城市轨道交通电工电子技术 课件 5.4 集成运算放大器及其应用

模块5模拟电路基础5.4集成运算放大器及其应用

在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产，发展速度极为惊人。目前集成电路的应用几乎遍及所有产业的各种产品中。在军事设备、工业设备、通信设备、计算机和家用电器等中都采用了集成电路。5.4集成运算放大器及其应用

集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。

模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。其中集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。5.4.1集成运算放大电路的基本知识

集成运放实际上是一种高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器，简称运放。1)集成运放的电路结构

主要由输入级、中间级和输出级和偏置电路组成。（1)输入级

输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高,为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号,输入级都采用具有恒流源的差动放大电路,也称差动输入级。它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。（2)中间级

中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数,也称电压放大级。要求中间级本身具有较高的电压增益。一般由一级或多级放大器构成。(3)输出级

输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要,同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻,以起到将放大级和负载隔离的作用。一般由电压跟随器（电压缓冲放大器）或互补电压跟随器组成。(4)偏置电路

偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流,一般由各种恒流源电路组成。为获得电路性能的优化，集成运放内部还增加了一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路和频率补偿电路等。3)集成运放的电路符号集成运放有两个输入端:同相输入端uP和反相输入端uN；

一个输出端:uo

其中的“-”、“+”分别表示反相输入端uN和同相输入端uP常见集成运放的封装形式：金属圆壳式封装及塑料双列直插式封装.

金属封装器件是以管键为辨认标志。管脚朝向自己，管脚右方第一根引线为管脚1，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚。

双列直插式器件是以缺口作为辨认标志。由器件顶上向下看，标记朝向自己，缺口标记的左下角第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器件，可依次数出其余引脚。4)零点漂移的抑制方法(1)零点漂移的危害

温度的变化是产生零点漂移最主要的因素，故零点漂移也叫温漂。集成运放采用直接耦合，零点漂移在第一级产生的微弱变化，会在输出级变成很大的变化，会造成测量误差、系统发生错误动作、放大电路无法正常工作等后果，因此必须抑制零点漂移。(2)零点漂移的抑制方法抑制零点漂移的方法是输入级采用差分放大电路。4)零点漂移的抑制方法(1)零点漂移的危害零点漂移指输入的电压为零时，输出电压偏离起始值的现象。温度的变化是产生零点漂移最主要的因素，故零点漂移也叫温漂。集成运放为直接耦合多级放大电路，第一级产生的零点漂移会多级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压把信号电压淹没了。(2)零点漂移的抑制方法

抑制零点漂移的方法是输入级采用差分放大电路。(3)差分放大电路①电路的构成及工作原理基本差分放大电路由两个完全对称（所有对应元件的参数均相同）的单管放大电路连接而成，输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取。电路的对称性有效抑制零漂②差模信号差模信号是大小相等、极性相反的信号。输入电压ΔUi经分压电阻分为两个大小相等、极性相反的信号加到两管的基极。差分放大电路对差模信号具有与单管放大电路相同的放大功能。②共模信号共模信号是输入大小相等、极性相同的信号。零点漂移等效于共模信号作用的结果。差动放大电路中，温度变化、电压波动相当于在两输入端加入共模信号差分放大电路对共模信号无放大作用。②差模输入

在电路的两个输入端输入大小相等但极性相反的信号电压，这种输入方式称为差模输入。大小相等、极性相反的信号，称为差模信号。

差分放大电路对差模信号具有与单管放大电路相同的放大功能。③共模输入

在电路的两个输入端输入大小相等、极性相同的信号电压，这种输入方式称为共模输入。大小相等、极性相同的信号称为共模信号。4)集成运放的主要参数(1)开环差模电压放大倍数

指在运放开环(无反馈)状态，工作在线性区时差摸电压增益。(2)最大差模输入电压

指运放同相输入端和反相输入端之间所能加的最大电压。

当输入电压大于此值时，输入级晶体管将出现反向击穿而损坏。(3)最大共模输入电压

是指运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。

如果共模输入电压超过此值，集成运放将不能正常工作。4)集成运放的主要参数

(4)差模输入电阻

指集成运放的两个输入端之间的交流输入电阻，一般为几兆欧。

(5)输出电阻RO

指运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻。

运算放大器的输出电阻一般较小。(6)共模抑制比指集成运放开环电压放大倍数与其共模电压放大倍数之间的比值。即

常用分贝来表示，表示运放对共模信号的抑制能力，其值越大越好，一般为80dB。5.4.2集成运放常用电路1)理想集成运放具有理想参数的集成运放叫做理想集成运放。(1)理想集成运放主要性能指标

①开环电压增益Aod→∞。②差模输入电阻Rid→∞。③输出电阻rod=0。④共模抑制比KCMR→∞，即没有温度漂移。⑤开环带宽fH→∞。(2)理想集成运放的特点理想运放工作在线性区时有两个重要特点：①虚短:

两个输入端电位相等:VP=VNAU=U0/(VP-VN)=∞，VP=VN

P、N相当于短路,简称“虚短”②虚断：净输入电流等于零:I’i-=I’i+≈0I’i=(VP-VN)/riri≈∞I’i≈0输入端虚假断路,简称“虚断”2)反相比例运算电路电路输入信号加在反相输入端上，输出电压与输入电压的相位相反。“虚短”P端接地时，uP=uN=0，

N端为“虚地”“虚断”

ii=if3)同相比例运算电路输入信号加在同相输入端，输出电压和输入电压的相位相同。“虚断”

ii=if=0“虚短”

ui=uP=uN

3)同相比例运算电路同相输入比例运算电路中，若R1不接，或Rf短路，电路称为电压跟随器。电压跟随器：ui=uP=uN=uo,Au=1，具有输入阻抗大，输出阻抗小4)加法电路若多个输入电压同时作用于反相输入端或同相输入端，则实现加法运算。下图电路可实现两个电压uS1与uS2相加。“虚短”P端接地时，uP=uN=0，“虚断”ii=0反相输入节点N可得节点电流方程：5)减法电路若多个输入电压有的作用于反相输入端，有的作用于同相输入端，则实现减法运算。下图电路第一级为反相比例放大电路，设Rf1=R1，则uo1=uS1。第二级为反相加法电路。5)减法电路若R2=Rf2，则实现两信号uS1与uS2相减5)减法电路（二）列方程式：“虚短”“虚断”uP=uN，uI=0，iI=0若满足Rf/R=R3/R2，可简化为：当Rf=R，有uO=uS2-uS16)积分电路在电子电路中，常用积分运算电路和微分运算电路作为调节环节，积分运算电路还用于