第十章集成运算放大器

电工电子学主讲

张莹Electrotechnics第十章集成运算放大器本章要求：1、了解集成运放的相关概念2、理解和应用集成运放器件

3、掌握集成运放应用电路的分析方法4、了解反馈相关知识1959年第一块集成电路在德克萨斯仪器公司（TI）面世，开创了电子器件与电路（系统）新篇章，在一小块半导体单晶上，制成多个二极管、晶体管（场效应管）、电阻、电容等元器件，并将它们连接成能够完成一定功能的电子线路。10.1

集成电路将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路分类：集成电路:

按集成度分小规模(10~100元件/片)SSI中规模(100~1000元件/片)MSI大规模(1000~10万元件/片)LSI超大规模(>10万元件/片)VLSI

按功能分数字集成电路：微处理器；…。模拟集成电路：集成运放；…。一、集成运放的作用集成运算放大器是一种最常用的模拟集成电路，它是以差分放大器为主体的非线性集成电路，这种非线性集成电路最初主要用于模拟计算机中实现运算功能，所以被称为集成运算放大器。还可用来处理各种模拟信号，实现放大、振荡、调制和解调、模拟信号的加、减、乘、除以及比较等功能。集成运算放大器还广泛地应用于脉冲电路。模拟集成运算放大器的意义已远远不止是“运算”。10.2

集成运算放大器概述二、集成运放芯片三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装已经不用正在使用外形集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“－”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。＋－u－u+uo－＋＋uoAuo国际符号国内符号符号反相输入端同相输入端输出端u+

u-

u0

均为对地电压u-u+u+u-uo运算放大器外形图通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，ro

很小，带负载能力很强。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。三、集成运放的组成uO=f(uD)其中：uD=u＋－u－线性区

uO=AouD

=Ao

(u＋－u－)饱和区正饱和电压：

uO

=＋UOM≈＋UCC

负饱和电压：

uO=－UOM≈－UEE

uDOuO负饱和区正饱和区线性区－UOM+UOM电压传输特性四、集成运放的电压传输特性曲线一反馈的基本概念开环系统基本放大电路外输入输出XiXo=AXi闭环系统基本放大电路外输入输出+-XiXfXdXo=AXd10.3

放大电路中的负反馈反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路送回到输入回路，与输入信号共同作用，影响输入信号的过程。

基本放大电路反馈电路外输入输出净输入反馈信号+-XiXf=FXoXdXo=AXd根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两大类型。反馈信号增强输入信号的叫做正反馈；反馈信号削弱输入信号的叫做负反馈。如果加反馈后，同相，则称此反馈为负反馈，输出将稳定在某一值。如果加反馈后，反相，则称此反馈为正反馈，输出将越来越大，因此放大电路将出现不稳定，在放大电路中，不希望出现正反馈。净输入二负反馈的类型及判别1、反馈的类型ⅰ电压反馈与电流反馈按反馈电路在放大电路输出端所采样的信号不同，分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，为电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，为电流反馈。ⅱ串联反馈与并联反馈

按反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，分为串联反馈和并联反馈。如果反馈电路与输入电路串联，为串联反馈。如果反馈电路与输入电路并联，为并联反馈。ⅲ交流反馈与直流反馈按反馈信号的交直流不同，分为交流反馈和直流反馈。有的反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。有的反馈只对直流信号起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流信号均起作用，即交直流反馈共存。A=uo/udF=uf/uououiuduf1.电压串联反馈2.电压并联反馈3.电流串联反馈4.电流并联反馈A=io/udF=uf

/ioiouiudufRLA=uo/idF=if

/uouoiiidifA=io/idF=if/ioioRLiiidif放大洞电路概反馈制的四睛种组怠态框泛图：2、反御馈类网型的映判别ⅰ有无拘反馈伶：输出字是否残影响扰输入ⅱ正、役负反今馈：瞬时纠极性烦法例：翼判断腿图示稍电路材的反课馈极匹性。解：咏设输昂入信咐号ui瞬时池极性叙为正卷，则灿输出配信号uo的瞬银时极瓣性为封负，蜓经RF返送斑回同比相输厌入端助，反晕馈信洒号uf的瞬许时极旋性为发负，再净输拥入信签号ud与没覆有反田馈时洲相比财增大僻了，毛即反脆馈信饱号增硬强了抛输入相信号摔的作糟用，歇故可缠确定妹为正汪反馈验。解：贪设输贝入信劳号ui瞬时横极性裹为正拥，则抽输出讽信号uo的瞬御时极反性为循正，伙经RF返送秒回反转相输珍入端鹅，反车馈信靠号uf的瞬夸时极昌性为尿正，团净输倾入信倚号ud与没蛇有反的馈时云相比模减小蛛了，竹即反臂馈信链号削疗弱了库输入帽信号历的作寇用，影故可颤确定类为负妈反馈朋。对于熔集成露运放苹，若望反馈乏信号洋接入勇集成啄运放驱的反倍相输剪入端棉为负涨反馈购，接语入同班相输祸入端围为正悔反馈裳。正反忽馈负反括馈ⅲ串、必并联磨反馈衡：若输艺入信践号与欢反馈凉信号晨进行功电压林的比壶较ud=ui－uf，为佩串联尊反馈纠。若蛙进行毁电流能的比尚较id=ii－if，并既联反柱馈。线（若打反馈焰信号犹和输戒入信团号加摄入集委成运己放不栏同的赶输入孙端，影为串谣联反编馈，宇反之明为并栽联反六馈。版）ⅳ电压庸、电接流反鼠馈：将放缩慧大电靠路的美输出四端交蚊流短近路（旦即令uo=0），慈若反餐馈信烫号消调失，柳则为材电压卫反馈墙，否育则为鞋电流滨反馈笔。1、电巧压串虏联负惯反馈①设船输入舱信号ui瞬时易极性不为正寸，则谋输出谢信号uo的瞬谁时极兽性为市正，喂经RF返送菊回反轮相输铅入端溉，反胀馈信拍号uf的瞬穷时极意性为顽正，笛净输晶入信泉号ud与没乔有反浪馈时君相比遥减小去了，惠即反刮馈信躬号削容弱了欠输入墨信号辱的作娘用，忍故为负反懂馈。②将载输出标端交趴流短坑路，RF直接壮接地梁，反嗽馈电陵压uf=0，即域反馈显信号争消失茧，故弦为电压丝式反馈。③输蓄入信流号ui加在您集成租运算章放大较器的央同相闷输入氏端和燥地之辩间，尘而反骑馈信息号uf加在质集成扮运算缎放大势器的汪反相疲输入赖端和脚地之须间，踏不在宫同一煮点，活故为串联现反馈。uiuf2、电用压并秆联负径反馈①设铸输入疏信号ui（ii）瞬粉时极科性为堂正，杆则输勒出信祝号uo的瞬代时极谱性为盯负，们流经RF，反馈初信号暂瞬时抚极性崭为负筛，即反授馈信娃号削妄弱了够输入插信号少的作脑用，绍故为负反轧馈。②将拖输出桶端交据流短请路，RF直接漫接地炉，反蔬馈电迹流if=0，即满反馈个信号中消失萌，故狂为电压棵反馈。③输能入信欢号ii加在蜂集成语运算佛放大脊器的腿反相废输入纹端和问地之淘间，郊而反悦馈信英号if也加达在集聋成运营算放烈大器庸的反湾相输男入端彻和地额之间帽，在夺同一叉点，筒故为并联堆反馈。iiif3、电益流串冈联负拘反馈①设咳输入劈燕信号ui瞬时唉极性什为正色，则压输出途信号uo的瞬雾时极摆性为发正，安经RF返送帝回反表相输宰入端圈，反脱馈信府号uf的瞬广时极辽性为堪正，快净输军入信佣号ud与没狸有反迹馈时毫相比愤减小男了，容即反雄馈信剧号削谋弱了剖输入卵信号骑的作段用，骗故为负反命馈。②将售输出敬端交攻流短刮路，男尽管uo=0，但稍输出振电流io仍随肺输入常信号具而改样变，想在R上仍愿有反族馈电脑压uf产生筐，故聋可判盒定不泪是电但压反袜馈，帐而是电流彩反馈。③输升入信群号ui加在匹集成必运算问放大碑器的恩同相墙输入倦端和较地之遍间，构而反特馈信泊号uf加在肝集成致运算渔放大码器的虚反相燃输入锅端和劝地之订间，纽奉不在棚同一屈点，参故为串联惊反馈。uiuf4、电超流并即联负旱反馈①设浴输入季信号ui（ii）瞬章时极筛性为关正，甩则输泼出信吓号uo的瞬秧时极鸭性为低负，谷流经RF，反馈天信号陕瞬时凑极性机为负魂，即反溜馈信至号削将弱了垂输入肾信号泄的作摄用，千故为负反温馈。②将齿输出马端交晕流短爷路，视尽管uo=0，但找输出室电流io仍随字输入叔信号都而改狱变，果在R上仍雾有反桃馈电父压uf产生舒，故饱可判页定不叔是电阶压反嘉馈，功而是电流择反馈。③输设入信墙号ii加在案集成炎运算茂放大鸡器的年反相姻输入嗽端和委地之除间，辜而反赏馈信言号if也加虫在集退成运喂算放佩大器臂的反摆相输雄入端傅和地柿之间喷，在奸同一祝点，欲故为并联昼反馈。iiif

Xo/XD1＋XF/

XD=三、塌负反枯馈对塞放大殃电路富性能题的影还响

xFAoFxI

xD

xO=

XoXD＋XFXD=XI－XFXoXI|

Af|

=

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=

1|F||Af|

≈当|F||Ao|毒1，称为译深度而负反迈馈|Af|回<素|Ao|

Xo/XD=XFXoXoXD1＋反馈寻示意银图1.提高佩了电董压放苍大倍脱数的誉稳定猾性

11＋|F||Ao|

d|Ao||Ao|

=

d|Af||Af|

d|Af||Af|

d|Ao||Ao|＜故电扑压放水大倍咸数的素稳定装性提膊高了晚。

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=>1若为仿深度帅负反新馈,|F||Ao|>>拾1

d|Af||Af|

d|Ao||Ao|<<[例10德.2公.1焰]某放圾大电锹路的|Ao|幼=1渣0栏00，由甩于某渣一原扣因,使其交变化忌率为科，我若电常路的疾反馈韵系数|F|=挥0.栋00熔9，则托闭环龙电压典放大建倍数纲的变织化率催？=贤2%11＋0.009×1000=×20%[解]

d|Ao||Ao|

11＋|F||Ao|

=

d|Af||Af|

d|Ao||Ao|=20%2.加宽且了通辈频带

0.707|Af|

|Ao|未加师入反拳馈后O

f|A|0.707|Ao|Bof1f2Bff3f4加入珠反馈话后

|Af|加宽蹲通频晶带电压洒负反洗馈稳石定输出只电压。电流斥负反立馈稳掠定输出他电流钩。4.稳定移了输洗出电阁压或思输出亭电流3.改善硬非线们性失板真无负膜反馈宰时有负骆反馈厚时ICiCOtUCC/RC

ICiCOtUCC/RC

改善修非线繁性失每真5.改变岛了输统入电蹦阻或皆输出色电阻串联正反馈旋使输入忙电阻增加委。并联迫反馈使输入乳电阻减小枝。电压斯负反曾馈使输出衰电阻减小软。电流习负反娇馈使输出锻电阻增加傍。开环细电压益放大刮倍数箱：Ao→∞开环熄输入僵电阻渠：ri→∞开环繁输出球电阻竟：ro→0共模帆抑制霸比：KCM刻R→∞u－

u＋uO

－

uD＋－

＋∞＋理想味运放指的符册号10朱.4理想牢运算遇放大止器一、怪理想柔化条且件二、近理想柄运放舍的特弓性uO=＋UOM≈＋UCC(2栋)当u＋＜u－时，即uD<蕉0uO=－UOM≈－UEE(1跨)当u＋＞u－时，即uD>滥0OuOuD+UOM－UOM1.工作灾在饱药和区清时的隐特点不加服反馈虎时，杰稍有uD即进鱼入饱蓄和区干。理想杏运算钓放大玻器的电休压传智输特串性2.工作椅在线裹性区歌时的而特点iD反馈电路u－u＋uO－

＋∞＋(1兼)Ao→∞

uOAouD==限0u＋=u－(2渗)ri→∞

uDriiD==补0(3嫂)ro→0uOL=uOC故称刺为虚抢短路演，虚短。故称晶为虚渣开路真，虚断。即输绍出电清压不闭受负碗载的魄影响咸。引入夜负反患馈后畅的理拾想运杨放1.反相轰比例升运算uoRFuiR2R1++––++–输出境电压董短接示，反馈斯信号雷不存氏在—电压舰反馈输入钢信号膛和反运馈信芦号加与在同一短输入证端—并联纳反馈反馈惭信号类加入溉反向输入冈端—负反煤馈电压皂并联挠负反浊馈10别.5基本怖运算中电路撇（线王性应绕用）一、雾比例故运算要电路1.反相妄比例躲运算（1）电父路组楼成（2）输绒入输慈出关衡系因虚短,所以u–=u+=器0，因虚断汁，i+=闷i–=剧0，ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if因要约求静血态时u+、u–对地乏电阻智相同珠，所轮以平衡宾电阻R2=R1//RF①uO与uI成反汉相比锣例；uO的大尸小只唐与R1、RF的阻眠值和uI有关职。②若R1=遥RF，则uO=－uI。故称嫁为反倚相器帖。③R2为平佩衡电游阻，R2=售R1∥RF说明反相败比例掘运算景电路u－u＋uO

RFiF

－

＋∞＋R1R2uI

i1

iD

因虚断浇，所以u+=ui（1）电汗路组依成（2）输览入输双出关急系uoRFuiR2R1++––++–因虚短束，所以u–=ui，因要司求静颠态时u+、u对地剧电阻颤相同传，所以平衡葵电阻R2=R1//RFu+u–2.同相贺比例好运算说明①uO与uI同相雕位，范且Af≥1；uO的大结小只御与R1、RF的阻煌值和uI有关恢。②扭若RF=0,R1=∞,舅R2=0时,uO=左uI称为暗电压与跟随宪器③省平衡香电阻R2=R1∥RF。uO

－

＋∞

＋uI

电压钟跟随搞器RFR1uO=

)uI(1＋i1iDu－u＋uORFiF－

＋∞＋R1R2uI同相蛇比例城运算飘电路二、孝加后法运烛算电徒路因虚短,u–=殃u+=0平衡煌电阻寻：R2=负Ri1//青Ri2//查RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=死0所以ii1+倾ii2=if（1）电括路组虎成（2）输谋入输斩出关职系①当R11=R12=RF时：uO=－(uI1+uI2)，②平换衡电除阻：R2=R11∥R12∥RF。说明u－u＋uORFiF－

＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1加法扰运算足电路三、击减法疏运算论电路当uI1单独错作用膊时,uO1=－ＲFＲ1uI1当uI2单独冬作用惠时,RFR1uO2=(1＋

)u＋R3R2＋R3u＋=uI2=(1＋RFR1

)R3R2＋R3uI2u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2R3根据衔叠加杰定理:uO=uO1＋uO2减法采运算愧电路ＲFＲ1

R3R2＋R3RFR1=(1＋)uI2－

uI1uO=uO1＋uO2ＲFＲ1uO=(uI2－uI1)Ｒ3Ｒ2ＲFＲ1当=时,①若R1=伞RFuO=醒uI2–遭uI1说明u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2uI1R3减法败运算者电路②平衡钉电阻R2∥R3=R1∥RF。[例10灿.5辜.2蒙]如图狮为两获级运短放组笼成的轮电路葛，已知uI1=0.剑1箭V，uI2=0.田2校V，uI3=0.棕3骡V，求uO。∞－＋＋△uI1uI2∞－＋＋△uI3

+uO

－30k30k30k10k10k10k10k10kＲF1Ｒ12ＲF1

Ｒ11uO1=－(uI1＋uI2)第一蚀级为秘加法早运算塑电路学：[解]第二榆级为腰减法坐运算舟电路聚：R5R4+R5RF2R3

(1＋)uI3ＲF2Ｒ3－

uO1

uO==舟-0尺.3拨V=森0.盼6棵Vu＋=u－=0iI=iF1R1CuO=－uIdt∫＋uC－u－u＋uOR1－

＋∞＋R2uIiFCiIduCdt

CuIR1=uO=－uC说明①当uI为阶兰跃电幼压时,uO随时所间线析性积密分到祖负饱和值磁为止厘。OuIUIttOuO－UOM②平眼衡电慕阻R2=庄R1。积分结运算喝电路波形虚地四、分积分颂运算刑电路u－u＋uORF－

＋∞＋R2uIiFC＋uC－iCu+=u－=0iF=iCduCuO=－RFCdtduIuO=－RFCdtduC

=CdtuORF－OuO

tOuItUI①刺当uI为阶停跃电香压时,uO为尖日脉冲升电压背。说明②优平衡闪电阻R2=RF。微分纲运算刑电路虚地波形五、拘微分棕运算甘电路电压改比较猴器的妖功能潜：电压卧比较暴器用肠来比滚较输坊入信荐号与耀参考沫电压挽的大旷小。歼当两墓者幅采度相部等时听输出云电压蚁产生寨跃变词，由污高电暑平变荐成低敬电平梳，或观者由馅低电东平变消成高算电平惯。由取此来靠判断芬输入市信号同的举大小帽和极混性。用途订：数模禾转换墨、数煮字仪民表、仔自动