第10章-集成运算放大器

电工技术主讲

李宁Electrotechnics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：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；小、中、大、超大规模集成电路。第十章集成运算放大器一、集成电路的概念集成电路:1.电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。3.NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。4.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。特点：二、集成运放的种类三、集成运放芯片＋－u－u+uo－＋＋uo

∞国际符号国内符号三种封装形式：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10.1集成运算放大器简介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。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。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、适宜的偏置电流，决定各级的静态工作点。集成运放的电路符号如下图。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。10.3集成运算放大器的理想模型1.差模电压放大倍数Ao=

，实际上Ao≥80dB即可。一、理想运算放大器的条件2.差模输入电阻ri=

，实际上ri比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。3.输出电阻ro=0，实际上ro比输入端外电路的电阻小1～2个量级即可。

4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。非线性区〔饱和区〕非线性区分析依据：当ｕD>0，即ｕ＋>ｕ－时，ｕo＝＋ｕOM当ｕD<0，即ｕ＋<ｕ－时，ｕo＝－ｕOM理想运算放大器具有“虚短〞和“虚断〞的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反响〕下工作。二、理想运算放大器的特性(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压缺乏1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路〞。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短〞是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

(2)虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往缺乏1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断〞是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

另外：假设信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，那么u－＝u＋=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。10.4根本运算电路1.反相比例运算uoRFuiR2R1++––++

–

－－反响电路直接从输出端引出—电压反响输入信号和反响信号加在同一输入端—并联反响反响信号使净输入信号减小—负反响电压并联负反响1.反相比例运算〔1〕电路组成〔2〕电压放大倍数因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地〞—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF结论：①Af为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。②Af

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。③|Af

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地〞。例：电路如以下图所示，R1=10k，RF=50k。求：1.Af、R2；2.假设R1不变，要求Af为–10，那么RF、R2应为多少？解：1.Af=–RF

R1

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Af

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Af

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

2.同相比例运算电压串联负反响输入信号和反响信号分别加两个输入端—串联反响反响电路直接从输出端引出—电压反响因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地〞反响信号使净输入信号减小—负反响uoRFuiR2R1++––++

–

因虚断，所以u+=ui

〔1〕电路组成〔2〕电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++

–

因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地〞

因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–结论：①Af为正值，即uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。②Af只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相输入端不存在“虚地〞现象。当R1=

且RF

=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

–

uoui++––++

–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5

例：3.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

4.减法运算电路ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。例：求图示电路中uo与ui的关系。10.5电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反响。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+>u－时，uo=+Uo(sat)u+<u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短〞现象2.i+=i－0仍存在“虚断〞现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.根本电压比较器uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoO