《电路与模拟电子技术基础》课件-第 9 章 集成运算放大电路

第

9

章集成运算放大器9.1集成电路概述9.2

集成运放的组成9.3

集成运算放大电路的主要参数9.4

集成运算放大电路的应用

重要知识点

本章小结2本章要点

1.集成运算放大器组成。

2.理想运算放大器。

本章重点难点

1.差分式放大电路的基本原理。

2.集成运算放大器的基本应用。9.1集成电路概述31．集成电路的概念及分类（1）概念：将分立元件组成的完整电路，制作在同一块硅片上而形成集成电路。（2）分类：按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路等。按规模可分为小规模、中规模、大规模和超大规模等。模拟集成电路可分为集成运算放大电路、集成功率放大电路、集成稳压电源电路等。42．集成电路的特点（1）级间采用直接耦合方式。由于硅片上不能制作大容量的电容，所以集成运放的内部电路结构只能采用直接耦合方式。在需要大容量电容和高阻值电阻的场合，常采用外接法。

（2）需要抑制零点漂移。直接耦合电路容易产生零点漂移，为了克服零点漂移，常采用补偿手段。典型的补偿型电路是差分放大电路，它是利用两个晶体管参数的对称性来抑制零点漂移的。5（3）用有源器件代替无源器件。在硅片上制作电阻，电阻值的精度不易控制，误差可达10%～20%，因此在集成电路中，高阻值的电阻多用三极管、场效应管等有源器件组成的恒流源电路来代替。（4）采用复合结构的电路。集成电路内部放大器所用的三极管通常采用复合管来改进单管的性能。运算放大器外形图69.2集成运算放大电路简介71．集成运放的组成

集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

两个输入端，一个输出端。其内部电路一般是由输入级、中间级、输出级和偏置电路4部分组成。图9-1集成运放电路结构方框图82．各部分的作用（1）输入级。输入级采用差分放大电路，以提高输入电阻、减小零点漂移和抑制干扰信号。

（2）中间级。中间级主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成。集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。

（3）输出级。输出级采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。2．各部分的作用

9（4）偏置电路。偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。

与分立元件不同，集成运放多采用恒流源电路为以上3部分电路提供稳定和合适的静态工作点。103.典型集成运放F007简介

图9-2F007电路原理图

电路原理图如图9-2所示。

典型集成运放F007的外形封装

11

图9-3F007集成运放外形及引脚图集成运放F007的外形封装常见的为圆壳式，共有8个脚，其中引脚2、3分别为反相和同相输入端，6为输出端，7、4分别接正、负直流电源，1、5两端之间接调零电位器。4．集成运放的电路符号

12集成运放的电路符号如图9-4所示。uN为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’表示；uP为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。uO为输出端。(a)我国常用符号（b）国外常用符号图9-4集成运放的符号9.3差分放大电路简介131．电路组成图9-5基本差分放大电路14①射极电阻Re的作用。引入直流负反馈，抑制每只管子产生的漂移，从而抑制温度变化对静态工作点的影响，稳定电路的静态工作点，并且Re越大，静态工作点越稳定。1．电路组成15②负电源VEE的作用。射极电阻Re越大，其抑制零点漂移的作用就越强，但Re取值太大会使其上直流压降也增大，若仅靠VCC供电，就会使IC减小，使管子的静态工作点下降，进而导致管子动态范围减小，甚至影响放大电路正常工作。引入负电源VEE，可以补偿Re上的直流管压降，使电路有合适的静态工作点，不会导致管子的动态范围太小，并且由于负电源VEE直接为两管设置偏置电流，因此也可去掉偏置电阻Rb。1．电路组成162．工作原理（1）静态分析静态时，uI1=uI2＝0，由于电路完全对称，因此UBE1＝UBE2，IBQ1＝IBQ2，ICQ1＝ICQ2，UCEQ1=UCEQ2，而UO＝UC1−UC2＝0，即静态时输出电压为零。17（2）动态分析为了更好地分析差分放大电路的特性，定义差分放大电路的输入信号为两种形式：差模信号和共模信号。所谓差模信号，即在电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相反的信号，即uI1=−uI2；所谓共模输入，就是在电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相同的信号，即uI1=uI2。2．工作原理△iE1=－△iE2，Re中电流不变，即差模信号：数值相等，极性相反，即①差模电压放大倍数Aud183．主要技术指标的计算图9-6交流通路结论：双端输入、双端输出的情况下，差分放大电路对差模信号的电压放大倍数等于单边电路的放大倍数。差分放大电路是用成倍的元器件来换取抑制零点漂移的能力。19图9-7微变等效电路图从微变等效电路可知，差模输入电阻和差模输出电阻分别为rid=2rbe

rod=2Rc

20②差模输入电阻Rid和输出电阻Rod

综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力，常用“共模抑制比”这一指标。所以将比值Aud/Auc的绝对值称为共模抑制比，即KCMR越大，表明电路抑制共模信号的能力越强。在理想情况下，基本差分放大电路如由双端输出，Auc=0，KCMR=∞。实际上差分放大电路很难做到完全对称，即，其共模抑制比KCMR为60dB～80dB。21③共模抑制比

根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：

双端输入双端输出、双端输入单端输出、

单端输入双端输出、单端输入单端输出。2223【例9-1】差分放大电路如图9-11所示，设两个三极管参数完全相同，已知

=100，rbe=1kΩ，Rc1=Rc2=Rc=10k

，试问：（1）差模电压放大倍数Aud。（2）差模输入电阻Rid和输出电阻Ro。

图9-18例9-1图解：由图可知该电路为双端输出，所以差模电压放大倍数与单管共射电路的电压放大倍数相同，输入电阻为单管电路输入电阻的两倍，输出电阻也是单管电路的两倍，即Rid=2rbe=2×1kΩ=2kΩRod=2Rc=2×10kΩ=20kΩ249.4集成运算放大电路的主要参数251．开环差模电压放大倍数Aud开环差模电压放大倍数Aud是指在无外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。Aud越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。返回262．共模抑制比KCMR

KCMR表示集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为分贝，即273．最大输出电压UOPP（输出峰—峰电压）最大输出电压UOPP是指在不失真情况下最大输出电压值，它与集成运放的电源电压有关。284．最大差模输入电压UIdmax两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过UIdmax，将引起输入管反向击穿，而使运放不能正常工作。295．差模输入电阻ridrid的大小反映了集成运放的输入端向信号源索取电流的能力。一般要求rid越大越好,普通集成运放可达到几百千欧到几兆欧。例如：F007的rid为2MΩ。6．输出电阻ro输出电阻ro的大小反映了集成运放在输出信号时的带负载能力。有时也用最大输出电流Iomax来表示它的极限带负载能力。9.5集成运算放大电路的应用309.5.1．理想运算放大器的特点1．理想运算放大器的主要条件（1）开环差模电压增益Avd=

。（2）开环差模输入电阻Rid=

。（3）输出电阻Ro=0

。（4）共模抑制比。除了上述几个主要的条件以外，还有输入失调电压、失调电流及温漂等条件。返回当运算放大器工作在线性区时，其输出电压uO和输入电压uN、uP之间必须满足由于uO为有限值，而Aud=∞，即使输入毫伏级以下的信号，也足以使输出电压uO=UOM。因此，为了使运算放大器工作在线性区，需要引入负反馈。图9-9集成运放引入负反馈312．理想运算放大器的特点理想运算放大器工作在线性区时，具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性非常重要。

(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，而运放的输出电压是有限的。因此运放的差模输入电压为，uN=uP

322．理想运算放大器的特点两输入端近似等电位，相当于“短路”。

注意：

“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。332．理想运算放大器的特点

(2)虚断由于净输入电压为零，又由于理想运放的输入电阻，故理想运放的两输入端电流均为零，即。注意：“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。

iN=iP=0342．理想运算放大器的特点1.比例运算电路

输出电压图9-10反相比例运算电路根据虚断iN=iP=0根据虚短uN=uP=0iI=

(uI－

uN)/R1=uI/R1iF=

(uN－

uO

)/Rf=-uO/Rf∵iI=iF∴uI/R1=-uO/Rf9.5.2基本运算电路35【例9-2】电路如图所示，uI=0.6V，R=50kΩ，Rf=100kΩ。试求输出电压uO的值。解

由“虚短”、“虚断”的概念，有节点N的方程为uN=uP=0，iN=iP=0则

36该电路实现了反相比例运算功能

。同相比例运算电路根据虚断iR=iF根据虚短uN=uP=uI即2）同相比例运算电路整理可得结论：输出电压uO与输入电压uI同相，且uO大于uI。

37特例：电压跟随器当R=∞（断开R）或Rf=0时uO=uI

（a）R=∞

（b）Rf=0图9-18电压跟随器

38同相比例运算电路-电压跟随器【例9-3】

电路如图所示。设A为理想集成运放，R1=15kΩ，Rf=150kΩ。试求：输出电压uO与输入电压uI之间的关系，说明电路运算功能。解

由“虚短”、“虚断”的概念，有该电路实现了同相比例运算功能。节点N的方程为uN=uP=uI，iN=iP=0则

39图9-16反相加法电路根据虚断，节点N的电流方程为根据虚短uN=uP=0即2．加法运算电路整理可得（1）反相加法运算电路。40uP1

、uP2分别为uI1

、uI2单独作用于同相端的输入电压，其中设同相输入端的电压（2）同相加法运算电路41图9-17同相加法电路结论：实现了同相加法运算。42利用同相比例运算电路的特性，可得若，则【例9-4】

电路如图所示，假设A是理想集成运放，试求输出电压uO的值。解

由“虚短”、“虚断”的概念，有该电路实现了同相加法运算功能。列写节点N的方程为uN=uP，iN=iP=0联立两个方程，可得

uO=uI1+uI2

列写节点P的方程有43图9-19减法运算电路联立求解可得列出N、P节点的电流方程为

3．减法运算电路当R1=R2，Rf=R3时，上式变为44【例9-5】

电路如图所示，已知R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=R6=Rf2=10kΩ，试求输出电压uO与三输入电压uI1、uI2、uI3之间的关系，该电路运算功能。解

第一级为反相加法电路，第二级为减法电路。该电路实现了加法运算。454．积分运算电路根据“虚短”

根据“虚断”

而

整理得

输出电压uO为输入电压uI对时间t的积分，即实现了积分运算。

46积分电路除了可作积分运算外，还可用作波形变换，如将方波信号变换为三角波信号。当方波信号输入积分电路时，输出为三角波信号。积分电路的应用47【例9-6】

如图9-27所示的积分电路，已知R=20kΩ，C=1μF，输入信号uI为所示的阶跃电压。试求：输入信号10s后，输出电压UO为多少？解由于积分电路的uO与uI的关系为将已知条件R=20kΩ，C=1μF，uI=1mV代入上式，得到48当t=10s时，该电路的输出电压UO=-0.05×10=-0.5V49根据“虚短”

根据“虚断”

由

整理得

输出电压uO为输入电压uI对时间t的微分，即实现了微分运算。

5．微分运算电路50除了可作微分运算外，在脉冲数值电路中，常用作波形变换，如将方波信号变换为尖顶脉冲波。当方波信号输入微分电路时，输出为尖顶脉冲信号。微分电路的应用5152

零点漂移：当无信号输入时，由于工作点不稳定被逐级放大，在输出端出现静态电位缓慢不规则地变化的现象。在多级放大电路中，第一级的漂移影响尤为重要，必须采取措施有效地抑制零点漂移。

虚短：“虚短”是指在分析计算时，将集成运放的反相输入端与同相输入端间的电位差视为零，即uN=uP。“虚短”绝不是将两输入端真正短路，在实际电路中，也绝不是uId=0，而是因为Aud很大，只是加入一个微小信号，就能在输出端得到