第7章集成运算放大器及其应用

1、 集成运放集成运放是一种是一种直接耦合的多级放大电路直接耦合的多级放大电路，性能理想的运，性能理想的运算放大电路具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作算放大电路具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。点漂移小等特点。按制作工艺分为双极型、按制作工艺分为双极型、CMOS 型和型和BiFET 型三种。型三种。 按照工作原理分为电压放大型、电流放大型、跨导型和互按照工作原理分为电压放大型、电流放大型、跨导型和互阻型四种。阻型四种。 按照性能指标分为通用型、低噪声型、高速型、低功耗型、按照性能指标分为通用型、低噪声型、高速型、低功耗型、精密型和程控高输入阻抗型等。精密型和程控

2、高输入阻抗型等。 集成运放虽种类繁多、形式多样，但电路结构一般由四部集成运放虽种类繁多、形式多样，但电路结构一般由四部分组成分组成：(1)(1)输入级输入级：输入电阻高、噪声低、静态电流小、零漂小：输入电阻高、噪声低、静态电流小、零漂小。(2)(2)中间级中间级( (电压放大级电压放大级) )：具有较高的电压放大倍数。：具有较高的电压放大倍数。(3)(3)输出输出级：级：动态范围大、带负载能力强，非线性失真小。动态范围大、带负载能力强，非线性失真小。(4)(4)偏置电路偏置电路：提供合适的、稳定的静态工作点。提供合适的、稳定的静态工作点。反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEu

3、o+ui1u i2+Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b) 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列uo=Aod(ui1-ui2)Aod:差分式放大电路的差模电压放大倍数差分式放大电路的差模电压放大倍数集成运放的信号输入方式集成运放的信号输入方式1、共模输入方式、共模输入方式+UCCUEEuo+ui1u i2+Auo 当运放的两个输入端输入当运放的两个输入端输入大大小相同，极性也相同小相同，极性也相同的信号时，的信号时，称为共模

4、输入方式。称为共模输入方式。ui 因此，理想的情况下集成运放在共模输入时的放因此，理想的情况下集成运放在共模输入时的放大倍数为大倍数为0，即，即0ioucuuA即即ui1=ui2集成运放的信号输入方式集成运放的信号输入方式2、差模输入方式、差模输入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 当运放的两个输入端输入当运放的两个输入端输入大大小相同，极性相反小相同，极性相反的信号时，称的信号时，称为差模输入方式。为差模输入方式。ui 差模输入方式下的电压放大倍数用差模输入方式下的电压放大倍数用Aud表示，即表示，即uuuuuAoiouduuui 指运放在无外加反馈情况下，输出电压与输入差模电压指运放在

5、无外加反馈情况下，输出电压与输入差模电压之比，其值越大越好，即：之比，其值越大越好，即：idooduuA 指运放无外加反馈时，开环差模电压放大倍数与开环共模指运放无外加反馈时，开环差模电压放大倍数与开环共模放大倍数之比。反映了运放对共模输入信号的抑制能力，其值放大倍数之比。反映了运放对共模输入信号的抑制能力，其值越大越好，即：越大越好，即：|ocodCMRRAAK差模输入电阻差模输入电阻rid 指运放在无外加反馈情况指运放在无外加反馈情况下，从两个输入端口看进去的下，从两个输入端口看进去的等效电阻。等效电阻。uou+u-rid输出电阻输出电阻ro 指运放在无外加反馈情指运放在无外加反馈情况下，

6、从输出端口看进去的况下，从输出端口看进去的戴维南等效电阻。戴维南等效电阻。uou+u-+-uocro（5）其他参数）其他参数 包含有失调电压、失调电流、温包含有失调电压、失调电流、温漂及开环带宽等，详细定义参看教程。漂及开环带宽等，详细定义参看教程。（1）反馈的概念）反馈的概念 如果反馈信号使放大器的净输入加强，从而也使输出加如果反馈信号使放大器的净输入加强，从而也使输出加强，这种反馈称为强，这种反馈称为正反馈正反馈。 如果反馈信号使放大器的净输入减弱，从而也使输出减如果反馈信号使放大器的净输入减弱，从而也使输出减弱，这种反馈称为弱，这种反馈称为负反馈负反馈。（2）开环闭环的概念）开环闭环的概

7、念 如果放大器的输出与输入之间没有反馈，放大器的这种如果放大器的输出与输入之间没有反馈，放大器的这种连接状态称为连接状态称为开环开环状态状态。 如果放大器的输出与输入之间连有反馈，放大器的这种如果放大器的输出与输入之间连有反馈，放大器的这种连接状态称为连接状态称为闭环闭环状态状态。（3）反馈的分类）反馈的分类1）直流反馈和交流反馈）直流反馈和交流反馈 如果反馈量中只含有直流量，称为直流反馈；或者说，仅在直如果反馈量中只含有直流量，称为直流反馈；或者说，仅在直流通路中存在的反馈称为直流反馈。流通路中存在的反馈称为直流反馈。 如果反馈量中只含有交流量，称为交流反馈；或者说，仅在交如果反馈量中只含有

8、交流量，称为交流反馈；或者说，仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。流通路中存在的反馈称为交流反馈。 在很多放大电路中，常常是交、直流反馈兼有。在很多放大电路中，常常是交、直流反馈兼有。2）正反馈和负反馈）正反馈和负反馈3）电压反馈和电流反馈）电压反馈和电流反馈如果引入反馈量取自输出电压，则为电压反馈。如果引入反馈量取自输出电压，则为电压反馈。如果引入反馈量取自输入电流，则为电流反馈。如果引入反馈量取自输入电流，则为电流反馈。4）串联反馈和并联反馈）串联反馈和并联反馈串联串联 反馈：反馈：在输入回路中，反馈量和输入量都以在输入回路中，反馈量和输入量都以电压电压的形式出现，的形式出现，并以并以

9、串联方式在输入端相加减。即由电压求和的方式来反映反馈串联方式在输入端相加减。即由电压求和的方式来反映反馈对输入信号的影响。对输入信号的影响。并联并联 反馈：反馈：在输入回路中，反馈量和输入量都以在输入回路中，反馈量和输入量都以电流电流的形式出现，的形式出现，并以并联方式在输入端相加减。即由电流求和的方式来反映反馈并以并联方式在输入端相加减。即由电流求和的方式来反映反馈对输入信号的影响。对输入信号的影响。（4）反馈的判断）反馈的判断1）有无反馈的判断）有无反馈的判断若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，即反馈通路，并由此影响了放大电路的净输入，则表明电路引入了反馈;否则电路中便没有反

10、馈。1）有无反馈的判断）有无反馈的判断（4）反馈的判断）反馈的判断2）反馈极性的判断：瞬时极性法）反馈极性的判断：瞬时极性法基本做法是：规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号增大，则说明引入了正反馈；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则说明引入了负反馈。 即通过分析集成运放的净输入电压，或者净输入电流因反馈的引入是增大了还是减小了，来判断反馈的极性。2）反馈极性的判断：瞬时极性法）反馈极性的判断：瞬时极性法2）反馈极性的判断：瞬

11、时极性法）反馈极性的判断：瞬时极性法（4）反馈的判断）反馈的判断3）判断反馈的串并联形式）判断反馈的串并联形式并联反馈：反馈信号与输入信号在同一节点引入，或是并接在放大器的同一个输入端上。串联反馈：反馈信号和输入信号不在同一节点引入或反馈信号和输入信号加在放大器的不同输入端上。串联反馈串联反馈（4）反馈的判断）反馈的判断3）判断反馈的串并联形式）判断反馈的串并联形式并联反馈：反馈信号与输入信号在同一节点引入，或是并接在放大器的同一个输入端上。串联反馈：反馈信号和输入信号不在同一节点引入或反馈信号和输入信号加在放大器的不同输入端上。并联反馈并联反馈（4）反馈的判断）反馈的判断4）判断电压或电流反

12、馈的方法）判断电压或电流反馈的方法（4）反馈的判断）反馈的判断4）判断电压或电流反馈的方法）判断电压或电流反馈的方法（5）负反馈的四种类型）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用这种类型中，放大电路的作用是把净输入电压放大为输出电是把净输入电压放大为输出电压，而反馈网络的作用是把输压，而反馈网络的作用是把输出电压变换为反馈电压出电压变换为反馈电压uf,uf在在输入端与输入电压输入端与输入电压ui串联相减。串联相减。（5）负反馈的四种类型）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用这种类型中，放大电路的作用是把净输入电流放大为输出电是把净输入电流放大为输出电压，而反馈网络的作用是把输压，而反

13、馈网络的作用是把输出电压变换为反馈电流出电压变换为反馈电流if,if在在输入端与输入电流输入端与输入电流ii并联相减。并联相减。（5）负反馈的四种类型）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用这种类型中，放大电路的作用是把净输入电压放大为输出电是把净输入电压放大为输出电流，而反馈网络的作用是把输流，而反馈网络的作用是把输出电流变换为反馈电压。出电流变换为反馈电压。这种类型中，放大电路的作用这种类型中，放大电路的作用是把净输入电流放大为输出电是把净输入电流放大为输出电流，而反馈网络的作用是把输流，而反馈网络的作用是把输出电流变换为反馈电流。出电流变换为反馈电流。四种负反馈的判断，见书例四种负反

14、馈的判断，见书例7.57.2.4 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响1）增益）增益2）稳定性）稳定性3）波形失真性）波形失真性4）输入电阻和输出电阻）输入电阻和输出电阻1）降低放大倍数）降低放大倍数其中，其中，AF叫环路增益，叫环路增益，1+AF叫反馈深度叫反馈深度2）提高放大倍数的稳定性）提高放大倍数的稳定性所谓稳定性，指开环的相对稳定程度与闭环的相对稳定程度的所谓稳定性，指开环的相对稳定程度与闭环的相对稳定程度的比较。负反馈的基本特点是自动调整作用，当外界条件发生变比较。负反馈的基本特点是自动调整作用，当外界条件发生变化引起输出信号增大时，负反馈则按比例将增大量送到输入端

15、，化引起输出信号增大时，负反馈则按比例将增大量送到输入端，抵消一部分输入信号，使净输入信号减小，达到降低输出信号抵消一部分输入信号，使净输入信号减小，达到降低输出信号的目的。的目的。2）提高放大倍数的稳定性）提高放大倍数的稳定性可见，引入负反馈后，放大倍数的稳定性提高了。可见，引入负反馈后，放大倍数的稳定性提高了。例例7.6 一个放大电路的开环放大倍数为一个放大电路的开环放大倍数为1000，由于某种原因下降到，由于某种原因下降到900，当引入负反馈后，其反馈系数，当引入负反馈后，其反馈系数F为为0.2，求其闭环的相对变化量。，求其闭环的相对变化量。3）扩展通频带）扩展通频带111(1)mmfm

16、HfHmHfAAA FAffjjfA Ff4）改善波形失真：减小非线性失真）改善波形失真：减小非线性失真4）改善波形失真：减小非线性失真）改善波形失真：减小非线性失真5）改善电路的输入电阻和输出电阻）改善电路的输入电阻和输出电阻输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而反馈对输输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而反馈对输入电阻的影响，取决于基本放大电路与反馈网络在电路输入端的入电阻的影响，取决于基本放大电路与反馈网络在电路输入端的连接方式，即取决于电路引入的是串联反馈还是并联反馈。连接方式，即取决于电路引入的是串联反馈还是并联反馈。1）串联负反馈对输入电阻的影响）串联负反馈对

17、输入电阻的影响b 并联负反馈对输入电阻的影响并联负反馈对输入电阻的影响（2）对输出电阻的影响）对输出电阻的影响输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因而负反馈对输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因而负反馈对输出电阻的影响取决于基本放大电路与反馈网络在放大电路输出输出电阻的影响取决于基本放大电路与反馈网络在放大电路输出端的连接方式，即取决于电路引入的是电压反馈还是电流反馈。端的连接方式，即取决于电路引入的是电压反馈还是电流反馈。1）电压负反馈对输出电阻的影响）电压负反馈对输出电阻的影响对于电压反馈的放大电路，当输入电压对于电压反馈的放大电路，当输入电压ui为一定值，如果输入电为一

18、定值，如果输入电压压uo由于负载电阻由于负载电阻RL的减小而减小时，则反馈电压的减小而减小时，则反馈电压UF也随之减也随之减小，其结果使净输入电压小，其结果使净输入电压ud增大，于是输出电压就接近原值。所增大，于是输出电压就接近原值。所以电压反馈的放大电路具有恒压输出特性，根据电压源的外特性：以电压反馈的放大电路具有恒压输出特性，根据电压源的外特性：内阻越小越接近恒压源。内阻越小越接近恒压源。因此，电压负反馈使输出电阻减小。因此，电压负反馈使输出电阻减小。2）电流负反馈对输出电阻的影响）电流负反馈对输出电阻的影响对于电流反馈的放大电路，当输入电压对于电流反馈的放大电路，当输入电压ui为一定值，

19、如果输出电为一定值，如果输出电流流io由于温度升高而增大时，则反馈电压由于温度升高而增大时，则反馈电压UF也随之增大，其结果也随之增大，其结果使净输入电压使净输入电压ud减小，于是输出电流就接近原值。所以电流反馈减小，于是输出电流就接近原值。所以电流反馈的放大电路具有恒流输出特性，根据电流源的外特性：的放大电路具有恒流输出特性，根据电流源的外特性：内阻越大越接近恒流源。内阻越大越接近恒流源。因此，电流负反馈使输出电阻增大。因此，电流负反馈使输出电阻增大。集成运算放大器加上一定形式的外接电路可实现各种功能。集成运算放大器加上一定形式的外接电路可实现各种功能。例如：能对信号进行反相放大与同相放大，

20、对信号进行加、例如：能对信号进行反相放大与同相放大，对信号进行加、减、微分和积分运算。减、微分和积分运算。 实际运放的理想化模型就是理想运放。其理想化指标为：实际运放的理想化模型就是理想运放。其理想化指标为：;udA ;idr; 0or;CMRK;Hf 尽管理想运算放大器并不存在，但由于集成运算放大器的技尽管理想运算放大器并不存在，但由于集成运算放大器的技术指标都比较接近于理想值，在具体分析时将其理想化来分术指标都比较接近于理想值，在具体分析时将其理想化来分析。析。 为了计算方便，后续内容一律将集成运放为理想运放。为了计算方便，后续内容一律将集成运放为理想运放。线性区：线性区：uo = Aud

21、( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR非过零比较器的实际应用：非过零比较器的实际应用： 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。放的输入级，需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输二极管限幅电路使净输入电压最大值为入电压最大值为UD改进的单限比较器：改进的单限比较器：比较器的输出电压是由比较器的内部设计决

22、定的，其值是比较器的输出电压是由比较器的内部设计决定的，其值是固定的，而在实际应用中，输出电压往往不能满足负载的固定的，而在实际应用中，输出电压往往不能满足负载的需要，为了解决这一问题，常在运放的输出端接限幅电路。需要，为了解决这一问题，常在运放的输出端接限幅电路。uiUR输出带限幅的电压比较器：输出带限幅的电压比较器：为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UZ UZ Uo(sat) +Uo(sat)uoO电压比较器的分析方法电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 u+、u-的表达式，的表达式，令令u+ u-=0，求解出的求解出的 uI即

23、为即为UT；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出输出电压电压的跃变方向。的跃变方向。一般单限比较器21-REFI1212_0RRuUuRRRRuu令，得REF12TURRUZOUU作用于反相输入端作用于反相输入端0REFU例例7.9 图图 7.39 所示电路中，所示电路中，R1 = R2 = 5k ，参考电压，参考电压 U R = 2V ，稳压二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压 U Z = 5V，输入电压为图，输入电压为图 (a)所

24、示的三角波。所示的三角波。试画输出电压波形。试画输出电压波形。RDZuouiR2+ R1URRURRRuRRRu2121211-根据理想运放的虚断根据理想运放的虚断i = i + = 0则则R1 和和 R 2串联，根据叠加定理得串联，根据叠加定理得VURRUuuRT2 012，可得阈值电压令例例7.9 图图 7.39 所示电路中，所示电路中，R1 = R2 = 5k ，参考电压，参考电压 U R = 2V ，稳压二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压 U Z = 5V，输入电压为图，输入电压为图 (a)所示的三角波。所示的三角波。试画输出电压波形。试画输出电压波形。RDZuouiR2+ R1UR

25、当当ui-2V时，时，uo= - Uz= - 5VuitOUROt +Uz Uzuo单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的主要问题是输出电压主要问题是输出电压波形不够陡波形不够陡，抗干扰能力差抗干扰能力差。0tui阈值电压阈值电压0tuO错误的输出错误的输出+ +UZ- -UZ0ut干扰干扰输出波形输出波形不够陡不够陡实际运放的开环增益不实际运放的开环增益不是是 ，所以状态的跃变，所以状态的跃变必须经过线性区，并需必须经过线性区，并需要经过一定的时间。要经过一定的时间。迟滞比较器：在单限比较器的基础上，通过电阻把输出电压反馈迟滞比较

26、器：在单限比较器的基础上，通过电阻把输出电压反馈到运放到运放同相输入端形成正反馈。到运放到运放同相输入端形成正反馈。输入电压加到同相端称为同相滞回比较器；输入电压加到同相端称为同相滞回比较器；输入电压加到反相端称为反相滞回比较器；输入电压加到反相端称为反相滞回比较器；二、滞回比较电路二、滞回比较电路-+uiuOR1UZRURR2反相迟滞比较器反相迟滞比较器反相迟滞比较器反相迟滞比较器问题：问题：1）该电路有无反馈？若有，什么类型？）该电路有无反馈？若有，什么类型？-+uiuOR1RURR2+UZ- -UZ211212RoRRUURuURURRRROURRR211+ +ui 很小时，输出很小时，输出;ZOUU ui 很大时，输出很大时，输出;ZOUU 2) 当当u+=u-时，电路状态发生跳变，时，电路状态发生跳变，ui由小增大由小增大，使，使uO从从+UZ跳变为跳变为- -UZ所需的阈值电压为所需的阈值电压为UTH+：ui由大变小由大变小，使，使uO从从- -UZ 跳变为跳变为+ +UZ所需的阈值电压为所需的阈值电压为UTH- -： ;211212ZRTHURRRURRRU;211212ZRTHURRRURRRU分析电路：分析电路：1）根据虚断：）根据虚断：i+=0,R1与与R2串联串联ZTHTHTURRRUUU2112下阈值下阈值电压电压上阈值上阈值电压电压回差回差电压电压-+u