模拟电子技术基本教程华成英主编

2. 同相输入
uN uP uI
uO

(1
Rf R
) uN
uO

(1
Rf R
) uI
1) 电路引入了哪种组态的负反馈？
2) 输入电阻为多少？
3) 电阻R’＝？为什么？
4) 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗？为什么？
运算关系的分析方法：节点电流法
同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器
电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT:使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。 （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向
3. 几种常用的电压比较器
（1）单限比较器：只有一个阈值电压 （2）滞回比较器：具有滞回特性
输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。
iR

iC

C
duI dt
uO

iR R

RC
duI dt
虚地
即输出电压是输入电压的 微分。RC为微分时间常数。
当输入阶跃电压时，
t=0 时 ， 输 出 电 压 极
大，但实际受运放输 出电压限制仍为一个
uI
有限值；随后由于电
容C被充电，输出电
压按指数规律衰减到 零，如图所示。
(a) 0 uO
下限频率
fbw fH fL
上限频率
4. 最大不失真输出电压Uom：
不失真的前提下能够输出的最大电压。
5. 最大输出功率Pom和效率η： Pom ：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最
大功率
效率η：放大电路中供电的直流电源能量的利用率 效率等于最大输出功率 Pom与电源消耗功率 PV之比

Ui Ii
输入电压与 输入电流有 效值之比。
Ro

U
' o
Uo
Uo

(U
' o
Uo
1)RL
RL
将输出等效 成有内阻的电 压源，内阻就 是输出电阻。
空载时输出 电压有效值
带RL时的输出电 压有效值
3. 通频带
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在 信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。
回差电压： U UT1 UT2
（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。
2.4.2 单限比较器
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈(起加速作用)
无源网络
2.2.4 理想运放的工作区域
反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过 一定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。
引入反馈后，放大电路与反馈电路构成一个闭合环路，所以把 引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路（或闭环系统），而把未 引入反馈的放大电路叫做开环放大电路（或开环系统）。
2） i i 0
理想运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一 般称为“虚断”。
２、 非线性区：
当 u u 时，uO UOm ；当 u u 时，uO UOm 。其
中 UOm 是集成运放的正向或反向输出电压最大值。
非线性区“虚断”仍然成立。
2.3. 理想运放组成的基本运算电路
2.2 集成运算放大电路
集成运算放大电路，简称集成运放，是 一个高性能的放大电路。因首先用于信号的 运算而得名。
由于它具有体积小、重量轻、价格低、 使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在 检测、自动控制、信号产生与信号处理等许 多方面得到了广泛应用。
两个 输入端
一个 输出端
2.2.1 差分（动）放大电路的概念
2.2.3 集成运放的理想化条件
为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理 想的，理想运算放大器应当满足下列条件。
(1) 开环差模电压放大倍数趋于无穷； (2) 输入电阻趋于无穷； (3) 输出电阻趋于零； (4) 共模抑制比趋于无穷； (5) 有无限宽的频带； (6) 当输入端u -= u + 时，uo=0。 目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上， 输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此， 作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。
入信号之差，即
uid = ui1 –ui2
若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即 ui1 = ui2，这种输入方式称为共模输入，两信号的算术平 均值称为共模信号，用uic表示。uic为。
uic = ui1 ＋ui2
若ui1 ≠ ui2，这种输入方式称为比较输入， ui1、ui2可分 解为一对共模信号及一对差模信号。即：
T 形反馈网络反相比例运算电路
利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。
i2

i1

uI R1
uM


R2 R1
uI
uO uM (i2 i3 )R4
i3


uM R3
uO


R2 R4 R1
(1
R2
∥ R3
R4
)

uI
若要求Ri 100k，则R1 ？ 若比例系数为100，R2 R4 100k，则R3 ？
输出电流 输入电流
信号源 内阻
信号源 输入电压
1. 放大倍数：输出量与输入量之比
输出电压
Auu

Au

U o U i
Aii

Ai

Io Ii
Aui

U o Ii
Aiu

Io U i
电压放大倍数是最常被研究和测试的参数
2. 输入电阻和输出电阻
从输入端看进去的 等效电阻
Ri
t
(b) 0
t
微分器的输入输出波形
2.4 电压比较器 2.4.1 概述
1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。
输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电 平两种情况，为二值信号。
在自动控制和电子测量中，常用于鉴幅、模数转换、各种非正弦波形 的产生和变换电路中。
2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI)
2.1 放大的概念与放大电路 的性能指标
一、放大的概念
二、放大电路的性能指标
一、放大的概念
至少一路直流
VCC
电源供电
放大的对象：变化量
判断电路能否放 大的基本出发点
放大的本质：能量的控制与转换
放大的特征：功率放大
放大的基本要求：不失真——放大的前提
二、性能指标
对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。
1. 研究的问题
（1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果， 如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。
（2）描述方法：运算关系式 uO＝f (uI) （3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。
2、学习运算电路的基本要求
（1）识别电路； （2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。

(1
Rf R
) uP

R Rf R

RP
(
uI1 R1

uI2 R2

uI3 ) R3
Rf Rf
uO

Rf
(uI1 R1

uI2 R2

uI3 ) R3
与反相求和运算电路 的结果差一负号
3. 加减运算 利用求和运算电路的分析结果
设 R1∥ R2∥ Rf＝ R3∥ R4 ∥ R5
四、积分运算电路和微分运算电路
1. 积分运算电路
iC
iR

uI R
uO

uC


1 C
uI dt R
uO


1 RC
uIdt
uO


1 RC
t2 t1
uIdt

uO
(t1)
即输出电压是输入电压对时间的积分，RC称为积 分时间常数。用符号“τ”表示。
若uI在t1～t2为常量，则
uO
(
uI1 R1
uI2 R2

uI3 ) R3
1. 反相求和
方法二：利用叠加原理
首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所 有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
同理可得
uO2


Rf R2
uI2
uO1


Rf R1
uI1
uO3


Rf R3
uI3
uO

uO1
uO2
uI1 uP uI2 uP uI3 uP uP
R1
R2
R3
R4
必不可 少吗？
uI1 R1

uI2 R2

uI3 R3
( 1 R1

1 R2

1 R3

1 R4 )uP
uP

RP
(
uI1 R1

uI2 R2

uI3 ) R3
(RP R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 )
uO
Auc uoc uic
根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种
接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输 入双端输出、单端输入单端输出。
2.2.2 集成运放的符号及电压传输特性
集成运放的符号
+∞ +
_
(a)国标符号
运放符号
(b)习惯画法
集成运放的电压传输特性
uO=f (uP-uN)
按照反馈的极性，可以分为正反 馈和负反馈。
正反馈:反馈信号增强输入信号。 负反馈:反馈信号削弱输入信号。
判断运放工作状态方法是看电路中引入反馈 的极性，若为负反馈，则工作在线性区；若为 正反馈或者没有引入反馈（开环状态），则运 放工作在非线性状态。
１、线性区
1） u u
理想集成运放两输入端间的电压为0，但又不是短 路，故常称为“虚短”。


1 RC
uI (t2
t1)

uO (t1)
利用积分运算的基本关系实现不同的功能
1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？ 2) 输入为方波时的输出电压波形？ 3) 输入为正弦波时的输出电压波形？ 线性积分，延时 波形变换
移相
方波变三角波
R2的作用？
2. 微分运算电路
在电路结构上将积分电路中R与C的位置互换， 就组成微分器。
在线性区：
uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是 ＋UOM (该值接近于电源电压) , 就是－UOM ，即集成运放 工作在非线性区。
uI1
同理可得， uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3，形式与 uO1相同， uO =uO1+uO2+uO3 。
物理意义清楚，计算麻烦！
在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果 简单明了，易于计算。
2. 同相求和 设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
i1 i2 i3 i4
uO

Rf
(uI3 R3

uI4 R4

uI1 R1

uI2 ) R2
若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5，uO＝?
uO

Rf R
(uI2 uI1)
实现了差分 放大电路
讨论：电路如图所示
（1）组成哪种基本运算电路？与用一个运放组成的 完成同样运算的电路的主要区别是什么？ （2）为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不 考虑第二级电路对它的影响？
uO3


Rf R1
uI1
Rf R2
uI2

Rf R3
uI3
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
利用叠加原理求解： 令uI2= uI3=0，求uI1单独
作用时的输出电压
uO1

(1
Rf R
)
R2 ∥ R3 ∥ R4 R1 R2 ∥ R3 ∥ R4
二、比例运算电路
1. 反相输入
+ iN=iP=0，
_
uN=uP=0－－虚地
在节点N： iF

iR

uI R
1) 电路的输入电阻为多少？
uO
iFRf
Rf R
uI
2) R’＝？为什么？
保证输入级的对称性
R’=R∥Rf
4) 若要Ri＝100kΩ，比例系数为－100，R1＝？ Rf＝？
Rf太大，噪声大。如何利用相对小 的电阻获得－100的比例系数？
ui1
uic

uid 2
d 2
差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号 起抑制作用，故称为差分放大电路。
共模抑制比KCMR ：综合考察差分放大电路放大差模信 号的能力和抑制共模信号的能力。其值越大越好。
KCMRR
Aud Auc
差模电压增益
共模电压增益
Aud uod uid
uO uN uP uI
1) F ? 2) Ri ? Ro ? 3) uIc ?
三、加减运算电路
1. 反相求和
方法一：节点电流法
uN uP 0 iF iR1 iR2 iR3
uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
uO
iFRf


Rf
集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成 高性能的差分放大电路。
ui
放大电 uo
路
ui1
差分放大
ui2
电路
uo
差分放大电路有二个输入端和输出端。在差动放
大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的
信号，即ui1 = -ui2，这种输入方式称为差模输入。两信
号的差值称为差模信号，用uid表示，uid为两输入端输