my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多级直接耦合放大电路放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路集成电路 是采用微电子技术将由二极管、晶体管、场效是采用微电子技术将由二极管、晶体管、场效应管、电阻、电容等器件组成的具有特定功能的电路都集成应管、电阻、电容等器件组成的具有特定功能的电路都集成在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。这个电路是一个不构成一个完整的、具有一定功能的电路

2、。这个电路是一个不可分割的固体块，所以又称固体组件。可分割的固体块，所以又称固体组件。：是一种电压放大倍数高、输入电阻大、是一种电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少的通用电子器件。积小、耗电少的通用电子器件。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、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入

3、级：输入级：前置级，多采用差分放大电路，要求输入电阻高，前置级，多采用差分放大电路，要求输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，能减小零点漂移和抑制干扰信号，A Ad d大，大，A Ac c小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发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。射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由恒流源等电路组成，用来设置合适静态工作由恒流源等电路组成，用来设置合适静态工作点。点。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，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

4、出器构成。一般由互补对称电路或射极输出器构成。两个输入端Uo集成运放集成运放 741的的电路原理图电路原理图同相输入同相输入输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+UCCuo+- -UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相输入同相输入输出输出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(a)(b)(a)

5、 符号符号; (b)引脚引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出调零电位器调零电位器调零电位器调零电位器集成运算放大器的等效n可等效为一个双端输入、单端输出的差分可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路；放大电路；nUo = Auo(U+ U-) 运放输入输出关系运放输入输出关系 Auo：开环电压放大倍数；：开环电压放大倍数；运算放大器输入、输出关系（电压传输特性） Uo = f(U+ - U-)nUo = Auo(U+ - U-); Auo开环电压放大倍数；Ui =U+-U-Uo+Uom-Uom非线性区（饱和）线性区U+-U-的数值大于一定值的数值大于一

6、定值时，集成运放的输出为时，集成运放的输出为+Uom或或-Uom，即集成，即集成运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。16.1.3 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。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。一般为一般为104 107，20lg| Auo | = 80 140 dB 6. 共模输

7、入电压范围共模输入电压范围 UICM 差模输入电压范围差模输入电压范围 UIDM 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。输入失调电压输入失调电压 UIO输入失调电流输入失调电流 IIO输入偏置电流输入偏置电流 IIB 3. 差模输入电阻差模输入电阻 rid 4. 输出电阻输出电阻 rO 5. 共模抑制比共模抑制比KCMRRcdCMRRAAK )dB(lg20cdCMRAAK 对于双端输出差分放大电路，对于双端输出差分放大电路，若电路完全对称若电路完全对称,理想情

8、况下共模放大倍数理想情况下共模放大倍数 Ac = 0， 若电路不完全对称，若电路不完全对称， 则则 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 。 CMRRK输出电压输出电压 1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。后面对运算放大器的分析都是按其

9、理想化条件进行的。16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据 ouA idr0or CMRRK 在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：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) uo+ u+u 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui) +Uo(sat) u+ u uoUo(sat)线性区线性区理想特性理想特性实际特性实际特性饱和区

10、饱和区 O理想运算放大器图形符号理想运算放大器图形符号因为因为 uo = Auo( (u+ u )由由Auo 得出：得出：(1) 差模输入电差模输入电压约等于压约等于 0，即即 u+= u ,称称“虚虚短短”由由rid 得出：得出：(2) 输入电流约输入电流约等于等于 0，即即 i+= i 0 ,称称“虚断虚断” 电压传输特性电压传输特性 Auo越大，运放的线性越大，运放的线性范围越小，理想运放的范围越小，理想运放的线性区几乎没有，必须线性区几乎没有，必须加加负反馈负反馈才能使其工作才能使其工作于线性区。于线性区。+uouu+i+i u+ u uo线性区线性区Uo(sat)+Uo(sat) O

11、只适用于理想运放只适用于理想运放闭环线性应用时！闭环线性应用时！理想运放工作在线理想运放工作在线性和饱和时！性和饱和时！集成运放的种类n种类：按供电方式分按供电方式分双电源供电双电源供电正、负电源对称型正、负电源对称型正、负电源不对称型正、负电源不对称型单电源供电单电源供电按集成度（即一个芯片上运放个数）分按集成度（即一个芯片上运放个数）分单运放单运放双运放双运放四运放四运放按制造工艺分按制造工艺分双极型双极型CMOS型型按性能指标分按性能指标分通用型通用型(参看参看p415)特殊型特殊型(高阻型、高速型、高阻型、高速型、高精度型、大功率型、高精度型、大功率型、低能耗型等低能耗型等)集成运放的

12、选择n信号源的性质；n负载的性质；n精度要求；n环境条件； 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

13、器本身的参数关系不大。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。1i1Ruui FofRuui （1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，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” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1

14、 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RFi1FouRRu 1FiofRRuuAu 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馈负反馈例：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 、 R2 应为

15、应为 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = 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 uoRFuiR2R1+ （1）电路组成）电路组成uoRFuiR2R1+ 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/RFu+u 1） 电压放大倍数（比例系数）电压放大倍数（比例系数） If=由虚断有由虚

16、断有 I i+=Ii-=0故故 I1=If即1110RURUIfORUU uoRFuiR2R1+ fORUURU1再由虚短及再由虚短及I i+=0， 有有 U-=U+=Ui所以所以fOiiRUURU1经整理得电压放大倍数为经整理得电压放大倍数为 Auf= 11RRUUfiO 上式表明，集成运放的输出电压与输入电压相位相同，上式表明，集成运放的输出电压与输入电压相位相同， 大小成比例关系。比例系数（即电压放大倍数）等于大小成比例关系。比例系数（即电压放大倍数）等于1+Rf/R1， 此值与运放本身的参数无关。此值与运放本身的参数无关。 uoRFuiR2R1+ 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信

17、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 1Fiof1RRuuAu 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+ 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 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。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：

18、因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得)(2i2iF1i1iFouRRuRRu 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if 电路如图示：求uo的波形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(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRR

19、RuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+注意：同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影注意：同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。响，不能单独调整。)(2i2iF1i1iFouRRuRRu )(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+

20、R2+差动运算电路n两端都有输入信号的情况两端都有输入信号的情况下进行的运算就是差动运下进行的运算就是差动运算。算。n根据叠加原理分析：根据叠加原理分析：1.ui1作用，作用，ui2不作用时：不作用时：反相比例反相比例RfR1uo = -ui12.ui2作用，作用，ui1不作用时：不作用时：同相比例同相比例uo = (1+RfR1)ui2ui2uoRFui1R3R2+ R1+ uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+n利用电容元件上电流与电压是微积

21、分的关系，达到uo是ui积分的目的，因此该电路称为积分运算电路。n根据虚短和虚断分析：i1 = ifn积分电路实践应用时，输入信号为恒定电压直流信号，积分电路实践应用时，输入信号为恒定电压直流信号，其大小、方向都不变其大小、方向都不变。线性函数线性函数n若输入为恒定直流，则输出为时间若输入为恒定直流，则输出为时间t的线性函数，即的线性函数，即uo随随t线性变化。线性变化。t uo ? 积分积分积分时限积分时限如果积分电路从某如果积分电路从某时刻输入一直流电时刻输入一直流电压，输出将反向积压，输出将反向积分，经过一定时间分，经过一定时间后输出饱和。后输出饱和。保持保持n积分时限与Uom、U有关，

22、若两者为确定值，则与积分常数R1Cf有关。 R1Cf越小，时间就越短。因此，积分电路常应用于延时使用，用作定时器。积分时限与哪些因素有关？积分电路实现的功能n输入为阶跃信号时的输出电压波形？线性积分，线性积分，延时延时n输入为方波时的输出电压波形？n输入为正弦波时的输出电压波形？ 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, 以保证自控以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和