运算放大器原理及应用 下载本文

对输出电阻的影响:

该反馈电路的输出电阻是无反馈时输出电阻的1/(1+ArFg)倍。 4. 电流并联负反馈

首先判断图16所示电路的反馈组态,将负载RL短路,这时仍有电流流过R1电阻,产生反馈电流if,所以是电流反馈,从输入端来看,输入信号ii与反馈信号if并联在一起,净输入电流信号id等于输入电流信号ii与反馈电流信号if之差,所以该电路的反馈组态是电流并联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈,各瞬时极性和瞬时电流方向如图所示,可见if瞬时流向是对ii分流,使id减小,净输入信号id小于输入信号ii,故是负反馈。

输出电流的计算:

_由图可得反馈系数Fi

.R2?ioifR2R1?R2Fi????

ioioR1?R2由于运放的电压放大倍数非常大,在输入端vp≈vN,故有id?ii?if?0,从而得到ii?if,

..+iivNifR1R2iR2idRLiovo_..所以 io??(1?R1)ii R2图16 电流并联负反馈电路

输入电阻:由于是并联反馈,所以该电路反馈时的输入电阻Rif比无反馈时的Ri小1+AiFi

倍,这里Ai是基本放大器的电流放大系数。

输出电阻:由于是电流反馈,所以该电路反馈时的输出电阻是无反馈时的输出电阻的1+AiFi倍。

6.2.4负反馈放大电路的一般表达式

由图6-6所示的反馈放大器框图可得到反馈放大器的增益

XXoAxXd Axf?o??XiXd?XfXd?XdAxFx可得到一般的增益表达式

Axf?Ax

1?AxFx有关1?AxFx的讨论:

若1?AxFx大于1,有AxfAx,则为正反馈。

若1?AxFx等于0,有Axf=∞,则没有输入也有输出,这时放大器就变成了振荡器。 若1?AxFx>>1,则有1?AxFx=AxFx,这时的增益表达式为 Axf?1 Fx就是说当引入深度负反馈时(即1?AxFx>>1时)增益仅仅由反馈网络决定,而与基本放大电路无关。由于反馈网络一般为无源网络,受环境温度的影响比较小,所以反馈放大器的

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增益是比较稳定的。从深度负反馈的条件可知,当反馈系数确定之后,Ax越大越好,Ax越大,Axf与1/F的近似程度越好。

根据Axf和Fx定义

Axf?XfXo1X Fx? Axf??o XiXoFxXf说明Xi?Xf,可见深度负反馈的实质是在近似分析中忽略净输入量,对于电压反馈忽略vd,对于并联反馈忽略id。

负反馈对放大电路的性能影响很大,除可以改变放大器的输入、输出电阻外,还可以稳定放大倍数、展宽频带、减小非线性失真。特别是当反馈深度很大时,改善的效果更加明显,但是事情都是一分为二的,反馈深度很大时,容易引起放大电路的不稳定,产生自激振荡。

6.3 频率特性的基本概念

对于一个放大电路来讲,当施加一定∣Av∣ 的输入电压信号,则有相应的输出电压信号产生,电压放大倍数为一向量

? Av=|Av|∠?v

其中Av是输出信号与输入信号绝对值之比,?v是输出信号与输入信号的相位差。

经实验可知,当我们施加频率变化的f 正弦输入信号于实际的放大电路时,Av与?v都随频率变化而变化,即Av(f)、?v(f)图17 阻容耦合放大器的幅频特性 均为频率的函数。

例如单级阻容耦合放大电路的Av(f)曲线如图17所示。这种现象是由于放大电路的耦合电容和晶体管极间电容等引起的。而直接耦合放大器的频率特性见图18。

6.3.1 基本概念 ∣Av∣

放大电路对正弦输入信号的稳态响应Av0 称为频率响应,频率响应与正弦输入信号0.707Av0 之间的关系特性称为频率特性。 (1)频率特性和通频带

放大器的频率特性可用放大器的放大倍数对频率的关系描述 f Av=│Av(f)│∠?v(f)

?图18直接耦合放大器幅频特性

式中Av(f)表示电压放大倍数的模与频率 f的关系,称为幅频特性;?v(f)表示放大器输出电压与输入电压之间的相位差与频率的关系,称为相频特性;总称放大器的频率特性。 图19中,fL和fH分别称为下限频率和上限频率,定义为放大倍数下降至0.707AvM时对应的频率;fL主要由放大器中晶体管外部的电容(耦合电容、旁路电容等)决定,fH 主要由晶体管内部的电容决定。不同的放大器具有不同的频率特性;对于直接耦合电路(主要指模拟集成电路),由于没有晶体管外部电容,所以无下限频率fL。低于 fL的频率范围称为低频区;高于fH的频率范围称为高频区;在 fL与 fH之间的频率范围称为中频区。中频区频率特性曲线的平坦部分之放大倍数称为中频放大倍数。中频区的频率范围通常又称放大器的通频带或带宽

BW=fH-fL 一般fH>>fL, 所以BW≈fH。 对直接耦合方式:BW=fH。

(2)增益

衡量放大器信号在传输过程中的变化,可用一个对数单位来表示,这个对数单位就是分贝(dB)。

放大倍数用分贝表示的定义是: 功率放大倍数的分贝值

P AP(dB)=10lgo(dB)

Pi 在给定的电阻下,功率与电压的平方成正比,所以

电压放大倍数的分贝值

VVo2 Av(dB)=10lg2=20lgo(dB)

ViVi

式中Pi、Vi表示放大器的输入功率和输入电压;Po、Vo表示输出功率和输出电压;lg为

以10为底的常用对数,以上两式Ap、Av单位均为分贝(dB)。

例如,一个放大器的放大倍数Av=100,则用分贝数表示的电压放大倍数为40dB。又如当Av=0.707(归一化放大倍数)时,相应的分贝数为-3dB。因此前面描述通频带的下限频率和上限频率,分别是对应下端或上端的

-3dB点的频率。 ∣Av∣ 放大倍数采用对数单位分贝表示的优点在于,它将放大倍数的相乘简化Avm 为相加;其次,在讨论放大器的频率特

0.707Avm 性时可采用对数坐标图,这样在绘制近

似的频率特性曲线时更为简便;此外,采用对数单位表示信号传输的大小比较

f 符合人耳对声音感觉的状况,因此特别

fL fH 适用于电声设备。放大倍数用分贝作单

图19 阻容耦合放大器幅频特性 位时,常称为增益。

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6.3.2. 对数频率特性

为了缩短坐标,扩大视野,幅频特性和相频特性可分别绘在两张半对数坐标纸上。这种半对数坐标图,就是频率采用对数分度,而幅值(以dB表示的电压增益)或相角?则采用线性分度。这两张频率特性曲线图称为对数频率特性或波特图。

现在使用EDA软件,可以很容易的作出放大电路频率特性。

6.3.3. 集成运放的频率特性

集成运放是直接耦合多级放大电路,具有很好的低频特性(fL=0),可以放大直流信号;它的各级晶体管的极间电容影响它的高频特性。由于集成运放的电压增益高达上万,所以即使晶体管的结电容很小,但是影响很大,所以集成运放的上限频率很低,通用集成运放的-3dB带宽只有几赫兹到十几赫兹,这么低的上限频率确实限制了集成运放的某些应用,但是,影响并不是很大,原因是放大电路的增益与带宽的乘积基本是常数,所以当采用深度负反馈将增益较小后,带宽就被展宽了。

图20给出了LM324的开环频率特性。而图21所示的是闭环频率特性。

图20 集成运放LM324的开环频率特性 图21 LM324的闭环频率特性

LM324开环电压放大倍数为10万倍,开环带宽为10赫兹左右,而闭环放大倍数为10倍时的开环带宽约为100KHz,可见两个电路的增益带宽积是基本相同的。

6.4 集成运放的线性应用

集成运放的应用首先是构成各种运算电路,在运算电路中,以输入电压自变量,以输出电压作为函数,当输入电压发生变化时,输出电压反映输入电压某种运算的结果,因此,集成运放必须工作在线性区,在深度负反馈条件下,利用反馈网络可以实现各种数学运算。

本节中的集成运放都是理想运放,就是说在分析时,注意使用“虚断”“虚短”概念。

6.4.1. 比例运算电路

1. 反相输入比例运算

电路如图22所示,由于运放的同相端经电阻R2接地,利用“虚断”的概念,该电阻上没有电流,所以没有电压降,就是说运放的同相端是接地的,利用“虚短”的概念,同相端