电工学讲义10-集成运算放大器

1、输入级输入级中间级中间级输出级输出级输出端输出端输入端输入端？1 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。）2 电路具有两个输入、两个输出端。电路具有两个输入、两个输出端。 +UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+T2uo= VC1 VC2 = 0uo= (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 +UCCuoui1RCRB4T1RB2RCui2RB3RB1+T2 uo ?（

2、 VC1 = VC2 ）+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2共模信号共模信号 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号 / = 例例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 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，在自动控制系统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。中是常见的。 （Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK Uccui1ui2UE

3、ERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-ui1ui2uo1uo2ui1uo1uo2ui1uo1ui1ui2uo1输入级输入级中间级中间级输出级输出级+UCCUEEuu+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，采用带恒流源的差放信号，采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。大电路构成。 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

4、出电阻低，带负载能力强，一般由射极输出器构成。力强，一般由射极输出器构成。反向输入端反向输入端同相输入端同相输入端运运放放输出端输出端A0u-u+uo反相输入端反相输入端ui同相输入端同相输入端uiuouo1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo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。6. 共模输入电压范围共模输入电压范

5、围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIBu-u+uo理想运放图形符号理想运放图形符号根据根据Auo=uo/(u+u) , 所以所以(u+u) 0，两个输入端之间近似无电位差，即两个输入端之间近似无电位差，即 u+=u理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的电流为电流为0, 即：即： i+= i-=0u-u+

6、uoi-i+u-u+uoi-i+uouiR1Rfu+u-i-ifi1i+-R2uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uo1i1Ruui FofRuui u=u+= 0 (特征特征1 )，i+= i = 0 (特征特征2)， i1FouRRu 1FiofRRuuAu 所以所以 i1 if 1FiofRRuuAu uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uoi1FouRRu uoRFuiR2R1+ 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

7、馈负反馈1o1FRuuRR又：因因 : i+= i-= 0 (特征特征2) ，所以所以 : u+ = ui= u- (特征特征1) i1Fo)1(uRRu （1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数1Fiof1RRuuAu 反相输入端不反相输入端不“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，所以电阻相同，所以平衡电阻平衡电阻: R2=R1/RFuouiu+u-ifi1R1R2Rf+-输出电压与输入电压同相，放输出电压与输入电压同相，放大倍数取决于外接电阻大倍数取决于外接电阻Rf , R1 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

8、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 i1Fo)1(uRRu 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uoRFuiR2R1+ rif= ui / ii = ui / 0 = rof 0 （电压负反馈）（电压负反馈）若若R1开路开路 (R1= ) ，Rf =R2 =0电压跟随器电压跟随器uiu+u-ifi1R1R2Rf+-uouiuo1Fiof1RRuuAu f1uA由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质量优越，几乎不向前级电路取电流，而向后级供电流时，量优越，几乎不向前级电路取电

9、流，而向后级供电流时，几乎不存在内阻。常用作隔离器几乎不存在内阻。常用作隔离器uiuof1uA uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 11LRuii 1xGRUI 1iRu 同相端和反相端同相端和反相端同时有输入信号同时有输入信号运用叠加原理：运用叠加原理：1i1F ouRRu uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui11i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR oo ouuu 常用做测量常用做测量放大电路放大电路 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 =

10、R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则：则：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。uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui12i3 23uRRRu 1i1F2i3231Fo)1 (uRRuRRRRRu1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu uu因为因为uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui1已知已知ud为差模信号，为差模信号，uc为共模信号，为共模信号，R1=R2=R3，问当，问当Rf为何值，输出电压为何值，输出电压uo不含共模信号？不含共模信号？解：解：运用叠加原理运用叠加原理设设ud单独作用（单独作用（uc=0),为反相输入方式：为反相输入

11、方式：uod= (Rf /R1 ) ud设设uc单独作用（单独作用（ud=0), 则则：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，则：欲使其不含共模成分，则：(1+Rf /R1) R3/ (R2+R3)=(Rf /R1)又：又：R1=R2=R3Rf=R1uoucu+u-ifR1R2RfR3ud+-+-3FF 1231(1)occcRRRuuuRRRR因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i

12、 = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1i1iFouRRuRRuu+=u=0,i1=ui1 / R1i2=ui2 / R2i3=ui3 / R3i+=i=0if=i1+ i2+ i3=(0-uo )/Rf当当 R1=R2=R3=Ruoui2ui1RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3i3i1i2oFi1i2i3 ()uuuuRRRR Fo123 ()iiiRuuuuR 1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2

13、i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+iR1iR2iR1=iR2)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+i1i2oFi1i2 ()uuuRRR uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui11i1F2i3231

14、Fo)1 (uRRuRRRRRu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则：则：输出电压输出电压uo正比于输入电压的对时间的积分。正比于输入电压的对时间的积分。R1C为积分时间常数，为积分时间常数，R1C越小，积分作用越强越小，积分作用越强uouiR1R2ifi1i+-Cuc+- 由由i+ = i-=0， u+ = u-=0得：得： i1 = ifi1ddCuuCRtodduCtddCfuiCt1i1Rui if =?oi11duu tRC t 0, ui= UtuiiU0t0uoCR

15、Utuo1uiR1R2ifi1i+-Cuc+-oi11duu tRC 线性积分时间线性积分时间积分饱和积分饱和uO = UOM将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成uoCFuiR2R1+ RFifi1电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变保证自控系统的稳定性和控制精度。改变

16、 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的以满足控制系统的要求。要求。输出电压输出电压uo与输入电压是微分关系。与输入电压是微分关系。RfC为微分时间常数，为微分时间常数，RfC越大，微分作用越强越大，微分作用越强uouiRRfifi1i+-+-Cuc+- 由由i+ = i-=0， u+ = u-=0得：得： i1 = ifo1fuiR oi1dddduuiCCtttuCRuddi1Fo t=0时：瞬间充电电流时：瞬间充电电流i1= Cdui /dt 和和uo= RfC (dui /dt)趋于趋于 ， 但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。

17、但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。t 0时：时：ui为恒定值为恒定值 uo 0，RfC越大，衰减越慢越大，衰减越慢尖脉冲尖脉冲uo0tt 0, ui= UtuiiU0tuCRuddi1Fo uiRRfifi1i+-+-Cuc+-上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+ R

18、1ifiRiC 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区OUR为参考电压：为参考电压：电压比较器可用来判断输入信号的

19、相对大小，用于控电压比较器可用来判断输入信号的相对大小，用于控制电路或波形变换制电路或波形变换iuRRRUouuo01mUui2mURUuiUR : 放大器处于负饱和状态放大器处于负饱和状态 uo= Um2 例例10-5：若输入电压：若输入电压ui=UmSin t, 且且URUm,画画uo波形。波形。0t1mUuo2mU0tuiRUiuRRRU0u当放大器处于正饱和状态当放大器处于正饱和状态: uo=+Um1iuR0uRfR2uf+-22122mRHfoffRRuuuUURRRRURH 称为上阈值称为上阈值门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制当放大器处于负饱和状态当放大器处于负饱和

20、状态: uo=-Um222222fomRLffRRuuuUURRRR URL 称为下阈值称为下阈值uiuoO Um2+Um1RLU电压传输特性电压传输特性RHUuitOuoOt+Um1Um2RHURLU两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+例例10-6：若输入电压：若输入电压ui=UmSin t, 且且URHUim, |URL|Uim|,画画uo波形。波形。0t1mUuo2mUui0tRHURLUiuRR0uRfR2uf+-END引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接耦合时，第一级

21、漂移被逐级放大，影响整个电路工作。耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在输入级采用手段是在输入级采用差动放大电路。差动放大电路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+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。两个输入端两个输入端ui1、ui2经经RB1、RB2接至接至T1

22、T2基极；输出电压基极；输出电压uo从两从两管集电极取出；管集电极取出；RP：调零电阻。由于制造工艺上的问题，调零电阻。由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全不能完全 对称，调节对称，调节RP使放大电路在输入为使放大电路在输入为0时，输出为时，输出为0。RE ：稳定静态工作点。：稳定静态工作点。UEE ：补偿补偿RE上的上的 电压降，扩大电压降，扩大 放大器动态工作范围。放大器动态工作范围。电路特点电路特点电路结构左右对称电路结构左右对称RC1=RC2，RB1=RB2，T1 T2型号特性相同型号特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-工作原理工作原

23、理由于两管对称由于两管对称Uc1=Uc2Uo=Uc1 - Uc2=0当温度变化引起当温度变化引起IC1、 IC2时，由于电路对称时，由于电路对称输出电压变化量输出电压变化量U =UC1UC2=0IC1= IC2， UC1= UC2零点漂移被抑制了零点漂移被抑制了静态分析（静态分析（ui1=ui2=0）ui1Uccui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-动态分析动态分析对差动放大信号，输入信号有三种：对差动放大信号，输入信号有三种：1）共模信号）共模信号:两个输入信号电压大小相同，极性相同两个输入信号电压大小相同，极性相同即：即：ui1=ui2一般噪声、干扰、温度等无用信

24、号为共模信号一般噪声、干扰、温度等无用信号为共模信号2）差模信号）差模信号:两个输入信号电压大小相同，极性相反两个输入信号电压大小相同，极性相反即：即：ui1= ui2一般待放大的有用信号接为差模信号一般待放大的有用信号接为差模信号3）任意信号：两个输入信号电压、极性任意，一般）任意信号：两个输入信号电压、极性任意，一般 可将其分解为差模分量和共模分量可将其分解为差模分量和共模分量共模分量：等于两个输入分量的平均值共模分量：等于两个输入分量的平均值差模分量：等于两个输入分量差值的一半差模分量：等于两个输入分量差值的一半uo=(ui1+ui2)/2ud=(ui1ui2)/21）共模信号）共模信号

25、: ui1=ui2当每个管子有相同信号加入，集电极电流相同变化，当每个管子有相同信号加入，集电极电流相同变化，每管输出电压也相同变化，输出电压为每管输出电压也相同变化，输出电压为0。差动放大电路对共模信号，放大倍数为差动放大电路对共模信号，放大倍数为0，无放大作用，无放大作用Auc=uo/(ui1- ui2)=0差动放大电路对零点漂移的抑制作用，实质为差动放大差动放大电路对零点漂移的抑制作用，实质为差动放大电路对共模信号的抑制。电路对共模信号的抑制。动态分析动态分析2）差模信号：）差模信号：ui1= ui2当每个管子有相反信号加入，集电极电流相反变化，当每个管子有相反信号加入，集电极电流相反变化，每管输出电压也相反变化，输出电压为每管输出电压也相反变化，输出电压为: 差动放大电