第八章 集成运算放大器

1、集成运算放大器集成运算放大器8.1 集成运放简介集成运放简介把整个电路的各个元件以及相互之把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。不可分的整体。体积小、外部接线少、功耗低、体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。可靠性高、灵活性高、价格低。 具有很高开环电压放大倍数具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。量技术、自动控制等领域。输入级：输入级： 差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。差动放大

2、器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：输出级： 射极输出器或互补对称功率放大器，提高射极输出器或互补对称功率放大器，提高 带载能力。带载能力。偏置电路：偏置电路： 为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级中间级：中间级： 电压放大。电压放大。集成电路的几种外形集成电路的几种外形 集成运放的外形有双列直插式、扁平式和圆壳式集成运放的外形有双列直插式、扁平式和圆壳式3种，如图所示。种，如图所示。 常见集成运算放大器的外形常见集成运算放大器的外形 F007外形引线连接图外形引线连接图 反相输入端反相输入端同相输入端同相

3、输入端输出端输出端+ u+uuo反相输入反相输入端端同相输入同相输入端端输出端输出端+623 7415+15V-15V10k 1k 当输入当输入信号为零时，信号为零时，输出为零。输出为零。8为空脚为空脚左图所示为左图所示为A741A741集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，A741A741集成运放有集成运放有8 8个管个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：脚，管脚的排列图、电路图符号如下：12876543空脚空脚正电源端正电源端输出端输出端调零端调零端调零端调零端 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端负电源端负电源端集成

4、运放的电路图符号集成运放的电路图符号U0U+U-同相输入同相输入反相输入反相输入+12V输出输出6513724-12V调零电位器调零电位器外部接线图外部接线图2. . 输入失调电压输入失调电压 U IO使使UO= 0，输入端施加的补偿电压，输入端施加的补偿电压几毫伏几毫伏3. . 输入失调电流输入失调电流 IIOUO = 0 时，输入级两输入端时，输入级两输入端的静态电流之差。的静态电流之差。1 nA 0.1 A1. . 开环差模电压增益开环差模电压增益 Aud104 1074. .差模输入电阻差模输入电阻 r id输出电阻输出电阻 ro几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧几十欧几十欧 几百欧几百欧

5、)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB6. . 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax共模输入共模输入U IC 过大，过大，K CMR下降。下降。当当 UId过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击结可能因反压过大而被击穿。穿。LM741 为为 36 V7. .最大共模输入电压最大共模输入电压 UICmax9. . 最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VLM741 为为 16 V两输入端间允许加的最大差模输入电压。两输入端间允许加的最大差模输入电压。能

6、使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。出电压。8. .静态功耗静态功耗 PCO几十毫瓦几十毫瓦8.2 放大电路中放大电路中的负反馈的负反馈 将电路的输出量将电路的输出量( (电压或电流电压或电流) )的部分或全的部分或全 部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回 路，以改善放大电路的某些性能。路，以改善放大电路的某些性能。正向传输：正向传输：输入输入 输出输出反向传输：反向传输：输输出出 输入输入 开环开环 闭环闭环输入输入 输出输出 放大电路放大电路 反馈网络反馈网络反馈信号消弱原输入信号

7、，使输出量减小。反馈信号消弱原输入信号，使输出量减小。反馈信号增强原输入信号，使输出量增大。反馈信号增强原输入信号，使输出量增大。+比较比较环节环节基本放大电路基本放大电路F反馈网络反馈网络负反馈的组成框图负反馈的组成框图fXAdXoXiX 输入信号输入信号 净输入信号净输入信号 反馈信号反馈信号 输出信号输出信号dXiXfXoXfidXXX 净输入信号净输入信号反馈信号消弱了净输入信号，为反馈信号消弱了净输入信号，为反馈。反馈。idXX 则则若若同相，同相，fiXX与与1、反馈极性与判断、反馈极性与判断 采用瞬时极性法判断采用瞬时极性法判断:反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。反馈信号使净

8、输入信号减小的，是负反馈。 设某一瞬时设某一瞬时ui为正，根据电路情况推出此时反馈信为正，根据电路情况推出此时反馈信号的正负。号的正负。2、直流反馈与交流反馈、直流反馈与交流反馈 直流反馈的作用是稳定静态工作点，如具有旁直流反馈的作用是稳定静态工作点，如具有旁路电容的共射极放大电路的射极电阻。而射极输出路电容的共射极放大电路的射极电阻。而射极输出器中的射极电阻，除起直流反馈作用外，也起交流器中的射极电阻，除起直流反馈作用外，也起交流反馈作用。反馈作用。 电压反馈电压反馈 反馈信号取自输出电压的部分或全部。反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈电流反馈 反馈信号取自输出电流。反馈信号取自输出

9、电流。AF电压电压反馈反馈OULR 电流电流反馈反馈FALR OUOIOI3、电压反馈与电流反馈、电压反馈与电流反馈 串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入信号以反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现。电压相加减的形式在输入端出现。并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号以反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。电流相加减的形式在输入端出现。AFiIfIidIAFiUidUfU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。电流并联负反馈。串联反馈和并联反馈。串联反馈和并联反馈。4、串联反馈与并联反馈、串联反馈与

10、并联反馈 四种反馈形式可组合成下列四种类型的负反馈：四种反馈形式可组合成下列四种类型的负反馈： 电压串联负反馈；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；电流并联负反馈。电流串联负反馈；电流并联负反馈。 将输入信号交将输入信号交流短路后，若反馈流短路后，若反馈信号消失了，则为信号消失了，则为并联反馈；否则为并联反馈；否则为串联反馈。串联反馈。常用常用“输出短路法输出短路法”，即假，即假设负载短路（设负载短路（RL=0），使输出），使输出电压电压uo=0，看反馈信号是否还，看反馈信号是否还存在。若反馈信号不存在了，存在。若反馈信号不存在了，说明是电流负反馈。说明是电流负反

11、馈。 将输入信号交将输入信号交流短路后，若反馈流短路后，若反馈信号消失了，则为信号消失了，则为并联反馈；否则为并联反馈；否则为串联反馈。串联反馈。 判断是电压反馈还是电流反馈时，常用判断是电压反馈还是电流反馈时，常用“输出短路法输出短路法”，即假设负，即假设负载短路（载短路（RL=0），使输出电压），使输出电压uo=0，看反馈信号是否还存在。若存在，看反馈信号是否还存在。若存在，则说明反馈信号与输出电压成比例，是电压负反馈。则说明反馈信号与输出电压成比例，是电压负反馈。例例:输入输入回路回路输出输出回路回路判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。+C1RS+

12、ui RERB+VCCC2RL+us+uo+ uBE RE 介于输入输出回路，有反馈。介于输入输出回路，有反馈。反馈使反馈使 uBE 减小，为负反馈减小，为负反馈; ;+uf反馈取自输出端为电压反馈反馈取自输出端为电压反馈;反馈信号反馈信号与输入信号与输入信号在不同输入端在不同输入端,为串联反馈。为串联反馈。电压串联电压串联负反馈负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 判断反馈类型。判断反馈类型。RE 介于输入输出回路，有反馈。介于输入输出回路，有反馈。反馈使反馈使 uBE 减小，为负反馈减小，为负反馈; ;反馈不是取自输出端，为电流反馈反馈不是取自输出端，为电流反馈;反馈信号反馈信号与输入信号

13、与输入信号在不同输入端在不同输入端,为串联反馈。为串联反馈。+us +VCCRCC1C2RLRERB1RB2RS+uo +ui uBE +uf iE 判断反馈类型。判断反馈类型。Rf 为输入回路和输为输入回路和输出回路的公共电阻，出回路的公共电阻，故有反馈。故有反馈。RL = 0，无反馈，故为电压反馈。，无反馈，故为电压反馈。 反馈信号反馈信号与输入信号都加在了反相与输入信号都加在了反相输入端，输入端，故为并联反馈。故为并联反馈。 反馈使净输入电流反馈使净输入电流 减小，为负反馈。减小，为负反馈。fi-III R1RfR + RLIU+OUiIfI-I+比较比较环节环节基本放大电路基本放大电路

14、F反馈网络反馈网络fXAdXoXiX 输入信号输入信号 净输入信号净输入信号 反馈信号反馈信号 输出信号输出信号dXiXfXoXfidXXX 净输入信号净输入信号开环放大倍数开环放大倍数 oidXAX反馈系数反馈系数 foXFX闭环放大倍数闭环放大倍数 ooofiidfidid1XXXAAXXXXAFXAF 1. 降低放大倍数降低放大倍数 由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数降低。降低。2. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 放大器在工作过程中

15、，由于环境温度变化、晶体放大器在工作过程中，由于环境温度变化、晶体管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变化，使电压放大倍数不稳定。化，使电压放大倍数不稳定。 加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。3. 减少非线性失真减少非线性失真uf无负反馈无负反馈FufAuiuo+uiduo大大小小uiA产生了失产生了失真真接近正弦波，接近正弦

16、波，失真得到改失真得到改善善4.4.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响对放大电路输入电阻和输出电阻的影响输入电阻输入电阻串联负反馈串联负反馈电流负反馈电流负反馈电压负反馈电压负反馈并联负反馈并联负反馈输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻，输出电流。输出电流。输出电阻输出电阻，输出电压。输出电压。列表说明放大电路列表说明放大电路的反馈类型、判别的反馈类型、判别方法和对放大电路方法和对放大电路性能的影响。性能的影响。 什么是反馈？直流负什么是反馈？直流负反馈的作用是什么？反馈的作用是什么？交流负反馈对放大器交流负反馈对放大器性能有什么影响？性能有什么影响？ 8.3 理想集成运理想集成运放的分析方法放的

17、分析方法 udA idr0o r CMRK 在分析运算放大器的电在分析运算放大器的电路时，一般把路时，一般把运算放大器看运算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuo icr工作在饱和区的理想运放工作在饱和区的理想运放)(dO uuAuu uu uu OOUu OOUu时，时，时，时，0)( uu 相当于两输入端之间相当于两输入端之间, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故称称 “” 。 相当于两输入端之间相当于两输入端之间，但又未真正断路，故，但又未真正断路，故称称 “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,运放开环输入电阻运放开环输入电阻 idr 由于

18、由于故从式故从式,可知可知 duA)(dO uuAuu+ u+uuoii+ 运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为称为。uo uuuio线性工作区线性工作区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuoduA很大很大iu当当很小时，运放工作很小时，运放工作在线性区。在线性区。uo uuuio正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuo duA uu uu OOUu OOUu时，时， 为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大

19、倍数。限制其闭环电压放大倍数。1、信号运算电路、信号运算电路 （1）反相比例运算电路0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡电阻平衡电阻f1/RRR 输入电阻输入电阻:IOuu f1RR 若若则则11IiRiur iFR1Rfi1uIR + uou+u-（ 可见同相比例运算电路的电压放可见同相比例运算电路的电压放大倍数大倍数，而且，而且。R1iFRfi1uIR2+ uou+u-OFufI11uRAuR R1iFRfi1uIR2+ uou+u-上式表明：输出电压与输入电压之间也存上式表明：输出电压与输入电

20、压之间也存在着比例运算关系，且输出电压与输入电在着比例运算关系，且输出电压与输入电压压。 当当 R1 = 时时跟随器跟随器IOuu 当当R1 = ，Rf = 0 时时RfuIR2+ uouI+ uo（1）输入与输出信号同相。）输入与输出信号同相。 （2）输入电阻大，输出电阻小。输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，）存在共模输入信号，对对 KCMR 的要求高的要求高。例例: 如图所示电路，计算输出电压如图所示电路，计算输出电压uo 的大小。的大小。+ uoV15 k5 . 7k15k15u+解：解：该电路是一电压跟随器。该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压输出电压 uo=7.

21、5V（ 在集成运放的反相输入端增加若干个输入信号组成的电路，就构成了反相加法运算电路，如图所示 。iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡电阻平衡电阻111RuiII222RuiII221121RuRuiiRuiIIIIFoF（ 在集成运放的两个输入端都加上输入信号，就构成了减法运算电路 ，如图所示 。iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-1-I11Ruui323I2RRRuuu F1ii 整理可得整理可

22、得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu fO-FRuui )(I1I21fOuuRRu 当当21RR 时，时，3fRR 和和I1I2Ouuu 1fRR 当当时，则得时，则得 输出电压与输输出电压与输入电压的差值成正入电压的差值成正比例，从而能进行比例，从而能进行减法运算。减法运算。 I21FI13231Fo)1 (uRRuRRRRRu 将要求实现的 与上式比较可得 OI1I22uuu 若给定反馈电阻若给定反馈电阻RF=10k，试设计实现，试设计实现 的运算电路。的运算电路。 OI1I22uuuF12RR ,10时当kRF kR5132313RRR232310k3R RRRkkRR

23、RRF)3/10(105105/132kR102 kR53由于反相输入端虚地，且 ii，由图可得：CRiiRuiiR，dtduCdtduCiCoC由此可得：dtuRCui1o输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若 ui为恒定电压 U，则输出电压 uo为：tRCUuo（ iFR1Cfi1uIR + uou+u-OMU 当当uI为阶跃电压时，则为阶跃电压时，则uo0tuI0tf1IoCRtuu Uuo随时间线性下降，最后达到负饱和值。随时间线性下降，最后达到负饱和值。例例: 利用积分电路将方波变成三角波。利用积分电路将方波变成三角波。10 k 10 nF 时间常数时间常数 = R1Cf = 0.

24、1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设设 uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/vt/ms5d)5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5R1CfuIR + uo（ iFRfC1i1uIR + uou+u-+uI0Uuo0t当当uI为阶跃电压时，为阶跃电压时， uo为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。 当运放工作于当运放工作于或或的工作状态时，运放的工作状态时，运放工作在工作在区。区。 运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术

25、中有广泛应用。中有广泛应用。1. 电压比较器电压比较器 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。R1R2ui+ uo+UREF+1. 电压比较器电压比较器ui UREF当当ui UREF时时， uO = UOMui UREF时时， uo = +UOMui = UREF时时， uO 发生跃变发生跃变uoiuoUREF电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压UREF=0时时，称为过零比较器。，称为过零比较器。若若ui

26、为正弦波，画出为正弦波，画出uo的波形。的波形。uootR1R2ui+ uo+UREF+uoiuoUREFoiutoiutuoot 在输出端与反相输入端接一个双向稳压管在输出端与反相输入端接一个双向稳压管 ，即，即可把输出电压限制在某一特定值。可把输出电压限制在某一特定值。uoiuoR1R2ui+ uo+DZ当当ui 0时时， uO = UZui 0 时时， uO = +UZ2. 滞回比较器滞回比较器 滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。路，广泛应用于自动控制电路中。uoiuoR1R2uI+ uoUREFRfu+u-u+ uf2OM2f2REFfRRURRRURu f2OM2f2REFf)(RRURRRURu 时时设电路输出为设电路输出为OMU时时设电路输出为设电路输出为OMU 转换。转换。时，电路输出状态发生时，电路输出状态发生或或等于等于当当 uuuIu+：上门限电平：上门限电平 u：下门限电平：下门限电平 uuu：回差电压：回差电压工作于线性区的工作于线性区的集成运放有哪两集成运放有哪两个重要特性？个重要特性？ 试分析集成运放构成电试分析集成运放构成电压比较器的电路结构与压比较器的电