电工与电子技术第9章 集成运算放大器及其应用

1、1第第9章章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜分类：集分类：集 成成 度度SSISSI（小规模（小规模) )、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI 导电类型导电类型双极型、单极型、兼容型双极型、单极型

2、、兼容型 功功 能能数字、模拟、混合数字、模拟、混合模拟模拟集成集成电路电路集成运算放大器集成运算放大器集成功率放大器集成功率放大器集成稳压电源集成稳压电源集成数模转换电路集成数模转换电路 2 在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容大电阻元件，需要时一般都采取外接的方法。大电阻元件，需要时一般都采取外接的方法。 由于制造晶体管最容易，一般采用晶体管恒流由于制造晶体管最容易，一般采用晶体管恒流源代替电阻；把源代替电阻；把晶体管晶体管的三极适当组配作二极管用。的三极适当组配作二极管用。 运放各级之间均采用运放各级之间均采用直接耦合直接耦合的方式。的方式。集

3、成电集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温度漂移很小的差动放大器。度漂移很小的差动放大器。9.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点9.1 简介简介3集成运算放大器由输入级、中间级、输出级和集成运算放大器由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成。偏置电路四个部分组成。 输入级输入级中间级中间级偏置电路偏置电路输出级输出级输输入入端端输输出出端端输入级：输入级：由差放构成由差放构成。减小零漂和抑制干扰。减小零漂和抑制干扰。中间级：中间级：

4、共射放大电路共射放大电路。用于电压放大。用于电压放大。输出级：输出级：互补对称电路互补对称电路。 降低输出电阻，提高带载能力。降低输出电阻，提高带载能力。偏置电路：由偏置电路：由恒流源电路恒流源电路构成。构成。 确定运放各级的静态工作点。确定运放各级的静态工作点。9.1.2 电路的简单说明电路的简单说明4运放举例：运放举例：F007F007 F007 1 2 3 48 7 6 5 F0077614325822反相输入端反相输入端66输出端输出端33同相输入端同相输入端44正电源端正电源端77负电源端负电源端88闲置端（闲置端（NCNC）1 1、55接调零电位器接调零电位器9.1.2 电路的简单

5、说明电路的简单说明反相输入端：反相输入端：由此端接输入信号，则输入输出由此端接输入信号，则输入输出信号反相。信号反相。同相输入端：同相输入端：由此端接输入信号，则输入输出由此端接输入信号，则输入输出信号同相。信号同相。5为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了解为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了解集成运算放大器的各主要参数的意义。集成运算放大器的各主要参数的意义。1最大输出电压最大输出电压Uopp能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。大输出电压。F007的的Uopp约为约为1213V。2开环电压放大倍数开环电压放大倍数AUO在

6、没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。 AUO越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高，越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高，一般约为一般约为104 107。9.1.3 主要参数主要参数63开环（差模）输入电阻开环（差模）输入电阻rid运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态电阻运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态电阻称为开环输入电阻。称为开环输入电阻。rid越大说明集成运算放大器由差模越大说明集成运算放大器由差模信号源输入的电流就越小，信号源输入的电流就越小，F007的的rid约为约为12M。4 4输入失调电压输入失

7、调电压UIO理想的运算放大器，当输入电压为零时，即理想的运算放大器，当输入电压为零时，即u ui1i1= =u ui2i2=0=0，输出电压输出电压u uo o=0=0。但在实际的运算放大器中，由于制造中。但在实际的运算放大器中，由于制造中也很难做到参数完全对称，因此当输入电压为零时，也很难做到参数完全对称，因此当输入电压为零时， uo0 。反过来说，如果要，必须在输入端加一个很小的。反过来说，如果要，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。补偿电压，它就是输入失调电压。 UIO一般为几毫伏，一般为几毫伏，显然它越小越好。显然它越小越好。9.1.3 主要参数主要参数75 5输入失

8、调电流输入失调电流IIO输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即极电流之差，即IIO =IB1-IB2， IIO一般在零点零几微一般在零点零几微安级，其值越小越好。安级，其值越小越好。6 6输入偏置电流输入偏置电流IIB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即即IIB =（IB1+IB2）/2 。这个电流也是越小越好，一般在。这个电流也是越小越好，一般在零点几微安级。零点几微安级。7.最大共模输入电压最大共模输入电压UICM集成运放对共模信号具有抑制作用，但这种抑制作

9、用要集成运放对共模信号具有抑制作用，但这种抑制作用要在规定的共模输入电压范围内才起作用。在规定的共模输入电压范围内才起作用。9.1.3 主要参数主要参数88共模抑制比共模抑制比KCMRF007型晶体管的型晶体管的KCMR约为约为80dB，目前有的晶体管的，目前有的晶体管的KCMR已高达已高达160dB，KCMR越大，说明集成运算放大器的越大，说明集成运算放大器的共模抑制性能越好共模抑制性能越好集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，就不集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入

10、电阻高（约几兆欧）、输出电阻低（约几倍数高、输入电阻高（约几兆欧）、输出电阻低（约几百欧）、零点漂移小、体积小、可靠性高等优点，因此百欧）、零点漂移小、体积小、可靠性高等优点，因此它被广泛地应用于各个技术领域，已成为一种通用器件。它被广泛地应用于各个技术领域，已成为一种通用器件。9.1.3 主要参数主要参数1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sa

11、t) u+ 0 ui = Ui 1AF1。A1A111f FAF，|1+AF|1+AF|称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，放大倍称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，放大倍数越小。引入深度负反馈后，闭环放大倍数只取决于反馈电数越小。引入深度负反馈后，闭环放大倍数只取决于反馈电路，而与基本放大电路几乎无关。路，而与基本放大电路几乎无关。fXdXoXiX+439.4.2 9.4.2 反馈性质与类型的判别反馈性质与类型的判别负反馈与正反馈的判别，常采用的方法为负反馈与正反馈的判别，常采用的方法为瞬时瞬时极性法极性法。以。以分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路 为例：为例：瞬时极性为正，瞬时极

12、性为正， 用用 表示；表示；瞬时极性为负，瞬时极性为负， 用用 表示表示分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路 RB1+UCCRCC1C2RB2RERL+ui+uo44设设ui瞬时极性为正瞬时极性为正三极管三极管B极极三极管三极管E极极三极管三极管C极极反馈电压反馈电压 eEfiRu 同同相相和和fbeiuu,ufibeuuu 净净输输入入信信号号：交流负反馈交流负反馈icRBRERL+ui+uo+uf+ubeibie分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路 交流通路交流通路 45电路中既存在电路中既存在交流交流负负反馈，也存在反馈，也存在直流直流负负反馈，这种直流负反反馈，这种直流负反馈的作用是用

13、来馈的作用是用来稳定稳定静态工作点静态工作点的的 CBBEEEECIIU)IR(UIT直流负反馈稳定静态工作点直流负反馈稳定静态工作点 过程：过程：RB1+UCCRCC1C2RB2RERL+ui+uo46反相比例运算电路反相比例运算电路 设输入电压设输入电压 ui为正为正 反相输入端电反相输入端电位的位的 瞬时极性为瞬时极性为 输出端电位的瞬时输出端电位的瞬时 极性为极性为 FoFofRuRuui 反反馈馈电电流流：fidiii 净净输输入入电电流流：净输入电流减小了，故为负反馈。净输入电流减小了，故为负反馈。 为正为正 if+uo +uiR2R1RFiiidRL47设输入电压设输入电压 ui

14、为正为正 反相输入端电反相输入端电位的位的 瞬时极性为瞬时极性为 输出端电位的瞬时输出端电位的瞬时 极性为极性为 22foFRuuRR反反馈馈电电压压：-difuu u净净输输入入电电压压：净输入电压增大了，故为正反馈。净输入电压增大了，故为正反馈。 +uo +uiR2R1RF滞回比较器基本电路滞回比较器基本电路 +ud+uf-为负为负 489.4.3 9.4.3 负反馈的四种基本形式负反馈的四种基本形式 1串联电压负反馈串联电压负反馈 ofuu 反反馈馈电电压压：反馈电压取自输出电压，反馈电压取自输出电压，故为故为电压反馈电压反馈 fiduuu :净净输输入入电电压压反馈信号与输入信号在输入

15、端以电压形式比较，两反馈信号与输入信号在输入端以电压形式比较，两者串联，故为者串联，故为串联反馈串联反馈 +ui+uo=ufR2-ud+RL净输入电压减小了，故为负反馈。净输入电压减小了，故为负反馈。 492 2并联电压负反馈并联电压负反馈 if+uoFoFofRuRuui 反反馈馈电电流流：反馈电流取自反馈电流取自输出电压输出电压，并与之成正比，故为，并与之成正比，故为电压电压反馈反馈 , difdiiii 净净输输入入电电流流：减减小小反馈信号与输入信号在输入端以电流形式比较，反馈信号与输入信号在输入端以电流形式比较，ii i、id d和和if f“并联并联”，故为，故为并联反馈并联反馈

16、+uiR2R1RFiiidRL, ,故为负反馈故为负反馈 为正为正 503 3串联电流负反馈串联电流负反馈 ofRiu 反馈电压取自输出电流反馈电压取自输出电流io o，并与之成正比，故，并与之成正比，故为为电流反馈。电流反馈。 fiduuu 反馈信号与输入信号在输入端以电压形式比较，两者反馈信号与输入信号在输入端以电压形式比较，两者串联，故为串联，故为串联反馈串联反馈 +ui+uoR2-ud+RL+ufRio净输入电压减小了，为负反馈。净输入电压减小了，为负反馈。 514 4并联电流负反馈并联电流负反馈 +uiR2RLRioR1iiidiRoFfiRRRi 反反馈馈电电流流：反馈电流取自输出

17、电流反馈电流取自输出电流io o ，并与之成正比，故为并与之成正比，故为电流电流反馈反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流形式比较，反馈信号与输入信号在输入端以电流形式比较，ii i、id d和和if f“并联并联”，故为，故为并联负反馈并联负反馈 ifRF为正为正 , difdiiii 净净输输入入电电流流：减减小小52总结：反馈的判断方法总结：反馈的判断方法（1）输入信号和反馈信号加在）输入信号和反馈信号加在同一输入端同一输入端上的，上的，是是并联并联反馈；分别加在两个输入端的，是反馈；分别加在两个输入端的，是串联串联反馈。反馈。 （2）反馈电路）反馈电路直接直接从输出端引出的，是从输出端

18、引出的，是电压电压反馈；反馈；从负载电阻的靠近从负载电阻的靠近“地地”端引出的，是端引出的，是电流电流反馈。反馈。 （3 3）反馈信号使净输入信号减少的，是）反馈信号使净输入信号减少的，是负反馈负反馈。反馈。反馈信号使净输入信号增大的是信号使净输入信号增大的是正反馈正反馈53例例9.4.1 试判别图示集成运算放大电路中试判别图示集成运算放大电路中RF的反馈类的反馈类型。型。 解解:根据瞬时极性法根据瞬时极性法负反馈负反馈反馈电流反馈电流if f和输入电流和输入电流ii i加在加在A1的同一个输入端，故的同一个输入端，故为为并联反馈并联反馈 .反馈电路从反馈电路从RL L的靠近的靠近“地地”端引

19、出，故为端引出，故为电流反馈电流反馈. . +uiRFRLR1 R1uouo1idifiiaRA1A2电流并联电流并联负反馈负反馈 549.4.4 9.4.4 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 1降低放大倍数降低放大倍数 AoxdxixFfxAFXXXXXXXXXAiof 1A/1 ofodfdo闭环放大倍数闭环放大倍数引入负反馈后放大倍数降低到无反馈时引入负反馈后放大倍数降低到无反馈时 AF 11如果如果AF 1 FAFAAf11 深度负反馈深度负反馈552 2提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 221111(1)(1)1ffdAAAFdAAFAFAFAFA求求

20、导导对对AFAf 1AAdAAFAdAff 11闭环放大倍数的相对变化只是开环放大倍数的相对闭环放大倍数的相对变化只是开环放大倍数的相对变化的变化的 AF 11当当1+AF=1001+AF=1001001AdAAdAff有反馈有反馈的放大倍数的的放大倍数的相对变化相对变化是是无反馈无反馈的百分之一。的百分之一。56注：不能消除失真注：不能消除失真标准标准失真失真小小大大略大略大略小略小略小略小略小略小略大略大略大略大AdX0XiXfXF负反馈利用已失真的波负反馈利用已失真的波形改善失真，只能减小形改善失真，只能减小失真，不能消除失真。失真，不能消除失真。3 3改善波形失真改善波形失真 引入负反馈后可将输出端的失真信号反送到输入端引入负反馈后可将输出端的失真信号反送到输入端，经过经过放大后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿放大后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿. . 574 4展宽通频带展宽通频带 ufAAfA210无反馈无反馈有负反馈有负反馈fAA21f2f 2引入负反馈后，在引入负反馈后，在中频段中频段的开环放大