运算放大器祥解

1、集成运算放大器集成运算放大器Bitsion孙孙冰冰2014-01-10 1 1 集成集成运算放大器运算放大器简介简介2 2 放大电路中的反馈放大电路中的反馈3 3 信号信号运算运算电路电路4 4 集成集成运放的使用运放的使用 1.1 1.1 集成运算放大器集成运算放大器的的分类分类 1.2 1.2 集成运算放大器的电路组成集成运算放大器的电路组成1.3 1.3 集成集成运算放大器的参数运算放大器的参数 1.4 1.4 集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性 1.1 1.1 集成运算放大器集成运算放大器的分类的分类.1.1 .1.1 什么是放大器什么是放大器电学中能够实现信号、

2、功率放大的器件，称为放大电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放大器，英文为器，英文为amplifier。 目前所有放大器的基础放大器件是电子管和目前所有放大器的基础放大器件是电子管和晶体管。晶体管。 以放大器为核心，能够实现放大功能的电路，称为以放大器为核心，能够实现放大功能的电路，称为放大电路。放大电路。 .1.2 .1.2 放大器的分类放大器的分类从简从简到繁，可将放大器分为三个级别：到繁，可将放大器分为三个级别： 晶体管：双极型，单极型晶体管：双极型，单极型(JFET,MOSFET) (JFET,MOSFET) 集成运算放大器：标准运放，全差分运放集成运算放大器：标准运放，全差分运放

3、 集成功能放大器：差动放大器，仪表放大器，程控增益放大集成功能放大器：差动放大器，仪表放大器，程控增益放大器，压控放大器以及其它特殊功能放大器等。器，压控放大器以及其它特殊功能放大器等。 .1.3 .1.3 运算放大器运算放大器 集成为一个芯片的，由晶体管组成的直接耦合型，开环多级放大集成为一个芯片的，由晶体管组成的直接耦合型，开环多级放大电路。电路。 开环增益很大，不能直接作为放大器，需要外部反馈网络配合。开环增益很大，不能直接作为放大器，需要外部反馈网络配合。 最常见：差分输入、单端输出的标准运放。最常见：差分输入、单端输出的标准运放。 另一种：差分输入、差分输出的全差分运放另一种：差分输

4、入、差分输出的全差分运放 1.2 1.2 集成运算放大器的电路组成集成运算放大器的电路组成.2.1 .2.1 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成特点特点输入级采用差分放大电路，共模抑制比输入级采用差分放大电路，共模抑制比 和和 输入电阻很高。输入电阻很高。中间级多为差分电路和高增益放大器中间级多为差分电路和高增益放大器 ，起电压放大作用。，起电压放大作用。 输出级采用互补对称放大电路和射极输出器，输出级采用互补对称放大电路和射极输出器，r ro o很小，带负载能力很强。很小，带负载能力很强。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 简单的运算放

5、大器电路简单的运算放大器电路T1、T2组成差分放大组成差分放大T3、T4组成复合管放大组成复合管放大T5、T6为射极输出器为射极输出器T7、T8组成恒流源组成恒流源R7、D、T9为恒流源为恒流源+- 1.2.21.2.2集成放大器的符号集成放大器的符号 1 1 输入失调电压输入失调电压产生原因：产生原因： 理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。零时，存在一定的输

6、出电压。 计算方法：计算方法：输入电压输入电压UI=0时，输出电压时，输出电压UO折合到输入端的电压的负值，即折合到输入端的电压的负值，即 IIOO0O()/UUUUA 1.2.3 1.2.3 集成集成运算放大器的参数运算放大器的参数 2 2 输入偏置电流输入偏置电流产生原因：产生原因： BJTBJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流总需要一定的输入电流IBNIBN和和IBPIBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压。输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值。为零时，两个输入端

7、静态电流的平均值。 当当U UO O=0=0时，输入偏置电流时，输入偏置电流I IIBIB为为 BNBPIB+=2III双极型晶体管-有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电 3 3 输入失调电流输入失调电流产生原因：产生原因：如果运算放大器的输入级电路参数是完全对称的，则差分对管如果运算放大器的输入级电路参数是完全对称的，则差分对管的偏置电流应当相等。但实际输入差分对管是不可能完全一致的，的偏置电流应当相等。但实际输入差分对管是不可能完全一致的，因此。它们的输入偏置电流必然会有差异。因此。它们的输入偏置电流必然会有差异。计算方法：计算方法：当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，

8、当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即即IOBPBNIII越小越好越小越好 4 4 温度漂移温度漂移1. 1. 输入输入失调电压温漂失调电压温漂 输入失调电压温漂输入失调电压温漂 U UIOIO/ / T T是指在规定温度范围内是指在规定温度范围内U UIOIO的温度的温度系数，是衡量电路温漂的重要指标。系数，是衡量电路温漂的重要指标。 U UIOIO/ / T T不能用外接调不能用外接调零装置的办法来补偿。零装置的办法来补偿。 输入失调电压输入失调电压2.2. 输入失调电流温漂输入失调电流温漂 输入失调电流温漂输入失调电流温漂 I IIOIO/ / T T是指在规定温度范围

9、内是指在规定温度范围内I IIOIO的温度的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零系数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零装置来补偿。装置来补偿。 输入失调电流输入失调电流 5 5 最大差模输入电压最大差模输入电压差模输入电压是指差动放大电路的两个输入端上的两个对地的差模输入电压是指差动放大电路的两个输入端上的两个对地的输入信号之差。输入信号之差。最大差模输入电压最大差模输入电压U Uidmaxidmax指的是集成运放的反相和同相输入端所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放

10、输入级某一侧的BJTBJT将将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。永久性损坏。 6 6 最大共模输入电压最大共模输入电压 运放输入的共模输入电压超过最大共模输入电压运放输入的共模输入电压超过最大共模输入电压U Uicmaxicmax时的共时的共模抑制比将显著下降。模抑制比将显著下降。 U Uicmaxicmax一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%1%跟随跟随误差的共模输入电压幅值。误差的共模输入电压幅值。7 7 最大输出电流最大输出电流 最大最大输出电

11、流输出电流I Iomaxomax是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。通常给出输出端短路的电流。 8 8 开环差模电压增益开环差模电压增益 开环差模电压增益开环差模电压增益AUAUO O是指集成运放工作在线性区，接入规定的负是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。 00uuAuu 其中，其中，U U- -为反相输入端所加电压，为反相输入端所加电压，U U+ +为为同向输入端所加电压。这个参数集中反映了同向输入端所加电压。这个参数集中反映了集成运算放大器对

12、有用信号的放大能力，这集成运算放大器对有用信号的放大能力，这个参数越大越好。个参数越大越好。 值得值得注意的是，注意的是，A AU UO O又是频率的函数，频率高于某一数值后，又是频率的函数，频率高于某一数值后，A AU UO O的数值开始下降。下图表示的数值开始下降。下图表示741741型运放型运放A AU UO O的频率特性。的频率特性。 9 9 开环带宽开环带宽 开环带宽开环带宽BWBW又称为又称为3dB3dB带宽，是指开环差模电压增益下降带宽，是指开环差模电压增益下降3dB3dB时时对应的频率对应的频率f fH H。 741的带宽为7HZ 10 10 单位增益带宽单位增益带宽 单位增益

13、带宽单位增益带宽BWGBWG对应于开环电压增益对应于开环电压增益AUAUO O频率响应曲线上其增益下降频率响应曲线上其增益下降到到AUAUO O=1=1时的频率时的频率f fT T，即，即AUAUO O为为0dB0dB时的信号频率时的信号频率f fT T，是集成运放的重要参数。，是集成运放的重要参数。741741型运放的型运放的AUAUO O2 2 10105 5时，时，它的它的f fT TAUAUO Of fH H2 2 10105 57Hz7Hz1.4MHz1.4MHz。 11 11 转换速率转换速率 转换速率转换速率S SR R是指放大电路在闭环状态下，输入是指放大电路在闭环状态下，输入

14、为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，即对时间的最大变化速率，即 oRmaxd( )du tSt集成运放的频率响应和瞬态响应在大信号时与集成运放的频率响应和瞬态响应在大信号时与小信号时的差别：小信号时的差别： 在大信号输入时，特别是大的阶跃信号加入时，运放将工作到在大信号输入时，特别是大的阶跃信号加入时，运放将工作到非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。 从频率范围来看，这将使大信号频带宽度总要比小信号时窄；从频率范围来看，这将使大信号频带宽度总要比小信号时

15、窄；而从瞬态响应来看，将使放大电路的输出电压不能即时地跟随阶跃而从瞬态响应来看，将使放大电路的输出电压不能即时地跟随阶跃输入电压变化。输入电压变化。 输出电压变化如下图所示，这就提出了转换速率的问题。由于输出电压变化如下图所示，这就提出了转换速率的问题。由于转换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定用集成运放在单位转换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定用集成运放在单位电压增益、单位时间内输出电压的变化值，来标定转换速率。电压增益、单位时间内输出电压的变化值，来标定转换速率。 转换速率的大小与许多因素有关，其中主要是与运放所加的补偿电转换速率的大小与许多因素有关，其中主要是与运放所加的补偿电

16、容，运放本身各级容，运放本身各级BJTBJT的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电电流等因素有关。电电流等因素有关。 在输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后在输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压作线性变化，通常要求运放的才随输入电压作线性变化，通常要求运放的S SR R大于信号变化斜率的绝对大于信号变化斜率的绝对值。值。 在运放的输入端加一正弦电压在运放的输入端加一正弦电压u ui i( (t t) )U Uimimsinsintt，输出电压，输出电压u uo o( (t t) )- -U Uo

17、momsinsintt，输出电压的最大变化速率为，输出电压的最大变化速率为maxRd)(dttuSOU Uomomcoscostt0t2 2 fUfUomom 为了使输出电压波形不因为了使输出电压波形不因SRSR的限制而产生的限制而产生失真，必须使运放的失真，必须使运放的SRSR为为S SR2R2 fUfUom om 1.4 1.4 集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性 集成运算放大器在应用电路中有两个基本工作状态：线性工集成运算放大器在应用电路中有两个基本工作状态：线性工作状态和非线性工作状态。作状态和非线性工作状态。开环应用开环应用( (或正反馈闭环应用或正反馈闭环应用

18、) ) 非线性状态，非线性状态，负反馈闭环应用负反馈闭环应用 线性工作状态。线性工作状态。 理想运放的特性：理想运放的特性： 差模开环电压增益差模开环电压增益A Audud=差模输入电阻差模输入电阻r ridid = = 输出电阻输出电阻r ro o = 0 = 0共模抑制比共模抑制比KCMR = KCMR = 输入偏置电流输入偏置电流I IIB IB = 0= 0。输出失调电压输出失调电压U UIOIO、失调电流、失调电流I IIOIO及其温漂均及其温漂均为零。为零。单位增益带宽单位增益带宽BWG = BWG = 转换速率转换速率S SR = R = 理想理想运算放大器在线性工作状态时的运算

19、放大器在线性工作状态时的“虚短虚短”和和“虚断虚断”特性：特性： 虚虚短：由于运放的开环电压放大倍数很大（短：由于运放的开环电压放大倍数很大（80dB80dB以上）。而输出以上）。而输出电压是有限的（电压是有限的（10V10V14V14V）。因此，运放的差模输入电压不足）。因此，运放的差模输入电压不足1mV1mV，两输入端近似等电位，相当于两输入端近似等电位，相当于“短路短路”。 这一特性称为虚假短路，简称虚短。这一特性称为虚假短路，简称虚短。 理想运放理想运放 两两输入端之间相当于输入端之间相当于“短路短路”A Ao o, ,oiouuuuA-+=-=如果如果u u+ +=0=0，则，则u

20、u- -=o=o，“虚地虚地”0iuuuu u- -u u+ + +- -u ui iu uo o 虚虚断：运放的差模输入电阻很大，都在断：运放的差模输入电阻很大，都在1M1M以上。因此，流入以上。因此，流入运放输入端的电流往往不足运放输入端的电流往往不足1A1A，远小于输入端外电路的电流。可，远小于输入端外电路的电流。可以把两输入端视为开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。以把两输入端视为开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。 对于理想运放对于理想运放r ri i = = 两输入端之间相当于两输入端之间相当于“断路断路”iiuiir-+=0ii+ +- -u ui iu uo oi i- -

21、i i+ + 理想运算放大器在非线性工作状态时：理想运算放大器在非线性工作状态时： 其输出电压将随差模信号电压的变化快速地转变到另一恒定值，其输出电压将随差模信号电压的变化快速地转变到另一恒定值，其输出电压其输出电压u uO O只有两种可能只有两种可能 当当u uP P u uN N时，时，u uO O= =U UOHOH；当当u uP P u uN N时，时，u uO O= =U UOLOL 2 2 放大电路中的反馈放大电路中的反馈 2.1 2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念 反馈反馈是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一部分或

22、全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。能获得改善的过程。 图图中中x xi i是输入信号，是输入信号，x xf f是反馈信号，是反馈信号，x xd d称为净输称为净输入信号。且有入信号。且有 difxxx 1 1反馈的极性反馈的极性 分类：分类：按交直流性质反馈分为交流反馈、直流反馈和交直流反馈。按交直流性质反馈分为交流反馈、直流反馈和交直流反馈。反馈信号反馈信号只有交流成分时为交流反馈，只

23、有交流成分时为交流反馈，反馈信号反馈信号只有直流成分时为直流反馈，只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈。实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈。按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反馈两种极性。馈两种极性。 x xi ix xd d x xi ix xd d 正反馈正反馈负反馈负反馈 不同极性的反馈对放大电路性能的影响截然不同：不同极性的反馈对放大电路性能的影响截然不同： 正反馈能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性，正反馈能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性，主要用于振荡电路。主要用于振荡电路。 负反馈降低了放大倍数，但却换来了放大电路性能的改善，是反馈负反馈降低了放大倍数，但却换来了放大电路性能的改善，是反馈讨论的重点讨论的重点 。 3 3 信号运算电路信号运算电路3.13.1基本运算电路基本运算电路3.23.2积分与微分电路积分与微分电路 3.3 3.3 对数与指数电路对数与指数电路 1 1比例运算电路比例运算电路 （1 1）反相比例运算电路）反相比例运算电路0uui0i 1fiifo1iRuRui1fouRRu电路的电压放大电路