第三章集成運(yùn)算放大器及反饋3.1集成運(yùn)算放大器3.2放大電路中的反饋3.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用圖2-1自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器局部電路框圖自動(dòng)化系統(tǒng)中需要的放大器一般都采用集成運(yùn)放，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)還必須在電路中引入反饋。第三章集成運(yùn)算放大器及反饋目前大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)中的放大器，都采用集成運(yùn)算放大器，集成運(yùn)放應(yīng)用非常廣泛，下圖是自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的綜合放大單元，其中的A即集成運(yùn)放。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的綜合放大單元A微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的模擬信號(hào)直流采樣電路圖圖中的A是集成運(yùn)算放大器A/D式模擬量輸入通道框圖采樣保持器的基本電路變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)圖第三章負(fù)反饋和集成運(yùn)放3.1概述3.2放大電路中的反饋進(jìn)入3.3集成運(yùn)放的線性運(yùn)用進(jìn)入3.1集成運(yùn)算放大器3.1.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介3.1.2集成運(yùn)放的組成及表示符號(hào)進(jìn)入3.1.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)進(jìn)入學(xué)習(xí)目標(biāo)：認(rèn)識(shí)集成運(yùn)放符號(hào)，知道同相輸入、反相輸入時(shí)的輸出輸入關(guān)系，知道集成運(yùn)放功能及使用方法。3.1.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介一、什么是集成電路：利用集成工藝，將電路的所有元件及聯(lián)接導(dǎo)線集成在同一塊硅片上，封裝在管殼內(nèi)，成為一個(gè)具有特定功能的完整電路即集成電路。

二、集成電路的分類：按其功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。模擬集成電路又稱線性集成電路，集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放）是模擬集成電路中品種最多、應(yīng)用最廣泛的一類組件。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。常用有源負(fù)載代替大電阻。（4）只能制作幾十pF以下的小電容，如需大電容，只能外接。（5）不能制造電感，如需電感，只能外接。三、集成電路的工藝特點(diǎn)：*二.通用型集成運(yùn)放F007原理圖AB電流源輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)*3.1.2集成運(yùn)放的組成及表示符號(hào)集成運(yùn)放是高增益、多級(jí)、直接耦合放大電路。集成運(yùn)放常見外形圖集成運(yùn)放管腳排列圖示例三、集成運(yùn)算放大器符號(hào)和特點(diǎn)＋－u-u+uo國(guó)際符號(hào)：中國(guó)的部頒標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)：V+∞+－反相輸入端u-+同相輸入端u輸出端ou集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小共模抑制比高仿真μA741的典型連接圖仿真1.連接電路如圖。3.反相輸入端（為什么叫反相輸入端？觀察反相輸入時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系）2.調(diào)零。（學(xué)會(huì)調(diào)零）（1）調(diào)零是什么意思？（2）為何要調(diào)零？（3）如何調(diào)零？2、3短接接地，即輸入0，測(cè)輸出并調(diào)節(jié)電位器使輸出電壓等于0。

U-分別輸入0V、0.5V和1V電壓，U+接地，測(cè)輸出電壓UO

。（觀察結(jié)論：輸出電壓比輸入電壓大即電路有放大功能，輸出電壓與輸入電壓極性相反-說明從這個(gè)端輸入時(shí)輸出與輸入反相。仿真1.連接電路如圖。3.反相輸入端2.調(diào)零。

U+分別輸入0V、0.5V和1V電壓，U-接地，測(cè)輸出電壓UO

。（觀察結(jié)論：輸出電壓比輸入電壓大即電路有放大功能，輸出電壓與輸入電壓極性相同說明從這個(gè)端輸入時(shí)輸出與輸入同相。4.同相輸入端（為什么叫同相輸入端？觀察同相輸入時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系）

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

2.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。

3.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。3.1.3集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)特殊集成運(yùn)算放大器反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個(gè)參數(shù)，一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運(yùn)放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場(chǎng)合。特殊類型的集成運(yùn)放，在某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。特殊運(yùn)放有高輸入阻抗型、高精度低漂移型、高速型、低功耗型、大功率型等等。3.2.1反饋的概念3.2.2反饋的分類和性質(zhì)進(jìn)入3.2.3交流負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響進(jìn)入3.2放大電路中的反饋輸入量：ui、u+反饋——將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流），以一定的方式送回到輸入回路的過程。3.2.1反饋的概念輸出量：uo正向傳輸——信號(hào)從輸入端到輸出端的傳輸正向傳輸反向傳輸uu+f1o－i+RRUiRfUoU+U+反向傳輸——信號(hào)從輸出端到輸入端的傳輸（反饋）反饋元件：Rf開環(huán)與閉環(huán)的概念電路中只有正向傳輸，沒有反向傳輸，稱為開環(huán)狀態(tài)。電路中既有正向傳輸，又有反饋稱為閉環(huán)狀態(tài)。uu+f1o－i+RRuu－o++i信號(hào)的正向傳輸信號(hào)的正向傳輸反饋（反向傳輸）圖3-6

反饋放大器方框圖和例圖(a)閉環(huán)放大器方框圖(b)反饋放大器示例基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F開環(huán)放大倍數(shù)：+–反饋系數(shù)：輸出信號(hào)原輸入信號(hào)反饋信號(hào)凈輸入信號(hào)反饋放大電路的方框圖反饋放大器閉環(huán)放大倍數(shù)：3.2.2反饋的分類和性質(zhì)＊一、交流反饋和直流反饋二、反饋極性---負(fù)反饋與正反饋負(fù)反饋——凈輸入量減小。正反饋——使凈輸入量增加。*負(fù)反饋類型有四種組態(tài):串聯(lián)電壓負(fù)反饋、并聯(lián)電壓負(fù)反饋、

串聯(lián)電流負(fù)反饋、并聯(lián)電流負(fù)反饋。+－A∞+LRRfifid1i1Ruoiu串聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋串聯(lián)電流負(fù)反饋3.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

提高增益的穩(wěn)定性減少非線性失真擴(kuò)展頻帶改變輸入電阻和輸出電阻交流負(fù)反饋降低放大倍數(shù)直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)使放大器的性能得以改善：3.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3.3.1集成運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)3.3.2基本運(yùn)算電路進(jìn)入3.3.1集成運(yùn)放應(yīng)用基礎(chǔ)一、運(yùn)算放大器的理想指標(biāo)開環(huán)電壓增益Aod=∞;差模輸入電阻Rid=∞;輸出電阻Ro=0;共模抑制比KCMR=∞;UIO、

IIO、αUIO、αIIO均為零;輸入偏置電流IIB=0;-3BdB帶寬fH=∞;1.集成運(yùn)放的傳輸特性設(shè)：電源電壓±VCC=±12V。運(yùn)放的Aod=104則：│Ui│≤1mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當(dāng)Aod→∞時(shí)，線性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui二、理想運(yùn)放的工作特點(diǎn)仿真1)集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的重要特點(diǎn)：+10V-10V+Uom-Uom0uoui（1）Ii+=Ii-=0（虛斷）（仿真測(cè)試）（2）若U+＞U-

則UO=+UOPP；若U+＜U-

則UO=-UOMPP；

若U+=U-

則UO=0工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！ui=u+-u-2.集成運(yùn)放的二種工作狀態(tài)仿真2)集成運(yùn)放非線性工作狀態(tài)的應(yīng)用若ui＞UREF

則UO=+UOPP；

若ui

＜UREF

則UO=-UOPP；若ui

=UREF

則UO=0應(yīng)用舉例：(1)單限比較器比較器電路可用于圖中的電壓檢測(cè)部分圖中的C1和C2均組成比較器(2)滯回比較器若uI＞UT+

則UO=-UOPP；

若uI

＜UT-

則UO=+UOPP；應(yīng)用舉例：電平檢測(cè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的電源監(jiān)視電路，電源電壓偏離5±0.5V時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。A2和A3組成的滯回比較器（1）Ii+=Ii-=0（虛斷）

（因?yàn)镽id≈∞）（2）u+=u-

（虛短）

（因?yàn)锳u≈∞）2.集成運(yùn)放的二種工作狀態(tài)運(yùn)放工作在線性區(qū)的重要特點(diǎn)：2）集成運(yùn)放的線性工作區(qū)為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負(fù)反饋。uu+－A∞+RIIRu－u+ffoi11Ii-Ii+仿真3.3.2集成運(yùn)放的線性應(yīng)用---信號(hào)運(yùn)算電路一、比例運(yùn)算電路1、反相比例運(yùn)算電路（反相放大器）i1=if

（虛斷）利用運(yùn)放線性工作的特點(diǎn)有：

u－=u+=0（虛地）Rf引入了深度負(fù)反饋使電路工作在線性狀態(tài)。輸入端電阻平衡要求：R2=R1//Rf虛地點(diǎn)u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2則：或：虛地點(diǎn)u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2可見：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小成比例，相位相反。R2=R1//Rf特例：當(dāng)Rf=R1時(shí)，uo=-ui-----反號(hào)器（反相器）仿真例：如下圖電路，R1=10k,Rf=20k,ui

=-1V。求:uo

、R0。（取R0=6.8KΩ）*采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路目的：在高比例系數(shù)時(shí)，避免R1阻值太小，使輸入電阻太小。2、同相比例運(yùn)算電路（同相放大器）u-=u+=ui（虛短）i1=if（虛斷）其中：Rf引入深度負(fù)反饋，平衡電阻R=R1//Rfuu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1利用運(yùn)放線性工作的特點(diǎn)有：即所以：2、同相比例運(yùn)算電路其中：Rf引入深度負(fù)反饋，平衡電阻R=R1//Rf可見：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小成比例，相位相同。特例：當(dāng)R1=∞或Rf=0時(shí)uo=ui---電壓跟隨器uu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1仿真Au=1電壓跟隨器此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。ui=uo采樣保持器的基本電路應(yīng)用舉例：微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的模擬信號(hào)直流采樣電路圖A2為電壓跟隨器A為電壓跟隨器若R1=R2=Rf

平衡電阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if二、反相求和電路（加法運(yùn)算電路）輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)按一定比例求和。仿真上圖是一個(gè)反相求和電路，與基本電路相比較，此電路增加了一些輔助環(huán)節(jié)。它將反饋電壓、競(jìng)比電壓、補(bǔ)償電壓等等調(diào)節(jié)、限制信號(hào)，進(jìn)行求和并放大（綜合放大），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)并提高調(diào)節(jié)的靈敏度。其中VD5、VD6是輸入端的限幅保護(hù)，VT1、VT2接成互補(bǔ)對(duì)稱功放電路，使信號(hào)得到功率放大，提高帶負(fù)載的能力。綜合放大單元的輸出電壓作為移相觸發(fā)單元的控制電壓。電力系統(tǒng)的自動(dòng)勵(lì)磁裝置中的綜合放大單元應(yīng)用舉例：4位D/A轉(zhuǎn)換器原理圖變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)圖三、減法運(yùn)算電路ui1單獨(dú)作用

ui2單獨(dú)作用根據(jù)疊加原理

綜合：則有：輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)按一定比例相減。1、差動(dòng)輸入比例運(yùn)算實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算2、利用加法運(yùn)算和反相比例運(yùn)算實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算

[例3-2]如圖3-16所示放大電路中，運(yùn)放Uopp=12V，R1=9.1KΩ，R2=100KΩ，R3=10KΩ，R4=R6=25KΩ，R5=R7=200KΩ。（1）若ui1=0.5V，ui2=0.1V，求uo=?（2）若ui1=0.5V，ui2=0.3V，求uo=?（3）若ui1=0.5V，ui2=-0.3V，求uo=？解：第一步：先認(rèn)識(shí)電路。電路中A1組成電壓跟隨器，A2組成同相輸入比例運(yùn)算電路，A3組成減法運(yùn)算電路。第二步：對(duì)各部分電路應(yīng)用公式。第二步：對(duì)各部分電路應(yīng)用公式。

（1）（2）>Uopp=12V，所以應(yīng)取uo=Uopp=12V。<-Uopp=-12V，所以應(yīng)取uo=-Uopp=-12V。（3）1、積分電路

四、積分與微分電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的積分運(yùn)算應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出三角波。實(shí)現(xiàn)了波形變換。tui0tuo0Ui為常數(shù)時(shí)，與時(shí)間成正比2、微分電路u-=u+=0實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的微分運(yùn)算。自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置中，通過檢測(cè)線性整步電壓斜率判別頻差大小的電路應(yīng)用舉例：此電路包含了比例、微分及求和運(yùn)算。圖1-2自動(dòng)準(zhǔn)同步裝置ZZQ-5中鑒別頻差方向的邏輯電路框圖

R1

∞

－

+

Δ

+

C

R

R4

∞

－

+

Δ

+

o

1M

1μF

xR1

∞

－

+

Δ

+

R

R4

∞

－

+

Δ

+