第7章--集成运算放大器.ppt

,第,7,章 集成运算放大器,第,3,章 集成运算放大器,3.1,运放的结构、特性和分析依据,3.2,运放在模拟运算方面的应用,3.4,运放在信号处理方面的应用,3.3,放大电路中的负反馈,3.5,信号产生电路,Op amp,John Bardeen,Walter Brattain,and William Shockley,贝尔（,Bell,）实验室，,1947,年 双极型晶体管，,1956,年获,Nobel Prize,第一片集成电路（,IC,）的诞生,Jack St.Clair,Kilby,因数学不及格成为,MIT,落榜生,1958.5,，进入,TI,开发部，开发打印电子电路。,2,个月，开始试做集成电路，几个月后做出原型,由,5,个元器件组成。,随后，,TI,集成了,571,个元器件，完成了美国空军计算机研制项目，使计算机体积由,78,立方英尺的庞然怪物变成只有,6.5,立方英寸,由此，集成电路（,IC,）获得广泛应用,第一片集成电路（,IC,）的诞生,1959,年,Fairchild Semiconductor,，,Robert,Noyce,也提出,IC,的概念，更接近于现代,IC,的概念，而,Kilby,仅仅是将元件捆绑在一起,二人均被认为是,IC,的发明人,集成运放的诞生,1963,年,Fairchild Semiconductor,（仙童半导体公司，现更名为飞兆）发布第一片集成电路运算放大器（,op-amp,），发明人,Robert J.(Bob),Widlar,A702,，随后发布,A709,获得应用,1965,年,Widlar,跳槽到,National Semiconductor,1967,年发布,LM101,1968,年，仙童更新，发布后来广泛应用的（设计人,Dave,Fullagar,）,A741,。至此，集成运放获得广泛应用并得以飞速发展,1970,年,Analog Device,设计出高速,FET,运放,1972,年,National Semiconductor,公司,Russell and,Frederiksen,引入新技术设计出,LM324,1973,年,AD,公司推出高精度运放,AD741,其它模拟集成电路（,IC,）包括,Voltage regulators,（电压调整器）,Timers,（定时器）,Function generators,（函数发生器）,Phase-locked loops,（,PLL,锁相环）,Analog-to-digital(A/D)converters,Digital-to-,analog(D,/A)converters,Sample-and-hold amplifiers,（采样,-,保持放大器）,放大器分类,Audio Amplifiers,Current Sense Amplifiers,Differential Amplifiers,Instrumentation Amplifiers,Operational,Amplifiers(Op,Amps),Isolation Amplifiers,.etc,_from Analog Devices,3.1,3.1.1,集成运放的结构和参数,3.1,集成运算结构、特性和分析依据,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器,.,输入级,偏置电路,输出级,中间级,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,中间级,电压放大器,偏置电路,由镜像恒流源等电路组成,1.,集成运放的内部电路结构框图,输入级,偏置电路,中间级,输出级,输出,2.,集成运放,741,的,原理电路图,反相,输入,同相输入,+,U,CC,u,o,+,-,U,EE,T,12,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,7,T,8,T,9,T,10,T,11,T,13,T,14,T,16,T,18,T,17,T,20,T,15,T,19,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,7,R,8,R,9,R,10,R,11,R,12,C,u,i,u,o,u,+,+,u,+,+,3.1,1,2,3,4,5,6,7,8,A741,+U,CC,空,脚,输出,端,调零,电位器,集成运放的电路符号,反相,输入,同相,输入,-,U,EE,调零,电位器,A741,的引脚排列,输出端,反相,输入端,同相,输入端,信号传,输方向,理想,运放开环,电压放大倍数,u,i,=,u,u,+,或,u,i,=,u,+,u,A,实际,运放开环,电压放大倍数,国际通用符号,+,3.1,（,1,）开环电压放大倍数,A,uo,；,(,A,uo,10,4,),运放线性工作状态下的差模电压放大倍数,（,2,）开环差模输入电阻,r,id,；,(,r,id,10,5,),（,3,）开环输出电阻,r,o,；,(,r,o,10,4,，或,80dB,),（,6,）通频带,f,BW,3.,集成运放的主要参数,运放的性能指标用以下参数来表示，运放的参数繁,多，只介绍涉及差模特性和共模特性的主要参数。,I,i,=0,Z,i,=,Z,o,=0,A,o,=,+,-,等效电路,3.1,3.1.2,集成运放的理想化模型,1.,开环电压放大倍数,A,uo,2.,开环差模输入电阻,r,id,3.,开环输出电阻,r,o,0,4.,共模抑制比,K,CMR,5.,通频带,f,BW,运放的理想化模型是一组理想化的参数，,是将实际运放等效为理想运放的条件。,3.1,3.1.3,集成运放的电压传输特性和分析依据,1.,运放的电压传输特性,实,际,运,放,理,想,运,放,定义：,u,o,=,f,(,u,i,),，,其中,u,i,=,u,+,u,问题,:,若定义,u,i,=,u,u,+,，,电压传输特性有何变化？,U,OM,U,OM,u,o,u,i,0,U,OM,U,OM,U,im,U,im,u,i,u,o,0,u,i,u,o,u,+,+,u,+,+,线性区,非线性区,在开环条件下，运放的线性区非常窄，,U,im,为,V,量级。,3.1,2.,运放工作在线性区的分析依据,相当于,两输入端之间,短路,。,对于理想运放,r,id,即,u,u,+,相当于,两输入端之间,断路,。,有,i,i,0,（,2,）,“虚短路”原则,（,1,）,“虚断路”原则,+,i,i,u,i,r,id,u,o,+,+,+,i,i,u,i,u,o,+,+,对于理想运放,A,uo,，,u,i,0,运放在线性区,符合运算关系,u,o,=,A,u,o,u,i,3.1,因为存在负反馈信号,同相输入,端,不是,“,虚地,”！,（,3,）,“,虚地”的概念,由“虚断路”原则,i,i,=,0,有,u,+,=,0,u,_,u,+,=0,结论：,反相输入端为,“虚地”,。,当同相输入端接地时，,由“虚短路”原则,u,+,+,i,i,u,o,+,R,1,R,F,R,2,u,_,u,i,+,i,i,u,o,+,R,1,R,F,R,2,u,_,u,+,u,i,注意,当反相输入端接地时,运放工作在,线性,状态的必要条件：,运放必须加上深度负反馈,。,3.1,分析依据：,“虚断路”原则仍然成立。,对于理想运放,相当于两输入端之间,断路,注意,:,“,虚短路,”,原则,不成立,！,有,i,i,0,3.,运放工作在非线性区的分析依据,+,i,i,u,i,u,o,+,+,非线性区：,当输入信号变化时，输出信号并不随之变化。,u,i,U,im,时，,u,o,=+,U,OM,u,i,R,4,，,可忽略,R,F,在输出回路,对,R,4,的分流作用,例,:,反相比例运算电路如图，,设,:,R,F,R,4,，求,A,uf,。,u,o,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,i,1,i,f,i,d,a,R,4,R,3,u,o,+,得,由虚地,有：,R,2,=?,3.2,2.,同相比例运算电路,由虚断路,i,d,=,0,，有,u,+,=,u,i,由虚短路,u,+,=,u,由分压关系,闭环电压放大倍数,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,故有,u,o,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,u,f,+,i,d,u,+,u,得,3.2,3.,同相跟随器,可得,u,o,=,u,i,u,o,u,i,+,+,由虚短路,u,+,=,u,电压放大倍数,A,uo,=1,同相跟随器的特点,具有射极输出器的所有优点,1.,输出电压,u,o,与输入电压,u,i,同相且相等，故称为同相,跟随器或电压跟随器，而且性能更加优良。,2.,同相跟随器的输入电阻很高（约为运放的开环输入,电阻），几乎不从信号源吸取电流；,3.,输出电阻很低，带负载能力强。,在改变比例系数,时，将涉及电路中,所有电阻参数，故,调整比较困难。,3.2,利用叠加原理进行分析,2.,差动,比例运算电路,u,i2,u,i1,u,i2,u,i1,单独作用时，输出分量为,u,i2,单独作用时，输出分量为,u,i1,和,u,i2,共同作用时，输出为,u,i1,R,F,R,2,R,1,+,+,u,+,R,3,u,o,平衡电阻,R,2,/,R,3,=,R,1,/,R,F,小结：运放线性应用的分析方法,反相输入,2.,同相输入,3.,差动输入,再代入,KCL,方程，导出,u,o,与,u,i,的关系,再代入方程,u,+,=,u,-,，导出,u,o,与,u,i,的关系,利用虚地原则，导出,u,i,、,u,o,与电流的关系，,利用虚断路原则，导出,u,i,与,u,+,的关系，,u,o,与,u,-,的关系,利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量,u,o,和同相输入的输出分量,u,o,在输出端叠加,u,o,=,u,o,+,u,o,以上分析方法不仅可用于比例运算，也可用于其它线性电路,.,3.2,型号,输入阻抗,输出阻抗,开环放大倍数,CMRR,（,dB,）,价格,带宽（,MHz,）,特点,741C,2M,75,25000,70,1,1,低成本,101,800k,低,25000,70,1,1,低成本,108A,70M,低,80000,96,-,1,精密放大,351,高,低,25000,70,2,4,318,高,低,25000,70,5,15,357,高,低,50000,80,4,20,363,高,低,1000000,94,45,2,低噪声、高精度,356,高,低,25000,80,3,5,741,改进型,常用运放的参数,基本运算电路的综合运用,反向求和（加）法,i,1,i,f,i,d,a,u,o,u,i1,R,3,R,1,R,F,+,+,u,i2,R,2,i,2,u,-,虚地，有,同向求和（加）法,u,o,u,i1,R,1,R,4,R,F,+,+,u,f,+,i,d,u,+,u,u,i2,R,2,R,3,有,可导出,u,o,与,u,i1,、,u,i2,的关系,电阻之间的匹配复杂吗？,解决方法,i,1,i,f,i,d,a,u,o1,u,i1,R,3,R,1,R,F1,+,+,u,i2,R,2,i,2,u,o,R,5,R,4,R,F2,+,+,i,1,i,f,i,d,a,u,o1,u,i1,R,3,R,1,R,F1,+,+,u,i2,R,2,i,2,u,o,R,5,R,4,R,F2,+,+,这样的问题，如何如何解决？,u,i3,R,6,设计一个放大电路，实现如下运算,u,o,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,u,f,+,i,d,u,+,u,3.2,3.2.2,模拟运算电路,在集成运放发展的早期，主要用于模拟计算机的加、减、乘、除、积分、微分、对数和指数等各种运算，故将,“,运算放大器,”,的名称保留至今。下面通过例题说明的运放线性应用。,例,1,：,电路如图，,试推导其,运算关系式；,并根据,u,i,波形，画出,u,o,的,波形。,由虚地,R,1,C,F,R,2,+,+,u,o,A,2,u,i,i,1,i,f,+,u,CF,代入,i,1,=,i,f,，并整理，得,反相积分电路,当输入为方波时，在输出电压的,线性范围内，输出为三角波。,u,i,u,o,解,：,3.2,例,2,：,求输出信号,u,o,与输入信号,u,i,的运算关系式,(,设,R,1,=,R,2,),。,A,1,：反相加法运算；,A,2,：反相积分运算,R,1,R,F,R,2,R,4,C,R,5,+,+,+,+,u,o,u,i1,A,2,A,1,R,3,u,o1,u,i2,解：,结论,:,对于多级电路,各级分别求解,A,1,的输出为,A,2,的输入,.,3.2,例,3,：,求输出信号,u,o,与输入信号,u,i,的运算关系式；,并根据,u,i,波形，画出,u,o,的,波形。,解：,R,F,C,1,R,+,+,u,o,u,i,A,2,i,1,i,f,反相微分运算,由虚地，有,代入,i,1,=,i,f,，并整理，得,当输入为方波时，在输出电压的,线性范围内，输出为尖脉冲。,u,i,u,o,解：,利用叠加原理：,3.2,当,u,i1,、,u,i2,分别作用时，有,当,u,i1,、,u,i2,共同作用,例,4,：,电路如图，,试推导其电压放大倍数为 。,放大倍数,u,o,R,1,+,+,A,1,R,4,u,i1,+,+,A,2,R,3,R,1,u,i2,R,2,R,2,例,5,：,PID,调节器电路如图，推导,u,o,与,u,i,的运算关系式。,整理得,i,1,=,i,C1,+,i,R1,u,o,=,u,RF,+,u,CF,代入,i,1,=,i,f,解：,由,KCL,由虚地,由,KCL,P,比例,I,积分,D,微分,3.2,u,o,R,C,1,+,+,u,i,R,F,C,F,R,1,i,1,i,C1,i,R1,i,f,+,u,RF,+,u,CF,例,5,：,PID,调节器电路如图，推导,u,o,与,u,i,的运算关系式。,P,比例,I,积分,D,微分,3.2,特例,：若将,R,F,短路，则有,电路成为,PI,调节器,。,若将,C,F,短路，则有,u,CF,=0,，,有,电路成为,PD,调节器,。,u,o,R,C,1,+,+,u,i,R,F,C,F,R,1,i,1,i,C1,i,R1,i,f,+,u,RF,+,u,CF,3.2,例,6,：,测量放大器电路如图，推导,u,o,与,输入,的运算关系式。,解：,第一级由,A,1,和,A,2,组成同相并联差动运,算电路，有很好的对,称性，第二级,A,3,为减,法运算电路。,由虚短路,u,A,=,u,1,=,u,i1,u,B,=,u,2,=,u,i2,调整,R,P,可改变电路,的电压放大倍数。,u,o,R,P,R,1,+,+,R,1,R,R,F,u,o2,A,B,+,+,u,i1,A,1,+,+,A,2,A,3,u,i2,u,o1,R,R,F,实例：温度测量放大电路,Pt100,铂电阻的,0100,的关系式为,设计一个温度检测电路，将,0100,的温度变化变换为,05V,的电压输出。,温度标度值,温度,0,20,40,60,80,100,阻值,100,107.816,115.6321,123.4481,131.2642,139.0802,+5V,V,CC,R,1,R,1,R,2,R,t,u,i,取,R,1,R,2,，,R,2,=100,有,温度,0,20,40,60,80,100,阻值,100,107.816,115.6321,123.4481,131.2642,139.0802,输出,u,i,0,0.0130,0.0261,0.0391,0.0521,0.0651,取,R,1,=3k,接下来的工作，需要将差动信号放大为,05V,的单极性电压信号,需要的电路有：差动放大电路,后续设计参见习题,7.18,和例,6,例：如图电路，求,u,o,u,i1,u,i2,+,+,_,+,+,_,u,i,u,o,R,R,R,R,A,B,解：如图所示，有,V,A,=u,i1,，,V,B,=u,i2,u,o2,设计一个放大电路，输入信号满量程变化范围为,-5+5V,，现需输出满量程为,0+5V,。,5,-5,2.5,u,o,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,2.5V,R,3,参数请自行计算,3.3,3.3,放大电路中的负反馈,3.3.1,反馈的基本概念,A,F,x,o,x,i,x,d,x,f,x,i,总输入信号,x,d,净输入信号,1.,什么是反馈,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。,反馈框图,放大电路,反馈网络,2.,开环和闭环,开环：信号只有正向传输,闭环：信号既有正向传输，也有反向传输，即存在反馈。,x,o,输出信号,x,f,反馈信号,x ,既可以是电压，也可以是电流。,3.3,闭环放大倍数,的一般表达式,1+,AF,称为反馈深度,AF,称为环路增益,A,F,x,o,x,i,x,d,x,f,4.,负反馈放大器的一般分析,正反馈,x,d,=,x,i,+,x,f,负反馈,x,d,=,x,i,x,f,3.,正反馈和负反馈,加强了输入信号,削弱了输入信号,开环放大倍数,反馈系数,3.3,当,1+,AF,1,时，（即深度负反馈）,用来估算,放大倍数,深度负反馈时,的闭环放大倍数,闭环放大倍数,的一般表达式,1+,AF,称为反馈深度,AF,称为环路增益,A,F,x,o,x,i,x,d,x,f,4.,负反馈放大器的一般分析,开环放大倍数,反馈系数,3.3,1.,电压串联负反馈,3.3.2,负反馈的四种典型组态,电压反馈,输出端,电流反馈,输入端,串联反馈,并联反馈,四种,类型,主要分析交流负反馈的类型及其判别。,+,A,F,R,L,u,o,+,u,S,+,u,i,+,u,d,u,f,R,S,+,1,2,3,4,2,1,3,4,在,2-2,，反馈网络,F,与放,大电路,A,相并联，即输出电,压,u,o,加在,F,的输入端,3-3,，,故必有反馈网络的输出信号,u,f,u,o,，,u,f,的变化也必然反映,u,o,的变化。,将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为,电压反馈,。,电压负反馈稳定输出电压。,3.3,1.,电压串联负反馈,+,A,F,R,L,u,o,+,u,S,+,u,i,+,u,d,u,f,R,S,+,1,2,3,4,2,1,3,4,在放大电路的输入端，,反馈信号与输入信号相串,联，并均以电压形式出现,进行比较,故为,串联反馈,。,u,d,=,u,i,u,f,当三个电压极性相同时，有,u,d,u,i,。,串联负反馈的反馈效果与,R,S,有关，,R,S,越小，,u,S,越接近,恒压源，输入电压,u,i,越稳定，,u,f,的变化对,u,d,的影响越大，,反馈效果就越明显。特别是当,R,S,=0,时，,u,f,的变化全部转,化成,u,d,的变化，反馈效果最好。,反馈的加入使净输入信号减小，故为,负反馈,。,3.3,反馈电路举例：同相比例运算电路,将电路与负反馈框图对比可见：,u,d,u,f,+,R,L,+,+,R,1,R,2,R,F,+,u,o,A,+,u,i,+,F,u,d,+,+,u,f,R,L,R,1,R,2,R,F,+,u,o,A,+,u,i,+,+,+,A,F,R,L,u,o,+,u,S,+,u,i,+,u,d,u,f,R,S,+,1,2,3,4,2,1,3,4,运放为基本放大电路,A,，反馈,网络,F,由电阻,R,F,和,R,1,串联组成。,总输入电压,u,i,、反馈电压,u,f,、,和净输入电压,u,d,，三者均以电压,形式出现,故为,串联反馈,；,u,f,与,u,o,成正比,为,电压反馈,;,3.3,F,u,d,+,+,u,f,R,L,R,1,R,2,R,F,+,u,o,A,+,u,i,+,+,+,A,F,R,L,u,o,+,u,S,+,u,i,+,u,d,u,f,R,S,+,1,2,3,4,2,1,3,4,反馈电压,将输出电压的一部分送回到,输入端。在输入回路，三个,电压均为真实极性，有,u,d,=,u,i,u,f,u,i,为,负反馈,反馈系数,由于引入深度负反馈,此式与前边的推导相同。,反馈类型：,电压串联负反馈,T,+,+,u,i,u,o,R,S,C,1,R,B,C,2,R,E,R,L,V,CC,+,+,_,3.3,2.,电压并联负反馈,A,F,R,L,+,u,o,+,R,S,i,f,i,S,i,i,i,d,u,i,从输入端分析，反馈网络输,出端与放大器输入端相并联，,反馈信号与输入信号进行并联,比较，故为并联反馈。输入端,从输出端分析仍为电压反馈；,当三个电流的实际方向与图中的假定方向相同时，有,i,d,i,i,i,f,的引入使净输入电流减小，故为负反馈。,三个信号必定以电流,i,f,的形式出现，其关系为,i,d,=,i,i,i,f,。,并联负反馈的反馈效果与信号源内阻,R,S,有关，,R,S,的阻值,越大,信号源越接近恒流源，输入电流,i,i,越稳定。特别是当,R,S,开路时，,i,f,的变化全部转化成,i,d,的变化，反馈效果最好。,3.3,F,R,L,+,R,1,R,2,R,F,+,u,o,A,i,i,i,d,i,f,+,u,i,+,a,b,反馈电路举例：反相比例运算电路,结论,：反馈类型为,电压并联负反馈,。,放大电路,A,仍为运放；,反馈网络,F,由电阻,R,F,构成，,它将输出电压转换成反馈,电流,i,f,。由“虚地”，有,u,o,为,电压反馈,输入端三个量均以电流形,式出现，故为,并联反馈。,i,d,=,i,i,i,f,i,f,的真实极性为从,a,b,，有,i,i,为,负反馈,A,F,R,L,+,u,o,+,R,S,i,f,i,S,i,i,i,d,u,i,T,+,+,u,i,u,o,R,S,C,1,R,B,C,2,R,E,R,L,V,CC,+,+,_,在输出端，反馈网络与放大电,路为串联，反馈信号取自输出,电流,i,o,(,即负载,R,L,中的电流,),形,成电流反馈，因此构成电流串联负反馈。,3.3,3.,电流串联负反馈,+,A,F,R,L,u,o,+,u,S,+,u,i,+,u,d,u,f,R,S,+,i,o,由“虚断路”，有,i,R1,i,o,F,i,o,i,R1,u,d,+,+,u,f,R,L,R,1,R,2,A,+,u,i,+,+,+,u,o,反馈电路举例：电压控制电流源,电流负反馈能够稳定输出电流,。,反馈电压为,u,f,=,i,R1,R,1,i,o,R,1,u,f,i,o,为,电流反馈；,u,d,=,u,i,u,f,u,i,为串联负反馈,结论,：反馈类型为,电流串联负反馈,。,从输入端分析为串联负反馈。,T,+,u,o,R,C,R,S,u,s,C,1,C,2,R,L,R,B2,R,B1,R,E1,R,E2,V,CC,+,+,3.3,4.,电流并联负反馈,A,F,+,R,S,i,f,i,S,i,i,i,d,u,i,R,L,u,o,+,i,o,由以上三种反馈类型的分,析结论及框图中输入、输出,回路的联接方式可看出，其,反馈类型为电流并联负反馈。,反馈电路举例,F,+,u,o,R,F,R,2,R,1,+,+,i,f,R,R,L,+,u,R,i,o,i,i,i,d,i,R,+,u,i,反馈网络由,R,F,和采样电阻,R,组成。,设,R,F,R,，有,i,f,i,o,，可认为,在输出端,u,R,=,(,i,o,+,i,f,),R,i,o,R,由“虚地”,在输入端,i,d,=,i,i,i,f,i,i,结论,：反馈类型为,电流并联负反馈,。,T,1,+,u,o,R,C1,R,S,u,s,C,1,R,L,R,E1,R,E2,V,CC,T,2,R,C2,C,2,R,F,+,_,_,3.3,3.3.3,反馈类型的判别,对于单级运放，若反馈元件从运放输出端连接到反相,输入端时，构成负反馈。这是由于输出信号与输入信号极,性相反，必然削弱输入信号，使,x,d,x,i,，因此形成正反馈。,对于多级电路，则需用瞬时极性法进行判别,(,见例题,),。,1.,正反馈和负反馈的判别,反馈类型的判别：是指判别正、负反馈；串联、并联,反馈；电压、电流反馈，重点讨论交流反馈类型的判别。,反馈性质的判别,若已判定某反馈为正反馈，则不必进行其他反馈类型的判别；,只有,判定,为负反馈时，才需要判别其反馈类型。,2.,串联负反馈和并联负反馈的判别,3.,电压负反馈和电流负反馈的判别,一般来说，若,x,f,与,x,i,分别接到运放的两个输入端时,二者,必以电压形式在输入端进行比较，即净输入信号,u,d,=,u,i,u,f,。,所以凡以电压形式进行比较的，即是,串联反馈,；,若,x,f,与,x,i,接到运放的同一个输入端时，二者必以电流分,流的形式在输入端进行比较,即净输入信号,i,d,=,i,i,i,f,。所以凡,以电流形式在进行比较的，即是,并联反馈,。,在输入端进行,在输出端进行,在放大电路输出端，根据反馈信号的采样方式来区别,电压负反馈或电流负反馈。,一种简单的判别方法：设将负载,R,L,两端对交流短路，,或在负载,R,L,上并联一个大容量电容，使输出电压,u,o,=0,，,若负反馈消失，为电压负反馈；否则，为电流负反馈。,3.3,（,1,）,x,f,与,u,o,成正比,是电压反馈,（,2,）输出端短路法,将输出端负载两端短路，或在负载,R,L,上,并联一个大容量电容，使输出电压,u,o,=0,。,3.,电压负反馈和电流负反馈的判别,在输出端进行,3.3,C,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,R,L,u,o,+,C,u,o,+,u,i,R,2,R,1,R,F,+,+,R,R,L,i,o,若反馈消失为电压反馈，否则为电流反馈。,瞬时极性法判断正、负反馈的步骤：,1.,先假定原输入量的瞬时极性为正；,2.,根据各级电路的输入与输出电压的相位关系，分别标出由瞬时极性所引起的各处电位的升（）降（）；,3.,在输入端将瞬时反馈极性与原输入信号极性相比较，当两信号瞬时极性串联，同极性为负反馈，反之正反馈；当两信号瞬时极性并联，则同极性正反馈，反之负反馈。,3.5.3,反馈的判别,3.3,C,i,o,R,F5,R,F2,R,4,R,3,+,+,R,F1,R,2,R,1,+,+,u,o1,A,1,A,2,R,F3,R,6,R,5,+,+,A,3,R,F4,R,L,R,u,f,+,+,u,o,u,o2,i,f,i,i,+,u,R,i,d,+,u,d,+,u,i,例,1,：,判断电路中的反馈元件及其反馈类型。,+,+,反馈元件,及反馈类型,级间反馈,局部反馈,利用瞬时极性法判断级间反馈性质,:,标出各级的瞬时极性,.,解：,R,F1,R,F2,R,F3,R,F4,R,F5,R,R,2,电压并联负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电压并联负反馈,利用瞬时极性法判断反馈的正负,反馈类型：串联,电压,负反馈,电流,例,2,：,反馈类型的判别,u,i,u,o,A,1,A,2,+,+,u,o,R,F1,R,1,R,2,R,F,R,4,R,3,R,5,R,6,R,F2,R,L,u,f,与,u,o,成正比,i,o,+,+,u,f,+,u,d,+,+,+,+,3.3,3.3,3.3.4,负反馈对放大电路性能的影响,1.,提高放大器放大倍数的稳定性,负反馈的引入稳定了放大器的输出信号，在输入信,号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。,负反馈降低了放大倍数,但也带来放大器性能的改善。,对,闭环放大倍数,中的,A,求导：,整理得,闭环放大倍数的稳定性比开环时提高了,(,1+,AF,),倍。,相对变化量减小为,通常用相对变化量 和 衡量放大倍数的稳定性。,3.3,2.,扩展通频带,无负,反馈,0.707,A,u0,A,uf,f,f,H,有负,反馈,A,u,A,uf0,A,u0,0.707,A,uf0,f,H,f,f,BW,f,f,BW,f,BWf,1,AF,f,BW,结论,：,加入负反馈使放大器的通频带展宽。,0,放大器的幅频特性,定性解释为：,当输出信号减小，,反馈信号也随之,减小，净输入信,号相对增大，使,放大器输出信号,的下降程度减小，放大倍数相应提高。,设,u,i,为正弦波，开环,放大器发生非线性失真。,加入负反馈以后，放,大倍数下降，使输出信,号进入非线性区的部分,减少，从而削弱,了非线性失真。,3.3,3.,减小非线性失真,u,f,结论,：,负反馈改善了波形失真。,A,u,o,u,i,F,加入负反馈,无负反馈,u,o,A,u,i,u,d,u,i,u,f,改善失真的效,果取决于失真的,严重程度和反馈,深度的大小。,（,1,）串联负反馈提高输入电阻,（,2,）,并联负反馈降低输入电阻,由,u,f,=,AF,u,d,=(1+,AF,),r,i,r,i,4.,负反馈对输入电阻的影响,F,u,i,u,d,u,f,i,i,r,i,A,+,+,+,F,u,i,i,i,r,i,A,i,d,i,f,+,开环,闭环,开环,由,i,f,=,AF,i,d,闭环,3.3,（,2,）,电流负反馈提高输出电阻,r,of,r,o,（,1,）,电压负反馈降低输出电阻,r,of,r,o,定性,解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器,更趋向于恒压源，因而输出电阻减小。,定性,解释：电流负反馈稳定了输出电流，使放大器,更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。,负反馈对放大器性能的改善是以降低放大倍数,为代价的，可以通过增加级数提高放大倍数。,5.,负反馈对输出电阻的影响,3.3,放大电路引入负反馈的一般原则,为了稳定静态工作点，要引入直流负反馈；为改善动态性能，要引入交流负反馈；,根据信号源的性质，引入串联,/,并联反馈。当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时，引入串联负反馈；反之，若信号源为恒流源或内阻较大时，引入并联负反馈。,根据负载对放大电路输出量的要求，即负载对其信号源的要求，引入电压,/,电流负反馈，若负载需要稳定的电压信号，则引入电压负反馈；若负载需要稳定的电流信号，则引入电流负反馈；,根据四种组态的功能，选择合适的组态。,3.3,例,3,：,判断分压式偏置电路的反馈类型。,解：,R,B2,C,E,+,+U,CC,R,C,C,1,C,2,T,R,L,+,+,R,B1,u,o,+,u,i,+,R,e,R,E,u,S,+,R,S,交流通路,反馈电压,u,f,=,i,e,R,e,i,c,=,i,o,电流反馈,净输入电压,u,d,=,u,be,=,u,i,u,f,u,i,负反馈,+,u,o,u,S,+,i,c,T,R,L,+,u,f,R,S,R,e,i,e,i,b,+,u,be,A,F,i,o,+,u,i,+,+,输入端三个量均以电压形式出现,串联反馈,结论：,R,e,引入了 交、直流串联电流负反馈。,画出交流通路，为简化分析，忽略了,R,B1,和,R,B2,。,3.3,例,4,：,判断射极输出器的反馈类型。,解：,深度交、直流串联电压负反馈。,u,f,=,u,o,，输出电压全部反馈到输入端。,结论：,R,E,引入了,是串联比较，,且三者同相，,u,f,削弱了,u,be,。,净输入信号,u,d,=,u,be,=,u,i,u,f,u,i,+U,CC,C,1,C,2,T,R,L,+,+,R,B,u,o,+,u,i,+,R,E,R,S,u,S,+,u,f,+,+,u,be,故有,输入电阻增大，输出电阻减小,。,3.4,3.4,运放在信号处理方面的应用,3.4.2,电压比较器,功能,将模拟输入信号,u,i,与某参考电压,U,R,进行比较。,分析方法,利用理想运放的电压传输特性,u,o,=,f,(,u,i,),。,应用,用于波形产生和变换、模数转换及越限报警等场合,运放的工作状态,运放大多处于开环状态或正反馈状态,据此来判断输入信号的大小和极性。,由高电平,低电平,由低电平,高电平,当二者相等时,u,o,产生跃变,1.,电压比较器的概念,3.4,2.,电压比较器,U,OM,U,OM,u,i,u,o,（,1,）反相输入过零比较器,0,R,1,R,2,u,o,u,i,+,+,当,u,i,0,时，,u,o,=,U,OM,由理想运放开环的性质得,画出比较器的电压传输特性,即,u,i,0,时，,u,o,=,U,Z,若接入双向稳压管,D,Z,(,R,3,),，即可实现,双向,限幅。,U,Z,U,Z,R,3,U,Z,D,Z,稳压值,(,U,Z,+,U,D,),U,Z,例,1,：,根据输入电压波形画出输出电压波形。,U,OM,U,OM,0,u,o,t,t,0,0,u,i,u,i,u,o,R,1,R,2,u,i,+,+,u,o,U,OM,U,OM,问题,：,1.,若在输出端加入限幅后，输出波形有何变化？,2.,若,u,i,从同相端加入，输出波形有何变化？,3.4,3.4,（,2,）反相输入电压比较器,U,Z,D,Z,R,1,R,2,u,o,u,i,+,+,R,3,若加入参考电压,U,R,，有,0,u,i,/V,u,o,/V,例,2,：,设,U,R,=5V,和,3V,，,U,Z,=,8,V,，画出输出波形。,8,t,8,0,u,o,/V,U,R,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,Z,t,0,u,i,/V,10,10,5,3,t,8,8,0,u,o,/V,3,8,8,5,3.,电压比较器的分析方法,（,1,）输出电压跃变的条件,u,+,=u,电压,u,i,即是,电压比较器的门限电平,U,T,。,对于过零比较器 门限电平,U,T,=,0,（,2,）电压传输特性,u,+,u,时，,u,o,0,；,输出端不接,D,Z,时，,u,o,=,U,OM,输出端接,D,Z,限幅时，,u,o,=,U,Z,u,+,u,时，,u,o,0,；,对于电压比较器 门限电平,U,T,=,U,R,3.4,满足,u,+,=u,时对应的输入,3.4,4.,过零滞回比较器,U,Z,U,Z,U,T2,U,T1,0,u,i,u,o,R,1,R,2,u,o,u,i,+,+,R,3,U,Z,D,Z,R,F,过零比较器和电压比较,器灵敏度高，但抗干扰能,力较差,。为此，在电路中,加入正反馈，形成具有滞,回特性的比较器，可大大,提高比较器的抗干扰能力。,反相输入过零滞回比较器的,电压传输特性类似于磁滞回线，,具有两个门限电平,(,阈值电压,),：,当,u,i,U,T1,时,u,o,从,U,Z,U,Z,：,当,u,i,U,T2,到,u,i,0,时，电压传输,3.4,3.5,3.5,信号产生电路,功能,：信号发生器（或称振荡器）是一种不需要外加输入,信号即能产生一定频率和幅度的信号波形的电路。,分类,：按输出波形分,正弦波发生器,非正弦波发生器,方波发生器,三角波发生器,锯齿波发生器,正弦波,振荡器,按振荡频率分,按选频网络的,组成元件分,低频振荡器,高频振荡器,RC,振荡器,LC,振荡器,石英晶体,振荡器,RC,桥式电路,RC,移相式电路,双,T,型,RC,电路,u,d,S,2,1,u,i,u,o,u,f,+,+,+,+,3.5,1.,产生自激振荡的条件,3.5.1.1,自激振荡的产生和条件,3.5.1,正弦波振荡器,当放大器满足一定条件时,不需外加输入信号,在输出端,却有一定频率和幅度的信号产生,这种现象称为自激振荡。,当,S,合于,1,时，,u,i,=,u,d,当,S,合于,2,后，如果满足：,u,f,=,u,i,=,u,d,_,正反馈,则输出电压保持不变。,反馈系数,开环电压放大倍数,设电路输出电压为正弦波，,各个电压均可用相量表示。,结论,:,相位和幅值条件必须同时满足,才能产生等幅振荡。,所以自激振荡的条件为,S,2,1,u,i,u,d,u,o,u,f,+,+,+,+,由于有,反馈系数,开环电压放大倍数,（,1,）相位平衡条件,（,2,）幅值平衡条件,=,A,+,F,=2,n,即,U,f,=,U,d,，有,(,n,=0,1,2,),3.5,3.5,幅度特性,U,om,=,f,(,U,fm,),U,fm1,U,om1,U,fm2,U,om2,A,U,fm,U,om,o,自激振荡的建立过程,在,振荡建立,时应满足：,2.,振荡的建立和稳定,U,f,U,d,开始上电时，电路中有,一个小的扰动，引起,输出,U,om0,，经正反馈产生,U,fm1,再通过不断放大,反馈,再,放大,再反馈，