第九章 运算放大器

1、集成运算放大器 第九章 集成运算放大器 学习目标学习目标 掌握集成运放的组成、性能指标、符号图掌握集成运放的组成、性能指标、符号图 形表示法；形表示法； 掌握集成运算放大器线性和非线性应用条掌握集成运算放大器线性和非线性应用条 件和分析法；件和分析法； 掌握集成运算放大器基本电路的应用； 集成运算放大器 分立电路： 集成电路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 导电类型：双极型、单极型 兼容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高 模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率 放大器、集成稳压电源、集成数模转 换电路 集成运算放大器 第一节第

2、一节 集成运算放大器集成运算放大器 一、运放构成 输入级中间级 偏置 电路 输出级 输入端 输出端 输 入 级：由差放构成由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。 中 间 级：共射放大电路共射放大电路。用于电压放大。 输 出 级：互补对称电路互补对称电路。降低输出电阻，提高带载 能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态 工作点。 集成运算放大器 在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元 件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻 比较容易，而制造晶体管却最容易。 运放举例：LM741 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 741 7 6 1 43 2 5 8 22反相输入端

3、反相输入端 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的 需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。 66输出端输出端 33同相输入端同相输入端 44正电源端正电源端 77负电源端负电源端 88闲置端闲置端（NC） 1 1、55接调零电位器接调零电位器 集成运算放大器 二、运放特点二、运放特点 实际运放特点 开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百K）； 输出电阻低（约几百）； 漂移小、可靠性高、体积小、 重量轻、价格低 。 3）开环输出电阻 ro0 2）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想运放及其分析依据 理想化条件理想化条件： 1）开环电压放大倍数 Auo

4、+ + -u- u+ uo 理想运放 电路模型 集成运算放大器 实际运放的参数指标很接 近理想化条件，故用理想运放 代替实际运放所引起的误差并 不严重，在工程上是允许的。 右图所示为运放输入和输 出电压的关系曲线，称为传输 特性。从图中看到，实际运放 的传输特性与理想运放比较接 近。 o +Uo(sat) -Uo(sat) 实际特性 理想特性 u+ - u- 运算放大器的传输特性 集成运算放大器 虚短虚短 虚断虚断 虚短虚短 o +Uo(sat) -Uo(sat) 实际特性 u+ - u- 线性区 饱和区 饱和区 从运放的输入特性看，可 分为线性区和饱和区，运放在 不同区工作时的分析方法不同：

5、 线性区线性区： u uo o=A=Auo uo(u (u+ +-u-u- -) ) r rid id ，故，故 两输入端的输 入电流为零。 A Auo uo ，u uo o为有限值，为有限值， 故故 u u+ +-u-u- -=u=uo o/A/Auo uo0 0 即即 u u+ + u u- - 分析依据分析依据 当有信号输入时，如同相当有信号输入时，如同相 端接地，即端接地，即u u+ +=0 =0 则则 u u- - 0 0 集成运算放大器 饱和区：饱和区： u uo oAAuo uo(u (u+ +-u -u- -) ) 当当u u+ + u u- - 时时,u ,uo o=+u=+

6、uo(sat) o(sat) 当当u u+ + u u- - 时时,u ,uo o=-u=-uo(sat) o(sat) 但两输入端的输入电流仍为零。o +Uo(sat) -Uo(sat) 实际特性 u+ - u- 线性区 饱和区 饱和区 运算放大器运算放大器的主要参数主要参数： 1 1、最大输出电压最大输出电压U UOPP OPP 能使输 出电压与输入电压保持不失真 关系的最大输出电压。 2 2、开环电压放大倍数开环电压放大倍数A Auo uo 没有外接反馈时所测出 的差模电压放大倍数。 集成运算放大器 3 3、输入失调电压输入失调电压U Uio io 为使输出等于零而在输入端 加的微小补偿

7、电压。（调零工作已由调零电位器来 完成，如前所述） 4 4、输入失调电流输入失调电流I Ii i当输入信号为零时，两个输入 端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零 点零几微安级。 5 5、输入偏置电流输入偏置电流I IiB iB 当输入信号为零时，两个输 入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一 般在零点几微安级。 6 6、最大共模输入电压最大共模输入电压U UiCM iCM 运放对共模信号具有抑 制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内 才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就 大为下降，甚至造成器件损坏。 集成运算放大器 一一. 反馈与负反馈反馈与负反馈 第二节第二节 放

8、大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 负反馈在现代科技中的应用十分广泛，所有自动 调节作用的系统都是通过负反馈来实现自动控制 的。负反馈还常常用于电子放大电路中，用来改 善放大电路的工作性能。 反馈反馈：凡是将某系统系统输出信号的部分或全部通过某 种方式引回到输入端，就称为反馈反馈。 如果反馈所在的系统是放大电路，就是放大电路中的反馈。 其输出信号或输入信号就是电信号(电压或电流)。 负反馈负反馈：若反馈信号削弱输入端信号，使电路的放 大倍数下降，就称为负反馈负反馈。 当反馈信号增强了输入端信号，就称为正反馈正反馈。 集成运算放大器 无反馈的放大电路框图如下无反馈的放大电路框图如下： 当三者同相

9、同相时，反馈信号使净输入信号减小。 A i X o X 有反馈的放大电路框图为有反馈的放大电路框图为： + 当 与 相位相同时， 电路具有正反馈； f X i X 当 与 相位相反时， 电路具有负反馈。负反馈。 f X i X 基本放大电路基本放大电路 反馈电路反馈电路 比较环节比较环节 为基本放大电路得到的净输入信号。在负反馈情况下 d X fid XXX fid XXX A i X o X F f X d X + 集成运算放大器 二、负反馈的类型 按反馈信号和输出信号的关系分：按反馈信号和输出信号的关系分： （1 1）电压反馈）电压反馈 （2 2）电流反馈）电流反馈 按反馈信号和输入信号的

10、关系分：按反馈信号和输入信号的关系分： （1 1）串联反馈）串联反馈 （2 2）并联反馈）并联反馈 1 1、电压串联负反馈、电压串联负反馈 2 2、电压并联负反馈、电压并联负反馈 3 3、电流串联负反馈、电流串联负反馈 4 4、电流并联负反馈、电流并联负反馈 下面举例说明：下面举例说明： A F f X d X 0 X 集成运算放大器 三、负反馈类型的判断方法 1.电压电流反馈-输出端短路法输出端短路法 输出回路（电压、电流）即反馈信号与输输出回路（电压、电流）即反馈信号与输 出信号成正比。出信号成正比。 方法是：令输出电压为零时，如无反馈，方法是：令输出电压为零时，如无反馈， 则为电压反馈；

11、若反馈依然存在，则为电则为电压反馈；若反馈依然存在，则为电 流反馈。流反馈。 集成运算放大器 例例1 1 ：电路如图所示：电路如图所示 RS RB1 C1 C2 RC RL ES T RB2 RE +UCC 集成运算放大器 2.串联并联反馈-反馈节点接地法 将输入端的反馈节点对地短路。 若输入信号无法加入，则为并联反馈； 若输入信号仍可进入，则为串联反馈。 集成运算放大器 例2、射极输出器 为电压串联负反馈。为电压串联负反馈。 RS RB1 C1 C2 RL ES T RB2 RE +UCC 集成运算放大器 例3、集电极基极偏置电路， 电压并联负反馈 注：对并联负反馈注：对并联负反馈 来说，信

12、号源的内来说，信号源的内 阻越大反馈的效果阻越大反馈的效果 愈明显，而当愈明显，而当R RS S=0=0 时，无反馈。时，无反馈。 C1 C2 RC RL ES +UCC T RB RS 集成运算放大器 四、负反馈对放大电路工作性能的影响 1 1、降低放大倍数、降低放大倍数 FA A X X X X X X o o d f d o 1 1 , d O X X A fd o i f XX X X X A 0 集成运算放大器 2、提高放大倍数的稳定性 AFA A dA AF A d dA dA ff 1 1 ) 1 ( AFA dA A dA f f 1 1 集成运算放大器 3、改善波形失真（注：

13、不能消除）-以失 真的信号修正信号的失真 A F f X d X 0 X 集成运算放大器 4、对放大电路输入电阻的影响 （1 1）串联反馈）串联反馈 i d i i i if I U r I U r （提高（提高输入电阻）输入电阻） i i dd i fd if rFA I UAFU I UU r )1( 集成运算放大器 （2）并联反馈 )1 ( 1 1 FA r X X I I I U II U I U r I U r FA r r i o o d f d i fd i i i if d i i i if （降低（降低输入电阻）输入电阻） 集成运算放大器 5、对输出电阻的影响 （1 1）电压

14、反馈（降低输出电阻）电压反馈（降低输出电阻） 为负载开路放大倍数为负载开路放大倍数 （2 2）电流反馈（提高输出电阻）电流反馈（提高输出电阻） FA1 r r o of oof r )FA1 (r 集成运算放大器 运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积比例、加减、积 分分与微分微分等简单运算，还能完成对数对数与反对数反对数以及乘乘 除除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用都适用 叠加原理叠加原理。 第三节第三节 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用 在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题： 如何保证运放工作在线性区如何保证运放

15、工作在线性区 ? ? 我们知道：我们知道：A Auo uo ，即当输入差模信号极小时，即当输入差模信号极小时 （如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。 我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈 深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大 电路的性能，所以电路的性能，所以 解决之道是：解决之道是：在电路中引入深度负反馈在电路中引入深度负反馈。 集成运算放大器 uo u- u+ + + - 下面的问题是从输出端将反 馈引到同相端还是反相端 ？ 答案是：答案是：

16、引回到反相端引回到反相端 Z 一、比例运算一、比例运算 1 1、反相输入比例运算、反相输入比例运算 Rf 反馈电阻；反馈电阻； R2 平衡电阻，用于消除平衡电阻，用于消除 静态基极电流对输出电压的影静态基极电流对输出电压的影 响。响。 R2= = R1Rf 由KCLKCL、KVLKVL和运放工作在线性区运放工作在线性区的分析依据分析依据： 1 iif 0 uu 11 1 R u R uu i ii FF f R u R uu i oo i1 ui uo + + - if R1 R2 Rf 及 集成运算放大器 i F u R R u 1 o 由此得：由此得： 1 R R u u A F i o

17、uf 说明：说明： 1 1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相 输入的比例运算电路称为反相器；输入的比例运算电路称为反相器； 2 2、如、如R R1 1和和R RF F的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数 很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两 电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证 了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。 反馈类型：反馈类型： 深度并联电压负

18、反馈并联电压负反馈 电路阻抗特征：电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很低。 集成运算放大器 i1 ui uo + + - if R1 R2 Rf 2 2、同相输入比例运算、同相输入比例运算 1 iif i uuu 及 11 1 R u R u i i 有 FF f R uu R uu i oio i F u R R u)1 ( 1 o 1 1 R R u u A F i o uf 反馈类型：反馈类型： 深度串联电压负反馈串联电压负反馈 得得 集成运算放大器 二、加法运算二、加法运算 i13 ui3 uo + + - if R13 R2 Rf i12R12 i11R11 ui2 ui1 加法电

19、路 在反相端输入若干路信 号，构成反相加法运算电路 131211f iiii )( 3 13 2 12 1 11 oi F i F i F u R R u R R u R R u F o f R u i 11 1 11 R u i i 12 2 12 R u i i 13 3 13 R u i i 由此得 1131211 RRRR当当时，时， F RR 1 再若再若，则，则 )( 321 1 oiii F uuu R R u )( 321oiii uuuu 集成运算放大器 ui1 uo + + - R3 R2 RF i1 R1 减法电路 if ui2 三、减法运算三、减法运算 当两个输入端都有信号 输入时，即为差动输入，可 进行减法运算 1 1 1 1111- R RR uu uRiuu F oi ii 1 1 2 32 3 1 o )1 ( i F i F u R R u RR R R R u 3 32 2 - R RR u u i 时且当 321 RRRR F )( 12 1 oii F uu R R u i121 uu u R R A i oF u 则 由于电路存在共模电压，为了 保证运算精度，应当选用共模抑制 比较高的运算放大器。 集成运算放大器 四、积分运算四、积分运算 dtu CR dti C uu i F f F1 co 11 0 - u