第11章运算放大器10.ppt

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1、第11章 运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用,11.1.1运算放大器的组成,11.1运算放大器的简单介绍,2、集成电路的特点,1.元器件参数的一致性和对称性好；2.二极管多用三极管的发射结代替；3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；4.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。,1、概述,3、集成运放的结构和符号,a.集成运放的内部电路结构框图,输入级,偏置电路,输出级,中间级,输入级(ri 大)差动放大器,输出级(ro

2、小)射极输出器或互补对称功率放大器,中间级(Au大)电压放大器,b.集成运算放大器的符号,u,u+,uo,A0,ri 大:几百 k以上,c.运放的特点：,共模抑制比KCMR 很大,ro 小：几十 几百,开环A o 很大:104 107,1.运算放大器的电压传输特性,uo=f(ui),其中 ui=u+u,11.1.2 理想运算放大器及其分析依据,线性关系,非线性关系,2.理想运放工作在线性区的分析依据,“虚断路”原则,+,ii,ui,rid,ui,ii,rid,=,对于理想运放,相当于两输入端之间断路,uO,ii 0,(1),+,相当于两输入端之间短路,ui 0,2.理想运放工作在线性区的分析依

3、据,对于理想运放,uo,=,ui,u,=,u,Auo,+,u,i,u,o,(3)“虚地”的概念,由“虚断路”原则 ii=0,有 u+=0；,u+u=0,如图，运放工作在线性放大区：,由“虚短路”原则,2.理想运放工作在线性区的分析依据,“虚断路”成立；,3.理想运放工作在非线性区的分析依据,注意:u+=u 不一定成立！,运放工作在线性工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。,输出u0只有两种可能：u+u-时，u0=UOM;u+u-时，u0=-UOM;,11.2 放大电路中的负反馈,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱

4、了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,11.2.1 反馈的基本概念,正反馈,xd=xi+xf,负反馈,xd=xi xf,F=xf/xo,A,F,xo,xi,xd,xf,闭环放大倍数（负反馈）,xi 总输入信号,xd 净输入信号,xf 反馈信号,开环放大倍数,反馈系数,xo 输出信号,反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。,开环,uo,uI,R1,R2,闭环,R1、R2组成反馈网络,例：,反馈极性的判断：,(1)先假设输入端信号在某一时刻对地的极性；(2)依此向输出端逐级判断电路中各相关点电位的极性或电流的流向（电阻、电容不改变极性），从而得到

5、输出信号的极性；(3)再判断出反馈信号的极性，若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则为负反馈（否则为正反馈）。,负反馈,R2,u,i,u,o,RL,RF,R1,+,+,ud,+,R1,R2,R3,RF,Dz,uO,ui,UZ,+,正反馈,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,稳定或提供静态工作点,11.2.2 负反馈的类型,串联反馈:(反馈信号为电压),ui=uid+uf,输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；,并联反馈:(反馈信号为电流),ii=iid+if,输入信号和反馈信号加在同一个输入端（同相或反

6、相）上的，是并联反馈；,电压反馈:(反馈信号与输出电压成正比),反馈在输出端与u0在同一端时，为电压反馈,电流反馈:(反馈信号不与输出电压成正比),反馈在输出端与u0不在同一端时，为电流反馈,串联电压负反馈,i,R2,u,u,o,RL,RF,R1,例：,并联电流负反馈,RL,+,+,R2,R1,RF,R,例：,i,u,例1：判断反馈的组态。,R引入 电流 串联 交直流 负 反馈,反馈的判别举例,利用瞬时极性法判断反馈的正负,+,+,+,T,+,+,射极输出器,ui,uo,RS,C1,RB,C2,RE,RL,+VCC,+,+,RE:电压串联负反馈,例2：判断反馈的组态。,+,+,RF反馈类型：负

7、反馈(级间),+,串联,电流,例3：判断反馈的组态。,RF1反馈类型：负反馈(级间),并联,电压,RF2反馈类型：负反馈(级间),并联,电流,分压式偏置电路,例4：判断分立元件放大电路反馈的组态。,RE引入 电流 串联 交直流 负 反馈,+,+,11.2.4 负反馈对放大电路性能的影响,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环放大倍数,闭环放大倍数,1.降低放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,|1+AF|称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。,2.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,若|AF|1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下

8、，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,1)串联反馈:使电路的输入电阻增加,3.对输入电阻的影响,2)并联负反馈:使电路的输入电阻降低,1)电压负反馈:使电路的输出电阻降低,2)电流负反馈:使电路的输出电阻提高,4.对输出电阻的影响,(为获得电压),(为获得电流),(为提供电压),(为提供电流),5.改善波形失真,6.展宽通频带,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,理想运放工作在线性区的分析依据,+,ii,ui,rid,uO,+,“虚断路”成立；,理想运放工作在非线性区的分析依据,注意:u+=u 不一定成立！,输出u0只有两种可能：u+u-时，u0=UOM;u+u-时，u0=-UOM;,

9、11.3.1 比例运算电路,虚地,RF引入深度负反馈,1.反相比例运算电路,虚地：,例:反相比例运算电路,设:RFR4,求Auf,解：,代入 if=i1,由 RFR4,RF,R,R,1,2,u,i,u,o,uf,2.同相比例运算电路,虚断路,id 0,虚短路,故有：,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,电压跟随器,3.差动比例运算电路,u,o,RF,R1,R2,R3,利用叠加原理进行分析,减法电路（调整电阻值使uo=ui2-ui1）,F,1,u,o,3,1.反相加法运算电路,P,ui1,ui3,ui2,i1,i2,i3,

10、if,11.3.2 加法运算电路,2,（调整电阻值使uo=-(ui1+ui2+ui3)）,反相比例运算电路,RF,R,R,1,2,u,i,u,o,uf,同相比例运算电路,11,u,i1,21,例：两级反相输入减法运算电路,13,22,N2,N1,u,o,F1,u,R,R,R,R,R,R,R,i2,F2,u,i,反相积分运算电路,CF,uo,2,11.3.4 积分电路,由虚断和虚地,i1,iC,uC,uO=uC,可得,习题 11.3.13:已知电源电压为15V，ui1=1.1V,ui2=1V。问:输出电压uo由0上升到10V所需时间。,u,uO,i,11.3.5 反相微分运算电路,C1,uo,u

11、i,F,输出与输入的关系式为,若输入为方波,则输出波形为,ic1,ic1,“虚断路”成立；,理想运放工作在非线性区的分析依据,注意:u+=u 不一定成立！,输出u0只有两种可能：u+u-时，u0=UOM;u+u-时，u0=-UOM;,（u+-u-）,11.4.电压比较器,1.过零比较器,R1,R2,uo,ui,UOM,-UOM,ui,uo,(1)反相输入过零比较器,0,(2)同相输入过零比较器,R1,R2,例：过零比较器的应用(波形变换）,UOM,-UOM,t,t,UOM,-UOM,0,0,0,ui,uo,uO,ui,ui,uo,0,ui,uo,R1,R2,R3,Dz,ui,uo,2.过零限幅比较器,