13集成运算放大器简介

1、一、复习引入 集成运算放大器实质上是一个高电压增益、高输入电阻及低输出电阻的直接耦合多级放大电路，简称为集成运放。它的类型很多，为了方便通常将集成运算放大器分为通用型和专用型两大类。前者的适用范围广，其特性和指标可以满足一般应用要求；后者是在前者的基础上为适应某些特殊要求而制作的。不同类型的集成运放，电路也各不相同，但是结构具有共同之处。二、新授（一）集成运算放大器的典型结构如图1所示为集成运放内部电路原理框图。它由四部分组成：输入级、中间级（电压放大级）、输出级和偏置电路。图1 集成运算放大器组成框图1.输入级对于高增益的直接耦合放大电路，减小零点漂移的关键在第一级，因此集成运放的输入级一般

2、是由具有恒流源的差分放大电路组成的。利用差分放大电路的对称性，可以减小温度漂移的影响，提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，并且通常工作在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。2.中间级中间级（电压放大级）的主要作用是提高电压增益，大多采用由恒流源作为有源负载的共发射极放大电路，其放大倍数一般在几千倍以上。3.输出级输出级应具有较大的电压输出幅度、较高的输出功率和较低的输出电阻，一般采用电压跟随器或甲乙类互补对称放大电路。4.偏置电路偏置电路提供给各级直流偏置电流，使之获得合适的静态工作点。它由各种电流源电路组成。此外还有一些辅助环节，如电平

3、移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。（二）理想运放的概念为简化分析，人们常把集成运放理想化。理想运放电路符号如图2所示，它与一般运放的区别是多了几个“”符号。1.理想运放的主要条件为：（1）开环差模电压放大倍数 ;（2）开环差模输入电阻rid;（3）共模抑制比KCMR; （4）输入偏置电流; （5）开环输出电阻ro=0;图2 理想运放电路符号2、理想运放的特点工作在线性放大状态的理想运放具有以下两个重要特点：（1）虚短对于理想运放，由于，而输出电压uO总为有限值，根据Aod=uid/uO可知uid=0或u+=u-，也即理想运放两输入端电位相等，相当于两输入端短路，但又不是真正的短路，故称

4、为“虚短”。（2）虚断由于理想运放的rid ，流经理想运放两输入端的电流i+=i-=0，相当于两输入端断开，但又不是真正的断开，帮称为“虚断”，仅表示运放两输入端不取电流。“虚短”、“虚断”示意图如图3所示。 （a）运放的电压与电流（b）“虚短”和“虚断”图3 “虚短”、“虚断”示意图（三）比例运算电路数学中y=kx（k为比例常数）称为比例运算。在电路中则可通过uo=kui来模拟这种运算，比例常数k为电路的电压放大系数Auf。1、反相比例运算电路反相比例运算电路如图4所示图中Rf是反馈电阻，引入了电压并联负反馈，R是计及信号源内阻的输入回路电阻。由Rf和R共同决定反馈的强弱。R为补偿电阻。以保

5、证集成运放输入级差分放大电路的对称性，其值为ui=0（即输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即R=R/Rf。图4 反相比例运算电路根据理想运放的特点有如下结论：u=u=0 i+=i=0 节点N的电流方程为iR=if+i-=0 =由于N点为虚地，整理得出： 即uo与ui成比例关系，比例系数为 Rf/R，负号表示uo与ui反相，比例系数的数值可以是大于、等于和小于1的任何值。若R/Rf,则构成一个反相器。根据负反馈对放大器性能的影响不难得出Ro=0和Ri=R的结果。例1 由理想集成运算放大器所组成的放大电路如图5所示，试求uo与ui之比值。图5 例1电路图解：根据理想运放工作在线性区的特点，N点为

6、虚地，侧有： 即 而流过R3和Rs的电流为 i4=i2+i3输出电压u0=i2R2i4R4将各电流表达式代入上式，整理可得：图5电路中R2、R3、R4构成一T型网络电路，可用来提高反相比例运算电路的输入电阻即在R较大的情况下，保证有足够大的比例系数，同时反馈网络的电阻也不需很大。2、同相比例运算电路同相比例运算电路如图6所示。电路引入了电压串联负反馈。图6 同相比例运算电路根据“虚短”和“虚断”的概念，我们有：u=u=ui 而iR=if 则有： 即 U0=（1+）U =（1+）U =（1+）Ui应特别注意，同相比例运算电路中反相输入端不是虚地点，由于U=U= Ui，即共模电压等于输入电压，因此应选择共模抑制比高的集成运算放大器业构成同相比例运算电路以减小运算误差。不难看出，若将开路即时，只要f为有限值（包括零），则uoui。说明uo与ui大小相等，相位相同，这就构成了电压跟随器。图7所示便是电压跟随器的典型电路。由于集成运放性能优良，用它构成的电压跟随器不仅精度高，而且输入电阻大、输出电阻小。通常用作阻抗变换器和缓冲级。 （a） （b）图7 电压跟随器 例2在图8所示由理想集成运算放大器所构成的电路中，若1=Rf、R2=R3求输出电流iL与输入电压ui的关系。图8 例2的电路解：利用节点P的电流方程则有： 代入得： 由此可见，负载中电流iL与输入