07 第6章 运算放大器.pptx

第1页：第6章导学与本章概览（续）

第6章运算放大器6.1集成运算放大器简介6.3*放大电路中的负反馈6.2模拟运算电路6.4*信号处理电路6.5*正弦波振荡器

第2页：第6章 运算放大器

第6章集成运算放大器分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。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联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3页：用于模拟运算、信号处理、信号测量

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。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。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4页：6.1.1 集成运放的组成输入级（续）

输出端6.1.1集成运放的组成输入级—差动放大器输出级—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偏置电路输入级中间级输出级输入端6.1运算放大器简单介绍

第5页：6.1.1 集成运放的组成输入级（续）

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6页：主要参数

6.1.2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7页：理想的运算放大器

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2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，6.1.2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8页：6.1.2 理想运算放大器及其（续）

实际运放电压传输特性6.1.2理想运算放大器及其分析依据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。

uou++–+u–

第9页：6.1.2 理想运算放大器及其（续）

理想运放电压传输特性6.1.2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开环电压放大倍数所以，当时，uo发生跃变uou++–+u–

第10页：理想运算放大器及其

6.1.2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”。2.id≈01.u+≈u–，而uo是有限值，运放开环输入电阻id由于运放故从式，可知uou++–+u–rid

第11页：理想运算放大器及其

6.1.2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rididuoOUO(sat)–UO(sat)不再成立非线性区非线性区所以当时，Uo发生跃变依然成立

第12页：6.2.1 比例运算（续）

1.反相输入6.2.1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则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+6.2模拟运算电路

第13页：6.2.1 比例运算（续）

2.同相输入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则或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+6.2.1比例运算

第14页：加法运算由图可列出由上列各式可得

加法运算由图可列出由上列各式可得当时，则上式为平衡电阻uoifR12R2RFii2ui2+–R11ii1ui1+–+6.2.2加减法运算

第15页：减法运算如果两个输入端都有信号因

减法运算如果两个输入端都有信号因为，故上列两式可得由图可列出输入，则为差分输入。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+

第16页：减法运算当时

减法运算当时，平衡电阻和则上式为当时，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。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+

第17页：图中

图中，其中是共模分量，是差模分量。如果，试问RF多大时输出电压不含共ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+模分量？例

第18页：欲使

[解]欲使uo不含共模分量uic2，必须满足下列条件:

第19页：因经整理后得

[解]因经整理后得。此时输出电压例如则

第20页：积分运算用电容代替反相比例运算电

积分运算用电容代替反相比例运算电：本页含数据表，待人工核对后还原为表格。

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，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。6.2.3积分和微分运算

第21页：6.2.3 积分和微分运算（续）

积分运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+–+ifii当ui为阶跃电压时，则uo随时间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。

第22页：6.2.3 积分和微分运算（续）

微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifii微分运算是积分的逆运算，将积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。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。

第23页：6.2.3 积分和微分运算（续）

微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifiiUituoOtuiO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24页：凡是将放大电路

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。6.3.1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。

A无负反馈放大电路方框图6.3*放大电路中的负反馈

第25页：6.3.1 反馈的基本概念（续）

基本放大电路反馈电路F+–A带有负反馈放大电路的方框图比较环节—输入信号—净输入信号—反馈信号—输出信号净输入信号若三者同相，可见，电路为负反馈。则6.3.1反馈的基本概念

第26页：根据反馈电路与基本放大电路在输入

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。负反馈的类型有：AF+–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；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；

在输入端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。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。在输出端6.3.2负反馈的类型

第27页：6.3.2 负反馈的类型（续）

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。判别图示电路的反馈类型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28页：6.3.2 负反馈的类型（续）

1.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–≤≤AF+–ufuduiuo串联电压负反馈方框图

第29页：6.3.2 负反馈的类型（续）

uoR1R2RF+–ui+–+–+RL≤iiidif-设某一瞬时ui为正，则此时uo为负，各电流实际方向如图示。净输入电流小于输入电流，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。判别图示电路的反馈类型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30页：6.3.2 负反馈的类型（续）

2.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLidif≤ii-并联电压负反馈方框图

第31页：为负反馈

为负反馈；uf与ui在输入端以电压形式作反馈电压与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型3.串联电流负反馈AF+–ufuduiio串联电流负反馈方框图比较，两者串联，故为串联反馈。

R2uoR+–+–+RLud+–≤≤uf+–ioui+–

第32页：6.3.2 负反馈的类型（续）

图中判别图示电路的反馈类型4.并联电流负反馈并联电流负反馈方框图AF+–uiioidiiififRFiRuRRui+–+–+RL≤ioR1iiidR2-

第33页：如何判别电路中反馈类型小结

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；(2)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；

(3)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。)

第34页：6.3.2 负反馈的类型（续）

[例1]判别图示电路从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35页：6.3.2 负反馈的类型（续）

uoui+–+≤Ruo1ii+–+RL≤-A1A2idif≤a[例2]判别图示电路从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36页：6.3.3 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+–开环放大倍数反馈系数引入负反馈后净输入信号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。6.3.3负反馈对放大电路工作的影响

第37页：6.3.3 负反馈对放大电路工作的影响（

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38页：6.3.3 负反馈对放大电路工作的影响（

3.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riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流思考题：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39页：有源滤波器所谓滤波器就

6.4.1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、具有良好的选择性，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。6.4*信号处理电路

第40页：6.4.1 有源滤波器（续）

1.有源低通滤波器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6.4.1有源滤波器

第41页：6.4.1 有源滤波器（续）

1.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幅角为

第42页：6.4.1 有源滤波器（续）

1.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，Oω0ω频率特性

第43页：6.4.1 有源滤波器（续）

2.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式中

第44页：6.4.1 有源滤波器（续）

2.有源高通滤波器其模为幅角为若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。频率特性Oω0ω

第45页：采样保持电路

6.4.2采样保持电路

第46页：6.4.3 电压比较器（续）

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。

6.4.3电压比较器

第47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，如图所示。电压传输特性6.4.3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uoOUO(sat)–UO(sat)uoR1R2ui+–+–UR+–+–+uR

第48页：6.4.3 电压比较器（续）

+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6.4.3电压比较器uoOUO(sat)–UO(sat)uo若图中ui为正弦波，画出uo的波形。OtR1R2ui–+–UR–+–++uoOtUO(sat)–UO(sat)

第49页：6.4.3 电压比较器（续）

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6.4.3电压比较器UO(sat)–UO(sat)UZ–UZuoRR1R2+–+DZui+–+–uoO限幅电压比较器

第50页：图中所示为运放组成

[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。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo温度未超过规定值，Ui< UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。

第51页：电压传输特性

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52页：振荡器自激

6.5.1振荡器自激振荡的条件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：Auduiuo12Fuf若当S合于2时，6.5*正弦波振荡器

第53页：6.5.1 振荡器自激（续）

6.5.1RC正弦波振荡电路(1) 即(2)

相位条件

反馈电压与输入电压同相,为正反馈

幅度条件

即1、自激振荡的条件：反馈电压与输入电压的大小相等

第54页：幅度特性

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SAuduiuo12FufUfmUomO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

第55页：6.5.1 振荡器自激（续）

(2)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+6.5.2RC正弦波振荡电路ui+–CRRC

第56页：6.5.1 振荡器自激（续）

uo+–+–+RFR1u+3.RC正弦波振荡电路ui+–CRRC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，当时，即

第57页：6.5.1 振荡器自激（续）

uo+–+–+RFR1u+3.RC正弦波振荡电路ui+–CRRC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，，则电路将等幅振荡；若，则电路将不能幅振荡；

若，则电路起振后，振幅越来至饱和；所以，振荡时应满足即RF> 2R1RF= 2R1起振时应满足若

第58页：6.5.1 振荡器自激（续）

uo+–+–+RFR14.RC正弦波振荡电路稳幅措施CRRC(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。(2)用二极管稳幅RT用具有负温度系数的热敏电阻RT代替RF。

5.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。RF1RF2D1D2

第59页：矩形波发生器

6.5.3矩形波发生器uC和uo的波形RFR1Cuo+–+–uC+–+–+.uRR2R3+–uZDZ图示电路中uCuo+UR–UR+UR–URttOO

第60页：6.5.3 矩形波发生器（续）

集成功率放大器LM 386构成的功率放大电路如下图所示。图中，R2C4组成电源滤波电路；R3C3是相位补偿电路，以消除自激振荡，并改变高频时的负载特性；C2也是防止自激振荡用的。ui+–uoR2R1+–++–+R3C1+UCCC2+++C3C4C523456712V1Ω200μF10Ω200μF22 kΩ10μFLM386

第61页：6.5.3 矩形波发生器（续）

使用运算放大器应注意的几个问题

1. 选用元件
2. 消振
3. 调零
4. 保护uoRFR1ui+–+R2D1D2(1)输入端保护

第62页：6.5.3 矩形波发生器（续）

(2)输出端保护+–++U–URFR1ui+–+R2R3D2uo(3)电源保护

第63页：6.5.3 矩形波发生器（续）

使用运算放大器应注意的几个问题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。