第16章集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是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间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双

2、、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成芯片各类型号集成芯片Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极

3、管的发射结代替。+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：采用带恒流源的采用带恒流源的差分放大差分放大电路，输入电阻高，能减电路，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。小零点漂移和抑制干扰信号。 中间级：中间级：常用带恒流源的常用带恒流源的共发射极放大共发射极放大电路构成，电压放大电路构成，电压放大倍数高。倍数高。 输出级：输出级：一般由一般由互补对称电路互补对称电路或或射极输出器射极输出器构成，输出电阻构成，输出电阻低，带负载能力强。低，带负载能力强。 偏置电路偏置电路：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决

4、定各级：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决定各级Q Q。运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数 7 6 5 F0071 2 3 4 u-u+-UCC+UCC输出输出 F0078172345616.1.3 主要参数主要参数1. 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

5、。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 IIB1. 理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性

6、 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区（饱和区）：非线性区（饱和区）：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤

7、滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo称为截止角频率称为截止角频率 式中式中RC10: uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故： 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当

8、当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之）之前。由于前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足

9、存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 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

10、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O电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可见，在可见

11、，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR电压传输特性电压传输特性uiuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat

12、) Uo (sat)t1t2UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat) o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU RCtCCCCeuuutu 0RU RU o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u- = 0 ，所以当，所以当 u+ = 0时时，A1状态状态改变改变0o2111o2121 uRRRuRRRu当当 时时，即即当当 Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1TT1T2T