运算放大器与负反馈

（3）如果需要稳定输出电压和减小输出电阻，应该在放大电路中 引入电压负反馈；需要稳定输出电流和提高输入电阻，应该引入电流 负反馈。
（4）如果需要提高放大电路的输入电阻，应该引入串联负反馈； 如果需要减小放大电路的输入电阻，应该引入并联负反馈。
3.3 理想运算放大器
3.3.1 理想运算放大器的电路模型
这就是同号器或称电压跟随器，电路如图3.4.4所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.4 运算放大器的线性应用
3.4.3 差动输入运算
差动运算放大电路在测量和控制系统中应用很广泛，它的两个输入 端都有信号输入，其运算电路如图3.4.5所示。由于引入深度负反馈， 运放电路为线性应用电路，故可应用叠加原理进行分析。
当uI1单独作用于集成运放时，电路是一个反相基本电路，故uO1为
第3章 运算放大器与负反馈
前言
集成运算放大器（integrated operational amplifier） 是一种高增益的多级直接耦合放大器，是模拟集成电路中最 主要的一类器件。由于早期它主要用于模拟量的某些数学运 算，故称为运算放大器。随着近代集成电路技术的发展，目 前集成运算放大器的性能已达到了相当理想的程度，如电压 放大倍数可达108，输入电阻达几百兆欧，输出电阻小到几欧， 共模抑制比高达160 dB。几乎不存在失调和漂移，其性能十 分稳定可靠，且使用方便、价格低廉，从而使它的应用超出 了模拟运算的范围，在信号处理、信号测量、波形转换及自 动控制等领域都得到了广泛应用。集成运算放大器是电子线 路中重要的元器件，集成运算放大器的运用是电子技术最重 要的基础部分。
iI≈iF 及
u-≈u+=0（虚地） 由图3.4.1可得
所以闭环电压放大倍数为
3.4 运算放大器的线性应用
例3.4.1 在图3.4.1中，设R1=10 kΩ， Rf=50 kΩ，求Auf；如果uI=-1 V，则uO为多大？
【解】
3.4 运算放大器的线性应用
2．反相加法运算电路 如果在反相输入端增加若干输入 电路，则构成反相加法运算电路，如 图3.4.2所示。由图可列出
3.2 放大电路中的负反馈
2
反馈的判别
3.2 放大电路中的负反馈
2
反馈的判别
3.2 放大电路中的负反馈
3.2.3 负反馈对放大电路性能的影响
1．降低放大倍数
4．扩展频带
2．提高放大电路的稳定性 3．扩大运放的线性工作范围
5．减小波形失真
6．负反馈对输入电阻、
输出电阻的影响
3.2 放大电路中的负反馈
对于理想运算放大器，Aod=∞，线性区基本上与纵轴重合，因此其电 压传输特性如图3.3.2（b）所示。
3.3 理想运算放大器
3.3 理想运算放大器
3.3.2 理想运算放大器的特性
1 运放工作在线性区时的特性
1）虚断 由于理想运算放大器的输入电阻rid=∞，运放就不会从 外部电路吸取任何电流，所以，对于一个理想运算放大器来 说，不管是同相输入端，还是反相输入端，都可以认为不会 有电流输入，即
3.2.3 负反馈对放大电路性能的影响
从以上分析可以看出，引入负反馈可以改善和影响放大电路的性 能，不同类型的反馈具有不同的作用，为获得高性能指标的放大电路， 引入负反馈有以下一些原则。
（1）如果需要稳定静态工作点，应该在放大电路中引入直流负反 馈。
（2）如果需要稳定和改善放大电路的交流性能，应该引入交流负 反馈。
由式（3.4.4）和式 （3.4.5）可知，加法运算电 路也与运算放大器本身的参 数无关，只要电阻阻值足够 精确，就可保证加法运算的 精度和稳定性。
3.4 运算放大器的线性应用
例3.4.1 已知反相加法运算放大器的运算关系为 uO=-(4uI1+2uI2+0.5uI3)，并已知Rf=100 kΩ。试选择各 输入电路的电阻和平衡电阻R2的阻值。
3.2 放大电路中的负反馈
按反馈电路与放大电路输入端连接方式的不同，负反馈可分为以下两种。 （1）串联负反馈。反馈电路与放大电路输入端串联，如图3.2.3（a）所示。 反馈以电压的形式出现，此时净输入电压为
（2）并联负反馈。反馈电路与放大电路输入端并联，如图3.2.3（b）所示。 反馈以电流的形式出现，此时净输入电流为
（1）若输入为电压信号，输出为电流信号，A、Af的单位为S。
（2）若输入为电流信号，输出为电压信号，A、Af的单位为Ω。
（3）若输出为电压信号，反馈为电流信号，F的单位为S。
（4）若输出为电流信号，反馈为电压信号，F的单位为Ω。
因此，无论负反馈放大电路属于哪种类型，环路放大倍数AF都是无
量纲的实数。负反馈放大电路的性能与负反馈深度D有关。
3.4 运算放大器的线性应用
3.4.2 同相输入运算
图3.4.3所示为同相比例运算电路。由图可列出以下各式。
式中，Auf为正值，表示uO与uI同相，并且Auf总是大于或等于1， 这点与反相比例运算电路不同。 当R1=∞（断开）或Rf=R2=0时，由式（3.4.6）可得
3.4 运算放大器的线性应用
3.1 运算放大器
集成电路具有以下特点 （1）所有元器件处于同一晶片上，由同一工艺制成，易做到 电气特性对称，温度特性一致，故适于制造对称性高的电路。 （2）集成电路的电阻，容易制成的阻值为100 Ω～30 kΩ。 高阻值的电阻制作成本高，占用面积大，通常采用恒流源电路代 替，必需的高阻值电阻还可以采用外接的方式。 （3）集成电路不适于制作200 pF以上的电容，更难于制作电 感，因此放大电路的级间连接多采用直接耦合方式，必需的大电 容可采用外接方式。 （4）集成电路中制作晶体管容易，二极管通常是用晶体管的 基极与集电极短接后的发射结来代替。
D=1+AF=A/Af
当满足1+AF 1时，称为深度负反馈，此时，闭环放大倍数几
乎与开环放大倍数无关，即
Af=A/（1+AF）≈1/F
（3.2.6）
3.2 放大电路中的负反馈
3.2.2 负反馈的类型和判别
1
负反馈的类型
按反馈电路与放大电路输出端连接方式的不同，负反馈可分为以下两种。 （1）电压负反馈。反馈采样电压与输出电压 成正比，如图3.2.2（a） 所示。 （2）电流负反馈。反馈采样电压与输出电流 成正比，如图3.2.2（b） 所示。
即输出电压uO与输入电压uI对时间的一阶导数成正比。 当输入电压uI为阶跃电压时，输出电压uO为尖脉冲电压，如图3.4.7 （b）所示。 由于尖脉冲波形内含有频率很高的高次谐波分量，所以此电路要求运 放有极高的高频截止频率，故实际较难达到。
3.4 运算放大器的线性应用
3.5 运算放大器的非线性应用
3.1 运算放大器
3.1.1 运算放大器的组成与图形符号
1
运算放大器的组成
3.1 运算放大器
2
集成运放的图形符号
根据国家标准，运算放大器的图形符号如图3.1.3所示。
3.1 运算放大器
3.1.2 运算放大器的主要参数
1．开环电压增益
4．输入偏置电流IIB
2．输入失调电压UIO 3．输入失调电流IIO
3.5.1 电压比较器
1
零电压比较器
图3.5.1（a）所示为反相输入零电压比较器的电路。它是一个工作在
开环（非线性）状态下的运算放大器，输入信号uI接反相输入端，基准电压
UREF接同相输入端，但零电压比较器的基准电压UREF=0。
3.5 运算放大器的非线性应用
同相输入零电压比较器，是将反相输入端接地、同相输入端接输入信 号uI，其电路图及电压传输特性如图3.5.4所示。根据零电压比较器输出电压 的极性，可以判断输入信号是大于零还是小于零，所以零电压比较器常用作 信号电压过零检测器。
3.3 理想运算放大器
2 理想运算放大器的电路模型
3.3 理想运算放大器
3 运算放大器的电压传输特性
运算放大器输出电压与输入电压的关系称为运算放大器的电压传输特性， 如图3.3.2所示。
由于电压放大电路的输出电压是有限的，开环应用的放大电路只有在 输入电压比较小的范围内，输出电压才与输入电压呈线性关系。运算放大器 也是如此，上述uO=Aod(u+-u-)=Aodui关系只存在于坐标原点附近的传 输特性的线性运行区，如图3.3.2（a）所示。由于运放的开环放大倍数Aod 很高，线性区很窄，所以只要输入端u-稍高于u+，输出端uO就 达到负饱 和值-Uom（接近于负电源电压-UCC）；反之，u-稍低于u+，uO就达到 正饱和值+Uom（接近于正电源电压+UCC），因此不引入深度负反馈，很 难使集成运放稳定地工作在线性区。通常运放的正负电源电压相等，故它的 电压传输特性基本上对称于原点。
i+=i-≈0 （3.3.1） 2）虚短 由于运算放大器的开环放大倍数Aod接近于无穷大，而 输出电压是一个有限数值（不可能超过所供给的直流电源电 压值+UCC和-UCC），根据uO=Aod(u+—u-)=AoduI可知
3.3 理想运算放大器
例3.3.1 集成运放CF741的开环电压增益Aod=100 dB，
3.2 放大电路中的负反馈
按反馈电路与放大电路输入端连接方式的不同，负反馈可分为以下两种。 （1）串联负反馈。反馈电路与放大电路输入端串联，如图3.2.3（a）所示。 反馈以电压的形式出现，此时净输入电压为
（2）并联负反馈。反馈电路与放大电路输入端并联，如图3.2.3（b）所示。 反馈以电流的形式出现，此时净输入电流为
即
，差模输入电阻rid=2 MΩ，当工作在线性区时，
若输出电压uO=10 V，求两输入端应加的信号电压的大小和输入
电流。
可见，实际集成运放的u+与u-十分接近，iI也极小，说 明集成运放工作在线性区的两条结论准确性很高。