第11章 运算放大电器

减法运算电路
根据叠加定理: uO = uO1＋ uO2
R3 uI2 u＋ = R2＋R3
uO = uO1＋uO2
ＲF R3 RF = (1＋ ) R ＋R uI2－ Ｒ uI1 R1 1 2 3 说明 Ｒ3 ＲF 时, ①当 = Ｒ2 Ｒ1 ＲF uO= (uI2－uI1) Ｒ1
②当 R1= RF 时, uO= uI2 – uI1
－ uI ∞ ＋ uO
＋
电压跟随器
11.3.2、加法运算电路
u＋ = u－ = 0 当 uI1 单独作用时,
uI1
uI2
iI1 R11 iI2 R12 R2
iF
RF ∞ ＋ uO
ＲF uO1=－ Ｒ uI1 11
u－ － u＋ ＋
当 uI2 单独作用时,
加法运算电路
ＲF uO1=－ Ｒ uI2 12
集成运放电压传输特性
u–
－ ＋
AO
＋
uo
uo
UOM
Ui–
0
u+
Ui– <ui < U+ i
线性区
－
U+
i
ui
uo= A0 ui = A（u+ – u ） 0
–UOM
ui > U+和 ui < Uii uo =
+ U – OM
饱和区
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
1.理想运放的条件
1. Ao= ；
Af uI iF RF
i1 R1
R2
iD ∞ u－ － ＋ u＋ ＋ 同相比例运算电路
uO
iF
RF
i1 R1
uI R2
iD ∞ u－ － ＋ u＋ ＋ 同相比例运算电路
uO
RF ) uI uO = ( 1＋ R1
说明 ① uO 与 uI 同相位，且 Af≥1； uO 的大小只与R1、RF 的阻值和 uI 有关。 ② 若 RF = 0, R1 = ∞, R2 = 0 时, uO = uI 称为电压跟随器 ③ 平衡电阻 R2 = R1∥RF 。
100 dB
反相输入端 同相输入端
净输入电压
8
CF741
1
u－
2
2
u+
6
uO
5 4 3
3 1 5 4 －UEE
集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图
典型集成运放 1、F007——P183, A > 105 , ri > 2MΩ
2、F324——P186, A > 100dB, ri > 5MΩ
F007电路原理图
11.1.2 集成运放的主要参数
1.最大输出电压UOM； 2.开环电压放大倍数Ad; 3.输入失调电压Uio; 4.输入失调电流Iio; 5.输入偏置电流IiB; 6.差模输入、输出电阻rid及rod； 7.最大共模输入电压Uicm; 8.最大差模输入电压Uidm; 9.共模抑制比KCRM； 除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。
uI1 uI2 R1 R2
R3 / R2 1＋R3 / R2
RF ∞ ＋ uO
u－ － u＋ ＋
R3 减法运算电路
③平衡电阻 R2∥R3= R1∥RF 。
[例 10.5.2] 如图为两级运放组成的电路，已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求 uO。
uI1 uI2 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k
集成电路芯片
11.1.1 运算放大器的组成
集成运放的内部电路结构框图
u+
输入级 中间级 输出级
u偏置电路
中间级 — 电压放大器 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 — 由各种恒流源等电路组成
u
o
运算放大器的符号
u－ － － uD u＋ ＋ ＋ Ao ＋ uO 输出端 + UCC 8 7 6 7
ui
u
Ｒ １
由“虚断路”原则 i+= 0 , 有 +=0 由“虚短路”原则 – += 0
u u
Ｒ ２
uo
结论：反相输入端为 “虚地”。
Ｒ Ｆ
注意
在右图所示电路中， 因为存在负反馈信号, 同
Ｒ １
ui
Ｒ ２
uo
相输入端 不是“虚地”！
4.理想运放工作在非线性区的分析依据
运放工作在线性工作状态的必要条件：
xI xD Ao F 反馈示意图 xO
xF
| Af | < | Ao | 1 | Af | ≈ |F|
当|F ||Ao |1， 称为深度负反 馈
1. 提高了电压放大倍数的稳定性 | Ao | | Af | = 1＋| F || Ao | d | Af | d | Ao | 1 = | Af | | Ao | 1＋| F || Ao | d | Af | d | Ao | ＜ | Af | | Ao | >1
若为深度负反馈, | F || Ao | >> 1 d | Af | d | Ao | << | Af | | Ao | 故电压放大倍数的稳定性提高了。
[例 11.2.1] 某放大电路的 | Ao | =1 000，由于某一 d| Ao| 原因, 使其变化率为 = 20% ，若电路的反馈系 | Ao | 数 | F | = 0.009，则闭环电压放大倍数的变化率？ [解] d| Ao| d| Af | 1 | Af | = 1＋| F || Ao| | Ao| 1 = 1＋0.009×1000 ×20% = 2%
4. 稳定了输出电压或输出电流 电压负反馈稳定输出电压。 电流负反馈稳定输出电流。
5. 改变了输入电阻或输出电阻 串联反馈使输入电阻增加。 并联反馈使输入电阻减小。 电压负反馈使输出电阻减小。 电流负反馈使输出电阻增加。
11.3 运算放大器在信号运算方面的应用
11.3.1、比例运算电路 1. 反相比例运算电路
3. 串联反馈和并联反馈
RF R1
－
iD ＋ iF
∞ ＋ uO R1 R
L
uI
R2
iI
－ ＋
Ao ＋
＋
RL u
O
uI
RF 并联反馈
R2 串联反馈
－
R
判断方法 串联反馈在输入端是以电压的形式出现的； 并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。
11.2.4、负反馈对放大电路性能的影响
XD = XI－XF Xo Xo | Af | = = XD＋XF XI Xo/ XD = 1＋XF/ XD Xo/ XD = XF Xo 1＋ Xo XD | Ao | | Af | = 1＋| F || Ao |
2. 加宽了通频带
|A| | Ao| 0.707 | Ao| | Af | 0.707 | Af| 加入反馈后 未加入反馈后
Bo Bf f3 f1 加宽通频带 f2 f4 f
O
3. 改善非线性失真
iC UCC /RC IC O 无负反馈时
iC UCC /RC
t
IC O 有负反馈时
t
改善非线性失真
虚地
根据叠加定理: uO = uO1＋ uO2
ＲF ＲF uO=－( Ｒ uI1 + Ｒ uI2 ) 11 12
uI1 uI2
iI1 R11 iI2 R12 R2
iF
RF
∞
u－ － u＋ ＋
＋
ＲF ＲF uO=－( Ｒ uI1 + Ｒ uI2 ) 11 12 uO
加法运算电路
说明 ＲF ①当 R11 = R12 = R1 时： uO=－ (uI1 + uI2) Ｒ ②当 R11 = R12 = RF 时： uO=－(uI1 + uI2) ， ③平衡电阻： R2 = R11∥R12∥RF 。
3. 串联反馈和并联反馈
串联反馈: xF 与 xI 以串联的形式作用于净输入端；
并联反馈: xF 与 xI 以并联的形式作用于净输入端。
11.2.3、反馈的判断
1. 正反馈和负反馈 判断方法：瞬时极性法。
R1
uI R2 iF RF 正反馈 iD － ∞ RF
＋ ＋
＋ uO
RL
＋ iI
－ uF ＋ ＋ Ao － － ＋ R1 uD ＋ ＋ ＋ uI ＋ R2 负反馈
反相比例运算电路
说明 ① uO 与 uI 成反相比例； uO 的大小只与 R1 、 RF 的阻值和 uI 有关。 ②若 R1 = RF ，则 uO = －uI 。 故称为反相器。 ③ R2为平衡电阻， R2 = R1∥RF
2. 同相比例运算电路 uO= RF iF ＋ R1 i1 uI = R1 i1 iF = i1 RF ) uI uO = ( 1＋ R1
2. ri= ； 3. ro=0; 4. KCRM =； 5. Uio、Iio、IiB及温漂均为零
Iin
U+ Ud UrO ri + －
Uo
AOud
2.理想运放电压传输特性
uo
UOM UO+
uo
Ui–
0
U+ i –UOM
ui
0
ui
UO-
实际运放
理想运放
3.理想运放工作在线性区的分析依据
1.―虚断路”原则
比较环节
xo 开环放大倍数：Ao = x D xo 闭环放大倍数：Af = x I
xF 反馈系数：F = x o
11.2.2、反馈的分类
1. 正反馈和负反馈
正反馈: xF 与 xI 作用相同, 使 xD 增加；
负反馈: xF 与 xI 作用相反, 使 xD 减小。