11 第十一章 运算放大器.pptx

第1页：运算放大器封面

第11章运算放大器

第2页：本章内容概览

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11.4运算放大器在信号处理方面的应用11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题

第3页：本章内容与要求概览

第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。

集成电路特点

体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。

集成电路分类集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。

按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟

第4页：本章内容与要求概览

第11章运算放大器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。

用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。

本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。

第5页：11.1 运算放大器的简单介绍

11.1.1集成运放的组成输入级中间级输出级输入端输出端偏置电路输入级—差分放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成

第6页：运算放大器的符号反相输入端uO+–

运算放大器的符号反相输入端uO+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数

第7页：主要参数1．最大输出电压

11.1.2主要参数1．最大输出电压UOPP2．开环电压Auo3．输入失调电压UIO4．输入失调电流IIO5．输入偏置电流IIB6．共模输入电压范围UICM

第8页：理想运算放大器及其分析依据在分析

11.1.3理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。

理想化的主要条件

1．开环电压放大倍数Auo→∞2．开环输入电阻rid→∞3．开环输出电阻ro→04．共模抑制比KCMR→∞由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。

第9页：理想运算放大器及其分析依据实际运

11.1.3理想运算放大器及其分析依据实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。

uOOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区若Auo= 106±Uo(sat)=±15 V则±UIM=±0.015 mV运放要工作在线性区必须有负反馈。

图中标注与公式片段：uOu++–+u–uO=Auo(u+−u−)

第10页：理想运放电压传输特性11.1.3理想

理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分析依据uOOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区因为理想运放Auo→∞开环电压放大倍数所以，当u+>u−时，uO=+Uo(sat)u+<u−uO=−Uo(sat)uou++–+u–uO=Auo(u+−u−)u+=u−uO发生跃变

第11页：理想运算放大器及其分析依据运放工

11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性区的依据相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”。

相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。

• id≈01．u+≈u–运放开环输入电阻rid→∞id由于运放Auo→∞而uO是有限值，故从式uO=Auo(u+−u−)，可知uOu++–+u–rid

第12页：理想运算放大器及其分析依据

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uO+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2．id≈01．u+≈u–由于运放工作在非线性区uO≠Auo(u+−u−)rididuOOUo(sat)–Uo(sat)不再成立非线性区非线性区所以当u+>u–时，uO=+Uo(sat)u+<u–uO= −Uo(sat)依然成立u+=u–uO发生跃变

第13页：11.2 放大电路中的负反馈

凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。

11.2.1反馈的基本概念如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。

如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。

无负反馈放大电路方框图AxIxO

第14页：反馈的基本概念带有负反馈放大电路

11.2.1反馈的基本概念带有负反馈放大电路的方框图AxIxOFxF+–xD基本放大电路反馈电路比较环节xI—输入信号xO—输出信号xF—反馈信号xD—净输入信号净输入信号xD=xI−xF反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。

反馈信号使净输入信号增大，则为正反馈。

第15页：负反馈与正反馈的判别瞬时极性法是

11.2.2负反馈与正反馈的判别瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：设接地参考点的电位为零。

某点在某瞬时的电位高于零电位者，则其瞬时极性为正(用“＋”表示)；

反之为负(用“－”表示)。

图中标注与公式片段：○○

第16页：负反馈的类型AF+–

11.2.3负反馈的类型AF+–xIxOxFxD根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。

在输出端反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；

在输入端反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；

反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。

负反馈的类型有

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。

第17页：负反馈的类型ui+–

11.2.3负反馈的类型ui+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–⊕⊕设某一瞬时uI为正，则此时uO也为正，同时反馈电压uF也为正。

净输入信号ud=ui−uf小于输入信号，即uF的存在使净输入信号减小，所以为负反馈。

反馈电压取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。

uF与uI在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。

判别该电路的反馈类型1．串联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。

第18页：串联电压负反馈AF+–

• 串联电压负反馈AF+–uFuDuIuO串联电压负反馈方框图uI+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–⊕⊕反馈电压

第19页：串联电压负反馈AF+–（续）

uOR1R2RF+–uI+–+–+RL⊕iIiDiF-设某一瞬时uO为正，则此时uO为负，各电流实际方向如图所示。

净输入电流iD=iI−iF小于输入电流，即iF的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。

反馈电流取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。

iF与iI在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反馈。

判别该电路的反馈类型2．并联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。

第20页：并联电压负反馈AF+–

• 并联电压负反馈AF+–uIuOiFiDiI并联电压负反馈方框图uOR1R2RF+–uI+–+–+RLiDiF⊕iI-反馈电流

第21页：iD=iI−iF为负反馈

反馈电压uF=RiO与输出电流成比，故为电流反馈；

判别该电路的反馈类型3．串联电流负反馈AF+–uFuDuIiO串联电流负反馈方框图uF与uI在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。

图中标注与公式片段：iD=iI−iF为负反馈； R2uOR+–+–+RLuD+–⊕⊕uF+–iOuI+–

第22页：放大电路中的负反馈（续）

图中iD=iI−iF判别该电路的反馈类型4．并联电流负反馈并联电流负反馈方框图AF+–uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+–+–+RL⊕iOR1iIiDR2-

第23页：如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈

如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；

从负载电阻靠近“地”端引出的，是电流反馈；

• 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；

加在同一输入端的是并联反馈；

• 反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。

(也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈；

若反馈量不为零，则为电流反馈。

图中标注与公式片段：)

第24页：例题1：判别该电路从A2输出端引入

[例1]判别该电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。

uOuI+–+–+⊕uO1uD+–+–+RL⊕RuF+–A1A2[解]反馈电路从A2的输出端引出，故为电压反馈；

反馈电压uF和uI输入电压分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；

设为uI正，则uO1为负，uO为正。

反馈电压uF使净输入电压uD=uI–uF减小，故为负反馈；

串联电压负反馈。

第25页：例题1：判别该电路从A2输出端引入（续）

uOuI+–+⊕RuO1iI+–+RL⊕-A1A2iDiF⊕a[例2]判别该电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。

[解]反馈电路从RL靠近“地”端引出，为电流反馈；

反馈电流iF和iI输入电流加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；

设为uI正，则uO1为正，uO为负。

反馈电流实际方向如图所示，净输入电流iD=iI–iF减小，故为负反馈；

并联电流负反馈。

第26页：负反馈对放大电路工作的影响1．提

11.2.4负反馈对放大电路工作的影响1．提高放大电路的稳定性AF+–xIxDxOxF开环放大倍数反馈系数引入负反馈后净输入信号xD=xI−xF引入负反馈后闭环放大倍数对上式求导可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。

第27页：uF负反馈改善了波形失真2．改善非线

uF负反馈改善了波形失真2．改善非线性失真加入负反馈无负反馈FufAuuIuO+–uDuO大小略大略小略小略大uIAu接近正弦波

第28页：对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四

• 对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和ro的影响串联电压串联电流并联电压并联电流riro减低增高增高增高增高减低减低减低思考题：为了分别实现：(a)稳定输出电压；

(b)稳定输出电流；

(c)提高输入电阻；

(d)降低输出电阻。

应引入哪种类型的负反馈？

第29页：*11.2.5分立元件放大电路中的负

*11.2.5分立元件放大电路中的负反馈RE电阻无旁路电容的分压式偏置放大电路交流通道RE为反馈元件，由瞬时极性法知ube、ui、uf三者同相ube=ui−uf其有效值Ube<Ui故为负反馈。

称为交流电流串联负反馈。

第30页：直流通道RE也是直流反馈元件反馈信号

直流通道RE也是直流反馈元件反馈信号UF=RE·IE净输入信号UBE=VB−REIEVB为RB1与RB2分压所固定直流负反馈过程假如温度升高ICUF=RE×IEUBEIBIC则稳定静态工作点称为直流电流串联负反馈。

图中标注与公式片段：RB2RB1RCREB+UCCT－＋UBE－＋UCEIEIC··IB

第31页：11.3 运算放大器在信号运算方面的应用

• 反相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数平衡电阻若R1=RF则uO=−uIiFR1R2uORFiIuI+–+–+–+R2=R1//RF

第32页：同相输入11.3.1比例运算由运放工

• 同相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数若R1=∞则或RF=0ifR1R2uORFiiuI+–+–+–+

第33页：例题1：求图中uO的大小[解]此图为一电

[例1]求图中uO的大小[解]此图为一电压跟随器。

电源+15V经两个15kΩ的电阻分压后，在同相输入端得到+7.5V的输入电压。

故uO=+7.5V可见只与电源电压和分压电阻有关其精度和稳定性较高，可作为基准电压15k－＋uO∞+－+15k7.5k+15V

第34页：例题2：此图所示的两级运算电路中

[例2]此图所示的两级运算电路中，R1=50kΩ，RF=100kΩ。

若输入电压uI=1V，试求输出电压uO，并说明输入级的作用。

[解]A1是电压跟随器uO1=uI= 1 VA2为反相比例运算电路∞+－+∞+－+－＋uO－＋uIA1R1uO1RFR1A2R2

第35页：加法运算由图可列出由上列各式可得

11.3.2加法运算由图可列出由上列各式可得当R11=R12=R1时，则上式为平衡电阻R2=R11//R12//RFuOifR12R2RFii2uI2+–R11iI1uI1+–+

第36页：减法运算如果两个输入端都有信号输

11.3.3减法运算如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。

因为u−≈u+，故上列两式可得由图可列出iFR1R2uORFiIuI1+–R3+–uI2+–+–+

第37页：减法运算当

11.3.3减法运算当R1=R2，和RF=R3时平衡电阻R2=R11//R12//RF则上式为当RF=R1时，则得可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，故可进行减法运算。

图中标注与公式片段：ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+

第38页：减法运算当（续）

iFR1R2uORFiIuI1+–R3+–uI2+–+–+[例3]图中，uI1=uIc1+uId1，uI2=uIc2+uId2，uIc1=uIc2是共模分量，uId1=−uId2是差模分量。

如果R1=R2=R3，试问RF多大时输出电压不含共模分量？

第39页：[解]欲使uO不含共模分量

[解]欲使uO不含共模分量uIc2，必须满足下列条件：

第40页：[解]因

[解]因R1=R2=R3，经整理后得RF=R1。

此时输出电压例如uI1= 10 mV = (8+ 2) mV =uIc1+uId1uI2= 6 mV = (8−2) mV =uIc2+uId2则uO= 2uId2=−4 mV

第41页：例题4：[解]前级A1是加法运算电路

[例4]如图所示，两级运算电路试求uO。

[解]前级A1是加法运算电路uO1=−(0.2−0.4 )V = 0.2 V后级A2是减法运算电路uO= (−0.6−0.2 )V =−0.8 V∞+－+∞+－+－＋uOA1RuO1RRA2R3R3R3RR0.2V－0.4V－0.6V

第42页：积分运算用电容代替反相比例运算电

11.3.4积分运算用电容代替反相比例运算电路中的RF，就成为积分运算电路。

ifR1R2uORFiiuI+–+–+–+iFuC+–CF由于反相输入，u−≈0故上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的负号表示两者反相。

R1CF称为积分时间常数。

第43页：积分运算uOR1R2CFuI+–

11.3.4积分运算uOR1R2CFuI+–+–uC+–+–+iFiI当uI为阶跃电压时，则uO随时间线性增长，最后达到负饱和值。

图中标注与公式片段：uOOtuIOt

第44页：微分运算uORFR2C1uI+–

11.3.5微分运算uORFR2C1uI+–+–uC+–+–+iFiI微分运算是积分的逆运算，将积分电路反相输入端的电阻与反馈电容位置对调，就成为微分电路。

由图可列出故即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。

第45页：微分运算uORFR2C1uI+–（续）

uORFR2C1uI+–+–uC+–+–+iFiI11.3.5微分运算UituOOtuIO注意：由于此电路工作时稳定性不高，故实际中很少应用。

当ui为阶跃电压时uo为尖脉冲电压。

第46页：11.4 运算放大器在信号处理方面的应用

*11.4.1有源滤波器所谓滤波器就是一种选频电路。

它能选出有用的信号，而抑制无用的信号。

由电阻、电容、电感等元件组成的滤波电路称为无源滤波器。

而由R、L、C及运放构成的滤波器，由于运放工作时要外加电源，所以称为有源滤波器。

有源滤波器相对于无源滤波器，具有体积小、重量轻、选择性良好的优点，还可使所处理的信号不衰减甚至还能放大。

其缺点是放大器工作时要提供电源，在大信号工作时，运放可能会产生失真等。

第47页：有源低通滤波器*11.4.1有源滤波

• 有源低通滤波器*11.4.1有源滤波器uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R设图中ui为某一频率的正弦量由RC电路得出由同相比例运算关系得出

第48页：有源低通滤波器故称为截止角频率式中若

• 有源低通滤波器故称为截止角频率式中若ω为变量，则该电路的传递函数其模为辐角为

第49页：有源低通滤波器低通滤波器具有使低频信

• 有源低通滤波器低通滤波器具有使低频信号易通过，而抑制高频信号的作用。

时，时，时，频率特性Oω0ω

第50页：有源高通滤波器RFR1Cui+–+–

• 有源高通滤波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo由RC电路得出由同相比例运算关系得出故称为截止角频率。

图中标注与公式片段：式中

第51页：有源高通滤波器其模为辐角为若ω为变量

• 有源高通滤波器其模为辐角为若ω为变量，则该电路的传递函数时，时，时，高通滤波器具有使高频信号易通过，而抑制低频信号的作用。

图中标注与公式片段：频率特性Oω0ω

第52页：电压比较器电压比较器的功能是将输

11.4.2电压比较器电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。

电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转换及越限报警等。

集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正反馈的工作状态，即工作在非线性区。

第53页：将运放任一输入端加上输入信号

将运放任一输入端加上输入信号。

而另一输入端加入参考电压，即可构成电压比较器，如图中。

电压传输特性11.4.2电压比较器uI为输入电压，UR为参考电压当uI> UR时，uO=–Uo(sat)uI<UR时，uO= +Uo(sat)uI=UR时，uO发生跃变uOR1R2uI+–+–UR+–+–+uOoUo(sat)–Uo(sat)uRuI

第54页：+当UR=0时

+当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。

电压传输特性11.4.2电压比较器uOOUo(sat)–Uo(sat)uO若图中ui为正弦波，画出uO的波形。

图中标注与公式片段：OtR1R2ui–+–UR–+–++uOOtUo(sat)–Uo(sat)uI

第55页：在输出端与地之间接一个双向稳压管

在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。

电压传输特性11.4.2电压比较器Uo(sat)–Uo(sat)UZ–UZuORR1R2+–+DZuI+–+–uO限幅电压比较器OuI

第56页：例题1：KA是继电器

[例1]图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。

KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。

分析其工作原理。

温度超过规定值，uI>UR，uO=+UOM，T导通。

KA动作，切断电源。

温度未超过规定值，uI<UR，uO=–UOM，T截止。

图中标注与公式片段：KA不动作。 R1R2URRR4+UCCTR3+–+uIuOθKA

第57页：电压传输特性uOOUo(sat)–

电压传输特性uOOUo(sat)–Uo(sat)[例2]电路如图所示，ui是一正弦电压，画出uO的波形。

OtUo(sat)–Uo(sat)R1R2uiuO+–+CDRLR[解]运放为同相输入过零电压比较器。

uOOtOtOt–Uo(sat)Uo(sat)各电压波形如右图所示。

第58页：11.5 运算放大器在波形产生方面的应用

• 自激振荡的条件11.5.1RC正弦波振荡电路电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。

S当S合于1时，开环电压放大倍数则输出电压保持不变。

反馈系数又所以自激振荡的条件是

2F+uf-若当S合于2时，Auduiuo1+-+-+-

第59页：RC正弦波振荡电路(1)相位条件

11.5.1RC正弦波振荡电路(1)相位条件：即(2)幅度条件：即φ=φA+φF= 2nπ(n= 0，1，2，˙˙˙)自激振荡的条件：反馈电压与输入电压的大小相等；

第60页：幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性

幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性Ufm=FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振荡的建立过程2．振荡的建立和稳定振荡建立时应满足：即SAuduiuo12FUfmUomO微小的扰动起始信号不断通过放大→反馈→再放大→再反馈，使Uom不断增大，一直到达交点A时，稳定下来。

振荡稳定不能振荡+-+-+-+uf-

第61页：选频电路同相比例运算电路选频电路其电

• 选频电路同相比例运算电路选频电路其电压放大倍数为(1)放大电路由集成运放构成的同相比例运算电路。

由RC串并联电路组成，它也是正反馈电路。

uo+–+–+RFR1u+3．RC正弦波振荡电路ui+–CRRC·

第62页：RC正弦波振荡电路若要与同相

• RC正弦波振荡电路若要与同相，上式分母的虚部应为零这时同相比例运算的电压放大倍数为可见，当RF=2R1时，|Au|=3|AuF|=1即uo+–+–+RFR1u+ui+–CRRC·

第63页：uo3．RC正弦波振荡电路在特定频率

uo3．RC正弦波振荡电路在特定频率ui和uo同相，即RC串并联电路具有正反馈和选频作用，ui和uo为正弦波。

时，|AuF|= 1电路将等幅振荡；

若RF< 2R1，则|AuF|< 1电路将不能等幅振荡；

若RF> 2R1，则|Au|> 3|AuF|>1电路起振后，振幅越来至饱和；

所以，振荡时应满足RF= 2R1。

起振时应满足|Au|> 3即RF> 2R1。

图中标注与公式片段：若RF=2R1，则|Au|=3+–+–+RFR1u+ui+–CRRC·

第64页：uo3．RC正弦波振荡电路在特定频（续）

uo+–+–+RFR1CRRCRT·4．RC正弦波振荡电路稳幅措施(1)用热敏电阻稳幅起振时由于温度低，RT> 2R1。

振荡后温度增加RT减少到等于2R1。

• 用二极管稳幅用具有负温度系数的热敏电阻RT代替RF。
• 振荡频率的改变由可知改变R、C或同时改变RC都可改变振荡频率。

图中标注与公式片段：RF1RF2D1D2

第65页：矩形波发生器该电路中uC和

11.5.2矩形波发生器该电路中uC和uO的波形RFR1CuO+–+–uC+–+–+.uRR2R3+–uZDZuCuO+UR–UR+UR–URttOO

第66页：11.6 使用运算放大器应注意的几个问题

11.6.1选用元件11.6.2消振11.6.3调零11.6.4保护uORFR1uI+–+R2D1D21．输入端保护按技术指标选外接RC消振电路外接调零电路

第67页：保护2．输出端保护+–++U–

11.6.4保护2．输出端保护+–++U–URFR1uI+–+R2R3DZuO3．电源保护

第68页：扩大输出电流uORFR1uI+–

11.6.5扩大输出电流uORFR1uI+–+R2RBD1–UCC+UCCD2RBT1T2在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。