第9章 集成运算放大器基础

1、 集成放大器是一种高放大倍数的多级直接耦集成放大器是一种高放大倍数的多级直接耦 合放大电路合放大电路(direct coupling amplifier)。是发展最早、。是发展最早、 应用最广泛的一种模拟集成电路。由于最初多用应用最广泛的一种模拟集成电路。由于最初多用 于各种模拟信号运算（如比例、求和、求差、积于各种模拟信号运算（如比例、求和、求差、积 分、微分分、微分 ），故被称为），故被称为集成运算放大电路集成运算放大电路 (integrated operational amplifier circuit)，简称，简称集成集成 运放运放。 rid 大大: 几几百百K 几几十十M 集成运放的

2、特点：集成运放的特点： 共模抑制比共模抑制比CMRR 很大很大 ro 小：小：几几 几十几十 Aod 很很大大: 105 107 理想运放：理想运放： rid CMRR ro 0 0 Aod +UCC UEE u u+ 输入级输入级中间级中间级 输出级输出级 同相同相 输入端输入端 输出端输出端 反相反相 输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰 信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路构成。共发射极放大电路构

3、成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能 力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路：偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电为各级电路提供稳定和合适的偏置电 流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电 路构成。路构成。 运算放大器的方框图运算放大器的方框图 集成运放的符号：集成运放的符号： u u+ uo Ao 国内符号国内符号 u u+ uo 国际符号国际符号 直接耦合使得各级的静态工作点直接耦合使得各级的静态工作点 Q相互影响，如前一级

4、的相互影响，如前一级的Q点发生变点发生变 化，则会影响到后面各级的化，则会影响到后面各级的Q点。第点。第 一级的微弱信号变化，经多级放大以一级的微弱信号变化，经多级放大以 后使输出端产生很大的变化。最常见后使输出端产生很大的变化。最常见 的由于环境温度变化而引起的工作点的由于环境温度变化而引起的工作点 漂移，称为漂移，称为温漂温漂，它是影响直接耦合，它是影响直接耦合 放大电路性能的主要因素之一。当输放大电路性能的主要因素之一。当输 入短路时，输出端却存在随时间缓慢入短路时，输出端却存在随时间缓慢 变化电压，如图变化电压，如图9-2所示。这种输入所示。这种输入 电压为零，输出电压偏离零值的变化电

5、压为零，输出电压偏离零值的变化 称为称为“零点漂移零点漂移”，简称，简称“零漂零漂”。 产生零漂的原因主要是因为晶体管的参数受温度的影响。产生零漂的原因主要是因为晶体管的参数受温度的影响。 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对 应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。 差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 +UCC uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 两个输入、两个输入、 两个输出两个输出 两管两管静态工静态工 作点相同作点相同

6、uo= VC1 VC2 = 0 uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0 静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0 当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等） +UCC uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 +UCC uo RC RB2 T1 RB1 RCRB2 RB1 + ui1ui2 + T2 + + + + + + 共模信号共模信号 需要抑制需要抑制 +UCC uo ui1 RC RB2 T1 RB1 RC ui2 RB2 RB1 + + T2 + + + + + + 差模信号差模信号

7、 是有用信号是有用信号 例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制 系统中是常见的。系统中是常见的。 （Common Mode Rejection Ratio) d C CMRR A A d C CMR(dB)20lg( ) A A 分贝 若电路完全对称，理

8、想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响 。 +U uo ui1 RC RP T1 RB RC ui2 RE RB + + T EE + 稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。 EE：用于补偿：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。 9.3.1 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 2. 最大输出电压最大输出电压 UOP-P 能使输出和输入保持不失真关系

9、的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 1. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod 运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。 Aod 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 一般在一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为 。 3. 差模输入电阻差模输入电阻 rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号 源索取电流的大小。源索取电流的大小。rid越大越好，越大越好，rid1M , 有的可有的可 达达10

10、0M 以上。理想集成运放的以上。理想集成运放的rid为为 。 5. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模信号的抑制能共模抑制比反映了集成运放对共模信号的抑制能 力，其定义同差动放大电路。力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好，理越大越好，理 想集成运放的想集成运放的CMRR为为 。 6. 输入失调电压输入失调电压 UIO 使使uo=0，在输入端加的一个很小的补偿电压。其，在输入端加的一个很小的补偿电压。其 值愈小愈好。值愈小愈好。 4. 输出电阻输出电阻 ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能 力。一般力。一般

11、几几 几十几十 ，理想集成运放的理想集成运放的ro为为0。 7. 输入失调电流输入失调电流 IIO 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。 其值愈小愈好。其值愈小愈好。 8. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平 均值。它的大小主要和电路中第一级管子的性能有均值。它的大小主要和电路中第一级管子的性能有 关。其值愈小愈好。关。其值愈小愈好。 9. 带宽带宽 fh 运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用 于高频信号。于高频

12、信号。 集成运算放大器的特点：集成运算放大器的特点： 开环电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低，开环电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低， 漂移小，可靠性高，体积小。漂移小，可靠性高，体积小。 1. 理想运放几个重要指标理想运放几个重要指标 开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo ， 差模输入电阻差模输入电阻 rid ， 开环输出电阻开环输出电阻ro 0 ， 共模抑制比共模抑制比CMRR uo + + u+ u +UCC UEE 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高， 输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所

13、 谓的谓的理想运放理想运放。 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui) 线性区：线性区： uo = Auo( (u+ u) 非线性区：非线性区： u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， 时， uo = Uo(sat) u+ u uo Uo(sat) +Uo(sat) O 饱和区饱和区 集成运放引脚集成运放引脚 在应用集成运放时在应用集成运放时, ,需要知道它的几个管脚的用需要知道它的几个管脚的用 途以及放大器的主要参数途以及放大器的主要参数, ,至于它的内部电路结构如至于它的内部电路结构如 何一般是无关紧要的

14、。何一般是无关紧要的。 集成运算放大器有集成运算放大器有铝壳封装铝壳封装和和双列直插式塑壳双列直插式塑壳 封装封装两种。两种。 常有七个引脚，常有七个引脚， 如图所示，如图所示， 用途是：用途是： F007 2 3 41 5 6 7 +15V -15V RP 输出端输出端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 1 1和和5 5为外接调为外接调 零电位器的两零电位器的两 个端子。个端子。 2 2为反相输入端为反相输入端，由此端接输入信号，则输出信号，由此端接输入信号，则输出信号 与输入信号是反相的（或两者极性相反）。与输入信号是反相的（或两者极性相反）。 3 3为同相输入端为同相输入端，由

15、此端接输入信号，则输出信号，由此端接输入信号，则输出信号 与输入信号是同相的（或两者极性相同）。与输入信号是同相的（或两者极性相同）。 4 4为负电源端为负电源端， 接接-15V-15V稳压电源。稳压电源。 7 7为正电源端为正电源端， 接接+15V+15V稳于电源。稳于电源。 6 6为输出端为输出端。 F007 2 3 41 5 6 7 +15V -15V RP 输出端输出端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 表示表示 负负 反反 馈馈 交流反馈交流反馈 直流反馈直流反馈 电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 电流并联负反馈电流并

16、联负反馈 稳定静态工作点稳定静态工作点 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体 器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进 行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反 对数、乘法和除法等运算。对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深运算放大器工作在线性区时，通常要引入深 度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的 关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和 参数，而与运算放大器本身的

17、参数关系不大。参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。 改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以 实现不同的运算。实现不同的运算。 作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。 类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。 方法：方法：引入深度引入深度电压并联负反馈电压并联负反馈或或电压串联负反馈电压串联负反馈。 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，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。与输入电压和反馈系数有关。 1 i 1 R uu i F o f R uu i （1）电路组成）电路组成 以后如

18、不加说明，输入、以后如不加说明，输入、 输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。 （2）电压放大倍数）电压放大倍数 因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0， 称反相输入端称反相输入端“虚虚 地地” 反相输入端的重反相输入端的重 要特点要特点 因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i 1 F o u R R u if i1i i+ 1 F i o f R R u u A u uo RF ui R2 R1 + + + + 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对地电阻相同，保证静态对地电阻相同，保证静态 时输入级的对称性。时输入级的对称性。 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2

19、 = R1 / RF i 1 F o u R R u 1 F i o f R R u u Au uo RF ui R2 R1 + + + + 反馈电路直接从输反馈电路直接从输 出端引出出端引出电压反馈电压反馈 输入信号和反馈信号加在输入信号和反馈信号加在 同一输入端同一输入端并联反馈并联反馈 反馈信号使净输入反馈信号使净输入 信号减小信号减小负反馈负反馈 i if1 i u rR i of 0r 例：例：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：求：1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不变，要求不变，要求Auf为为 10，则，则RF 、 R

20、2 应为应为 多少？多少？ 解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5 R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uo RF ui R2 R1 + + + + o F1 1 u RR R u 因因虚断，虚断，所以所以i+= i = 0, u+ = ui i 1 F o )1(u R R u （1）电路组成）电路组成 （2）电压放大倍数）电压放大倍数 1 F

21、i o f 1 R R u u Au uo RF ui R2 R1 + + + + 因因虚短，虚短，所以所以 u+ =u = ui 同相输入端不同相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地 电阻相同，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RF u+ u 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别 加两个输入端加两个输入端串联反馈串联反馈 反馈电路直接从输反馈电路直接从输 出端引出出端引出电压反馈电压反馈 1 F i o f 1 R R u u Au i 1 F o )1(u R R u 反馈信号使净输入反馈信号使净输入 信号减小信号减小负反馈负反馈 uo R

22、F ui R2 R1 + + + + 当当 R1= 或或 RF = 0 时，时， uo = ui ， Auf = 1， 称称电压跟随器电压跟随器。 uo RF uiR2 R1 + + + + 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。 uo ui + + + + uo + + + 15k RL 15k +15V 7.5k 例：例： 作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。将若干个输入信号之和或之差按比例放大。 类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。 方法：方法

23、：引入深度引入深度电压并联负反馈电压并联负反馈或或电压串联负反馈电压串联负反馈。 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，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。与输入电压和反馈系数有关。 因因虚短虚短, u= u+= 0 F o 2i 2i 1i 1i R u R u R u 故得故得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF F o 2i 2i 1i 1i R uu R uu R uu uo ii2 ii1 if ui2 RF ui1 Ri2 Ri1 + + R2 + 因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if FF oi1i2

24、 i1i2 -(+) RR u =uu RR ui2 uo RF ui1 Ri2 Ri1 + + R2 + FF oi1i2 i1i2 -(+) RR u =uu RR i1i2F RRR () oi1i2 uuu 由虚断可得：由虚断可得： 2i 3 2 3 u RR R u 由虚短可得：由虚短可得： uu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )( 1i2i 1 F o uu R R u 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2io uuu 则：则： R2 / R3 = R1 / RF 输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。 常用做测量常

25、用做测量 放大电路放大电路 3FF oi2i1 1231 (1+) + RRR uuu RRRR 1 i1i1o 1F -(-) + R uuu RR -i11 1 =-uuR i ui2 uo RF ui1 R3 R2 + + R1 + + + i1 if 电压放大倍数电压放大倍数 oF uf i2i11 = - uR A uuR u R R u)1( 1 F o 2i 3 2 3 1 F )1(u RR R R R 1i 1 F 2i 3 2 3 1 F )1(u R R u RR R R R u+ 1i 1 F o u R R u oo o uuu ui2 uo RF ui1 R3 R2 + + R1 + + + R2 ui2 R1 R2 R2