第3章集成运算放大电路及应用

1、 前面介绍的前面介绍的分立电路分立电路, ,就是由各种就是由各种独立元件独立元件连接连接起来的电子电路。这一章我们要给大家介绍起来的电子电路。这一章我们要给大家介绍集成电集成电路路。 它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、价它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、价格便宜等特点，所以一经问世，就获得了广泛的应用，格便宜等特点，所以一经问世，就获得了广泛的应用，标志着电子技术的一个新的飞跃。标志着电子技术的一个新的飞跃。 所谓集成电路，就是把整个电路的各个元件以及所谓集成电路，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的连线同时制造在一块半导体芯片上，组相互之间的连线同时制造在一块半导体芯片上，组成

2、一个不可分割的成一个不可分割的整体整体。 就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模之分。就导电类型而言，有双极型、规模和超大规模之分。就导电类型而言，有双极型、单极型和两者兼容的。就其功能而言，有单极型和两者兼容的。就其功能而言，有数字集成数字集成电路电路和和模拟集成电路模拟集成电路，后者又有集成运算放大器、，后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等多种。集成功率放大器、集成稳压电源等多种。将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的低频信号或直流信号。可用来放大缓慢变化的低频信

3、号或直流信号。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2+RE2指输入信号电压为零时，输出电压发生指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。缓慢地、无规则地变化的现象。uotO晶体管参数随温度变化、电源电压晶体管参数随温度变化、电源电压 波动、电路元件参数的变化等，其波动、电路元件参数的变化等，其中温度的影响最为严重，称为温度漂移。中温度的影响最为严重，称为温度漂移。1. 前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效严重时，可能淹没

4、有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。信号电压还是漂移电压。 一般用输出漂移电压折合到输入端的一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电等效漂移电压压作为衡量零点漂移的指标。作为衡量零点漂移的指标。uAuuodId 如某放大电路的输出电压：如某放大电路的输出电压： 100odumV则折算到输入端的等效零漂电压则折算到输入端的等效零漂电压电压放大倍数，电压放大倍数，1000uA 1000.11000odiduuumVA 而只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，而只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。放大后的有用信号才能被很好地区分出来

5、。 由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。良好的低频特性。f|Au |0.707| Auo |OfH| Auo | 抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。的一个重要的问题。 适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。都是直接耦合。 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。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大电

6、路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同输出电压：输出电压：uo= VC1 VC2 = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0 IC1=IC2 ， VC1=VC2 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2 IC1= IC2， VC1

7、 = VC2 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 =Au(ui1-ui2) 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制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。系统中是常见的。 2121例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 m

8、V ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 差分放大器放大差模信号，而抑制共模信号。差分放大器放大差模信号，而抑制共模信号。 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，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 。 差分放大器对差模信号放大，而抑制共模信号。差分放大器对差模信号放大，而抑制共模信号。+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TUE+稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定

9、静态工作点，限制每个管子的漂移。UE：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。1B1L1I1B1be1()odbuiRAuiRrLB 1be1RRr dd1d2AAALLC12RRR102011dd1I1I2I1I1LB1be122oouuuuAAuuuuRRr 101dd1I1I2I1122ouuAAuuu0CALB1be1E2(1)CRARrR CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCMR分贝AAK 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。

10、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。输入端输入端输出端输出端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，都采用带恒流源的差分放大电路信号，都采用带恒流源的差分放大电路 。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的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。共发射极放大电路构成。 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出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成

11、。 偏置电路偏置电路主要为上述各级电路提供稳定和合适的主要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，一般由各种恒流偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路组成。源电路组成。 +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 1.1.组件内各元件通过同一工艺制成，各类元件的组件内各元件通过同一工艺制成，各类元件的对称性能好，温度性能一致，适用于差分电路。对称性能好，温度性能一致，适用于差分电路。 在应用集成运放时在应用集成运放时, ,需要知道它的符号、各个需要知道它的符号、各个管脚的用途以及放大器的主要

12、参数管脚的用途以及放大器的主要参数, ,至于它的内部至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。电路结构如何一般是无关紧要的。 uo+Auou+u。 。+UCCUEE ()ououAuu 集成运算放大器有集成运算放大器有铝壳封装铝壳封装和和双列直插式塑壳双列直插式塑壳封装封装两种。两种。 常用的有七个引脚，常用的有七个引脚， 如图所示，如图所示， 用途是：用途是：F0072341567+15V-15VRP输出端输出端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端1 1和和5 5为外接调为外接调零电位器的两零电位器的两个端子。个端子。2.引脚：引脚： 2 2为反相输入端为反相输入端，由此端接输入信号，则

13、输出信号，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的（或两者极性相反）。与输入信号是反相的（或两者极性相反）。 3 3为同相输入端为同相输入端，由此端接输入信号，则输出信号，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的（或两者极性相同）。与输入信号是同相的（或两者极性相同）。 4 4为负电源端为负电源端，接接-15V-15V稳压电源。稳压电源。 7 7为正电源端为正电源端，接接+15V+15V稳压电源。稳压电源。 6 6为输出端为输出端。 F0072341567+15V-15VRP输出端输出端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端3. 主要参数主要参数（5）最大输出电压）最大输出电压

14、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。（4）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数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。（1）输入失调电压）输入失调电压 UIO（2）输入失调电流）输入失调电流 IIO（3）输入偏置电流）输入偏置电流 IIB1. 电路模型电路模型()ououAuu 输入端可用输输入端可用输入电阻来表示；输入电阻来表示；输出端由受控电压源出端由受控电压源和输出电阻串联组和输出电

15、阻串联组成。成。2. 传输特性传输特性 uo= f (ui)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(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饱和区 ORB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+esRB+UCCC1C2RRLui+uo+RSdoXXA ofXXF fidXXX fXdXoXiX+fidXXX 净输入信号净输入信号若三者同相，则若三者同相，则 Xd = Xi XffXdXoXiX+uoRFuiR2R

16、1+ 引入交流引入交流负反馈的负反馈的目的：目的：改改善放大电善放大电路的性能路的性能引入直流引入直流 负反馈的负反馈的目的：目的：稳稳定静态工定静态工作点作点1) 根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈 和电流反馈。和电流反馈。 电流负反馈电流负反馈具有具有稳定输出电流稳定输出电流、增大输出电阻的作用。增大输出电阻的作用。 电压负反馈电压负反馈具有具有稳定输出电压稳定输出电压、减小输出电阻的作用。减小输出电阻的作用。如果反馈信号取自输出电压，叫如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫如果反馈信号取自输出电流，叫电

17、流反馈电流反馈。2) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的 不同，可以分为串联反馈和并联反馈。不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入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，称为信号以电压形式作比较，称为串联反馈串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入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，称为信号以电流形式作比较，称为并联反馈并联反馈。串联反馈使电路的输入电阻增大，串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。并联反馈使电路的输入电阻减小。负负反反

18、馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈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稳定静态工作点稳定静态工作点offuRRRu11oofFFuuuiRR 交、直流分量的信号均可通过交、直流分量的信号均可通过 RF，所以所以 +UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuo净输入信号：净输入信号： ii 与与 if 并联，并联，以电流形式比较以电流形式比较并联反馈并联反馈 ii 正半周时，正半周时，if 也是也是正半周，即两者同相正半周，即两者同相负反馈负反馈FobefRuui +UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuo

19、iiibifFoRu ib = = ii - - if Ib = = Ii - - If 可见可见 Ib Ii , 反馈电流反馈电流 If 削弱了净输入电流削弱了净输入电流 反馈过程：反馈过程：+UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuoFofRui iiibifuo if ibic uo Ib = = Ii - - IfRB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ 如果有发射极旁路电容，如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的中仅有直流分量的信号通过信号通过 ，这时，这时RE引入的则是直流反馈。引入的则是直

20、流反馈。E例例1：例例1： 3) 判断反馈类型判断反馈类型净输入信号：净输入信号： ui 与与 uf 串联串联, ,以电压形式比较以电压形式比较串联反馈串联反馈 ui正半周时正半周时, ,uf也是正也是正半周半周, ,即两者同相即两者同相 uf 正比于输出电流正比于输出电流+ uf+ RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ieube ube = ui - - uf uf = ie RE Ube = Ui - - Uf 可见可见 Ube 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001 f A

21、FAA则：则：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 则：则：uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu ifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifiur iiibube+ 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有

22、稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。无负反馈无负反馈f|Au|Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波ui一、理想集成运放及其分析依一、理想集成运放及其分析依据据Auo 高高: 80dB140dB；rid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dBuo+u+u。 。+UCCUEE 理想运放：理想运放：Auo ； Ri ； Ro 0； KCMR 。因为因为 uo = Auo( (u+ u )所以所以(1) 差模输入电压约等于差模输入电

23、压约等于 0 即即 u+= u ,称称“虚短虚短” (2) 输入电流约等于输入电流约等于 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，运放的越大，运放的 线性范围越小，必线性范围越小，必 须加负反馈才能使须加负反馈才能使 其工作于线性区。其工作于线性区。+uouu+i+i u+ u uo线性区线性区Uo(sat)+Uo(sat) O 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器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行比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、反对数、例、加法、减法、微

24、分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度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关系负反馈。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参数，基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入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，就可以实现不同的电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。运算。（1）反相比例运算电路）反相比例运算电路 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

25、另一端均为地( )。 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 / RF动画动画ifi1ii+uoRFuiR2R1+ 电路组成电路组成1i1Ruui FofRuui 电压放大倍数计算：电压放大倍数计算：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“虚地虚地” 反相输入的重要特点反相输入的重要特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， ifi1ii+uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if , , u+= 0 1FoiRuuR1oFufiuRAuRuoRFuiR2R1+ 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端

26、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（1）反相比例运算电路）反相比例运算电路1oFufiuRAuR1FoiRuuR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

27、. 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+ oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu 电路组成：电路组成：电压放大倍数计算：电压放大倍数计算：1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，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，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFu+u

28、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+ 动画动画 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+

29、15k RL15k +15V 7.5k 例：例：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 = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if 动画动画1212()FFOiiiiRRuuuRR ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+例：一个测量系统输出电压和某些非电量（经传例：一个测量系统输出电压和某些非电量（经传感器变换为电量）的关系为感器变换为电量）的关系为 试设计电路实现此关系。试设计

30、电路实现此关系。123(420.5)oiiiuuuu3iu解：电路图如右所示。取解：电路图如右所示。取100FRK11002544FiRRK则：则：21005022FiRRK31002000.50.5FiRRKRi3 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / Ri3 / RF=13.3k1i2i1i2iuRRRu 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(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+动

31、画动画方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+1212()FFOiiiiRRuuuRR 由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则：则：R2 / R3 = R1 / RF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。常用做测量常用做测量放大电路放大电路3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu 动画动画 uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 2