第11章 运算放大器

第11章运算放大器本章教学要求：1.了解集成运算放大器的基本组成和电压传输特性；2. 理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响；3. 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；4. 理解基本运算电路的工作原理和分析方法；5. 理解基本电压比较器的组成和电压传输特性；*6. 了解迟滞电压比较器的组成和电压传输特性；7. 理解自励振荡的条件，了解用集成运算放大器组成的RC振荡电路的工作原理。

本章总体教学内容11.1运算放大器的简单介绍一、集成运放的特点高增益的多极直接耦合放大器二、电路构成（F007）1、集成运算放大电路的组成及各部分的作用集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如下图所示。

运算放大器方框图1）输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。

2）中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。

中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。

3）互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。

具体电路参阅功率放大器。

4）偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

2、集成运算放大器的引线和符号1）集成运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。

一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号…+‟或…IN+‟表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。

输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有…+‟号。

实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还有补偿端和调零端。

2）集成运算放大器的符号按照国家标准符号如下图所示。

（a）国家标准符号(b)原符号模拟集成放大器的符号1、 F007通用集成运放电路简介三、 集成运放的主要性能指标运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。

各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。

（1） 运算放大器的静态技术指标1）输入失调电压V IO (input offset voltage) ：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。

V IO 是表征运放内部电路对称性的指标。

2）输入失调电流I IO (input offset current)：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

3）输入偏置电流I B (input bias current)：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

4）输入失调电压温漂TV d d IO ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

5）输入失调电流温漂T I d d IO ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

6）最大差模输入电压idmax V (maximum differential mode input voltage)：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

7）最大共模输入电压icmax V (maximum common mode input voltage)：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。

共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

（2）运算放大器的动态技术指标1)开环差模电压放大倍数d v A(open loop voltage gain) ：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

2)差模输入电阻r id (input resistance) ：输入差模信号时，运放的输入电阻。

3)共模抑制比K CMR (common mode rejection ratio) ：与差动放大电路中的定义相同，是差模电压增益d v A 与共模电压增益c v A 之比，常用分贝数来表示。

K CMR =20lg(A v d / A v c ) (dB)4)－3dB 带宽f H (—3dB band width) ：运算放大器的差模电压放大倍数d v A 在高频段下降3dB 所定义的带宽f H 。

5)单位增益带宽f C (BW •G)(unit gain band width)：d v A 下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽f C 。

6)转换速率R S (压摆率)(slew rate)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。

转换速率R S 的表达式为maxoR d d t V S =7)等效输入噪声电压V n (equivalent input noise voltage)：输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。

这一数值往往与一定的频带相对应。

四、理想分析条件a) 线性区⎩⎨⎧===-+-+0I I U Ub) 非线性区⎪⎩⎪⎨⎧±===≠-+-+s a t UU I I U U 0011.2 放大电路中的负反馈1、反馈的基本概念 1）什么是反馈反馈：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。

反馈的示意图见下图所示。

反馈信号的传输是反向传输。

开环：放大电路无反馈，信号的传输只能正向从输入端到输出端。

闭环：放大电路有反馈，将输出信号送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。

图示中i X 是输入信号，f X 是反馈信号，i X '称为净输入信号。

所以有 f i i X X X-=' 2) 负反馈和正反馈负反馈：加入反馈后，净输入信号i X ' <i X ，输出幅度下降。

应用：负反馈能稳定与反馈量成正比的输出量，因而在控制系统中稳压、稳流。

正反馈：加入反馈后，净输入信号iX ' >iX ，输出幅度增加。

应用：正反馈提高了增益，常用于波形发生器。

3) 交流反馈和直流反馈直流反馈：反馈信号只有直流成分； 交流反馈：反馈信号只有交流成分；交直流反馈：反馈信号既有交流成分又有直流成分。

直流负反馈作用：稳定静态工作点；交流负反馈作用：从不同方面改善动态技术指标，对Au 、Ri 、Ro 有影响。

2、反馈的判断 1）有无反馈的判断（1） 是否存在除前向放大通路外，另有输出至输入的通路——即反馈通路； （2） 反馈至输入端不能接地，否则不是反馈。

2）正、负反馈极性的判断之一 —瞬时极性法（1）在输入端，先假定输入信号的瞬时极性；可用“+”、“-”或“↑”、“↓”表示；（2）根据放大电路各级的组态，决定输出量与反馈量的瞬时极性;（3）最后观察引回到输入端反馈信号的瞬时极性，若使净输入信号增强，为正反馈，否则为负反馈。

注意：* 极性按中频段考虑；* 必须熟悉放大电路输入和输出量的相位关系。

* 反馈类型主要取决于电路的连接方式，而与Ui的极性无关。

对单个运放一般有：反馈接至反相输入端为负反馈反馈接至同相输入端为正反馈3）电压反馈和电流反馈（1）电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比例（采样输出电压）；（2）电流反馈，反馈信号的大小与输出电流成比例（采样输出电流）。

（3）判断方法：将输出电压‘短路’，若反馈回来的反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。

应用中，若要稳定输出端某一电量，则采样该电量，以负反馈形式送输入端。

电压负反馈作用：稳定放大电路的输出电压。

电流负反馈作用：稳定放大电路的输出电流。

4）串联反馈和并联反馈（根据反馈信号在输入端的求和方式）（1）串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极上，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。

（2）并联反馈，反馈信号加在放大电路输入回路的同一个电极，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。

（3）判别方法：将反馈节点对地短接，若输入信号仍能送入放大电路，则反馈为串联反馈，否则为并联反馈。

对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极，则为并联则为并联反馈；一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。

5）正、负反馈极性的判断法之二：在明确串联反馈和并联反馈后，正、负反馈极性可用下列方法来判断：（1）反馈信号和输入信号加于输入回路同一点时：瞬时极性相同的为正反馈；瞬时极性相反的是负反馈；（2）反馈信号和输入信号加于输入回路两点时：瞬时极性相同的为负反馈；瞬时极性相反的是正反馈。

对三极管放大电路来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端。

注意：输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言，这样才有可比性。

6）直、交流反馈方法判断：根据反馈网络中是否有动态元件进行判断。

（1）若反馈网络无动态元件（通常为电容），则反馈信号交、直流并存；（2）若反馈网络有电容串联，则只有交流反馈；（3）若反馈网络有电容并联，则只有直流反馈。

3、负反馈放大电路的四种基本组态1）负反馈的基本组态类型：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。

2) 负反馈放大电路反馈组态的判断方法：（1）从放大器输出端的采样物理量，看反馈量取自电压还是电流； （2）从输入端的连接方式，判断反馈是串联还是并联。

3）四种负反馈组态及组态的判断 （1）电压串联负反馈* 表现形式：输出和反馈均以电压的形式出现(a)分立元件放大电路 (b)集成运放放大电路在放大器输出端，采样输出电压, 反馈量 与 O V成正比，为电压反馈 ；在放大器输入端,信号以电压形式出现, f V 与 i V ' 相串联,为串联反馈 ；* 参量表示：因输出端采样电压，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以：闭环放大倍数：===i o i o f V V X X A vv vv vv vv F A A +1 反馈系数F X X V V vv .....==f ofo 。

对于图上 (a)1f fe1f e1.1, e vv vvR R A R R R F +=+≈ ， 对于图下 (b)1f f1f 1.1, R R A R R R F vv vv+=+≈* 判断方法对上图(a)所示电路，根据瞬时极性法判断，经R f 加在发射极E 1上的反馈电压为‘+’，与输入电压极性相同，且加在输入回路的两点，故为串联负反馈。

反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈。

后级对前级的这一反馈是交流反馈，同时R e1上还有第一级本身的负反馈。

对图(b)，因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端，故为串联反馈，根据瞬时极性判断是负反馈，且为电压负反馈。