河南科技大学电子技术第2章

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1、电子技术,电子技术,第二章 集成运算放大电路及应用,第二节,集成运算放大电路简介,第四节 集成运放在信号运算电路中的应用,第六节 集成运放在信号发生电路中的应用,第七节 集成,运放的选择与使用,第五节,集成运放在信号处理电路中的应用,第一节,差分放大电路,第三节,电路中的负反馈,第,二,章 集成运算放大电路及应用,前面介绍的,分立电路,,就是由各种,独立元件,联接起来的电子电路。这一章我们要给大家介绍,集成电路,。,它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、价格便宜等特点，所以一经问世，就获得了广泛的应用，标志着电子技术的一个新的飞跃。,,所谓集成电路，就是把整个电路的各个元件以及

2、相互之间的联线同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的,整体,。,就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模之分。就导电类型而言，有双极型、单极型和两者兼容的。就其功能而言，有,数字集成电路,和,模拟集成电路,，后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等多种。,第一节,差分放大电路,第一章介绍的,阻容耦合,放大电路只适合于放大交流信号，而在工业控制和科学实验中经常遇到另外一些信号，即变化缓慢的电信号。如利用电热偶测量炉温的信号，由于炉温变化很慢，所以电热偶给出的就是一个缓慢变化的电压信号。,,0,t,u,o,,这种缓慢变化的信号不能采用阻容耦合，只能用,直接耦合

3、,的多级放大电路来放大。,直接耦合：,将前级的输出端直接接后级的输入端。,,可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,+,U,CC,u,o,R,C2,T,2,u,i,R,C1,R,1,T,1,R,2,–,–,+,+,R,E2,2. 零点漂移,零点漂移：,指输入信号电压为零时，输出电压发生,,缓慢地、无规则地变化的现象。,u,o,t,O,产生的原因：,晶体管参数随温度变化、电源电压,,波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,1. 前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害：,,直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。,,严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还

4、是漂移电压。,一般用输出漂移电压折合到输入端的,等效漂移电,,压,作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效,,漂移电压,输出端,,漂移电压,电压,,放大倍数,,如某放大电路的输出电压：,则折算到输入端的等效零漂电压,电压放大倍数，,而只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,通频带,f,|A,u,,|,0.707,| A,u,o,|,O,f,H,| A,u,o,|,幅频特性,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,一、差分

5、放大电路的工作原理,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,差动放大原理电路,,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,T,1,R,B1,R,C,u,i2,R,B2,R,B1,+,+,+,–,–,–,T,2,两个输入、两个输出,两管,静态工作点相同,输出电压：,,u,o,=,V,C1,－,V,C2,,= 0,,静态时，,u,i1,,=,,u,i2,,= 0,I,C1,=I,C2 ，,V,C1,=V,C2,,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,T,1,R,B1,R,C,u,i2,R,B2,R,

6、B1,+,+,+,–,–,–,T,2,u,o,= (,V,C1,+,,V,C1,,,) － (,V,C2,+,,,V,C2,) = 0,当温度升高时,,I,C,,V,C, （两管变化量相等）,,差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,T,1,R,B1,R,C,u,i2,R,B2,R,B1,+,+,+,–,–,–,T,2,,I,C1,=,,I,C2,，,,V,C1,,=,,V,C2,,两管集电极电位呈等量同向变化，,,V,C1,,=,,V,C2,，,所以输出电压为零，即,对共模信号没有放大能力,。,1. 共模信

7、号输入,,u,i1,=,u,i2,大小相等、极性相同,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,,+,U,CC,u,o,R,C,R,B2,T,1,R,B1,R,C,R,B2,R,B1,+,–,u,i1,u,i2,+,+,–,–,T,2,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,共模信号,,需要抑制,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,T,1,R,B1,R,C,u,i2,R,B2,R,B1,+,+,+,–,–,–,T,2,,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,2.,差模信号输入,,u,i1,= –,u,i2,大小相等、极性相反,u,o,= (,V,

8、C1,－,,V,C1,,,)－(,V,C2,+,,,V,C１,) =－2,,V,C1,即,对差模信号有放大能力,。,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,差模信号,,是有用信号,3. 差分信号输入,,,u,i1,、,u,i2,大小和极性是任意的。,放大器只放大两个输入信号的差值信号—差分放大电路。,,u,o,=A,u,(u,i1,-u,i2,),这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,,对于比较信号，常分解为差模信号和共模信号处理。,,u,i1,= u,ic1,+u,id1 ，,u,i2,= u,ic2,+u,id2,， u,id1,= - u,id2,,,,

9、u,ic1,= (u,i1,+u,i2,) , u,id1,= (u,i1,-u,i2,),例1,:,,u,i1,= 10 mV,,u,i2,= 6 mV,u,i2,= 8 mV － 2 mV,例2,:,,u,i1,=20 mV,,u,i2,= 16 mV,可分解成:,,u,i1,= 18 mV + 2 mV,u,i2,= 18 mV － 2 mV,可分解成:,,u,i1,= 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,差分放大器对差模信号放大，而抑制共模信号。,,若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数,A,c,= 0,,,输出电压,,u,o,,=,,A,d,,（,u,

10、i1,－,,u,i2,） =,,A,d,,u,id,,,若电路不完全对称，则,A,c,,0,，,,实际输出电压,,u,o,,=,A,c,u,ic,+,,A,d,,u,id,,即共模信号对输出有影响 。,u,o1,=A,c,u,ic1,+ A,d,u,id1,,，,u,o2,=A,c,u,ic2,+A,d,u,id2，,,u,o,=u,o1,-u,o2,=A,d,（u,id1,-u,id2,）=A,d,u,id,差分放大器对差模信号放大，而抑制共模信号。,二、典型差分放大电路,+,U,CC,u,o,u,i,1,R,C,R,P,T,1,R,B,R,C,u,i2,R,E,R,B,+,+,+,–,–

11、,–,T,2,E,E,+,–,R,E,的作用：,稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,E,E,：用于补偿,R,E,上的压降，以获得合适的工作点。,二、典型差分放大电路,温度,I,C1,I,C2,I,E,U,R,E,U,BE1,U,BE2,I,B1,I,B2,I,C1,I,C2,由于,R,E,上电压,U,R,E,的作用，使得它对共模信号具有抑制作用，而对差模信号，由于,I,C1,和,I,C2,的作用相互抵消，使它不影响差模信号的放大作用。,差分放大电路抑制零漂的过程如下：,三、差分放大电路对信号的放大,1.静态分析：,+U,CC,-U,EE,R,E,2I,E,R,B,R,C,I,C,I,B,U,

12、BE,由于电路对称，计算一个管的静态值即可。,由基极电路可知：,R,B,I,B,+U,BE,+2R,E,I,E,=U,EE,I,E,=（1+ ）I,B,I,B,=,U,EE,-U,BE,R,B,+2（1+ ）R,E,U,CE,=U,CC,-R,C,I,C,2. 动态分析,i,c,R,C,u,O1,i,b,R,B1,u,I1,单管差模信号通道,R,L,2,r,be,四、差分放大电路的输入输出形式,双端:,单端:,双端:,单端:,全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,,K,CMR,越大，说明差放分辨,,差模信号的能力越强，而抑制,,共模信号的

13、能力越强。,五、 共模抑制比,共模抑制比,第二节,集成运算放大电路简介,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,一、集成运算放大电路的组成,输入端,输出端,输入级,中间级,输出级,偏置,,电路,输入级：,输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大电路,,。,,中间级：,要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,输出级：,与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,,,,偏置电路,主要为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种

14、恒流源电路组成。,+,U,CC,–,U,EE,u,o,u,–,u,+,输入级,中间级,输出级,同相,,输入端,输出端,反相,,输入端,二、集成运放的特点:,,1.组件内各元件通过同一工艺制成，各类元件的对称性能好，温度性能一致，适用于差分电路。,4.集成电路中的二极管多以由,晶体管,的发射结代替。,,3.集成工艺中不适于做,电感,元件，也不适于做大的,电容,，所以其内部各放大器之间采用直接耦合，若需电感和大的电容，则采用外接的方法。,,2.集成工艺制造的电子范围有限，电路中往往采用晶体管,恒流源,代替大电阻。,,在应用集成运放时,需要知道它的符号、各个管脚的用途以及放大器的主要参数,至于它的内

15、部电路结构如何一般是无关紧要的。,二、集成运放的符号、引脚与参数,,1.集成运放的符号：,u,o,+,+,A,uo,u,+,u,–,。,。,,。,+U,CC,–,U,EE,–,,集成运算放大器有,铝壳封装,和,双列直插式塑壳封装,两种。,,常有七个引脚，,,如图所示，,,用途是：,F007,2,3,4,1,5,6,7,+15V,-15V,R,P,输出端,反相输入端,同相输入端,1和5,为外接调零电位器的两个端子。,2.引脚：,,2为反相输入端,，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的（或两者极性相反）。,,3为同相输入端,，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的（或两者极性相

16、同）。,,4为负电源端,，,,接-15V稳压电源。,,7为正电源端,，,,接+15V稳于电源。,,6为输出端,。,,,F007,2,3,4,1,5,6,7,+15V,-15V,R,P,输出端,反相输入端,同相输入端,3. 主要参数,（5）最大输出电压,U,OPP,,能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,（4）开环电压放大倍数,A,u,o,,运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。,,A,u,o,愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,愈小愈好,（1）输入失调电压,U,IO,,（2）输入失调电流,I,IO,,（3）输入偏置电流,I,IB,四、集成运放的电路模型与传输特性,1.

17、电路模型,输入端可用输入电阻来表示；输出端由受控电压源和输出电阻串联组成。,2. 传输特性,u,o,=,f,(,u,i,),线性区：,,u,o,,=,A,u,o,(,u,+,–,u,–,),非线性区：,,u,+,> u,–,,时，,u,o,=,+,U,o(sat),,,u,+,< u,–,,时，,u,o,=,–,U,o(sat),,+U,o(sat),,u,+,–,u,–,,u,o,–,U,o(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,R,B1,R,C,C,1,C,2,R,B2,R,E,R,L,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,–,–,一、基本概念,反馈：,将电子电路输出

18、端信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端,就称反馈。,e,s,R,B,+,U,CC,C,1,C,2,R,E,R,L,u,i,+,–,u,o,+,–,+,+,+,–,R,S,通过,R,E,,将输出电压,,反馈到输入,通过,R,E,,将输出电流,,反馈到输入,第三节,电路中的负反馈,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈放大电路的方框图,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,反馈,,电路,F,–,基本放大,,电路,A,,+,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若三者同相，则,,,X,d,=,X,i,–,X,f,反馈,,电路,F,–,

19、基本放大,,电路,A,,+,可见,X,d,<,X,i,，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用（,负反馈,）。,若引回的反馈信号与输入信号比较使净输入信号减小,则称这种反馈为,负反馈。,反之,,X,d,>,X,i,，即反馈信号起了增加净输入信号的作用（,正反馈,）。,若引回的反馈信号与输入信号比较使净输入信号增大,则称这种反馈为,正反馈。,,电路中引入负反馈后,放大倍数会降低,反之,电路中引入正反馈后,放大倍数会升高。,1.负反馈与正反馈的判别方法,瞬时极性法是判别电路中负反馈与正反馈的基本方法。,+,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,+,+,u,d,

20、对该电路，,u,f,为正，则,u,d,=u,i,-u,f，,使净输入信号减小。,,所以该电路为,负反馈。,u,f,1.,负反馈与正反馈的判别方法,-,+,R,1,R,F,R,2,+,+,-,-,u,o,u,i,u,d,u,f,+,-,+,+,-,对该电路，,u,f,为负，则,u,d,=u,i,-u,f，,使净输入信号增大。,所以该电路为,正反馈。,1.,负反馈与正反馈的判别方法,+,R,B1,R,E,R,B2,+,-,u,o,u,f,+,-,对该电路，,u,f,为正，则,u,be,=u,i,-u,f，,使净输入信号减小。,同样，在分立元件电路中，正、负反馈也可用瞬时极性法来判断。,u,i,R,

21、C,+U,CC,R,L,i,e,u,be,直流反馈,,交流反馈,直流反馈：,反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。,负反馈：,反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,交流反馈：,反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。,在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。,正反馈：,反馈增强净输入信号， 使放大倍数提高。,引入交流负反馈的目的：,改善放大电路的性能,引入直流 负反馈的目的：,稳定静态工作点,反馈的分类,二、负反馈的分类,1),根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈,,和电流反馈。,,电流负反馈,具

22、有,稳定输出电流,、增大输出电阻的作用。,,电压负反馈,具有,稳定输出电压,、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫,电压反馈,。如果反馈信号取自输出电流，叫,电流反馈,。,2),根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的,,不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为,串联反馈,。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为,并联反馈,。,串联反馈使电路的输入电阻增大，,,并联反馈使电路的输入电阻减小。,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,负反馈

23、的类型,稳定静态工作点,3).,负反馈类型的判别步骤,3),判别是否负反馈？,2),判别是交流反馈还是直流反馈？,4),是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,1),找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,,如前所述，,u,d,=u,i,-u,f,，电路中引入,负反馈,。,,反馈电压：,1、电压串联负反馈：,-,+,+,u,i,+,-,R,2,R,1,R,F,R,L,u,f,u,d,u,o,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式作比较，,u,d,=u,i,-u,f,，两者串联，故为,串联反馈,。,取自输出电压，故为,电压反馈,。,+,+,+,,如前所述，,u,be,=u,i,-u,f,，电路中引入负反

24、馈。,,反馈电压：,u,f,=u,o,例1：,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式作比较，,u,be,=u,i,-u,f,，两者串联，故为,串联反馈,。,U,CC,R,B,R,E,R,L,u,i,+,-,u,be,u,o,u,f,取自输出电压，故为电压反馈。,,净输入电流，,i,d,=i,i,-i,f，,即,i,f,消弱了净输入信号，故为,负反馈,。,2、电压并联负反馈：,u,i,i,i,i,d,i,f,R,1,R,2,R,L,R,F,u,o,-,+,+,-,-,+,+,+,-,反馈电流：,取自输出电压，故为,电压反馈,。,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式作比较，,,i,f,和,i,d

25、,“并联”由,i,i,供电，故为,并联反馈,。,电阻,R,F,连接在输入与输出之间，所以,R,F,是反馈元件,。,2),判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过,R,F,，,,所以,,R,F,引入的是交、直流反馈。,例2：,1),判反馈元件,+,U,CC,R,C,C,1,R,F,+,+,–,–,R,S,+,–,C,2,+,+,R,L,e,S,u,i,u,o,3),判断反馈类型,例2：,净输入信号：,,i,i,与,i,f,并联，以电流形式比较,,——并联反馈,,i,i,,正半周时，,i,f,也是正半周，即两者同相,——负反馈,,i,f,,正比于输出电压,——电压反馈,i,f,与,,

26、u,o,反相,——,并联电压负反馈,,+,U,CC,R,C,C,1,R,F,+,+,–,–,R,S,+,–,C,2,+,+,R,L,e,S,u,i,u,o,i,i,i,b,i,f,,i,b,=,,i,i,-,i,f,,I,b,=,,I,i,-,I,f,,可见,,I,b,,<,,I,i,, 反馈电流,I,f,削弱了净输入电流,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型,,——并联电压负反馈,例2：,+,U,CC,R,C,C,1,R,F,+,+,–,–,R,S,+,–,C,2,+,+,R,L,e,S,u,i,u,o,i,i,i,b,i,f,U,o,,i,f,,i,b,,i,

27、c,,U,o,,,I,b,=,,I,i,-,I,f,,反馈信号,,u,d,=u,i,-u,f,，,,故为,负反馈,，,,u,f,= i,o,R,1,,u,f,与,u,o,无关，故为,电流反馈,。,3、电流串联负反馈：,u,i,u,d,u,o,R,1,R,2,R,L,+,+,+,-,-,-,+,u,f,+,-,+,+,i,o,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式作比较，,u,d,=u,i,-u,f,，两者串联，故为,串联反馈,。,,1),判别反馈元件,（一般是电阻、电容）,,(1),连接在输入与输出之间的元件。,,(2),为输入回路与输出回路所共有的元件。,发射极电阻,R,E,为,,输入回

28、路与输出,,回路所共有，所,,以,R,E,是反馈元件。,,例3,：,R,B1,R,C,C,1,C,2,R,B2,R,E,R,L,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,–,–,R,S,e,S,+,–,R,B1,R,C,C,1,C,2,R,B2,R,E,R,L,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,–,–,R,S,e,S,+,–,2),判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信,,号均可通过,R,E,，所以,R,E,引入的是交、直流反馈。,,如果有发射极旁路电容，,R,E,中仅有直流分量的信号通过,，这时,R,E,引入的则是直流反馈。,,,Ｃ,E,例,1：,例,1：,3),判断反

29、馈类型,净输入信号：,,u,i,,与,,u,f,串联,以电压形式比较,,——串联反馈,,u,i,正半周时,,u,f,也是正半周,即两者同相,——负反馈,,u,f,正比于输出电流,——电流反馈,——串联电流负反馈,+,,u,f,,–,+,,–,R,B1,R,C,C,1,C,2,R,B2,R,E,R,L,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,–,–,R,S,e,S,+,–,i,e,u,be,,u,be,,=,u,i,-,,u,f,,u,f,,=,i,e,R,E,,U,be,,=,U,i,-,,U,f,,可见,,U,be,,<,,U,i,, 反馈电压,U,f,削弱了净输入电压,,,i,c,

30、R,E,结论：,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,反馈类型,,——,,串联电流负反馈,R,B1,R,C,C,1,C,2,R,B2,R,E,R,L,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,–,–,R,S,e,S,+,–,I,c,,U,f,,U,be,,i,b,,I,c,,u,f,,,i,c,R,E,,+,,u,f,,–,+,,–,u,be,,U,be,,=,U,i,-,,U,f,4.电流,并联负反馈,+,+,+,+,-,-,u,i,i,i,i,d,i,f,i,o,i,R,R,u,R,R,L,-,R,2,R,1,R,F,设,u,i,为正时，反相输入端与输出端的瞬

31、时极性如图所示，差值电流,,,i,d,= i,i,- i,f,,,,故为,负反馈,。,反馈电流：,反馈信号,i,f,与,i,o,成正比，故为,电流反馈,。,反馈信号与输入信号同极即为并联反馈。,反馈信号与输入信号不同极即为串联反馈,判断串、并联反馈,i,b,=,i,i,–,i,f,i,b,i,i,i,f,u,be,=,u,i,–,u,f,+,+,–,u,i,–,u,be,+,–,u,f,共发射极电路,判断电压、电流反馈,反馈信号与输出电压u,o,接在一起为电压反馈,反馈信号与输出电压u,o,不接在一起为电流反馈,u,o,R,L,+,–,R,L,i,o,i,E,例4,：,判断图示电路中的负反馈类

32、型。,解:,,R,E2,对交流不起作用，引入的是直流反馈；,R,E1,对本级引入串联电流负反馈。,R,E1,、,R,F,对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。,R,B1,R,C1,C,1,R,B2,R,E1,+,+,–,R,S,+,–,R,F,R,C2,C,E2,C,2,R,E2,R,L,+,+,U,CC,+,–,T,1,,T,2,e,s,u,i,u,o,例4,：,判断图示电路中的负反馈类型。,解:,R,E1,、,R,F,引入越级串联电压负反馈。,－,+,－,+,,,T,2,集电极的,,反馈到T,1,的发射极，提高了,E,1,的交流电位，使,U,be1,减小，故为负反馈；,,反馈从

33、T,2,的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T,1,的发射极，是串联反馈。,R,B1,R,C1,C,1,R,B2,R,E1,+,+,–,R,S,+,–,R,F,R,C2,C,E2,C,2,R,E2,R,L,+,+,U,CC,+,–,T,1,,T,2,e,s,u,i,u,o,例5,：,A,1,A,2,R,R,L,u,f,u,d,u,i,u,o1,u,o,+,+,+,+,+,-,-,-,-,+,+,+,-,-,R,为电压串联负反馈。,+,-,三、,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,反馈,,电路,F,–,基本放大,,电路

34、,A,,+,1.,降低放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,同相，所以,,AF,是正实数,负反馈时，,| 1+,AF,| 称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，,A,f,也就愈小。,射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。,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。,放大倍数下降至1,/(,1+|,AF,|)倍，其稳定性提高1+|,AF,|倍。,若|,AF,| >>1，称为,深度负反馈,，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,例,：|,A,|=300，|,F,|=0.01,。,u,i,u,be,

35、i,b,+,+,–,–,3.,改变输入、输出电阻,在同样的,,i,b,下,，,u,i,=,u,be,+,u,f,,>,u,be,，,所以,,r,if,,提高。,1),串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,u,f,+,–,使电路的输入电阻提高,,i,f,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的,u,be,下，,i,i,,=,i,b,+,i,f,>,i,b,，,所以,r,if,,降低。,2),并联负反馈,使电路的输入电阻降低,i,i,i,b,u,be,+,–,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，,,即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，,,即有恒流输出特性，故输出电阻提

36、高。,3),电压负反馈使电路的输出电阻降低,4),电流负反馈使电路的输出电阻提高,3.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,BW,f,BW,f,|,A,u,|,O,4.,减小波形失真,A,u,i,u,f,u,d,加反馈前,加反馈后,u,o,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,,u,o,A,F,小,接近正弦波,正弦波,u,i,第四节 集成运放在信号运算电路中的应用,一、理想集成运放及其分析依据,1.特点：,A,u,o,高:,80dB~140dB；,,r,id,高:,10,5,~ 10,11,

37、,,r,o,低:,几十,,~,几百,,,K,CMR,高: 70dB~130dB,理想集成运放的符号：,u,o,+,+,∞,u,+,u,–,。,。,,。,+U,CC,–,U,EE,–,,理想运放：,A,u,o,→∞；,,R,i,→∞；,,R,o,→0；,,K,CMR,→∞。,2. 理想运放工作在线性区的分析依据,因为,u,o,,=,A,u,o,(,u,+,–,,u,–,,),所以(,1) 差模输入电压约等于 0,,即,u,+,= u,–,,,,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0,,,即,i,+,= i,–, 0 ,,称“虚断”,,电压传输特性,,A,u,o,越大，运放的,,线性范围

38、越小，必,,须加负反馈才能使,,其工作于线性区。,+,+,∞,u,o,u,–,u,+,i,+,i,–,–,,,u,+,–,u,–,,u,o,线性区,–,U,o(sat),+,U,o(sat),O,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,二、基本运算电路,1,.,比例运算电路,（

39、1）反相比例运算电路,,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地(,),。,,因要求静态时,u,+,、,u,–,对地电阻相同，,,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,//,R,F,动画,i,f,i,1,i,–,i,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,电路组成,电压放大倍数计算：,因,虚短,,,所以,u,–,=,u,+,= 0，,,称反相输入端“虚地”— 反相输入的重要特点,因,虚断，,i,+,= i,–,= 0,，,,i,f,i,1,i,–,i,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,所以,i,1,,i,f

40、,,,电压放大倍数,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,－,－,反馈电路直接从输,,出端引出—电压反馈,输入信号和反馈信号加在,,同一输入端—并联反馈,反馈信号使净输入,,信号减小—负反馈,电压并联负反馈,输入电阻低，,,共模电压,,0,（1）反相比例运算电路,⑤ 电压并联负反馈，输入、输出电阻低，,,,r,i,=,R,1,。共模输入电压低。,结论：,①,A,u,f,为负值，即,u,o,与,u,i,,极性相反。,因为,u,i,加,,在反相输入端。,②,A,u,f,,只与外部电阻,R,1,、R,F,,有关，与运放本,,身参数无关。,③ |,A,u,

41、f,,| 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。,④,因,u,–,= u,+,= 0 ，,所以,反相输入端“虚地”。,例：,电路如下图所示，已知,R,1,= 10 k,,，,R,F,= 50 k, 。,,求：1.,A,u,f,、R,2,；,,2. 若,R,1,不变，要求,A,u,f,为,–,10，则,R,F,,、,R,2,应为 多少？,解：,1.,A,u,f,=,–,R,F,,,,R,1,,,= –50,,10 = –5,R,2,=,,R,1,,,R,F,,,=10 50,,(,10+50),,= 8.3,k,,2.,因,,A,uf,,=,–,R,F,,/,,R,1,,=

42、,–,R,F,,,10,=,–,10,,,故得,R,F,=,–A,u,f,,,,R,1,= –(–,10),,10 =100,k,,,,R,2,= 10  100,,(,10 +100) = 9. 1,k,,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,（2）同相比例运算电路,因,虚断，,所以,u,+,=,u,i,,电路组成：,电压放大倍数计算：,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,因,虚短，,所以,,u,–,=,u,i,，,,反相输入端不“虚地”,,,因要求静态时,u,+,、,u,,对地电阻相同，,,所以,

43、平衡电阻,R,2,=,R,1,//,R,F,u,+,u,–,输入电阻高,,共模电压 =,u,i,电压放大倍数,,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别,,加两个输入端—串联反馈,反馈电路直接从输,,出端引出—电压反馈,因,虚短，所以,,u,–,=,u,i,，,,反相输入端不“虚地”,反馈信号使净输入,,信号减小—负反馈,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,动画,⑤ 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，,,共模输入电压可能较高。,结论：,①,A,u,f,为正值，即,u,o,与,u,i,,极性相同。,因为,u,i,加,,在同相输入端。,②,A,u,f,

44、只与外部电阻 R,1,、R,F,有关，与运放本,,身参数无关。,③ A,u,f,≥ 1 ，不能小于 1 。,④,u,–,= u,+,,≠ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。,当,R,1,=,,且,R,F,,=,0 时，,u,o,= u,i,，,A,u,f,= 1，,,称电压跟随器。,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,由运放构成的电压跟,,随器,输入电阻高、输出,,电阻低，,其跟随性能比,,射极输出器更好。,u,o,u,i,+,+,–,–,+,+,,–,,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载,R,L,变化时，

45、其两端电压,u,o,不会随之变化。,u,o,+,–,+,+,,–,,15k,,R,L,15k,,+15V,7.5k,,例：,负载电流的大小,,与负载无关。,例2：,负载浮地的电压-电流的转换电路,1.,能测量较小的电压；,,2.,输入电阻高，对被,,测电路影响小。,流过电流表的电流,I,G,U,x,R,2,R,1,+,–,+,+,,–,,R,L,u,i,R,2,R,1,+,–,+,+,,–,,i,L,i,1,2.加法运算电路,（1）反相加法运算电路,因,虚短,,,u,–,= u,+,=,0,,平衡电阻：,,,R,2,= R,i1,,// R,i2,,// R,F,i,i2,i

46、,i1,i,f,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,2,+,–,因,虚断,，,i,–,= 0,,,所以,,i,i1,+ i,i2,=,i,f,,动画,,平衡电阻：,,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,2,+,–,例：一个测量系统输出电压和某些非电量（经传感器变换为电量）的关系为,,试设计电路实现此关系。,解：电路图如右所示。取,则：,R,i3,（2）同相加法运算电路,方法1: 根据叠加原理,,,u,i1,单独作用(,u,i2,＝0)时，,同理，,u,i2,单独作用时,u,i2,u,o,R,F,u,i1,

47、R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,1,+,–,动画,方法2：,,平衡电阻：,,,R,i1,// R,i2,,= R,1,,// R,F,u,+,思考,u,+,=?,也可写出,u,–,和,u,+,的表达式，利用,u,–,=,u,+,的性质求解。,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,1,+,–,1. 输入电阻低；,,2. 共模电压低；,,3. 当改变某一路输入电阻时，,,对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点：,,1. 输入电阻高；,,2. 共模电压高；,,3. 当改变某一路输入电阻时，,,对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点

48、：,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,1,+,–,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,,–,,R,2,+,–,3.减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,3,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,如果取,R,1,,= R,2,,，,R,3,,= R,F,,如,R,1,,= R,2,,=,R,3,,= R,F,,R,2,// R,3,,= R,1,,// R,F,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量,,放大电路,动画,分析方法2：利用

49、叠加原理,,减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u,+,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,3,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,4.积分运算电路,由虚短及虚断性质可得,,i,1,= i,f,i,f,=?,i,f,i,1,u,o,C,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,u,C,+,–,,当电容,C,F,的初始电压为,u,C,(,t,0,) 时,，则有,动画,若输入信号电压为恒定直流量，即,u,i,= U,i,,时,，则,u,i,t,O,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,–,U,o(sat),u,o,t,O

50、,+,U,o(sat),u,i,= U,i,> 0,,u,i,=,–,U,i,< 0,,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故,u,o,是时间,t,的一次函数，从而提高了它的线性度。,输出电压随时,,间线性变化,U,i,–,U,i,,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成,,比例-积分运算电路。,u,o,C,F,u,i,R,2,R,1,+,+,–,–,+,+,,–,,R,F,i,f,i,1,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变,R,F,和,C,F,，,

51、可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,5.微分运算电路,i,f,i,1,由虚短及虚断性质可得,,i,1,= i,f,u,o,C,1,u,i,R,2,R,F,+,+,–,–,+,+,,–,,u,i,t,O,u,o,t,O,U,i,–,U,i,动画,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,—,PD调节器,u,o,C,1,u,i,R,2,R,F,+,+,–,–,+,+,,–,,R,1,i,f,i,R,i,C,例：电路如图所示，u,i1,=5mV， u,i2,= -

52、5mV,，,u,i,3,=6mV,，,u,i4,= -12mV,，,求输出电压u,o,的值。,+,-,+,,,+,-,+,,,u,i2,u,o,u,o,1,R,2,4K,R,f1,24K,R 2.2K,R,6,12K,u,i1,R,1,6K,+,-,+,,,u,i3,u,i4,R,3,6K,R,4,6K,R,5,6K,R,f3,6K,R,8,6K,R,7,12K,u,o2,R,f2,4K,R 4K,，,A,3,A,1,A,2,例：在分析多级运放时，因为理想运放输出电阻为零，因此每级输出电压不考虑负载的影响，可单独分析。,（1）A,1,实现反相加法运算：,解：,（2）A,2,实现同

53、相加法运算：且,（3）A,3,实现减法运算：,例：求图示电路中u,i,与u,o,的关系表达式，当u,i,为下图所示输入信号时，画出输出信号u,o,的波形并标出幅值。,+,-,+,,,+,-,+,,,u,i,u,o,u,o,1,10K,50K,R,P,R,P,,,50K,1uF,u,i,u,o(mS),1V,-1V,10,20,30,40,u,i,u,o(mS),1V,-1V,10,20,30,40,解：第一级为反相比例,第二级为积分,u,i,为阶跃电压,一、,电压比较器,电压比较器的功能：,,电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电

54、平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途：,,数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。,,运放工作在开环状态或引入正反馈。,第五节 集成运放在信号处理电路中的应用,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +,U,o,,(sat),,或–,U,o,(sat),,,,当,u,+,> u,－,,时，,u,o,= +,U,o,,(sat),,,,u,+,< u,－,,时，,u,o,=,–,,U,o,(sat),,,,不存在,“虚短”现象,,,2.,i,+,= i,－, 0,仍存在,“虚断”现象,电压传输特性,u,o,,

55、u,+,–,u,–,,–,U,o(sat),+,U,o(sat),,饱和区,O,电压传输特性,–,U,o,(sat),+,U,o,(sat),运放处于开环状态,1. 基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,u,i,u,o,O,U,R,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,当,u,+,>u,–,,时，,u,o,= +,U,o,,(sat),,,,u,+,U,R,,时，,u,o,=,–

56、,,U,o,,(sat),可见，在,u,i,=,U,R,处输出电压,u,o,发生跃变。,参考电压,动画,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,,(sat),–,U,o,,(sat),t,1,t,2,单限电压比较器：,,,当,u,i,,单方向变化时，,u,o,,只变化一次。,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,电压传输特性,–,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,u,i,>U,R,，,u,o,=+ U,o,,(sat),,u,i,,

57、,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,,–,U,o,(sat),,+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,电压传输特性,–,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,O,t,+,U,o,(sat),–,U,o,(sat),u,o,输入信

58、号接在反相端,输入信号接在同相端,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,,(sat),–,U,o,,(sat),t,1,t,2,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为,U,Z,，,,忽略稳压管的正向导通压降,,则,u,i,,<,,U,R,，,u,o,,=,U,Z,,,u,i,>,U,R,，,u,o,= –,U,Z,U,Z,–,U,Z,u,o,',,R,D,Z,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,电压传输特性,–,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,u,i,

59、,U,o,,(sat),,,u,i,,>U,R,,时，,u,o,',,=,–,,U,o,,(sat),,过零电压比较器,利用电压比较器,,将正弦波变为方波,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,电压传输特性,–,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,= 0,t,u,i,O,t,u,o,+,U,o,(sat),–,U,o,(sat),O,二、 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。,,它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器

60、：,由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：,含有运算放大器的滤波器。,缺点：,低频时体积大，很难做到小型化。,优点：,体积小、效率高、频率特性好。,,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,1. 有源低通滤波器,u,i,u,o,R,F,u,C,C,R,+,+,,–,,R,1,+,–,+,+,–,–,设输入为正弦波信号, 则有,故：,若频率,,为变量，则,电路的传递函数,其模为,幅频特性,,0,|,A,u,f0,|,|,T,(j,,),|,,O,当,,,>,,0,时，|,T,(j,,)|,衰减很快,显然，电路能使低于,,0,的信号顺利通过，衰减很小，

61、而使高于,,0,的信号不易通过，衰减很大，,称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使,,>,,,0,时信号衰减得更快些，常将两节,RC,滤波环节串接起来，,组成二阶有源低通滤波器。,u,o,R,F,C,R,+,+,,–,,R,1,+,–,u,i,+,–,R,C,一阶,二阶,幅频特性,,0,|,A,u,f0,|,|,T,(j,,),|,,O,2. 有源高通滤波器,u,i,u,o,R,F,C,R,+,+,,–,,R,1,+,–,+,–,设输入为正弦波信号，则有,故：,称截止角频率,可见，电路使频率大于,,0,的信号通过 ，而小于,,0,的信号被阻止，称为,有源高通滤

62、波器,。,若频率,,为变量，则,电路的传递函数,其模为,幅频特性,,0,|,A,u,f0,|,|,T,(j,,),|,,O,模拟开关,模拟输入信号,1.,电路,三、采样-保持电路,S,u,C,+,–,u,i,+,–,u,o,+,–,+,+,,–,,,采样保持电路,，多用于模 - 数转换电路（A/D）,之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储,,电容,控制信号,电压跟随器,2. 工作原理,16.3.2 采样保持电路,1. 电

63、路,采样阶段,：,,u,G,为高电平， S 闭合(场效应管导通)，,,,u,i,对存储电容,C,充电，,u,o,= u,C,,= u,i,。,保持阶段,：,,u,G,为,0， S 断开(场效应管截止)，输出,,保持该阶段开始瞬间的值不变。,,采样脉冲,u,i,t,o,u,G,t,o,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,S,u,C,+,–,u,i,+,–,u,o,+,–,+,+,,–,,第六节,集成运放在信号发生电路中的应用,波形发生器的作用：,,产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。,,特点：,不用外接输入信号，即有输出信号。,正弦波信号发生器又称,正弦波振荡

64、器，用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。,它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,LC,振荡电路:输出功率大、频率高。,RC,振荡电路:输出功率小、频率低。,石英晶体振荡电路：频率稳定度高。,,应用：,无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,一、正弦波信号发生器,1,S,u,1.,自激振荡的条件,定义：,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。,开关合在“1”为无反馈放大电路。,2,1,S,u,开关合在“2”为有反馈放大电路，

65、,开关合在“2”时,，去掉,u,i,,仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,自激振荡状态,2,(1),幅度条件：,(2),相位条件：,n 是整数,,相位条件,意味着振荡电路必须是,正反馈,；,,,幅度条件,表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数,A,或反馈系数,F,达到) 。,自激振荡的条件,起振及稳幅振荡的过程：,设：,U,o,,是振荡电路输出电压的幅度，,,B,是要求达到的输出电压幅度。,,起振时,U,o,,,0，达到稳定振荡时,U,o,,=,B,。,起振过程中,U,o,,<,B,，要求,,A,u,F,,,,>,,1，,稳定振荡时,U,

66、o,,=,B,，要求,,A,u,F,,,,=,,1，,从,,A,u,F,,,,>,,1 到,,A,u,F,,,,=,,1，就是自激振荡建立的过程。,可使输出电压的幅度不断增大。,使输出电压的幅度得以稳定。,起始信号的产生：,在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。,正弦波振荡电路的组成：,(1),放大电路:,放大信号,(2),反馈网络: 必须是正反馈，反馈信号即是,放大电路的输入信号,(3),选频网络:,保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满 足自激振 荡条件,(4),稳幅环节:,使电路能从,,A,u,F,,,>1 ，过渡到,,A,u,F,,,=1，从而达到稳幅振荡。,RC选频网络,,正反馈网络,同相比例电路,放大信号,用正反馈信号,u,f,,作为输入信号,选出单一频率的信号,2. RC,正弦波,振荡器,u,f,–,+,R,+,+,∞,R,F,R,1,C,R,C,–,u,O,–,+,RC串并联选频网络的