集成运算放大器

1、电 工 学电 子 技 术集成运算放大器及电子电路中的反馈学院： 专业： 班级： 学号：姓名： 集成运算放大器集成电路是把整个电路的各个元器件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃，进入了微电子学时代，从而促进了各个科学技术领域先进技术的发展。集成电路按照其功能，可分成数字集成电路和模拟集成电路。而后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源和集成数模和数模转换器等多种。这里我们简单介绍集成运算放大器。一、集成运算放大器1、电路的简单说明集成运算放大器的电路常可以分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分（

2、图1.1）。输入级：提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，静态电流小，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。输入级都采用差分放大电路，它有同相和反相两个输入端。中间级：主要进行电压放大，要求它的电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路构成：其放大管一般采用复合管，以提高电流放大系数；集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。输出级：与负载相连，要求其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。偏置电路：为上述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路构成。2、理想运算放大器及其分

3、析依据在分析运算放大器时，一般将其看成是理想运算放大器。理想化条件为：1) 开环电压放大倍数Auo；2) 差模输入电阻rid；3) 开环输出电阻ro0；4) 共模抑制比KCMRR。在分析实际的运算放大器时，可以用理想运算放大器代替。下面介绍运算放大器的传输特性（即输出电压与输入电压之间关系的特性曲线）。从运算放大器的传输特性（图1.2）来看，可分为线性区和饱和区。运算放大器在线性区和饱和区工作时的分析方法不同。对于工作在线性区的运算放大器： uo和u+-u-是线性关系，即uo=Auou+-u-，运算放大器是一个线性放大器件。由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo很高，即使输入毫伏级以下的信号，

4、也足以使输出电压饱和，使其饱和值+UO（sat）或-UO(sat)达到接近正电源电压或负电源电压值；另外，由于干扰，使工作难于稳定。所以，要是运算放大器工作在线性区，通常引入深度电压负反馈。运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条。1) 由于运算放大器的差模输入电阻rid，故课认为这两个输入端的输入电流为0，i+=i-0，此即所谓的“虚断”。2) 由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo，而输出电压是一个有限的数值，故由式uo=Auou+-u-，可知：u+-u-=uOAuo0u+u-此即所谓的“虚短”。如果反相端有输入时，同相端接“地”，即u+=0，由u+u-可知，u-0。这就说明反相输入端的电

5、位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的“地”电位端，通常称为“虚地”。对于工作在饱和区的运算放大器：运算放大器工作在饱和区时，uo和u+-u-不是线性关系，这时输出电压uo只有两种可能，或等于+UO（sat）或等于-UO(sat)，而u+与u-不一定相等：当u+>u-时，uO=+UO(sat)；当u+<u-时，uO=-UO(sat)。此外，运算放大器工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也可以认为等于0.二、集成运算放大器在信号运算方面的应用1、 比例运算1) 反相输入输入信号从反相输入端引入图2.1为反相比例运算电路。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据可知iiF，u-u+

6、=0由图2.1可列出i=u-u-R1=uR1iF=u-uORF=-uORF由此得出uO=-RFR1u闭环电压放大倍数则为Auf=uOu=-RFR1上式表明，输出电压与输入电压是比例运算关系。式中的负号表示uO与u反相。注：图2.1中Rp是一平衡电阻，Rp=R1/RF,其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。在图2.1中，当R1=RF时，则uO=-uAuf=uOu=-1这就是反相器。2) 同相输入输入信号从同相输入端引入图2.2为同相比例运算电路。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据可知iiF，u-u+=u由图2.2可列出i=-u-R1=-uR1iF=u-uORF=u-uORF由此得出u

7、O=（1+RFR1）u闭环电压放大倍数则为Auf=uOu=1+RFR1在图2.2中，当R1=（断开）或RF=0 时，则Auf=uOu=1这就是电压跟随器。2、 加法运算反相输入端增加若干输入电路，则构成反相加法运算电路，如图2.3所示。由图可列出i1=u1R11i2=u2R12i3=u3R13iF=i1+i2+i3iF=-uORF由上列各式可得uO=-(RFR11u1+RFR12u2+RFR13u3)当R11=R12=R13 时，则上式为uO=-RFR1（u1+u2+u3)当R1=RF 时，则uO=-（u1+u2+u3) 平衡电阻 R2=R11/R12/R13/RF3、 减法运算如果两个输入端

8、都有信号输入，则为差分输入。差分运算在测量和控制系统中应用很多，其运算电路图如图2.4所示。由图可列出u-=u1-R1i=u1-R1R1+RF(u1-uO)u+=R3R2+R3u2因为u-u+，故从上面两个式子可得出uO=1+RFR1R3R2+R3u2-RFR1u1当R1=R2和RF=R3 时，则上式为uO=RFR1（u2-u1）当RF=R1时，则得uO=u2-u1由上两式可见，输出电压uO与两个输入电压的差值成正比，所以可以进行减法运算。由式uO=RFR1（u2-u1）可以得到放大倍数Auf=uOu2-u1=RFR1在图2.4中，如果将R3断开（R3=），则uO=1+RFR1u2-RFR1u

9、1即为同相比例运算和反相比例运算输出电压之和。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或选用阻值合适的电阻。4、 积分运算与反向比例运算电路比较，用电容CF代替RF作为反馈元件，就成为积分运算电路，如图2.5所示。由于反向输入，u-0，故i=iF=uR1uO=-uC=-1CFiFdt=-1R1CFudt上式表明uO与u的积分成比例，式中的负号表示两者相反。R1CF 称为积分时间常数。 当u为阶跃电压图2.6(a)时，则uO=-UR1CFt 其波形如图2.6（b）所示，最后达到负饱和值-UO(sat)。5、 微分运算微分运算是积分运算的逆运算，只需将反相输入端的

10、电阻和反馈电容调换位置，就成为微分运算电路，如图2.7所示。由图2.7所示，可列出i=CduCdt=CdudtuO=-RFiF=-RFi故uO=-RFCdudt即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。当u为阶跃电压图2.8(a)时，uO为尖脉冲电压图2.8(b)。此电路工作时稳定性不高，很少使用。【例1】 求图2.9中电路uO与ui1、ui2的关系。【解】电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。三、运算放大器在信号处理方面的应用在自动控制系统中，在信号处理方面常见到的有信号滤波、信号采样保持及信号比较等，这里我们简单介绍电压比较器（过零比较器）。电压比较器的作用：比较输入电压和

11、参考电压。图3.1所示的是其中的一种。 uR是参考电压，加在同相输入端，输出电压u加在反相输入端。运算放大器工作于开环状态，由于开环电压放大倍数很高，即使输入端有一个非常小的差值信号，也会是输出电压饱和。因此，用作比较器时，运算放大器工作在饱和区，即非线性区。当u<uR 时，uO=+UO(sat)；当u>uR 时，uO=-UO(sat)。图3.2所示就是电压比较器的传输特性。当UR=0 时，即输入电压和零电平作比较，称为过零比较器，其电路和传输特性如图3.3所示。当输入电压为正弦波电压ui 时，则uO 为矩形波电压，如图3.4所示。电子电路中的反馈反馈在科学技术领域中的应用很多，分

12、压式偏置放大电路、差分放大电路、运算放大器和滞回比较器等也都有反馈。一、 反馈的基本概念及分类反馈：凡是将电子电路（或是某个系统）输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部通过反馈电路引回到输入端，就称为反馈。如图4.1（b）是带有反馈的电子电路的方框图。包含了：基本放大电路A：可以是单级或者是多级的；反馈电路F：联系放大电路的输出电路和输入的环节，多数是由电阻元件组成。其中，x表示信号，既可以表示电压，也可以表示电流。信号传递方向如图箭头所示，x、xO和xF分别为输入、输出和反馈信号。xF和x在输入端比较（“”是比较环节的符号），得出净输入信号xD。它们可以使直流量，也可以是正弦量，后者可以用

13、相量或正弦波（同相或反相）表示。负反馈：引回的反馈信号与输入信号比较使净输入信号减小，因而输出信号也减小；正反馈：引回的反馈信号与输入信号比较使净输入信号增大，因而输出信号也减小。图4.1（a）所示是不带反馈的电路，x直接加到它的输入端，是开环的；图4.1（b）所示的则是闭环的。二、 正、负反馈的判断方法瞬时极性法是判断电路中负反馈与正反馈的基本方法。1、 设接“地”参考点的电位为零；2、 电路中某点在某瞬时的电位高于零电位者，则该点电位的瞬时极性为正（用“”表示）；反之为负（用“”表示）；3、 若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上，两者极性相同时，净输入电压减小, 为负反馈；反

14、之，极性相反为正反馈。 4、 若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上，两者极性相反时，净输入电压减小, 为负反馈；反之，极性相同为正反馈。注：对单级运算放大器电路而言，凡是反馈电路从输出端引回到反相输入端的为负反馈。如果反馈引回到同相输入端的为正反馈。三、 放大电路中的负反馈1、 负反馈类型根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈：反馈信号取自输出电压电流反馈：反馈信号取自输出电流根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为 串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较 总结

15、：1.反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈；3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈；4. 对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。【例】试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。【解】如图所示，从负载电阻RL的靠近“地”端引至A1同相输入端的是并联电流负反馈。1） 反馈电路从RL的靠近“地”端引出，故为电流反馈；2

16、） 反馈电流iF和输入电流i加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；3） 设ui为正，则uO1为正，uO为负。A1的同相输入端的电位高于RL的近地端，反馈电流iF的实际流向如图所示，它使净输入电流iD=i-iF减小，故为负反馈。2、 负反馈对放大电路工作性能的影响1） 降低放大倍数基本放大电路的放大倍数，即未引入负反馈时的放大倍数（也称开环放大倍数）为A=xOxD反馈信号与输出信号之比为反馈系数F=xFxO引入负反馈之后的净输入信号为xD=x-xF故A=xOx-xF包括反馈电路在内的整个放大电路的放大倍数，即引入负反馈时的放大倍数（也称闭环放大倍数）为Af，则由上列各式推导可得Af=xOx=A1

17、+AFAF=xFxDxF与xD同是电压或电流，且为正值，故AF为正实数。因此|Af|<|A|，引入负反馈后放大倍数降低了。（1+AF）称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用越强，|Af|也就愈小。2） 提高放大倍数的稳定性当外界条件变化时（例如温度变化、管子老化、元器件参数变化、电源电压波动等），即使输入信号一定，也将引起输出信号的变化，也就是引起放大倍数的变化。如果这种变化相对较小，则说明其稳定性较高。在Af=xOx=A1+AF中，开环放大倍数A为正实数；一般反馈电路都是电阻性的，故反馈系数F也是正实数。因此对于上式求导数，得dAfAf=11+AF·dAA即从数量上表示放大倍数的

18、稳定程度。上式中，dAA是开环放大倍数的相对变化，dAfAf是闭环放大倍数的相对变化，它只是前者的11+AF。可见引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。3） 改善波形失真引入负反馈之后，可将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入信号发生某种程度的失真，经过放大之后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿。从本质上说，负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，不能完全消除失真。如图4.2所示。4） 展宽通频带集成运算放大电器电路都采用直接耦合，无耦合电容，故其低频特性良好，展宽了通频带；引入负反馈之后，在高频段通频带又能得到展宽，如图4.3所示。在中频段，开环放大倍数|A|较高，反馈信号也较高，因而使闭环放大倍数降低的也较多；而在高频段，开环放大倍数|A|较低，反馈信号也较低，因而使闭环放大倍数降低的也较少；这样，就将放大电路的通频带展宽了。5） 对放大电路输入、输出电阻的影响 表4.4四种负反馈类型对输入电阻ri和输出电阻ro的影响串联电压串联电流并联电压并联电流ri增高增高减低减低ro减低增高减低增高四、 振荡电路中的正反馈1、 自激震荡在放大电路中，输入端接有信号后，输出端才有信号输出。但在振荡电路中，它的输入端不外接信号，而输出端仍有一定频率和幅值的信号输出，这种现象就是电子电路的自激震荡。图5.1所示为正弦波振荡电