4集成运算放大电路

1、第第3章章 集成运算放大电路集成运算放大电路3.1 集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路 3.2 集成运放的参数集成运放的参数3.3 集成运放的基本应用电路集成运放的基本应用电路3.4 基本运算电路基本运算电路一、集成电路及其分类一、集成电路及其分类 集成电路：集成电路：集成电路的优点：集成电路的优点： 工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。同一芯片上的元件是同一工艺制造出来的，故具有同相偏差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。一、集成电路及其分类一、集成电路及其分类 1、小规模集成电路（0100个元件） 中规模集成电路（1001000个元件） 大规模集成电路（1000个元件以

2、上） 超大规模集成电路（十万个元件以上） 2、模拟集成电路 数字集成电路3、集成运算放大器 集成功放 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器集成电路的分类：集成电路的分类： 双列直插式双列直插式圆壳式圆壳式扁平式扁平式一、集成电路及其分类一、集成电路及其分类 集成运放的封装符号与引脚集成运放的封装符号与引脚集成电路常用封装形式有三种集成电路常用封装形式有三种。外壳材料有金属，或陶瓷，或有塑料。外壳材料有金属，或陶瓷，或有塑料。 管键以管键为辨认标记，由器件顶上向下看，管键朝向自己，以管键为辨认标记，由器件顶上向下看，管键朝向自己，管键右方第一根引线为引脚管键右方第一根引线为引脚18金属封片

3、标记凹格标记14174将引线朝下，由顶部俯视，由缺口或标记下面的引脚开始反将引线朝下，由顶部俯视，由缺口或标记下面的引脚开始反时针方向计数，依次为时针方向计数，依次为1，2，3，n。 二、运算放大器及其特点二、运算放大器及其特点 1、运算放大器是一个高增益的直接耦合放大器；2、运算放大器第一级总是采用差分放大器，末级采用射极输出器，因此，它至少有两个输入端、一个输出端。 同相输入端：uo与ui的位相相同；反相输入端：uo与ui的位相相反。Aod：开环差模电压放大倍数。ui反相输入端同相输入端uo=Avoui uN uP uo Avo国际国际符号符号国内符号国内符号uNuPAvo3、运算放大器的

4、等效电路 ui Ri AodUi uoU-U+Ro5、集成运算放大器的方框图 二、运算放大器及其特点二、运算放大器及其特点 差动放大电路各点极性差动放大电路各点极性ui1uo+VCCRCRBRCRBui2-VEEREuo1uo2+ui1 与与uo1 、ui2 uo 反相反相 ，与与uo2 、同相。同相。ui2与与uo2 、ui1 反相反相 ，与与uo1 、 uo 同相。同相。一、集成运算放大器的基本单元电路一、集成运算放大器的基本单元电路 1、差动输入级、差动输入级（1）对输入级的要求零点漂移要尽量小，输入电阻要高，基极偏置电流）对输入级的要求零点漂移要尽量小，输入电阻要高，基极偏置电流要小，

5、并且有较高的增益。要小，并且有较高的增益。（2）采用普通差动放大器的输入级）采用普通差动放大器的输入级 优点：结构简单，容易对称，因而漂移较小。优点：结构简单，容易对称，因而漂移较小。 缺点：输入阻抗低缺点：输入阻抗低(50300k)； 电压放大倍数不高电压放大倍数不高(30100)。（3）采用共集）采用共集共基差动放大器共基差动放大器 集成运算放大器集成运算放大器Iou+u-T1T2T3T4IouoRC1RC2-EC 由两级放大电路组成，第一级由由两级放大电路组成，第一级由较高较高的的NPN型管型管T1、T2组成共集电极放大器，组成共集电极放大器，T3、T4为其负载，为其负载，I0为本级集电

6、极恒流源。为本级集电极恒流源。2()idsbeRRr1LudsbeRARr 1、差动输入级、差动输入级（3）采用共集）采用共集共基差动放大器共基差动放大器 第二级由第二级由较低的横向较低的横向PNP管管T3、T4接成差动放大器，其负载电阻为接成差动放大器，其负载电阻为Rc1、Rc2，Io为本级基极恒流源。为本级基极恒流源。一、集成运算放大器的基本单元电路一、集成运算放大器的基本单元电路 Iou+u-T1T2T3T4IouoRC1RC2-EC 特点：特点： 共集电极放大器的输入阻抗高，电流增益大，而共基极放大器的共集电极放大器的输入阻抗高，电流增益大，而共基极放大器的电压增益大，故该电路兼有两者

7、的特点。电压增益大，故该电路兼有两者的特点。 利用利用较高的较高的NPN管补偿了管补偿了较低的较低的PNP管，因此，这种电路输入阻抗高。管，因此，这种电路输入阻抗高。 允许较高的差模输入电压允许较高的差模输入电压(30V)，因为横向的因为横向的PNP管有很高的反向击穿电压。管有很高的反向击穿电压。1、差动输入级、差动输入级（4）采用复合管形成的差动放大电路）采用复合管形成的差动放大电路 优点：因优点：因=13=24，使，使IC在固定的在固定的情况下，情况下，IB可以大大减小，因而输入可以大大减小，因而输入电阻可以提高到兆欧级。电阻可以提高到兆欧级。缺点：两组复合管很难做到对称，因缺点：两组复合

8、管很难做到对称，因而漂移较大。而漂移较大。 IOu+u-T1T2T3T4uoRCRC-Ee+EC一、集成运算放大器的基本单元电路一、集成运算放大器的基本单元电路 2、中间级、中间级 主要功能：提供足够大的电压增益；有较高的输入电阻；能够提供较主要功能：提供足够大的电压增益；有较高的输入电阻；能够提供较大的输出电流；将输入级的双端输出变为单端输出；实现电位移动。大的输出电流；将输入级的双端输出变为单端输出；实现电位移动。（1）有源负载共射放大电路）有源负载共射放大电路 用有源元件代替放大器中的用有源元件代替放大器中的RC，可使，可使放大倍数大大提高，而不需增加电源电压。放大倍数大大提高，而不需增

9、加电源电压。另外应尽可能地提高下一级的输入电阻。另外应尽可能地提高下一级的输入电阻。 有源负载放大器允许电源电压变动的范有源负载放大器允许电源电压变动的范围较宽。围较宽。 uiuo+ECRCIo一、集成运算放大器的基本单元电路一、集成运算放大器的基本单元电路 I0R1R2T1ui-EE+ECu0T2T3T4D1 D2R3R43、输出级、输出级要求有较大的额定输出电压和电流；较低的输出电阻；有过载保护。要求有较大的额定输出电压和电流；较低的输出电阻；有过载保护。互补对称的输出级互补对称的输出级一、集成运算放大器的基本单元电路一、集成运算放大器的基本单元电路 1、输入失调电压输入失调电压UIO 在

10、集成运放的两个输入端不加信号时，输出端应该为零电位在集成运放的两个输入端不加信号时，输出端应该为零电位(不加调不加调零电位器零电位器)，实际上由于元件的误差，输出端不为零电位。为了使输出端，实际上由于元件的误差，输出端不为零电位。为了使输出端为零，可以在两输入端之间外加电压，这个外加电压即补为失调电压为零，可以在两输入端之间外加电压，这个外加电压即补为失调电压UIO，其值越小越好，一般为其值越小越好，一般为(110)mV。 2、输入偏置电流、输入偏置电流IIB 在运放的输出为零时，输入偏置电流为输入级差动电路两输入端静态在运放的输出为零时，输入偏置电流为输入级差动电路两输入端静态电流的平均值，

11、即电流的平均值，即IIB=(IBN+IBP)/2，一般为，一般为10nA1mA。它的大小，在电路。它的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于差动电路三极管的外接电阻确定之后，主要取决于差动电路三极管的值，如值，如值太小，将引值太小，将引起偏置电流的增加。从使用角度来看，起偏置电流的增加。从使用角度来看，IIB愈小，信号源内阻变化引起的输愈小，信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标 。集成运放的性能指标集成运放的性能指标3、输入失调电流输入失调电流IIO 是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即是指当输出电压为零时

12、流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO=IBPIBN。 由于信号源有内阻，由于信号源有内阻，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡会引起一输入电压，破坏放大器的平衡,使放大使放大器输出电压不为零。所以，希望器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，一般为愈小愈好，一般为1nA0.1 。 4、最大差模输入电压、最大差模输入电压Uidmax 是运放两个输入端所能承受的最大电压值。它与运放输入级三极管发是运放两个输入端所能承受的最大电压值。它与运放输入级三极管发射结的反向击穿有关。利用平面工艺制成的射结的反向击穿有关。利用平面工艺制成的NPN管约为管约为5V左右，而横向左右，而横向三极管

13、可达三极管可达30V发上。发上。 5、最大共模输入电压、最大共模输入电压Uicmax 是指运放作电压跟随器时，使输出电压产生是指运放作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的可达电压幅值，高质量的可达13V。 二、集成运放的性能指标二、集成运放的性能指标6、转换速率、转换速率SR 运放在闭环状态下大信号运放在闭环状态下大信号(如阶跃信号如阶跃信号)输入时，输出电压对时间的最大变输入时，输出电压对时间的最大变化速率，即化速率，即 7、温度漂移、温度漂移 温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度漂移是漂移的主要来源，而它又是

14、由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的。常用下面方式表示：温度的漂移所引起的。常用下面方式表示： (1)输入失调电压温漂输入失调电压温漂DUIO/DT 是指在规定温度范围内输入失调电压是指在规定温度范围内输入失调电压UIO的温度系数，也是衡量电路温的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。高质量的放大器常用低漂移的器件来组成，一般约为漂的重要指标。高质量的放大器常用低漂移的器件来组成，一般约为(1020)mV/ (2)输入失调电流温漂输入失调电流温漂DIIO/DT 是指在规定温度范围内输入失调电压是指在规定温度范围内输入失调电压VIO的温度系数，也是对放大器电的温度系数，也是对放大器电

15、流漂移的量度。高质量的每度几个流漂移的量度。高质量的每度几个pA。 必须指出，上述两个参数不能用外接调零装置的办法来补偿。必须指出，上述两个参数不能用外接调零装置的办法来补偿。 二、集成运放的性能指标二、集成运放的性能指标8、开环差模电压增益、开环差模电压增益Avo 是指运放在无反馈情况下的直流差模增益，是影响运算精度的重要指标，是指运放在无反馈情况下的直流差模增益，是影响运算精度的重要指标，通常用分贝表示。通常用分贝表示。 9、单位增益带宽、单位增益带宽BWG和开环带宽和开环带宽BW BWG是指运放在开环差模电压增益下降到是指运放在开环差模电压增益下降到0dB时的频率。时的频率。BW是指运放

16、在开环差模电压增益下降到是指运放在开环差模电压增益下降到3dB时的频率。时的频率。除此之外，还有共模拟制比、输入电阻、输出电阻、功耗和总电流等。除此之外，还有共模拟制比、输入电阻、输出电阻、功耗和总电流等。 二、集成运放的性能指标二、集成运放的性能指标集成运放的种类集成运放的种类3.3 3.3 运算放大器的基本电路运算放大器的基本电路1 理想运放的特性理想运放的特性2 运算放大器组成的基本电路运算放大器组成的基本电路A AVOVO越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之间输出与输入之间加负加负反馈反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性

17、范围。例：例：若若U UOMOM=12V=12V，A Avovo=10=106 6，则，则| |u ui i|12|12 V V时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。线性放大区线性放大区uiuo_+AvoCCoOMVuUmaxuPuNuo+UOM-UOMui=up-uN传输特性传输特性一、理想运放的特性理想运放的特性1、开环电压增益 Avo=2、差模输入电阻 rid=3、输入偏置电流 IP=IN=04、输出电阻 r0=05、共模抑制比 CMRR=6、频带宽度 BW=7、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零+3.2.1 理想运放的特性理想运放的特性2 2 理想运放的两个工作区理想运放

18、的两个工作区uiuo_+CCOMoVUumaxuPuN例例: :设电源电压设电源电压V VCCCC= =10V10V。运放的。运放的A AOdOd=10=106 6, ,求求u ui iui0.01mV时，运放处于线性区。mVVAuuodoi01. 010106Aod越大，线性区越小，当AOd时，线性区0怎样使理想运放工作在线性区？在输出与输入之间加深度负反馈。二、两条重要的法则二、两条重要的法则2、 理想运放的两输入端不取电流两输入端之间开路 Ui=0， 而 ri= 0oodOiUAUU即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过。0iiirU

19、I+1、 理想运放的两输入端之间的电压差为零两输入端短路odAidr)(uuAuodo uu0ii虚短路虚短路虚断路虚断路虚短路、虚断路的概念虚短路、虚断路的概念uiuo_+U+u1、开环增益 Aod=2、差模输入电阻 rid=0)(oodouAuuui-i+3.3 运算放大器组成的基本电路运算放大器组成的基本电路1、反相比例运算电路、反相比例运算电路2、 同相比例运算电路同相比例运算电路3、差分输入放大器、差分输入放大器 电压并联负反馈电压并联负反馈可以判断，电路为负反馈电路可以判断，电路为负反馈电路1、反相比例运算电路反相比例运算电路特点：（1）输入信号加在反相输入端；（2）同相端通过Rp

20、接地，以保证运放工作于对称状态，Rp=Rf/R1；（3） Rf与R1组成反馈网络，且为电压并联负反馈；（4）因Rp中无电流，故U+=0，相当于同相端接地，另一方面，在理想情况下，U+=U-，所以U-=0。虽然反相端的电位等于地电位，但没有电流流入该点，这种现象称为“虚地”。 UiR1RPUoRf1、反相比例运算电路反相比例运算电路UiR1RPUoRfI1IfIi=0 I1=If 由 U+=U- 且 U+=0 有 111RURUUIiifoffRURUUI0由Ii=If，则闭环增益 1RRUUAfiouf111同时结论：（1）Uo与Ui反相反相放大器；（2）Auf只与Rf，R1有关，且有三种情况

21、；（3）当Rf=R1时，Uo=-Ui，此时运放相当于作变号运算； U+U-工作原理：2、 同相比例运算电路同相比例运算电路I1IfU+U-工作原理：UiR1RPUoRf特点：（1）输入信号加在同相输入端，反馈网络加在反相输入端；（2）本电路不存在“虚地”现象。 说明：（1）Uo与Ui同相，且UoUi，（2）若令Rf=0或R1=，则Auf=1即Uo=Ui 跟随器 111RRRUUAfiOuffRRR11因Rp中无电流，故U+=Ui，Ui=U+=U-=Uo电压串联负反馈则闭环增益：UoUi3、差分输入放大器、差分输入放大器 U+U-工作原理：则闭环增益：I1Ui2R1U0Ui1RfR1RfIf特点

22、：差模信号分别从同相输入端和反相输入端输入，且同相端和反相端的外接电阻相等。fiRUURUU011111RRURURUfoif21iffURRRU)(12111121iifofoififfUURRURRURURURRR得121RRUUUAfiiOufd由Ii0，有I1=If得另一方面由U+=U-，即3.4 3.4 信号运算电路信号运算电路2 积分和微分运算电路积分和微分运算电路1 加、减法运算电路加、减法运算电路3.4.13.4.1加、减法运算电路加、减法运算电路 1、反相输入、反相输入 工作原理：特点：待加量通过电阻从反相端引入，同相端通过RP接地，以保证两输入端对称。 RRRRPRfU0U

23、i2Ui3Ui1fPRRRRR/反相输入求和电路的实质是利用反相端虚地和输入电流为零特点：通过电流相加的办法来实现电压相加的。,332211RUIRUIRUIRUIiiifof)(,321321iiifoiiifoUUURRURURURURU得)(321iiioUUUU由Ii0：If=I1+I2+I3由U+=U-=0、则当Rf=R时，U+U-I1IfI2I31、反相输入、反相输入 工作原理：特点：待加量通过电阻从反相端引入，同相端通过RP接地，以保证两输入端对称。 RRRRPRfU0Ui2Ui3Ui1fPRRRRR/由Ii0：If=I1+I2+I3U+U-I1IfI2I3输出再接一级反相电路输

24、出再接一级反相电路+-+-RRUi1Ui2Ui3U01=-(Ui1+Ui2+Ui3)U0=Ui1+Ui2+Ui32、同相输入、同相输入 工作原理：特点：待加量通过电阻从同相端引入。 U+U-I1II2I3Ui2Ui3Ui1R2R3R1RRfU0R1321332211332211/)(RRRRRRURURURURURUURUURUUiiiiii其中)()1 ()1 ()1 (,33221111111RURURURRRURRURRURRRUUiiifffofo3、加减法运算器、加减法运算器 工作原理：特点：它由差动输入放大器演变而来。 U+U-I1IfI2I3UoUi4Ui3Ui2Ui1RRRRRRI4若有更多的相加量或相减量，可以增加或减少电路的相应的输入端。 RUURUURUUOii21UUUUii3210RURUURUUii43433iiUUU43210iiiiUUUUUUU则由I0，有I1+I2=IfI3+I4=Ip由4、利用反相信号求和以实现减法运算利用反相信号求和以实现减法运算 O1vS111fvRR 第一级反相比