第7章 集成运算放大电路

1、集成运算放大电路集成运算放大电路7.1 集成运算放大器集成运算放大器概述概述把整个电路的各个元件以及相互之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，组成一个间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。不可分的整体。体积小、外部接线少、功耗低、体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。可靠性高、灵活性高、价格低。 具有很高开环电压放大倍数具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。量技术、自动控制等领域。输入级：输入级： 差动放大器，减少零点漂移、提高输

2、入阻抗。差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：输出级： 射极输出器或互补对称功率放大器，提高射极输出器或互补对称功率放大器，提高 带载能力。带载能力。偏置电路：偏置电路： 为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级中间级：中间级： 电压放大。电压放大。反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端+ u+uuo反相输反相输入端入端同相输同相输入端入端输出端输出端+623 7415+15V-15V10k 1k 当当输入信号输入信号为零时，为零时，输出为零。输出为零。8为空脚为空脚2. . 输入失调电压输

3、入失调电压 U IO使使UO= 0，输入端施加的补偿电压，输入端施加的补偿电压几毫伏几毫伏3. . 输入失调电流输入失调电流 IIOUO = 0 时，输入级两输入端时，输入级两输入端的静态电流之差。的静态电流之差。1 nA 0.1 A1. . 开环差模电压增益开环差模电压增益 Aud104 1074. .差模输入电阻差模输入电阻 r id输出电阻输出电阻 ro几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧几十欧几十欧 几百欧几百欧)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB6. . 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax共模输入共模输入U IC 过大，过大，

4、K CMR下降。下降。当当 UId过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击结可能因反压过大而被击穿。穿。LM741 为为 36 V7. .最大共模输入电压最大共模输入电压 UICmax9. . 最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VLM741 为为 16 V两输入端间允许加的最大差模输入电压。两输入端间允许加的最大差模输入电压。能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。出电压。8. .静态功耗静态功耗 PCO几十毫瓦几十毫瓦12.3 理想集成运算理想集成运

5、算放大器的分析方法放大器的分析方法 udA idr0o r CMRK 在分析运算放大器的电在分析运算放大器的电路时，一般把路时，一般把运算放大器看运算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuo icr 运算放大器输出电压与输入电压之间的关系运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为曲线称为。uo uuuio线性工作区线性工作区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuoduA很大很大iu当当很小时，运放工作很小时，运放工作在线性区。在线性区。uo uuuio正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuo duA uu

6、 uu OOUu OOUu时，时， 为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。限制其闭环电压放大倍数。工作在饱和区的理想运放工作在饱和区的理想运放)(dO uuAuu uu uu OOUu OOUu时，时，时，时，0)( uu 相当于两输入端之间相当于两输入端之间, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故称称 “” 。 相当于两输入端之间相当于两输入端之间，但又未真正断路，故，但又未真正断路，故称称 “ “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,运放开环输入电阻运放开环输入电阻 idr 由于由于故从式故从

7、式,可知可知 duA)(dO uuAuu+ u+uuoii+7.2 放大电路中的放大电路中的负反馈负反馈 将电路的输出量将电路的输出量( (电压或电流电压或电流) )的部分或全的部分或全 部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回 路，以改善放大电路的某些性能。路，以改善放大电路的某些性能。正向传输：正向传输：输入输入 输出输出反向传输：反向传输：输输出出 输入输入 开环开环 闭环闭环输入输入 输出输出 放大电路放大电路 反馈网络反馈网络反馈信号消弱原输入信号，使输出量减小。反馈信号消弱原输入信号，使输出量减小。反馈信号增强原输入信号，使输出量增大

8、。反馈信号增强原输入信号，使输出量增大。+比较比较环节环节基本放大电路基本放大电路F反馈网络反馈网络负反馈的组成框图负反馈的组成框图fXAdXoXiX 输入信号输入信号 净输入信号净输入信号 反馈信号反馈信号 输出信号输出信号dXiXfXoXfidXXX 净输入信号净输入信号反馈信号消弱了净输入信号，为反馈信号消弱了净输入信号，为反馈。反馈。idXX 则则若若同相，同相，fiXX与与电压反馈电压反馈 反馈信号取自输出电压的部分或全部。反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈电流反馈 反馈信号取自输出电流。反馈信号取自输出电流。AF电压电压反馈反馈OULR 电流电流反馈反馈FALR OUOIO

9、I串联反馈和并联反馈。串联反馈和并联反馈。串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在信号以电压相加减的形式在输入端出现。输入端出现。并联反馈：并联反馈：反馈信号与输反馈信号与输入信号以电流相加减的形入信号以电流相加减的形式在输入端出现。式在输入端出现。AFiIfIidIAFiUidUfU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。 使使 uo = 0 ( (RL 短路短路) )，若，若反馈消失则为电压反馈否反馈消失则为电压反馈否则为电流反馈。则为电流反馈。1. 找出反馈元件（或电路

10、），即在输入和输出回路间找出反馈元件（或电路），即在输入和输出回路间起联系作用的元件。起联系作用的元件。2. 电压反馈电压反馈 反馈信号取自输出电压的部分或全部。反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈电流反馈 反馈信号取自输出电流。反馈信号取自输出电流。 反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈取自非输出端为电流反馈。取自非输出端为电流反馈。3. 4. 反馈信号反馈信号与输入信号与输入信号在不同输入端为串联反馈，在不同输入端为串联反馈，在在同一个输入端为并联反馈。同一个输入端为并联反馈。 采用瞬时极性法判断采用瞬时极性法判断:反馈信号使净输入信号

11、减小的，是负反馈。反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。 设某一瞬时设某一瞬时ui为正，根据电路情况推出此时反馈信为正，根据电路情况推出此时反馈信号的正负。号的正负。例：例：输入输入回路回路输出输出回路回路判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+us+uo+ uBE RE 介于输入输出回路，有反馈。介于输入输出回路，有反馈。反馈使反馈使 uBE 减小，为负反馈减小，为负反馈; ;+uf反馈取自输出端为电压反馈反馈取自输出端为电压反馈;反馈信号反馈信号与输入信号与输入信号在不同输入端在不同输入端,为串联反馈。为串联反

12、馈。电压串联电压串联负反馈负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈例：例： 判断反馈类型。判断反馈类型。RE 介于输入输出回路，有反馈。介于输入输出回路，有反馈。反馈使反馈使 uBE 减小，为负反馈减小，为负反馈; ;反馈不是取自输出端，为电流反馈反馈不是取自输出端，为电流反馈;反馈信号反馈信号与输入信号与输入信号在不同输入端在不同输入端,为串联反馈。为串联反馈。+us +VCCRCC1C2RLRERB1RB2RS+uo +ui uBE +uf iE例：例：判断反馈类型。判断反馈类型。Rf 为输入回路和为输入回路和输出回路的公共输出回路的公共电阻，故有反馈。电阻，故有反馈。RL = 0，无反馈，故

13、为电压反馈。，无反馈，故为电压反馈。 反馈信号反馈信号与输入信号都加在了反相与输入信号都加在了反相输入端，输入端，故为并联反馈。故为并联反馈。 反馈使净输入电流反馈使净输入电流 减小，为负反馈。减小，为负反馈。fi-III R1RfR + RLIU+OUiIfI-I1. 降低放大倍数降低放大倍数 由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数降低。降低。2. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 放大器在工作过程中，由于环境温度变化、晶体放大器在工作过程中，

14、由于环境温度变化、晶体管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变化，使电压放大倍数不稳定。化，使电压放大倍数不稳定。 加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。3. 减少非线性失真减少非线性失真uf无负反馈无负反馈FufAuiuo+uiduo大大小小uiA产生了产生了失真失真接近正弦接近正弦波，失真波，失真得到改善得到改善4.4.对放大电

15、路输入电阻和输出电阻的影响对放大电路输入电阻和输出电阻的影响输入电阻输入电阻串联负反馈串联负反馈电流负反馈电流负反馈电压负反馈电压负反馈并联负反馈并联负反馈输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻，输出电流。输出电流。输出电阻输出电阻，输出电压。输出电压。7.3 基本运算电路基本运算电路0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡电阻平衡电阻f1/RRR riIOuu f1RR 若若则则iFR1Rfi1uIR + uou+u-同相比例运算同相比例运算 I- uuu F 1 ii ,fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu R

16、2 = R1 / Rf平衡电阻平衡电阻当当 R1 = 时，时，跟随器跟随器IOuu 或当或当R1 = ，Rf = 0 时时，R1iFRfi1uIR2+ uou+u-RfuIR2+ uouI+ uo1. 反相加法运算电路反相加法运算电路iF = i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡电阻平衡电阻iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i2iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI

17、23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 当当21RR 时，时，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和和1fRR I1I2Ouuu 则上式为则上式为当当时，则得时，则得 小小 结结 2. 2. 具有很高开环电压放具有很高开环电压放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的特性。可以工作大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的特性。可以工作在线性和非线性两种状态。线性工作状态必须引入负在线性和非线性两种状态。线性工作状态必须引入负反馈。反馈。 3. 3. 工作在工作在“” “”是非常重要的概念。是非常重要的概念。1. 1. 将电路的输出量将电路的输出量部分或全部，通过一部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路。定的元件，以一定的方式回送到输入回路。加入负加入负反馈可以改善放大器的性能。反馈可以改善放大器的性能。电压串联负反馈；电压电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。工作在工作在： uu uu OOUu OOUu时，时，时，时， 4. 4. 运算电路无共模电压的影响，运算电路无共模电压的影响，但输入阻抗低，但输入阻抗低，运算电路的输入阻抗高，但运算电路的输入阻抗高，但存在共模信号的影响。存在共模信号