浅谈集成运放的应用初稿王

1、目录摘要、八一刖b 1 .ii iii浅谈集成运放的应用摘要:前言：为了获得较高的电压放大倍数，必须采用由多个三极管单元电路级联而成的 多级放大电路。实际应用中，为了使多级放大电路能够稳定工作，还必须引入负 反馈。、!*笊入绍展本改穴电冏ax1 x)xhl&-反懺阿餌£xi所谓反馈，就是通过一定的电路（反馈网络）将输出量（电压或电流）的一 部分或全部反送到输入端的过程。反馈放大电路的框图如图6-39所示。由图可 见，反馈放大电路由基本放大电路和反馈网络两部分组成。在基本放大电路中， 信号从输入端到输出端进行正向传输，而在反馈网络屮，信号则由输出端到输入 端反向传输。集成运算放

2、大器简称集成运放，是具有高增益的深度负反馈直接耦合多级放 大电路。它最初是作为电子模拟计算机的基本运算单元，完成加减、积分、微分、 乘除等数学运算，因此称为运算放大器。现在，集成运放已广泛应用于信号处理、 信号测量以及波形产生等各个方面。1. 集成运算放大器简介集成运算放大器的特点与其制造工艺紧密相关，主要有以下几点：（1）由于集成电路制造工艺屮难以制造电感以及大容量的电容，因此集成 运算采用直接耦合方式。（2）由于集成运放屮的各个品体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，因此元件参数对称性好，容易制成温度漂移很小的运算放大器。（3）集成运放中的二极管都是由三极管的集基联结而成。同时，由于制

3、作 高阻值的电阻成本高、占用硅片面积大，11阻值偏差大，因此在集成运放中常用 恒流源代替大电阻，或采用外接电阻的方式。to图640 集成运算放大器的外形a）双列直插式b）园壳式2. 集成运放的组成：基本结构集成运算放大器一般曲输入级、中间级、输出级以及偏置电路四个 部分组成，如图6-41所示。图6-41集成运算放大器的组成（1）输入级对于高增益的直接耦合放人电路，提高质量的关键在输入级， 因此要求其输入电阻大，能有效抑制零漂。集成运放的输入级采用带恒流源的差 动放大电路。如图6-42所示，基木差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电 路组成。电路中，vi管和v2管型号相同、特性一致，各电

4、阻阻值对应相等。正 电源（+vcc）为两管集电结捉供反偏电压，负电源（一vcc）为两管发射结提供 止偏电压，rc为两管射极公共电阻，rb是输入回路电阻。信号从两个管了的基 极输入，集电极输出，构成双端输入、双端输出差动放大电路。1）抑制零漂的原理由图6-42可见，差动放大电路的输出为两管集电极电位 之差，即二k1-k2。当温度变化吋，在两管集电极引起的电流变化相同，集 电极电压的变化也相同，因此输出电压的变化量二尤1-尤2二0。这就是说, 温度变化时，虽然两管分别出现了零漂，但因电路对称，因而相互抵消，即零点 漂移得到抑制。实际应用中，由于电路不可能做到完全对称，因而零漂不会得到完全抑制， 但

5、与单管放大屯路相比，零漂已经大为减小。2）特性分析由于差动放大电路由两个完全对称的共射电路组成，其静态工 作点必然相同，因此静态时的输出电压00二l；cl-uc2二0,即电路具有零输入零输 出的特性。差动放大电路的动态特性表现在对差模信号的放大能力和对共模信号的抑 制能力两个方面。 差模放大特性图6-43所示差动放大电路中，两输入端分别输入大小相等 而极性相反的信号，即称为差模输入。差模输入的电位之差，即 “id二mil 加2二2加1称为差模输入电压。在差模输入电压下，两管的集电极电位一增一减，相应的输出电压，即差模 输出电压"od为wod =-p-t（知一叫2）=如沧©2

6、0）尽 +g也慾攻羡攘患压放大倍数，即aa = p （621）叫d鸟+ g式中，rl =2心,这是由于两管集电极电位的变化等值相反，而与集电极相连的 负戦rl的中点电位不变，相当子交流地电位，因此对毎个单管共射曳跋来说，其负戦电阻 为一r，即尺丄=/?c 况l。同理，由于两管集电极电流的变化等值相反，所以通过射极公共电阻rc的 屯流不随差模输入电压变化。对差模输入电压而言，re相当于短路，因此差模 电压放大倍数与re无关。由式（6-21）可知，双端输出的差模电压放大倍数与单管共射电路的电压放 大倍数相同。差动放大电路采用对称的两个电路，是为了换取对零漂的抑制作用。 共模抑制特性图6-44所示差

7、动放大电路屮，加在两输入端的输入电压大 小相等、极性相同，即加1二肝2,称为共模输入。共模输入电压用i/ic表示， uc-u -u2o在共模输入电压"ic作用下，两管集电极电位相等，相应的共模输击电压为:因此，共模电压放大倍数也为(6-22)式（6-22）表明，由于电路对称，因此双端输出的差动放大电路对共模输入 信号无放大作用。但如果电路不对称，则共模电压放大倍数aucho。温度对差动放大电路的影响，使得两输出端产生相同变化的零漂，这与输入 共模信号的效果是一样的，所以auc越小，电路对共模输入的抑制能力越强，零 漂越小。 共模抑制比kcmr差动放大电路的差模电压放大倍数aud与共模

8、电压放大 倍数auc的比值称为共模抑制比，即(6-23)若以分贝（db）表示”则&皿（加=2olg囹(6-24)共模抑制比是金而衡量差动放大电路的重要指标。共模抑制比越大，说明电 路对差模信号（有用信号）的放大能力越强，对共模信号（无用信号）或零点漂 移的抑制能力也越强。理想的羌动放大电路kcmr-oo, 一般羌动放大电路的kcmr 为4060db,高质量的可达120 dbo(2) 屮间级屮间级主要进行电压放大，要求有较高的电压放大倍数，一般 由共发射极电路构成。(3) 输出级输出级与负载相连，应具冇较大的输出电压，较高的输出功率 和较低的输出电阻，并具有过载保护。因此，一般采用射极输

9、出器或互补功率放 大电路。(4) 偏置电路偏置电路为各级提供合适的静态工作点。4.集成运放的主要性能指标要合理选择和正确使用集成运算放大器，就必 须熟悉英性能。而衡量集成运放性能优劣的主要依据就是它的各种参数。(1) 开环差模电压放大倍数aodaod是集成运放在开环(没有反馈电路)时 的输出电压与输入差模信号电压之比。aod越高，所构成的运算电路越稳定，运 算精度也越高。一般集成运放的aod约为80140db,如型号为u a741的通用型 集成运放的aod为108dbo(2) 最大共模输入电压u1cmu1cm是集成运放在线性工作范围内所能承受的 最大共模输入电压。所加电压如杲超过这个值，会出现

10、共模抑制比卜降、失去差 模放大能力等问题。高质量运放的uicm可达正负十几伏。(3) 最大差模输入电压uidmuidm是指集成运放同相输入端和反相输入端所 能承受的最大电压值。所加电压如果超过uidm,可能会导致输入级晶休管反向 击穿而损坏。(4) 共模抑制比kcmrkcmr是集成运放差模电压放大倍数与共模电压放大倍 数之比，一般为100db左右。kcmr越大，说明差动放大电路各参数的对称性越 好。(5) 差模输入电阻ridrid是集成运放两输入端的动态电阻，一般为mq级。(6) 输出电阻roro是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电 阻。ro越小，集成运放带负载能力越强。(7) 3

11、db带宽/h集成运放的开环增益随频率升高而降低。用是当差模电压放大倍数下降3db (即下降到0.707倍)吋的信号频率。总z,集成运放貝有开环电压放大倍数高、输入电阻高、带负载能力强、漂 移小、可靠性高、体积小等优点，它已成为一种通用器件，在各个技术领域得到 广泛应用。三、集成运放理想化条件及其传输特性1. 集成运放的理想化条件在分析集成运放组成的各种电路时，将实际的集 成运放作为理想运放來处理，并分清其工作状态是十分重要的。理想的集成运放应满足以下各项性能指标：(1) 开环差模电压放大倍数aod二(2) 输入电阻rid=8；(3) 输出电阻ro=0；(4) 共模抑制比kcmr=oo.尽管真正

12、的理想运放并不存在，但由于实际集成运放的各项性能指标与理想 运放非常接近，因此在实际操作屮，往往都将实际运放理想化，以使分析过程简 化。图&的理想运放的图形符号理想运放的图形符号如图6-45所示。它冇同相和反相两个输入端以及一个 输出端。反相输入端标“一”，同相输入端和输出端标“ + ”，它们的对“地” 屯压(即电位)分别用小、沖和表示，两输入端的电位差称为净输入电压。“8”表示开环电压放大倍数的理想化条件。2. 集成运放的传输特性传输特性是表示集成运放输出电压与输入电压之间 关系的特性曲线，如图6-46中曲线1所示。图屮，bc段为线性区，输出电压e 与净输入电压成止比，即uo-kod

13、 (p小i)(625)一般集成运放的aod值很大，即使输入毫伏级以下的电压，也足以使输出电 压饱和，其饱和值+uo (sat)和一uo (sat)接近正、负电源电压值，如图6-46 中的ab和cd段所示，称为非线性区(饱和区)。集成运放的线性区很小，图6-46 -11的曲线2为理想运放的传输特性，此吋 bc段与轴重合。实际应用中，为扩大线性区，集成运算放大电路大都接成负 反馈电路（将集成运放的输出电压通过反馈元件返送到反相输入端），如图6-47 所示。国6-47 反相输入扳大 电席运放在线性区的分析要领有两条：1）同相输入端电位等于反相输入端电位。这是出于集成运放开环电压放大倍数aodg,根据

14、式（6-25）有e6-45理想运放的图形符号ljp ln-0即汩二凡但同相输入端和反相输入端并没有真正短路，因此称为“虚短”。2）同相输入端和反相输入端电流为零。这是由丁集成运放输入电阻rid- a,因此可认为两个输入端电流为零，即7p=7n=0o但两个输入端并没有真止断 开，因此称为“虚断”。分析运放电路吋，应首先分清集成运放的工作状态，再抓住不同状态下的分 析要领对电路进行分析。四、集成运放的典型应用1. 信号运算由集成运放和外接电阻、电容等元件构成的比例、加减、积分 与微分等运算电路称为基本运算电路。在分析基本运算电路的输入、输出关系时, 将集成电路看作理想运放，再根据“虚短”和“虚断”

15、的特点进行分析较为方便。220图6- 47 反相输入扳大电帝(1) 反相输入放大屯路如图6-47所示屯路中，输入端u通过电阻r1作用 于集成运放的反相输入端，输出电压"0与加反相，故称反相输入放大电路，又 称反相比例运算电路。根据集成运放工作在线性区的两条分析要领可知：1) /p二7n二0,因此 71=7?o2) 汩二爪二0,表明集成运放两输入端的电位均为零，但出于它们并没冇真正 接地，因此称为“虚地” oki(6-26)式屮auf电压放大倍数，。由式(6-26) 口j见，反相输入放大电路的输出电压uo与输入电压ui为比例 运算关系，其比例系数为屯压放大倍数aufo auf仅决定于外

16、接屯阻rf与r1的 比值，而与运放木身的参数无关，从而保证了运算的精度和稳定性。式(6-26) 中的负号表示uo与ui反相。当r1二rf时，auf二一1, "0二一加，这种反相输入放大电路称为反相器。（2）同相输入放大电路如杲输入信号历从同相输入端引入运放，就是同相输入放犬屯路，又称同相比例运算屯路，如图6-48所示。根据"虚短"和"虚断”的概念可知:up=lh= ui； jp=2*n=0,因此il=ip0i _知_址%(627)根据九=勅有lie =1+ u.0 i况丿式中总电压放大倍数，ay=l+生。r】可见，血与也间的比例关系也与运放本身的参数无关

17、，因此具冇很高的精 度和稳定性。式（6-26） h1的auf为正值，表示m与加同相。当r1断开或rf短路时，,uo二ia,称为电压跟随器，如图6-49所示。（3）差动输入放大电路如呆运放的两个输入端都冇输入信号，就是差动输 入放大电路，如图6-50所示。曲于运放工作在线性区，因此输出电压uo等于两个输入电压历1和m2分 别作用吋产牛的输出电压的叠加。% =瓷1 +瓷2 =根据分析，差动输入放大电路输出电压为(6-28)匕式表明，输出电压与输入电压的差值成正比，故称为差动放人电路。电压放大倍数为« £a°堆 1 i2rf兔(6-29)（4）加法电路当多个输入信号同时

18、作用于集成运放的反相输入端时，就构 成反相加法电路,如图6-51所示。反相加法电路与图6-47所示反相输入放大电路相比，只是在反相输入端增 加了两个输入支路，因此有/1+/2+/3=汙，“p二公二0。当r1=r2=r3=r时，由图6-51可得rf /、及c = -r(6-30)可见，用过选配适当的电阻值，就可使输岀电压与输入电压z和成正比，完 成加法运算。相加的输入信号数目可以有56个。集成运放的线性应用出构成上述电路外，还可以构成积分屯路、微分电路等, 同学们可自行分析。2. 信号比较集成运放不仅可以对信号进行运算，还可以对信号进行处理， 包括信号的滤波、比较与选择、采样与保持等。其中，电压

19、比较器为典型的集成 运放非线性应用电路。w r>1o«>uoc?rkf o11匸馬 sixta)b )e6-52 怕值电庄比较豳及刃传输特性 a )电跖b传输特性(1) 单值电压比较器图6-52a所示是一个简单的单值电压比较器电路图。 图中，运放的同相输入端接参考电压uref,反相输入端接输入电压小。运放处 于开环工作状态，当m>uref时，输出电压 血二一uo (sat)；当u <uref吋， 输出电压m二+uo (sat) o其传输特性如图6-52b所示。特别地，若运放的同相 输入端接地，则参考电压为uref二0v,这时的电压比较器称为过零比较器。当过 零

20、比较器的输入信号加为正弦波时，输出电压为正负宽度相同的矩形波，如图 6-53所示。单值屯压比较器非常灵敏，但抗干扰的能力较差。当输入端在参考电压uref 附近有干扰吋，就会出现输出多次翻转的现象。为避免多次翻转造成检测装置的 误动作，通常引入滞冋比较器。(2) 滞回比较器滞回比较器如图6-54a所示，其特点是将输出电压通过电 阻rf反馈到同相输入端，形成止反馈。从集成运放输出端的限幅电路口j以看出，输出电压o=±uz。同相输入端的 电位汩随输出电压变化而变化，当m二+uzi1寸，同相输入端的电位为r2r2 + rfuz(6-31)集成运放反相输入端接输入电压历，因此 爪二力。根据比较器特性，只要 加ut,输出总是+uz)。一旦加从小于ut增大到大于ut,输出电压立即从+uz 跳变为一uz。当输出电压mo二一uz时，同相输入端的电位为r知=6 uj= ut(632)r2 + rf v '显然，只要"i>ut,输出总是一uz。一旦力从大于一ut减小到小于一ut, 输出电压立即从一uz跳变为+uz。根据以上分析，输出电压从+uz跳变为一uz,又从一uz)跳变为+uz时，参 考屯压ut和一ut是两个不同的值，即比较器具冇滞回特性。其传输特性具冇迟 滞回线的形状，如图7-54b所示。两个参考电压之差