《电工与电子技术》课件第9章

9.1集成运算放大电路的基本组成

9.2集成运算放大电路的基本特性

9.3放大电路的反馈

9.4集成运放在模拟信号运算方面的应用

9.5集成运放在幅值比较方面的应用

本章小结

习题9第9章集成运算放大电路及其应用9.1.1概述

集成运放是一种具有很高的电压放大倍数、性能优越、集成化的多级放大电路。由于集成运放的类型、性能和用途不同，因此，内部电路结构也有很大差别。其基本组成主要有四个部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图

9-1所示。9.1集成运算放大电路的基本组成图9-1集成运放的基本组成9.1.2集成运放的输入级电路——差动放大电路

差动放大电路的结构如图9-2所示，它由完全相同的两个共发射极单管放大电路组成。要求两个三极管的特性一致，两侧电路的参数对称。电路有两个输入端和两个输出端，输入信号ui加在两个输入端之间，输出信号uo由两个输出端之间取出，即

ui=ui1－ui2

uo=uo1－uo2

图9-2差动放大电路

1．抑制零点漂移的原理

2．差模输入

加在两个输入端之间的输入信号ui，被两个输入端对地的输入电阻分压，它们各分得ui的一半，但极性相反，即

这相当于在两个输入端加了一对大小相等而极性相反的信号，这样的信号称为差模信号。因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Au表示，则

uo1=Auui1

uo2=Auui2

uo=uo1－uo2=Au(ui1－ui2)=Auui

uo和ui的比值称为差模电压放大倍数，用Ad表示，则

3．共模输入

当在两个输入端加上一对大小相等、极性相同的信号时，即ui1=ui2=ui，这样的信号称为共模信号，这时的输出信号为

uo1=uo2=Auui

uo=uo1－uo2=0

共模电压放大倍数为

上面讨论的是理想情况，在一般情况下，电路不可能绝对对称，即Ac≠0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。共模抑制比定义为Ad与Ac之比绝对值的对数，即

4．差动放大电路的输入输出方式

差动放大电路有两个三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。所以，差动放大电路的输入输出方式有四种，即双端输入、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，如图9-3所示。图9-3差动放大电路的输入输出方式(a)双端输入、双端输出；(b)双端输入、单端输出;(c)单端输入、双端输出；(d)单端输入、单端输出9.1.3集成运放的输出级电路——互补对称放大电路

1.基本电路结构及工作原理

如图9-4所示为一个常见的互补对称输出级电路。

交越失真如图9-5所示。图9-4互补对称输出级电路图9-5交越失真

2．由复合管组成的互补对称电路

图9-6为一典型OTL功率放大电路。图9-6由复合管组成的准互补对称电路复合管可由两个或两个以上三极管组合而成。复合管的接法有多种，它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成，如图9-7所示。

复合管的β为

β=β1(1+β2)≈β1β2

图9-7复合管的接法

(a)NPN型；(b)PNP型；(c)NPN型；(d)PNP型9.1.4集成运放的工作原理和图形符号

集成运放产品型号较多，内部电路也较复杂。下面通过图9-8所示三级直接耦合放大电路来说明集成运放的基本工作原理。图9-8三级直接耦合放大电路在图9-8电路中，由V1、V2、Is和R1、R2组成的差动放大电路作为输入级，由V3和R3、R4等组成的共发射极放大电路作为中间放大级，由V4、V5和VD1，VD2组成的互补对称电路作为输出级。当输入信号ui=0时，输出信号uo=0。当ui加在输入端1而输入端2接地时，uc2与ui同相，uc3与uc2反相，uo与uc3同相，因此uo与ui反相。若ui加在输入端2而输入端1接地，则uo与ui同相，故把输入端2称为同相输入端。图9-9集成运放的图形符号9.2.1集成运放的主要参数

1．输入失调电压UIO

2．输入失调电流IIO

3．输入偏置电流IIB

9.2集成运算放大电路的基本特性

4．开环差模电压放大倍数Ao

Ao是指集成运放的输出端与输入端之间无外加回路(称开环)时的输出电压大小与两输入端之间的信号电压大小之比，也称开环电压增益，常用分贝(dB)表示，定义为

5．最大差模输入电压Uidmax

6．最大共模输入电压Uicmax

7．共模抑制比KCMR

8．最大输出电压Uomax

9．最大输出电流Iomax

10．输入电阻ri和输出电阻ro9.2.2集成运放的理想特性

1．理想运放的技术指标

常用集成运放具有很高的开环电压增益和共模抑制比，很大的输入电阻及很小的输出电阻。因此，在实际应用中可将集成运放理想化，即认为

开环电压增益Ao→∞

输入电阻ri→∞

输出电阻ro→0

共模抑制比KCMR→∞

2．理想运放的两种工作状态

在各种应用电路中集成运放的工作状态有线性和非线性两种，在其传输特性曲线上对应两个区域，即线性区和非线性区。其电压传输特性曲线如图9-10所示，虚线代表实际运放的传输特性，实线代表理想运放，可以看出，线性工作区非常窄，当输入端电压的幅度稍有增加，则运放的工作范围将超出线性放大区而达到非线性区。运放工作在不同状态，其表现出的特性也不同。图9-10传输特性

1)线性区

当工作在线性区时，集成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即

uo=Ao(u+－u－)

因为Ao→∞

所以

即u+=u－

因为ri→∞，所以在其两个输入端均没有电流，即

i+=i－=0

2)非线性区

如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压与输入电压不再满足线性关系，uo将达到饱和，即

当u+>u－时，uo=+Uom

当u+<u－时，uo=－Uom

9.3.1反馈的基本概念

1．反馈

2．反馈的分类

电路的反馈，一般需要通过反馈网络将输出量引入到输入回路，如图9-11所示。9.3放大电路的反馈图9-11反馈放大电路的方框图

1)正反馈和负反馈

2)直流反馈和交流反馈

3)电压反馈和电流反馈

4)串联反馈和并联反馈

9.3.2反馈类型的判断方法

1．电路中有、无反馈的判断

2．正、负反馈的判断

例9-1

试判断图9-12所示电路是正反馈还是负反馈。

图9-12例9-1图

(a)负反馈；(b)正反馈

解图(a)所示电路中,假设集成运放同相输入端输入信号ui瞬时极性为“+”，因而输出电压uo对地极性为“+”，输出电压uo通过电阻R2在电阻R1上产生的反馈电压uf的对地极性也为“+”，所以净输入电压等于输入电压ui减去反馈电压uf，即，显然反馈的结果使净输入电压减小。说明此电路引入的反馈极性是负反馈。

图(b)所示电路中,假设集成运放反相输入端输入信号ui瞬时极性为“+”，因而输出电压uo对地极性为“－”，输出电压uo通过电阻R2在电阻R1上产生的反馈电压uf的对地极性也为“－”，所以净输入电压等于输入电压ui加上反馈电压uf，即，显然反馈的结果使净输入电压增加。说明此电路引入的反馈极性是正反馈。

3.交、直流反馈的判断

关于交、直流反馈的判断方法，主要看交流通路或直流通路中有无反馈通路，若存在反馈通路，必有对应的反馈。例如,图9-13(a)所示放大电路中，只引入了直流反馈；图

9-13(b)中则只引入了交流反馈。

图9-13交、直流反馈的判断

(a)直流反馈；(b)交流反馈

4.电压、电流反馈的判断

为了判断放大电路中引入的是电压反馈还是电流反馈，一般可假设将输出端交流短路(即令输出电压uo=0)，观察此时是否仍有反馈信号。如果反馈信号不存在，则为电压反馈，否则就是电流反馈。

5.串联、并联反馈的判断

根据串、并联反馈的定义，如果输入信号和反馈信号分别加到放大电路两个不同的输入端上(共射放大电路中，三极管的基极和发射极可以看成两个输入端)，则为串联反馈；如果输入信号和反馈信号都加到放大电路的同一输入端，则为并联反馈。9.3.3负反馈对放大电路性能的影响

1.提高放大倍数的稳定性，降低放大倍数

若Af为引入负反馈后的闭环放大倍数，A为开环放大倍数，F为反馈系数，可以得到

2.减小了非线性失真

大家可以动手做一个有趣的实验，实验电路如图9-14所示。

图9-14负反馈改善放大电路的非线性失真

3.负反馈可以改变输入、输出电阻

1)串联负反馈使输入电阻增大

在串联负反馈中，由于在放大电路的输入端反馈网络与基本放大电路是串联的，输入电阻的增加是不难理解的。通过分析可知，串联负反馈放大电路的输入电阻为

rif=(1+AF)ri

2)并联负反馈使输入电阻减小

在并联负反馈中，由于在放大电路的输入端反馈网络和基本放大电路是并联的，因而势必造成输入电阻的减小。通过分析可知，并联负反馈放大电路的输入电阻为

3)电压负反馈使输出电阻减小

电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即当负载变化时，输出电压的变化很小，这意味着电压负反馈使放大电路的输出电阻减小了。若基本放大电路的输出电阻为ro，可以证明，电压负反馈放大电路的输出电阻为

4)电流负反馈使输出电阻增大

电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即当负载变化时，输出电流的变化很小，这意味着电流负反馈使放大电路的输出电阻增大了。若基本放大电路的输出电阻为ro，可以证明，电流负反馈放大电路的输出电阻为

rof=(1+As)ro9.4.1比例运算电路

1.反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路如图9-15所示。9.4集成运放在模拟信号运算方面的应用图9-15反相输入比例运算电路由于i－≈0，则由图可见

ii=if

即

上式中u－≈0，由此可知反相比例运算电路输出电压与输入电压的关系为

则反相比例运算电路的电压放大倍数为

式中负号表示输出电压与输入电压反相。

由于反相输入端虚地，故该电路的输入电阻为

Rif=R1

2．同相输入比例运算电路

电路如图9-16(a)所示，运放的反相输入端通过电阻R1接地，同相输入端则通过补偿电阻R2接输入信号，R2=R1∥Rf。电路通过电阻Rf引入了电压串联负反馈，运放工作在线性区。同样根据虚短和虚断的特点可知，i+=i－≈0，故

而且

u+=u－=ui

由以上二式可得

则同相输入比例运算电路的电压放大倍数为

图9-16同相输入比例运算电路(a)比例运算；(b)电压跟随器

3.差分比例运算电路

前面介绍的反相和同相比例运算电路都是单端输入放大电路，差分比例运算电路属于双端输入放大电路，其电路如图9-17所示。图9-17差分比例运算电路在理想情况下，由于虚断，i+=i－≈0，利用叠加定理可求得反相输入端的电位为

而同相输入端电位为

因为虚短，即u+=u－，所以当满足，时，可求得输出电压与输入电压的关系式为

所以，差分比例运算电路的电压放大倍数为

9.4.2加、减法运算电路

1．加法运算电路

1)反相加法运算电路

如图9-18所示为反相加法运算电路，由虚短和虚断的概念可得

图9-18反相输入加法运算电路又因运放的反相输入端虚地，故有

这就是反相加法运算电路输出电压表达式。图中R′=R1∥

R2∥R3∥Rf。当R1=R2=R3=R时，上式变为

2)同相加法运算电路

图9-19所示为同相输入加法运算电路，各输入电压加在集成运放的同相输入端。同样利用理想运放线性工作区的两个特点，可以推出输出电压与各输入电压之间的关系为

图9-19同相输入加法运算电路

2．减法运算电路

前面介绍的差分比例运算电路实际上就是一个简单的减法运算电路。如果在差分比例运算电路的同相输入端和反相输入端各输入多个信号，就变成了一般的减法运算电路，如图9-20所示。图9-20减法运算电路当ui3=ui4=0时，u+=u－≈0，电路为反相加法运算电路，此时的输出电压为

当ui1=ui2=0时，电路为同相加法运算电路，此时的输出电压为

根据叠加定理，输出电压为

整理可得

例9-2

求解图9-21所示电路和uo1、uo2、uo3的运算关系。

图9-21例9-2图

解图9-21所示为两个反相输入加法电路组成的减法运算电路。图中

将uo1代入uo，可得9.4.3积分、微分运算电路

1．积分运算电路

积分运算电路如图9-22所示。图9-22积分运算电路在图9-22中，根据虚短的概念，uA≈0，再根据虚断的概念，i－≈0，则iR≈iC，即电容C以进行充电。假设电容C的初始电压为零，则

2．微分运算电路

微分运算电路如图9-23所示。

图9-23微分运算电路假设电容C的初始电压为零，则

则输出电压

9.5.1开环工作的比较器

同相输入单门限电压比较器电路如图9-24(a)所示。9.5集成运放在幅值比较方面的应用图9-24同相输入单门限电压比较器(a)电路图；(b)传输特性；(c)波形图9.5.2滞回比较器

1.电路组成

滞回比较器的电路如图9-25(a)所示。

2.门限电压的计算

由图9-25(a)可知，集成运放同相输入端u+是由输出电压uo和参考电压UREF共同作用叠加而成的，由叠加定理可得

当输出为正饱和电压+Uom时，将集成运放同相端电压称为上门限电压，用UTH1表示，则有

当输出为负饱和电压－Uom时，将集成运放同相端电压称为下门限电压，用UTH2表示，则有

图9-25反相输入滞回电压比较器

3.传输特性和回差电压ΔUTH

滞回比较器的传输特性如图9-25(b)所示。

把上门限电压UTH1与下门限电压UTH2之差称为回差电压，用ΔUTH表示，则

(1)利用半导体工艺将各种元器件集成在同一硅片上组成的电路就是集成电路。集成电路具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高等优点，是现代电子系统中常见的器件之一。

(2)集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。为了有效地抑制零漂，运放的输入级常采用差分放大电路。集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路，以降低输出电阻，提高电路的带负载能力。同时，也希望有较高的输入电阻，以免影响中间级共射电路的电压放大倍数。本章小结

(3)在各种放大电路中普遍采用了负反馈。按照不同的分类标准，反馈可分为正、负反馈，交、直流反馈，串、并联反馈和电压、电流反馈。负反馈有四种组态。负反馈虽然降低了放大电路的增益，但却提高了放大电路增益的稳定性，拓展了通频带，减少了非线性失真，改变了放大电路的输入、输出电阻。

(4)在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想的运算放大器。理想运放有两种工作状态，即线性和非线性工作状态，在其传输特性曲线上对应两个工作区域。当运放工作在线性区时，满足虚短和虚断特点。集成运放在线性状态下，可构成比例、加减、积分和微分运算电路等；当运放工作在非线性区时，满足虚断的特点，可构成电压比较器。

1.零点漂移是指放大器输入端

输入信号时，输出端会出现电压忽大忽小、忽快忽慢变化的现象。

2.造成零点漂移的原因是电源电压的

和三极管参数随

而变化。放大器的级数越多，输出端的漂移越

。其中

是直流放大器产生零点漂移的主要原因。抑制零点漂移的有效电路是

，通常用

作为衡量差动放大电路性能优劣的指标。

3.运算放大器开环电压放大倍数中的开环指

，也即放大器输出端和输入端之间不接

。习题9

4.运算放大器的输出电阻愈小，它带负载的能力

；如果是恒压源，带负载的能力

。

5.理想化集成运算放大器的特点：开环电压放大倍数开环电压增益Ao

；输入电阻ri

；输出电阻ro

；共模抑制比KCMR

。

6.为了抑制温度漂移，集成运放的输入级一般采用

放大电路。

7.同相比例电路属于

负反馈电路，而反相比例电路属于

负反馈电路。

8.当集成运放处于

状态时，可运用

和

概念。

9.反相比例电路中，用到的虚

概念，它是虚

概念的特殊情况。

10.集成运放通常由

、

、

和

等四部分组成。

11.反相比例运算放大器当或为无穷大时，称作

器，同相比例运算放大器当或为无穷大时称作

器。二、选择题

1.通常要求运算放大器带负载能力强，在这里，负载是指()。

A.负载电阻大B.负载功率大C.负载电压高

2.为了提高输入电阻，减小温漂，通用型集成运放的输入级大多采用()电路。

A.共射放大电路 B.共集放大电路

C.差放电路 D.电流源

3.为了减小输出电阻，通用型集成运放的输出级大多采用()电路。

A.共射放大电路 B.互补对称

C.差放电路 D.电流源

4.下面对“虚地”的各种描述中，正确的是()。

A.运算放大器作同相比例放大器时，反相输入端称为虚地

B.运算放大器作反相比例放大器时，反相输入端称为虚地

C.不管在什么情况下，只要反相输入端有信号输入，则反相输入端可视为虚地

D.既然“虚地端”电位近似为零，所以虚地端可直接接地，而放大器仍能正常工作

5.集成运算放大器的输入级采用差动放大电路是因为可以()。

A.增大放大倍数 B.减小温漂

C.提高输入电阻 D.进行阻抗变换

6.同相比例运算电路的反馈类型是()。

A.电流串联负反馈 B.电流并联负反馈

C.电压并联负反馈 D.电压串联负反馈

7.如果将基本()电路中在集成运放负反馈支路的电容换成二极管，便可得到基本的()运算电路。

A.积分B.微分C.对数D.指数

8.如果将基本()电路中在输入回路的电容换成二极管，便可得到基本的()运算电路。

A.积分B.微分C.对数D.指数

9.乙类互补对称