢?，越高，選頻特性越好。（這和收音機中的選擇性好壞相一致）

電路類型有電感反饋式和變壓器反饋等幾種。9.3.1變壓器反饋式LC正弦振蕩器有以下三個變壓器反饋式的電路，試分析能否產(chǎn)生正弦振蕩？在諧振頻率下，Cb和Ce都可視作短路。因此用瞬時極性法，可得反饋到基極的信號與原輸入同相，即滿足相位條件。是一個正弦波振蕩器。這是一個共射電路組成的正弦振蕩電路。同樣在諧振時，Cb和Ce都可視作短路，由瞬時極性分析，同樣滿足相位條件，所以，也能產(chǎn)生正弦振蕩。這是共基正弦波振蕩器，反饋信號從發(fā)射極注入，由瞬時極性同樣得到是一個正弦波產(chǎn)生電路。9.3.2三點式LC正弦振蕩器三點式是指：LC并聯(lián)諧振電路的三個引出端分別與三極管的三個電極（或運算放大器的三個端子）相連接，然后組成振蕩器。三點式有電感三點式和電容三點式兩種

⑴電感三點式LC正弦振蕩器假定基極的瞬時極性為正，則諧振回路極性是上負(fù)下正，反饋到基極的信號同相位，即為正，所以為正反饋，能產(chǎn)生正弦振蕩。電感三點式非常容易起振，但波形不理想。其振蕩頻率由并聯(lián)諧振回路決定⑵電容三點式LC正弦振蕩器

電容三點式電路在fo的交流通路可見，在射極注入正極性的電壓后，并聯(lián)諧振回路產(chǎn)生上正下負(fù)的瞬時極性，所以反饋回到射極的極性仍為正，滿足正反饋的相位要求，電路能產(chǎn)生正弦振蕩。振蕩頻率為：該電路的優(yōu)點是波形好，原因是反饋信號取自電容兩端，不含有高次諧波。缺點是不是起振。

在略去電源及偏置電路后，三點式振蕩器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖Z1、Z2、Z3是諧振電路的三個電抗，它們可以是電容和電感元件。根據(jù)諧振電路中間的矢量關(guān)系可以證明：當(dāng)Z1、Z2同為電感（或電容），而Z3為電容（或電感）時，相位反相，（即）才能滿足正反饋的相位要求，（即）。瞬時極性判定！*三、振蕩電路中的穩(wěn)幅和穩(wěn)頻問題

⑴要求振蕩頻率穩(wěn)定，應(yīng)選用高質(zhì)量的電感L和電容C，提高諧振回路的Q值。在頻率高穩(wěn)定要求場合，可用石英晶體振蕩器。⑵振蕩幅度穩(wěn)定基本思路是使環(huán)路增益能自動地維持在1上，（即）反饋系數(shù)F不變時，用調(diào)節(jié)增益A來自動穩(wěn)幅（即使）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)設(shè)在A中

如放大器因某種原因使輸出增大時，放大器的增益下降，反之增益增加。假如放大器振蕩時，其輸出在

增益A不變時，用調(diào)節(jié)反饋系數(shù)F來自動穩(wěn)幅（即使）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)設(shè)在F中

**利用器件的非線性特性實現(xiàn)穩(wěn)幅的說明（以電感三點式為例說明）。穩(wěn)幅過程：開始起振時，因振幅小，信號正負(fù)半周對電容的充放電基本相等，VBQ電壓基本不變，電路以正反饋使振蕩加強振蕩電路的基極回路電容上充足的直流電壓Rb1、Rb2并聯(lián)電阻電感L2上的反饋信號振蕩電路的基極回路輸出幅變增大。當(dāng)幅度大到一定程度，反饋信號也增大，在正半周時，Cb放電快（VBE正偏時電阻和R`并聯(lián)），使VBQ下降，rbe變大，A下降，從而使輸出幅度變小。反之，也一樣，使輸出幅度增大，達到穩(wěn)幅的目的。9.4石英晶體振蕩器石英晶體是一種諧振器件（利用了SiO2結(jié)晶體的壓電效應(yīng)原理）外形結(jié)構(gòu)等效電路電路符號9.4.1石英晶體的等效電路及其頻率特性靜電電容（平行板電容）約幾~幾十皮法晶體彈性電容10-4~10-1pF模擬晶體機械振動慣性10-3~10-2H模擬機械振動摩擦損耗，很小因L大，C、R小，則因加工精度很高，所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度。在略去R下，其兩端看進去的等效電抗為：其頻率特性如圖所示：當(dāng)電抗為，回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振。當(dāng)時，LCR支路呈感性，與CO構(gòu)成并聯(lián)諧振，諧振頻率為：

9.4.2石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器的電路主要有兩種結(jié)構(gòu)：①并聯(lián)式石英晶體正弦振蕩器它是將振蕩頻率設(shè)計在之間，使晶體呈感性，它和兩只電容構(gòu)成電容三點式正弦振蕩。并聯(lián)型晶體正弦振蕩器和它將原電容三點式中的電感用晶體代替罷了，所以有振蕩頻率為：②串聯(lián)式石英晶體正弦振蕩器

把振蕩頻率設(shè)在fs，此時，晶體電抗為0，晶體接在正反饋支路，而且是正反饋最強。

9.5非正弦波發(fā)生器

非正弦波主要是指三角波和脈沖波

9.5.1由集成運放組成的非正弦波發(fā)生器用一個滯回比較器組的方波和三角波發(fā)生器電路中的R和C是電容充放電回路，RO、DZ1、DZ2是輸出電壓的雙向限幅電路，R1和R2構(gòu)成反相滯回比較器電路。電路定性工作原理如下：

合電源瞬間，電容上電壓為0（即），但因電路中的噪聲等原因，的電位可能為正，此時，輸出電壓為高電平，于是電容器C充電，其路徑為：運放輸出→RO→R→C→地→電源→運放輸出，形成閉合回路，電壓指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)該電壓升至反相滯回比較器的上限觸發(fā)電平VTH時，輸出狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?。這之后，電容器C放電，隨著放電，電容上電壓下降，當(dāng)下降到下限門限電平時，輸出狀態(tài)又回到高電平，如此周而復(fù)始，在輸

出端得到方波，而在電容器上將得到三角波形。電路的主要技術(shù)指標(biāo)：①振蕩周期（或振蕩頻率）利用過度過程中，一階RC電路電容上電壓的過度過程計算。根據(jù)波形T=2t1，即電容充電時間和放電時間之和。根據(jù)波形充電時有：根據(jù)波形放電時有：所以：解得：②振蕩幅度

該電路的三角波線性不好是主要的缺點，設(shè)想讓電容恒流充放電來改善線性，得到線性好的三角波。

改進的思路：設(shè)想加在比較器的比較電壓來自積分器的輸出，而比較器的輸出又作為積分器的輸入積分運算電路輸入電壓為方波時，輸出為一個三角波。輸入階躍信號呢？電路由線性積分器和一個同相滯回比較器組成，積分器的輸入來自比較器輸出，積分器輸出又為比較器的比較電壓輸入。

合上電源瞬間，假定比較器輸出為高電平VO2=VOH=+VZ，積分器負(fù)方向積分，VO1負(fù)方增大，當(dāng)VO1下降至同相比較器的VTL時，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成低電平VO2=VOL=-VZ，積分器又作正方向積分，VO1線性上升，當(dāng)升至上限觸發(fā)電平VTH時，比較器輸出又翻轉(zhuǎn)為高電平VO2=VOH=+VZ，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，使VO1輸出為線性優(yōu)良的三角波，VO2輸出方波。

輸出波形的周期T計算：是兩次積分時間之和，先求三角波的幅度，而幅度應(yīng)從同相滯回比較器的臨界轉(zhuǎn)換條件來求。當(dāng)時，流過電阻R1和R2的電流相等，由此得：從波形圖得：思考：如要產(chǎn)生示波器的鋸齒波掃描信號，電路應(yīng)該如何改進？

將積分器的正向和負(fù)向積分回路分開，并能調(diào)節(jié)，如圖把R用下圖代替即可9.5.2由CMOS門組成的晶體振蕩器

用邏輯門電路和石英晶體能構(gòu)成振蕩頻率很穩(wěn)定的脈沖波形，通常用在數(shù)字邏輯電路中，作為時鐘脈沖信號。這種振蕩電路主要有兩種電路結(jié)構(gòu)。一種是將諧振頻率選在串聯(lián)諧振頻率fS，由于諧振時電抗為0，把晶體設(shè)置在正反饋回路，構(gòu)成串聯(lián)型石英晶體振蕩器

電路中，R是偏置電阻，使靜態(tài)時工作點落在轉(zhuǎn)換特性的線性區(qū)，以利容易起振，晶體串在正反饋回路。電路中和近似為正弦，經(jīng)G3

整形后變成方波。并聯(lián)型晶體多諧振蕩器另一類是并聯(lián)型石英晶體振蕩器，頻率選在和之間，使晶體呈現(xiàn)電感性，以便形成電容三點式的振蕩。溫度校正電容頻率微調(diào)電容波形整形對TTL門，通常取R=0.7～2k對于MOS門，則取R=10～50M。

R為偏置電阻

石英晶體振蕩器的突出優(yōu)點是具有極高的頻率穩(wěn)定度，多用于要求高精度時基信號的數(shù)字系統(tǒng)中。9.5.3壓控振蕩器（VCO或V/F)

在一些使用場合，要求電路的振蕩頻率與控制電壓成比例，即電壓控制振蕩頻率。

下圖是壓控振蕩器的一種電路方案電路由一個積分器和一個同相滯回比較器組成。二極管作隔離，并作快速放電通路。穩(wěn)壓管用作同相比較器輸出限幅。工作原理簡述如下：

時，假定同相比較器輸出高電平（=VZ），D截止，積分器反向積分，線性下降，當(dāng)下降至0并繼續(xù)下降至VTL時，比較器輸出變?yōu)榈碗娖剑?VD≈-0.7V），隨后D導(dǎo)電，C放電（較快），電位上升，當(dāng)升至VTH時，輸出又變高電平，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。從波形圖可知，反向積分時間長，而放電時間很短，振蕩周期由反向積分時間決定，所以有振蕩周期：狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的條件是該圖增加了一只R1’電阻，其它沒有變，所以充放電時間一樣，產(chǎn)生的是三角波和方波輸出。充放電電流相等的壓控振蕩器

第10章功率變換電路

1、從功率變換的角度討論放大電路如何有效地將直流供電電源的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的信號功率。

2、如何將交流電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換為電子電路所要求的直流電能。

10.1功率放大電路的特點和基本類型

10.1.1功率放大電路的主要特點

(1)由于輸出電壓或輸出電流的幅度較大，功率放大電路必須工作在大信號條件下，因而容易產(chǎn)生非線性失真。如何盡量減小輸出信號的失真是首先要考慮的問題。(2)輸出信號功率的能量來源于直流電源，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。(3)半導(dǎo)體器件在大信號條件下運用時，電路中應(yīng)考慮器件的過熱、過流、過壓、散熱等一系列問題，并要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。10.1.2功率放大電路的基本類型

1.甲類單管功放級靜態(tài)管壓降靜態(tài)電流

電源提供的直流功率:

負(fù)載上得到的輸出信號功率為:功率輸出級的效率為

:2.乙類功率放大器功率放大電路主要有:互補對稱式和變壓器耦合推挽式二種類型雙電源供電電路，稱OCL(OutputCapacitorless)功放電路單電源供電電路，稱OTL(OutputTransformerless)電路(1)互補對稱式OTL功率放大器要求輸入端(T1、T2基極)上的靜態(tài)電壓也為VCC/2，即υI=(VCC/2)+υi。

單電源互補對稱功率放大器增加了一只大容量(幾百～幾千微法)的電解電容器。當(dāng)靜態(tài)時(υi=0)，T1和T2都截止。它們的射極電壓為VCC/2，所以電容器C上充有VCC/2的電壓信號υi為正半周時，T1導(dǎo)電，使T2截止，負(fù)截RL上流過正半周電流；信號為負(fù)半周時，電容器C上的電壓VCC/2作為電源，T2導(dǎo)電，T1截止，負(fù)載上流過負(fù)半周信號電流。所以電容C要有足夠大的容量，使得在信號負(fù)半周時能提供出較大的電流?；パa對稱功率放大器由于在靜態(tài)條件下T1和T2都處于截止?fàn)顟B(tài)，所以它的靜態(tài)功耗為零，但在動態(tài)時存在嚴(yán)重的交越失真。為了克服交越失真，必須給互補對稱功率放大電路設(shè)置一定的靜態(tài)工作點(使信號υi=0時，T1、T2管都處于微導(dǎo)電狀態(tài))。根據(jù)靜態(tài)工作點的不同設(shè)置，互補對稱功率放大器可以工作在乙類，即導(dǎo)電角θ=180°；甲類功放，即導(dǎo)電角θ=360°和甲乙類功放，即導(dǎo)電角θ=180°～360°。甲類功率放大乙類功率放大*(2)變壓器耦合推挽式(不要求）變壓器耦合的優(yōu)點是，通過改變變壓器的變比，能找到一個最佳的等效負(fù)載(此時輸出功率最大，且不失真)。并且，在不提高電源電壓的條件下，可以使輸出電壓的幅度Vom超過電源電壓。由變壓器原理可知是由變壓器付邊負(fù)載電阻折合到原邊后的等效電阻。而調(diào)節(jié)變比n的大小可用變壓器抽頭實現(xiàn)。10.2功率放大電路的分析計算

10.2.1功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)雙電源互補對稱式功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)1、輸出功率Po和輸出效率η設(shè)輸入：則輸出：輸出功率：電源提供平均功率：轉(zhuǎn)換效率:

當(dāng)輸入信號幅度達到理想的最大值時，最大輸出功率當(dāng)考慮功放管的飽和壓降VCES時，Vom=VCC-VCES，實際效率將小于78.5%(一般為60～70%)。

2、管耗PT

T1、T2二管的總管耗為：

為求最大管耗PTM，對上式求導(dǎo)，并令dPT/dVom=0,即此時：所以每個功放管的最大功耗為：

10.2.2功率管的選取以及應(yīng)用時需考慮的問題在互補對稱功率放大電路中，功放管必須按以下幾點原則選?。?1)管子的功耗PCM＞0.2Pomax(2)功放管的耐壓V(BR)CEO＞2VCC(3)功放管允許的最大集電極電流ICM＞VCC/RL功放電路實際應(yīng)用時需考慮的問題（1)功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對，大小工作電流時的β一致。在大電流下飽和壓降小，且一致。

(2)管子的散熱問題。在大功率場合，必須給管子裝上一定尺寸的散熱板，或進行風(fēng)冷和水冷。

(3)功放管因在大電流、高電壓下工作，應(yīng)對其采取過壓和過流保護措施。

(4)當(dāng)電源質(zhì)量不高或內(nèi)阻較大時，電源內(nèi)阻上的壓降可能會引起功放電路的低頻自激。消除低頻自激的有效方法是在前置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。思考：對于單電源工作的OTL功放這些指標(biāo)又如何？單電源組成的功率放大電路的分析:10.3

集成功率放大器10.3.1集成運放的擴流與擴壓1、集成運放的擴流在集成運放的輸出端再加一級互補對稱功放利用T1、T2管子的電流放大作用，達到擴大輸出電流的目的實際的功率放大電路通常由