第9章 运算放大器
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吕国泰《电子技术》第9章-非电量电侧技术精选全文
18
第二节 温度传感器
2.伏安特性U ＝ƒ（Ⅰ）
在稳定状态下，通过热敏电阻的电流I与其 两端之间的电压U的关系。
19
第二节 温度传感器
注意：当热敏电阻的电流很小时其伏安特性 符合欧姆定律，是曲线的线性上升段；当电流 增大到一定值时，引起热敏电阻自身温度升高， 出现了负阻特性，即虽电流增大电阻却减小， 端电压反而下降。因此，在具体使用中，应尽 量减小通过热敏电阻的电流，以减小自热效应 的影响。
输入特性 基本性能：
输出特性
（一）静态特性
静态特性 动态特性 静态特性 动态特性
1.定义—— 被测量的各个值处于稳态或随
时间非常缓慢地变化的状态下，传感器输出 与输入信号之间的关系。
2.表示方式：曲线、数学表达式、表格。
7
第一节 非电量电侧技术概述
3.衡量静态特性的主要参数
(1)测量范围：各种传感器都有一定测量范围， 超过规定的测量范围，测量结果会有较大的误 差或造成传感器的损坏。
＋
E
－
第二节 温度传感器
R1
b E1
R5 RCu
R2
A a＋
R3
－
R1、R2、R3是用电阻温度系数极小的锰铜线 B
绕成，RCu是用电阻温度系数较大的铜导线绕
成，其特性与所配
27
第二节 温度传感器
在200C时，电桥平衡无需进行补偿。 当冷端温度升高时，RCu的阻值随之增大，Uab 增大；而热电偶的电动势E却减小。若Uab增加 量与E减小量相等，则热电偶输出的电压UAB的 大小将不随冷端温度变化而变化。 若冷端温度降低时，则RCu阻值减小，而E则 增大，也可使UAB的大小与冷端温度无关。 此外，还有热电偶补偿法、湿度修正法、热电 动势修正法等补偿和修正方法。
第九章运算放大电路
作用：将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。
类型：同相求和和反相求和。
方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。
27
加法运算电路
1. 反相加法运算电路 ui2 ii2 R12 if RF
因虚断，i– = 0 所以 ii1+ ii2 = if
ro
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
8
四 电压传输特性 uo= f (ui)
uo 近似特性 U＋
-Uds
实际特性
O Uds up-un
-U-
分三个区域： ①线性工作区：
)u
ui1 u R21
ui2 u R22
i
0
ui1 ui2
u
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui 2
RF
R1
–
u+ + +
R21
+ uo –
R22 平衡电阻：
R21 // R22 = R1 // RF
uo
(1
RF R1
)( R22 R21 R22
ui1 ii1 R11
– +
+
+ R2
R2= R11 // R12 // RF
uo –
若 R11 = R12 = R1
则：uo
若 R1 =
类型：同相求和和反相求和。
方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。
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加法运算电路
1. 反相加法运算电路 ui2 ii2 R12 if RF
因虚断，i– = 0 所以 ii1+ ii2 = if
ro
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
8
四 电压传输特性 uo= f (ui)
uo 近似特性 U＋
-Uds
实际特性
O Uds up-un
-U-
分三个区域： ①线性工作区：
)u
ui1 u R21
ui2 u R22
i
0
ui1 ui2
u
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui 2
RF
R1
–
u+ + +
R21
+ uo –
R22 平衡电阻：
R21 // R22 = R1 // RF
uo
(1
RF R1
)( R22 R21 R22
ui1 ii1 R11
– +
+
+ R2
R2= R11 // R12 // RF
uo –
若 R11 = R12 = R1
则：uo
若 R1 =
邓允主编《电工电子技术及应用(第二版)》第九章习题详解
图题 9-3 (a)
（b）用瞬时极性法判断如图所示，它是负反馈。反馈取样是输出电压，在 输入端以电压的形式进行比较，因而是电压串联负反馈。
图题 9-3(b) 9-4 在图题 9-2（c）所示电路中，设放大器工作在深度负反馈状态，试计算 放大器的放大倍数 AF。
【解】电路如图。此电路为电压并联负反馈。 由于是深度负反馈，所以可以通过求反馈系数的方法求放大倍数。
6 能使放大电路的输出电流稳定、输入电阻减小的负反馈是 ○
A.电压串联负反馈； C.电压并联负反馈；
B.电流串联负反馈； D.电流并联负反馈
7 为了稳定放大电路的静态工作点，应该引入的反馈 ○ A. 是交流负反馈；B. 是直流负反馈；C. 是交直流负反馈；D.不需要 8 ○ 共集电极放大电路（射极输出器）是典型的 B. 电压串联负反馈电路； D. 电流并联负反馈电路
A. 电压并联负反馈电路； B. 电流串联负反馈电路； 【解】○ 1 B；
2 C； ○ 3 C； ○ 4 B； ○ 5 A； ○ 6 D； ○ 7 B； ○ 8 B ○
F
If
Uo Rf
Io
Uo R f // RL
RL R f RL
RL RL R f
AF
1
F
9-5 理想运算放大器的电路如图题 9-5 所示。R1=10KΩ，闭环电压放大倍数 Au= -100，试求 RF 的值。 【解】 ii
ui u if o R1 RF Au uo R F 100 ui R1
由题可知
，
uo (
RF RF )ui R1 R2
R 10 RF 5( K) 2 ， R1 F 2 2 R1 R 10 RF 2( K) 5 ， R2 F 5 5 R2
北京交通大学模拟电子技术习题及解答第九章理想运算放大电路及应用
第九章理想运算放大电路及应用9-1．填空（1）理想集成运放的A od= ，r id= ，r od= ，K CMR= 。
（2）运算放大器组成运算电路必须引入反馈，在电压比较器中则应。
（3）欲实现电压放大倍数Au=-100应该选用电路。
（4）欲实现电压放大倍数Au=+100应该选用电路。
（5）比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地。
答案：（1）∞，∞，0，∞。
（2）负反馈，开环或加入正反馈。
（3）反相比例放大电路。
（4）同相比例放大电路。
（5）反相。
9-2．判断下列说法是否正确。
（1）运算电路中集成运放一般工作在线性区。
（）（2）反相比例运算电路输入电阻很大，输出电阻很小。
（）（3）虚短是指集成运放两个输入端短路。
（）（4）同相比例运算电路中集成运放的共模输入电压为零。
（）（5）单限比较器的抗干扰能力比迟滞比较器强。
（）（6）无源滤波电路带负载后滤波特性将发生变化。
（）（7）因为由集成运放组成的有源滤波电路往往引入深度电压负反馈，所以输出电阻趋于零。
（）(8)由于有源滤波电路带负载后滤波特性基本不变，即带负载能力强，所以可将其用作直流电源的滤波电路。
（）（9）无源滤波器不能用于信号处理。
（）（10）按照将积分运算电路置于集成运放的负反馈通路中就可实现微分运算的思路，将低通滤波电路置于集成运放的负反馈通路中就可实现高通滤波。
（）答案：（1）对；在运算电路中，为使集成运放工作在线性区，一定要引入负反馈，只有在引入深度负反馈的条件下，输出电压与输入电压运算关系才几乎仅仅决定于反馈网络和输入网络。
（2）错；反相运算电路输入电阻与反相输入端所接电阻大小有关。
（3）错；“虚短”的含义不是说两个端短路，而是指两个端电位近似相等。
（4）错；同相比例运算电路输入单端输入模式。
（5）错；迟滞比较器的抗干扰能力强于单限比较器。
（6）对；本题考查是否理解“有源”和“无源”滤波电路的特点。
有源滤波电路有其局限性，主要表现在：一是频率响应受组成它的晶体管、集成运放频率参数的限制。
集成 放大器
6. 嘱所有人不得接触病人及病床，呼叫 “准备除颤”，电极板紧贴皮肤上一并页加下压一页同 返回
第一节 心脏除颤仪
再次观察除颤效果，是否恢复窦性心律， 以及神志、生命体征、皮肤情况，若恢复 窦性心律， 给予持续心电监护。
8. 协助病人取适宜体位，清洁皮肤，安慰 病人，整理床单位。
9. 关闭电源，开关置OFF位置，清洁电极 板和仪器，充电备用。洗手、记录。
上一页 返回
9.2 放大电路中的负反馈
9. 2. 1反馈的基本概念
1.反馈的概念 前面各章讨论放大电路的输人信号与输出信号间的关系时.只
涉及输人信号对输出信号的控制作用.这称做放大电路的正向 传输作用。然而.放大电路的输出信号也可能对输人信号产生 反作用。简单地说.这种反作用就叫做反馈。 引入反馈的放大电路称为反馈放大电路.它由基本放大电路、 反馈网络、输出取样、输人求和四部分组成一个闭合环路.称 为反馈环路只有一个反馈环路组成的放大电路.称为单环反馈 放大电路.如图9-4所示。其中.x1是输人信号;x0是输出信 号;xF是反馈信号;xID是净输人信号。这些电量可以是电压. 也可以是电流。
R波无关，放电由人工控制，可发生在心
动周期的任何时期，按下放电开关即可放
电。心脏除颤仪开机后自动默认为非同步
状态，室颤、室扑急救时切记采用非同步
模式。
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第一节 心脏除颤仪
心搏骤停（sudden cardiac arrest， SCA）是临床急救医学中最紧急、最严重 的心脏急症，就心搏骤停时的ECG表现形 式而言，72％~80％以上为心室颤动。电 除颤是抢救因室颤而致心搏骤停病人最有 效的方法。而电除颤的时机是治疗心室颤 动的关键，每延迟除颤时间1min，复苏 的成功率将下降7％~10％。在心搏骤停 发生1min、5min、7min、9min、 12min分钟内行电除颤，病人存活率分别 为90％、50％、30％、10％和上一2页％下~一5页％。返回
第一节 心脏除颤仪
再次观察除颤效果，是否恢复窦性心律， 以及神志、生命体征、皮肤情况，若恢复 窦性心律， 给予持续心电监护。
8. 协助病人取适宜体位，清洁皮肤，安慰 病人，整理床单位。
9. 关闭电源，开关置OFF位置，清洁电极 板和仪器，充电备用。洗手、记录。
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9.2 放大电路中的负反馈
9. 2. 1反馈的基本概念
1.反馈的概念 前面各章讨论放大电路的输人信号与输出信号间的关系时.只
涉及输人信号对输出信号的控制作用.这称做放大电路的正向 传输作用。然而.放大电路的输出信号也可能对输人信号产生 反作用。简单地说.这种反作用就叫做反馈。 引入反馈的放大电路称为反馈放大电路.它由基本放大电路、 反馈网络、输出取样、输人求和四部分组成一个闭合环路.称 为反馈环路只有一个反馈环路组成的放大电路.称为单环反馈 放大电路.如图9-4所示。其中.x1是输人信号;x0是输出信 号;xF是反馈信号;xID是净输人信号。这些电量可以是电压. 也可以是电流。
R波无关，放电由人工控制，可发生在心
动周期的任何时期，按下放电开关即可放
电。心脏除颤仪开机后自动默认为非同步
状态，室颤、室扑急救时切记采用非同步
模式。
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第一节 心脏除颤仪
心搏骤停（sudden cardiac arrest， SCA）是临床急救医学中最紧急、最严重 的心脏急症，就心搏骤停时的ECG表现形 式而言，72％~80％以上为心室颤动。电 除颤是抢救因室颤而致心搏骤停病人最有 效的方法。而电除颤的时机是治疗心室颤 动的关键，每延迟除颤时间1min，复苏 的成功率将下降7％~10％。在心搏骤停 发生1min、5min、7min、9min、 12min分钟内行电除颤，病人存活率分别 为90％、50％、30％、10％和上一2页％下~一5页％。返回
第9章-DAC和ADC
图9.2.6
DAC——CB7520电路原理图
【例1】 下图是用CB7520和74LS161组成的波形发生器电路。已 知CB7520的VREF=-10V，试画出输出电压V0的波形，并标出波形图 上各点电压的幅度。
9.2.7
DAC——CB7520应用举例
§9.2.3 权电流型D/A转换器
在权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC中的模拟开关在实 际应用中，总存在一定的导通电阻和导通压降，而且每个开关的 情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响 转换精度。 权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下：
n
其中： X X n 2
n 1
X n 1 2
n2
X 1 2 Dn
0
一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：电 阻译码网络、模拟开关、基准电压源和求和运算放大器。
图9.2.2 数模转换器原理图
目前使用最广泛的D/A转换技术有两种：权电阻网络 D/A转换和T形电阻网络D/A转换。
本章主要内容
第一节
概述
第二节
D/A转换器
第三节 A/D转换器
§9.1 概述
DAC和ADC的应用举例：
DAC和ADC的应用举例——MP3播放器：
DAC和ADC的应用举例——数字温度计：
DAC和ADC的应用举例——数字血压计：
在过程控制和信息处理中，经常会遇到一些连续变化的 物理量，如话音、温度、压力、流量等，它们的量值都是 随时间连续变化的。为了能使用数字电路处理模拟信号， 必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系 统进行处理。同时，还往往要求将处理后得到的数字信号 再转换为相应的模拟信号作为最后的输出。 图9.1.1所示即为一个典型的数字控制系统框图：
第9章直接耦合放大电路和集成运算放大器
图 9 –3 集成电路剖面结构示意图 (3) 电路元件间的绝缘采用反偏的 PN 结隔离槽或二氧化硅绝缘层。
在图 9 3 中，P 型衬底往往接在电路的最低电位，元件间的 P 型隔离 槽也接向这个低电位。这样无形中构成了许多反偏的 PN 结，呈现出高达几十兆 欧姆的电阻，巧妙地把各元件隔离起来。此外，也可用二氧化硅薄层作为绝缘层。 三 、集成电路的外形封装
在硅片上制成一个元件的成本与它在硅片上占据的面积成正比。电感元件、 较大阻值的电阻和高值电容都会占用较大面积的硅片，因此，在集成电路中尽量 较少使用电容元件，不用电感和高阻值电阻。
(2) 大量使用三极管作为有源单元。 三极管占据单元面积小且成本低廉，所以在集成电路内部用量最多。三极
管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或作为二极管、稳压管使用，如图 9 3 中的二极管 V1 和 V2 。
第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些变化缓慢的低频信号（频率为 几赫兹至几十赫兹，甚至接近于零）。采用阻容耦合或变压器耦合的放大电路是 不能放大这种信号的。 因为在阻容耦合电路中，电容对这些信号呈现的阻抗极 大， 信号被电容隔断，无法传输到下一级。而在变压器耦合的电路中, 信号将 被变压器原边线圈的低阻所短路，也无法耦合到副边去。因此，放大这类变化缓 慢的信号，只能用直接耦合放大电路。
集成运放的外部引出端子有输入端子、输出端子、连接正负电源的电源端子、 失调调整端子、相位校正用的相位补偿端子、公共接地端子和其他附加端子。图 9 6 给出了集成运放 F007 的外引线图，图中包括输入端子、输出端子、电 源端子和失调调整端子。对于不同的产品，其外部引出端子的排列可以从产品说 明书上查阅。 本书的附录Ⅵ示出了常用的一些国产集成运放的引线排列图，供 使用时参考。 二、集成运放的主要性能指标
第9章 信号的运算与处理电路
R3 u− = u+ = ui 2 R2 + R3
if R1 ii ＋ R2 ui1 ＋ － ui2 －
RF
ii = i f
ui 1 − u− ii = R1 u− − uo if = RF RF R3 RF uo = (1 + ) ui 2 − ui 1 R1 R2 + R3 R1
＋ uo R3 －
典型电路
比例运算电路 加法运算电路 减法运算电路 积分运算电路 微分运算电路
例
电路如图所示。 电路如图所示。设运放是理想的， 设运放是理想的，电 容器C上的初始电压为零。 上的初始电压为零。
300kΩ 100kΩ
ui1
100kΩ
_ ∞ +
A1 +
∆
+
100kΩ
_ ∞ +
A3 +
∆
uo1
uo
100μF
ii ＋ ui －
＋
－ ＋ uo －
dui uo = − RC dt
if uC ＋ － C R2 ＋ uo － RF
ui
t ii ＋ ui － uo
t
当输入电压为阶跃信号时， 当输入电压为阶跃信号时，输出电压为尖脉冲。 输出电压为尖脉冲。
小结
集成运算放大器的线性应用 集成运放怎样才能实现线性应用？ 集成运放怎样才能实现线性应用？ 加负反馈 分析依据？ 分析依据？ 虚短 虚断
IS -UEE
输入级 要求： 要求： 尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。 尽可能大。
T4 反相端 u－
－ ＋
+UCC uo
T3 T1 T2
T5
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输入信号
差模输入
两个输入信号大小相等,极性相反,即ui1= ui2 , 称为差模输入。
共模输入
两个输入信号大小相等,极性相同,即ui1= ui2 , 称为共模输入。
零点漂移的抑制
Δuo1
ui1 = ui2 = 0
Δuo Δuo2
差模电压放大倍数 共模电压放大倍数 共模抑制比 差模电压放大倍数与共模电压放
2、集成运放的电压传输特性
指开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线：
+Uo(sat) uo
线性区
正饱和区
ud = u+－u-
可见，集成运放 有两个工作区： 线性区、饱和区
-Uo(sat)
工作在线性区时：uo Ao(u u) 工作在饱和区时：
负饱和区
u u
时，uo
U o
u u
时，uo
U o
原理。
集成电路简介
集成电路：用一定的生产工艺把整个电路中的 元器件及它们之间的连线制作在一块半导体芯 片上，构成具有特定功能的电子电路。
特点：工作稳定，使用方便，体积小，重量轻， 功耗小，实现了元件、电路和系统的统一。
集成电路
数字集成电路 模拟集成电路：集成运算放大器
8.1 集成运算放大器概述
一、 集成运算放大器的特点及组成 集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直 接耦合放大器，是一种常用的模拟集成电路。 特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸
之间无外加回路(称开环)时，输出电压与输入电压的
比值。 是决定运放运算精度的主要因素。越大越好。
2)最大输出电压 Uomax： 能使输出和输入保持不失
真关系的最大输出电压。
3)输入失调电压 UIO
4)输入失调电流 IIO 愈小愈好
5)输入偏置电流 IIB 6)共模输入电压范围 UICM 7)共模抑制比KCMR
+UCC
输出端 T4
+
T5
3
uo
输出级 -UCC
集成运放的输入级——差动放大器
基本差放的电路组成
由两个对称的 单管共射放大 电路组成
输入方式
双端输入：信号由两个输入端之间输入。ui=ui1-ui2
单端输入：信号由一端输入，另一端接地。
ui=ui1；ui2=0
输出方式
双端输出：信号由两个输出端之间输出。uo=uo1-uo2 单端输出：信号由某一端对地输出。uo=uo1
中间级：主要作用是进行电压放大，又称电压放大 级。常采用一级或多级共射放大电路构成。
输出级：要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗 小，带负载能力强。
偏置电路：为各级提供合适的偏置电流。
二、 集成运放的工作原理
反相 输入端
1
ui
T1 T2
2
同相 输入端
IS 输入级
VD1 VD2
VD3 VD4
T3
中间级
A uo 很大: 104 ~ 107 ri 高: 几十k 几百k ro 小：几十 ~ 几百 KCMR （共模抑制比）很大
组成： 由四个基本部分组成
u输入级
u+
中间级
uo 输出级
偏置电路
集成运放的组成
输入级：集成运放的关键部分，要求其输入电阻高， 能减小零点漂移和抑制干扰信号,常采用差 动放大电路。
1、反馈的定义和表示法
净输入信号
输出信号
Xi +
Xd
输入信号 –+ Xf
反馈信号
基本放大 电路Ao
反馈
电路F
Xo
反馈系数
2负号反基正、反削馈本反负馈弱放放馈反：净大大：馈X输电电X放f和入f路路和号大X信的X增电i极A号i三极强路o性。个性净的相XX环相输一反do节同入般使：使信表X反X号达d减馈d。增式小电大，路，反F反馈馈信XX信of 开环放大倍数 比较环节 Xd Xi Xf
引入反馈后，反馈放大电路的放大倍数称为闭环放
大倍数，用Af表示，则反馈放大电路的基本关系式：
.
.
.
Af
Xo
.
Xi
Xo
.
.
Xd Xf
Ao Xd
.
.
Xd F X o
Ao
.
1 F
X
.
o
Ao 1 FAo
由上式可知Af Ao
Xd
引入负反馈后，闭环放大倍数下降。
Af Ao Ao Ao 1 FAo
第八章 集成运算放大器
8.1 集成运算放大器概述 8.2 运算放大电路中的负反馈 8.3 运算放大器在信号运算方面的应用 8.4 运算放大器在信号处理方面的应用
本章要求：
1、了解集成运放的基本组成、特点、电压传 输特性和主要参数。
2、理解反馈的概念，了解反馈的类型。 3、掌握理想运算放大器的分析方法。 4、重点:用集成运放组成的比例、加、减、微 分和积分电路。 5、理解用集成运放组成的电压比较器的工作
大倍数之比
运放外形：
双列直插式
圆壳式
1
5
2
6
81
3
748Fra bibliotek2－反相输入端，输出与输入反相
3－同相输入端，输出与输入同相
4－负电源端
7－正电源端
6－输出端 1和5－外接调零电位器 8－空端
u- 。
u
。
+
运放的符号： +UCC
Ao
+
。uo
+
－UEE
三、集成运放的特性 1、主要参数
1) 开环差模电压增益 Ao：指运放输出端与输入端
Uo+、Uo-的绝对值分别小于正负电源值
四、理想运算放大器及其分析依据
1、理想运算放大器 Ao ，KCMR ，rid ，ro 0
2、理想运放的电路符号和电压传输特性
Uo +
uo
u- 。
u
。
+
+ +
u。o
ud = u+－u-
Uo -
3、理想运放工作在线性区时的分析依据
uu+
ii+
+
∞
+
。 ① “虚短”：差模输入电压约等
② “虚断”：输入电流约 等于 0，即 i+= i－= 0
∵ rid＝
∴ i ui 0 rid
两个输入端的电流视为0，好像输入端与运放断开 一样，称为“虚断”。
8.2 放大电路中的负反馈
一、反馈的基本概念
反馈：指将输出量（电压或电流）的一部分 或全部，通过一定的电路（反馈网络）引回 到输入端，来影响输入量（电压或电流）的 一种过程。
uo 于 0，即 u+= u－
Ao uo u u
u u uo Ao
∵ Ao = ，uo为有限值 ∴u＋－u－ =0
可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接
一样，称为“虚短”。
如果运放的同相端接地 u , 0 则反相输入端近似等于“地”电位u u ，0称 虚地。
uu+
ii+
+
∞
+
。uo
1 FAo 1
1 AoF ——反馈深度
反映了负反馈的强弱程度。
1 FAo 越大，Af 越小，反馈越 强烈。
若 AoF 1 称为深度负反馈，此时：
1 Af F
在深度负反馈的条件下，闭环放大倍数
Af取决于反馈系数F，与开环放大倍数Ao
无关。
二、 负反馈的类型