讲义第5章 集成运算放大电路

1、第5章 集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。）本章要求：（1）了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。（2）理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。（3）理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。（4）理解电压比较器的工作原理和应用。5.1 集成运算放大器

2、简介5.1.1 集成运算放大器芯片集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。1、集成电路的概念（1）集成电路：利用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。（2）集成电路分类：模拟、数字集

3、成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。 模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。（可分为线性集成电路和非线性集成电路。） 线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。 非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。（3）线性集成电路的特点 电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。 输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。 管和管配合使用，从而改进单管的性能。 大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。2、集成运算放大器的原理电路集成运算放

4、大器通常包括四个基本部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路。 集成运算放大器组成框图（图5-1所示为集成运算放大器的简化原理图。）（1）输入级：输入级提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端，电路形式为差动放大电路，要求输入电阻高，可改善基本组态放大器采集信号能力弱的缺陷，减小零点漂移和抑制干扰信号。是提高运算放大器质量的关键部分。和组成差动放大电路；组成恒流源电路作为差动输入级的有源负载。（2）中间级：中间级主要完成对输入电压信号的放大，一般采用多级共射放大电路实现，可较好改善基本组态放大器放大能力有限的不足。分别组成共集、共射放大电路，并有恒流源作负载，作为射极跟随器起隔离作用。（3）

5、输出级：带负载能力强，有足够的输出电流，提供较高的输出功率，输出电阻较低。一般由互补对称电路或射极输出器构成，可较好改善基本组态放大器负载能力有限的弱点。（4）偏置电路：偏置电路提供各级静态工作电流，一般由各种恒流源电路组成。3、集成运算放大器芯片介绍（1）外形与符号 三种封装形式：单列直插式（型）；双列直插式（型）；贴片式（型）。 符号 （如图5-3所示）：（三角形）表示信号传递的正方向；表示（：开环差模电压放大倍数）。由图可看出，集成运算放大器具有同相（“”号端）、反相（“”号端）两个输入端。1）当同相端接地，反相端接输入时（），输出与输入反相。 2）若反相端接地，同相端接输入时（），输出

6、与输入同相。、和均为对地电压。（2）简介：一块芯片上集成了四个完全相同的运放单元。5.1.2 集成运算放大器的主要参数1、开环差模电压增益：是指在集成运放在开环状态（无输出到输入的反馈），且输出端没有外接负载时所测出的直流差模电压放大倍数，。实际上，开环差模电压增益是运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。的数值很高，一般约为，即。该值反映了输出电压与输入电压和之间的关系。 2、输入失调电压：当两个输入端时，为了使输出电压，在输入端需要加一定的补偿电压，称之为输入失调电压。是输入端的校正电压，越小越好，一般为几毫伏。3、输入失调电流：输入信号为零时

7、，两个输入端静态基极电流之差，即。一般在零点零几微安级，越小越好。（运放的输入级为差动放大器。）4、输入偏置电流：输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即。一般在零点几微安级，越小越好。5、差模输入电阻和输出电阻（1）差模输入电阻：从两个输入端看进去的动态电阻。越大，表明运放由差模信号源输入的电流越小，精度越高。运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧（2）差模输出电阻：指运放输出级的输出电阻。越小，运放带负载能力就会越强。越小越好，一般几十欧到几百欧，高质量的运放可小于 。6、最大差模输入电压：两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过，将

8、引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。7、最大共模输入电压：允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。5.1.2 理想运算放大器及其重要结论1、运算放大器的电压传输特性与工作方式（图5-5（a）是集成运放开环工作时的示意图，图5-5（b）给出了电压传输特性）图中、是相应的输入端电压，为输出电压。集成运放有两个工作区：线性区和非线性区。（1）线性区当在点之间时运放处于线性工作区，此时输入输出之间足线性关系，即满足关系式：越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。运放工作在闭环状态，且反馈类型为负反馈，那么输出与输入满足

9、线性关系，称运放工作在线性区。（2）非线性区当在点之外时，运放进入非线性工作区（饱和区），此时输入输出之间不满足线性关系。输出电压只有两种状态：或（为最大输出电压） 1）当 时，；2）当 时，运放输入信号过大或工作在开环状态或加正反馈时，运放可进入非线性区。2、理想运算放大器的条件为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：（1）开环差模电压放大倍数为无穷大，即；（2）开环差模输入电阻为无穷大，即；（3）开环输出电阻为0，即；（4）输入失调电压和输入失调电流为零。实际运放的上述技术指标与理想运算放大器接近一般将其视为理想运放后进行分析。3、理想运放的

10、两个重要结论（1）虚短：集成运放两个输入端之间的电压几乎等于零，如同将该两点短路一样，称为“虚短”，即：。分析：由于理想运放开环电压放大倍数为无穷大，即，在线性工作区，则有：，输出电压有限，有：。则有：（理想运放两个输入端的电位相等，相当于短路，但两个输入端并没有真正短接，只是表面上具有短接的现象，所以称为虚短。）理想运放工作在线性区时，虚短现象总是存在。（2）虚断：同相输入端与反相输入端的电流几乎都等于零，如同该两点被断开一样，称为“虚断”，即。分析：由图5-5（a）可得：，由于理想运放的开环差模输入电阻为无穷大，即，则有：。所以可近似地认为两个输入端均无电流流入：。（理想运放从输入端流入或

11、流出的电流为零，好像输入端与运放断开一样，但实际没有真正断开，只是表面上具有断开的现象，所以称为虚断。）理想运放工作在线性区和非线性区时，虚断现象总是存在。补充：虚地：理想运放工作在线性区时，若反向端有输入，同相端接“地”，则反相输入端的电位接近于“地”电位，称为“虚地”。（反相输入端是一个不接地的地电位端。）5. 2 集成运算放大器的线性应用集成运放的应用分为线性应用和非线性应用，线性应用时运放工作在具有负反馈的闭环状态，此时虚短和虚断的结论同时成立。5. 2.1 三种基本运算电路集成运算放大器引入适当的反馈，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系，如比例、加法、减法、积分、微分、对数与

12、反对数、乘除等运算。1、反相输入比例运算电路 （如图5-6所示为反相输入比例运算电路）（1）电路结构 输入信号从反相输入端加入，所以又叫反相放大器； 反馈电阻跨接在输出端与反相输入端之间，使电路工作在闭环状态； 为平衡电阻，其作用是保持输入回路两端对称，其大小为反相输入端的等效电阻，。（为了提高差动电路的对称性，要求静态时、 对地电阻相同，作为平衡电阻：（由虚短得到）。）（2）电路分析由“虚断”可得：，则有：根据“虚短”又可推出：（虚地现象：反相接输入，同相接地，。）分析电路可得：，（注意的方向），又因为：，则有： ； 闭环电压放大倍数为：结论：1）输出与输入为线性比例关系，相位相反，故称为反

13、相比例运算电路。2）当时，有： ，该电路就成了反相器。3）比例系数的大小与运放外电路参数和的取值有关，因此选取阻值稳定、精度高的电阻和是提高电路运算精度的关键。1、同相输入比例运算电路 （如图5-7所示为同相输入比例运算电路）（1）电路结构 输入信号从同相输入端加入，所以又叫同相放大器； 反馈电阻跨接在输出端与反相输入端之间，使电路工作在闭环状态；为平衡电阻，其作用是保持输入回路两端对称，其大小为反相输入端的等效电阻，。（2）电路分析由“虚断”可得：，则有：根据“虚短”又可推出：分析电路可得：，又因为：，则有： ；所以：（一般分析集成运放主要分析电流。电压关系和放大倍数，不用分析输入电阻和输出

14、电阻。）结论：输出与输入为线性比例关系，相位相同，故称为同相比例运算电路。为了提高差动电路的对称性，要求静态时、 对地电阻相同，作为平衡电阻：（由虚短得到）。闭环电压放大倍数为：可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于1。当或时，即，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化，称为电压跟随器。（3）接同相输入比例运算电路 （电路如图5-9所示）由“虚断”可得：， 根据“虚短”又可推出：分析电路可得：，又因为：，则有：3、差动输入比例运算电路 （如图5-10所示为差动输入比例运算电路）差动输入比例运算电路：集成运放的同相输入端和反相输入端都接有输入信号时，称为差动输入运算电路。为了提高差动

15、电路的对称性，要求静态时、 对地电阻相同，4个外接电阻应满足：。电路分析有两种方法：利用虚短与虚断的概念，或者使用叠加原理。（1）虚短与虚断由“虚断”可得：根据“虚短”又可推出：分析电路可得：，又因为：，则有：（2）使用叠加原理 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为反相比例运算电路，则有： 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为接有的同相输入比例运算电路，则有： 利用叠加原理有：当、时，则有：结论：输出电压与两个输入电压之差成线性比例关系，该电路又称为差动比例运算电路。若，则有：，此电路实现了输出对输入的减法运算。（减法运算电路）（同相、反相比例运算电路、差动比例运算

16、电路是集成运放线性应用的三种基本电路，利用它们可构成各种放大电路。）对集成运放电路的分析，主要掌握“虚断”、 “虚短”和“虚地”概念，结合这三个概念，即可得到电路分析。（书上69页，例题5-1）5.2.2 算数求和运算电路信号运算是集成运算放大器的另一基本功能。可方便地利用同相、反相、差动比例运算电路实现信号的加、减运算1、反相求和运算电路用反相比例运算电路实现加法运算，如图5-13所示电路为具有三个信号的反相求和运算电路。为了提高差动电路的对称性，要求静态时、 对地电阻相同，作为平衡电阻：利用叠加原理分析电路 令单独作用，、端视为接地，此时的输出为，此时电路变为反相比例运算电路，则有： 令单

17、独作用，、端视为接地，此时的输出为，此时电路变为反相比例运算电路，则有： 令单独作用，、端视为接地，此时的输出为，此时电路变为反相比例运算电路，则有： 利用叠加原理有：结论：输出电压与三个输入电压之和成线性比例关系，且输入电压与输出电压反相，所以该电路又称为反相加法运算电路。当时，则有：2、同相求和运算电路 （如图5-14所示）两个输入信号加在同相输入端。为了提高差动电路的对称性，要求静态时、 对地电阻相同，4个外接电阻应满足：利用叠加原理分析电路 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为接有的同相比例运算电路，则有： 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为接有的同相比例

18、运算电路，则有： 利用叠加原理有：当时，则有：结论：输出电压与两个输入电压之和成线性比例关系，该电路又称为同相加法运算电路。5.2.3 积分和微分运算电路1、基本积分运算电路积分运算电路：输出电压与输入电压成积分关系的电路称为积分运算电路。如图5-15所示，把反相输入比例运算电路中的反馈电阻换成电容，则构成基本积分运算电路。由“虚断”可得：，则有： 由于，即上没有压降，则有由“虚短”可得： （虚地）分析电路可得： ，则有：（对于交流信号，电容相当于短路，所以。）结论：基本积分运算电路实现了输出为输入信号对时间的积分，且输入与输出反相。设时，输出电压初始值为，则时间内，输出电压为：若输入为直流信

19、号，且时刻电容电压为，则输出电压为：由此可知：若输入为直流信号时，随着时间的推移，输出将线性增长。但是，集成运放的输出不可能无限制的增长，当积分时间足够长时，集成运放将进入非线性区，输出与输入不再保持积分关系。（如图5-16所示）（书上72页，例题5-3）2、积分求和运算电路如图5-18所示为具有两个输入信号的积分求和电路。利用叠加原理则有： 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为基本积分运算电路，则有： 令单独作用，端视为接地，此时的输出为，此时电路变为基本积分运算电路，则有： 利用叠加原理有：当时，则有：3、基本微分运算电路微分运算电路：微分运算是积分运算的逆运算，只需将基本积

20、分电路中反相输入端的电阻和反馈电容调换位置，就成为微分运算电路。（如图5-19（a）所示）由“虚断”可得：，则有：由于，即上没有压降，则有由“虚短”可得： （虚地）分析电路可得：，（对于交流信号，电容相当于短路，所以。）则有：结论：基本微分运算电路实现了输出与输入信号对时间的微分成正比。（由于微分电路在实际应用时存在较多的问题，稳定性不高，所以不如积分电路使用广泛。）5.3 集成运算放大器的非线性应用集成运放输入信号过大或工作在开环状态或加正反馈时，集成运放可进入非线性区。运放进入非线性工作区（饱和区），此时输入输出之间不满足线性关系。集成运放工作在非线性区时，输出电压只有两种状态：或（为最大输出电压） 1）当 时，；2）当 时，集成运放工作在非线性区时，只存在虚断现象。5.3.1 电压比较电路理想运放开环工作时，输出电压只有两种状态：或（为最大输出电压），由此可构成电压比较器。1、基本电压比较器：比较两个电压大小的电路。 （如图5-25（a）所示电路）为参考电压，一般为直流基准电压；为输入电压，是被比较的对象。输出电压反映比较的结果。（1）电路分析：运放处于开环状态，根据理想运放工作在开环状态的特点则有：根据虚断，有：，有：，代入上式，则有：可见，如图5-