电工电子学ch9集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多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。一种模拟集成电路。集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是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间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双

2、、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成芯片各类型号集成芯片 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能

3、减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静

4、态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。电位器电位器 RP : 起调零作用。起调零作用。 共模信号共模信号 需要抑制需要抑制+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可

5、分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。 uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+(Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCM

6、R分贝AAK KCMR越大，说明差放分辨越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0，实际输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响 。9.1.3 集成运放的工作原理集成运放的工作原理反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端输出端输出端运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +

7、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)(a) 符号符号; (b)引脚引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出1. 主要参数主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOM 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 共模

8、输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB9.1.3 集成运放的特性集成运放的特性线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = Uo+ u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ u 时，时， uo

9、 = Uo(sat) u+ u uoUo(sat)+Uo(sat) O饱和区饱和区RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+esRB+UCCC1C2RRLui+uo+RS(b) 带反馈带反馈(a)不带反馈不带反馈AoXiX1. 反馈的定义反馈的定义+fXiXAoXfidXXX 净输入信号净输入信号dX 反馈信号反馈信号fX 输出信号输出信号oX净输入信号：净输入信号：FiXdX反馈电路反馈电路比较环节比较环节 输入信号输入信号iX基本放大电路基本放大电路 若若三者同相，则三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即即Xd Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的，即反馈信号起了增强净输入

10、信号的作用则为正反馈。作用则为正反馈。负反馈：负反馈：反馈信号削弱净输入信号，反馈信号削弱净输入信号， 使放大倍数降低。使放大倍数降低。在振荡器中引入正反馈在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。用以产生波形。 在放大电路中，出现正反馈将使放大在放大电路中，出现正反馈将使放大器器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。产生自激振荡，使放大器不能正常工作。 正反馈：正反馈：反馈信号增强净输入信号，反馈信号增强净输入信号， 使放大倍数提高。使放大倍数提高。返回返回后一页后一页（1） 正反馈与负反馈正反馈与负反馈（2 2）交流反馈交流反馈与与直流反馈直流反馈 在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断在反馈网络中串

11、接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。直流，此时反馈只对交流起作用。 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。可以使其只对直流起作用。 反馈只对交流信号起作用，称为交流反反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。有的反馈对交直流均起作用。返回返回后一页后一页引入交引入交流负反流负反馈的目馈的目的：的：改善放改善放大电路大电路的性能的性能引入直引入直流负反流负反馈的目馈的目的：的：稳定静稳定静态工作态工作点。点。RE直流反馈直流反馈RE

12、交直流反馈交直流反馈+UCCREiUoU+UCCREiUoU+返回返回后一页后一页 (3)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈电流反馈。 (4)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式

13、作比较，称为号以电压形式作比较，称为串联反馈串联反馈。 反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为号以电流形式作比较，称为并联反馈并联反馈。doXXA ofXXF fidXXX AFAXXA 1iof+fXdXAoXFiXAA fdfXX、中中，在在 1 fAFAA dfofdoXXXXXXAF 若若|AF| 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈稳定静

14、态工作点稳定静态工作点 (1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈电流反馈。 (2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为号以电压形式作比较，称为串联反馈串联反馈。 反馈

15、信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为号以电流形式作比较，称为并联反馈并联反馈。iiifibib= ii - if输入信号输入信号反馈信号反馈信号净输入信号净输入信号并联反馈并联反馈跳转跳转1ube= ui - uf输入信号输入信号净输入信号净输入信号串联反馈串联反馈ufuiube+ + + +反馈信号反馈信号反馈信号与输入反馈信号与输入信号并联，即反馈信号并联，即反馈电流信号与输入信电流信号与输入信号电流比较号电流比较, ,称为称为并联反馈并联反馈。反馈信号与输入反馈信号与输入信号串联，即反馈信号串联，即反馈电压信号与输入信电

16、压信号与输入信号电压比较的，称号电压比较的，称为为串联反馈串联反馈。返回返回后一页后一页+uf+ud设输入电压设输入电压 ui 为正，为正，差值电压差值电压 ud =ui uf各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图uf 减小了净输入电压减小了净输入电压(差值电压差值电压) 负反馈负反馈 uoRFuiR2R1+ +例例1：uoRFuiR2R1+ +例例2：设输入电压设输入电压 ui 为正，为正，差值电压差值电压 ud =ui + uf各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图uf 增大了净输入电压增大了净输入电压 正反馈正反馈 +uf+ud 在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。在振荡器中引入正反

17、馈，用以产生波形。 在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。振荡，使放大器不能正常工作。RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RBRERLuiuo+ie如果有发射极旁路电容，如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信中仅有直流分量的信号通过号通过 ，这时，这时RE引入的引入的则是直流反馈。则是直流反馈。引入交流引入交流负反馈的负反馈的目的：目的：改改善放大电善放大电路的性能路的性能引入直流引入直流 负反馈的负反馈的目的：目的：稳稳定静态工定静态工作点作点分析步骤：分析步骤：3) 3) 是负反馈，判断负反馈的

18、类型是负反馈，判断负反馈的类型;1) 1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）；找出反馈网络（一般是电阻、电容）；2) 2) 判别反馈极性；判别反馈极性；4) 4) 分析计算。分析计算。返回返回后一页后一页oF11fuRRRu AF+ufuduiuO(b)方框图方框图oF11fuRRRu 111RRFAFufF11RRRFRuRuiifo 特点特点: 输出电流输出电流 io与负载电阻与负载电阻RL无关无关 同相输同相输入恒流源电路或入恒流源电路或电压电压电流变换电流变换电路。电路。AF+ufuduiiO(b)方框图方框图RuRuiifo RFAf11RRuiRuuALfoLiouffofRui

19、AF+ifidiiuO(b)方框图方框图fofRui f1RFffRFA111RRiRuuuAffoioufoFfiRRRi AF+ifidiiiO(b)方框图方框图oFfiRRRi FRRRFFfRRRFA1)1 (111RRRRiRiRuuAFLoLiouff11i1 iiRui ，且且因因iF1o)1(1 uRRRi 所所以以oFfiRRRi RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；对交流不起作用，引入的是直流反馈；RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。是交、直流反馈。RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+U

20、CC+T1T2解解：+ RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+UCC+T1T2doXXA ofXXF fidXXX AFAXXA 1iof+fXdXAoXFiXAFAA 1fAAAFAAd11dff 若若|AF| 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001 f AFAA则则：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 则则：BWFABW)1(of 无负反馈无负反馈f|AO|0.707|Auo|Of 2| Afo |f2|Af|, |Af

21、|0.707|Afo|加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuiuo大大小小接近正弦波接近正弦波uouiA+uidufuiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu FArr0ifi1 ifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifiur iiibube+o0of)1(rFAr FArr0oof1 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输

22、出特性，故输出电阻降低。恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。恒流输出特性，故输出电阻提高。四种负反馈对四种负反馈对 ri 和和 ro 的影响的影响串联电压串联电压 串联电流串联电流并联电压并联电压并联电流并联电流思考题：为了分别实现：思考题：为了分别实现： (1) 稳定输出电压；稳定输出电压； (2) 稳定输出电流；稳定输出电流； (3) 提高输入电阻；提高输入电阻； (4) 降低输出电阻。降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？应引入哪种类型的负反馈？riro减低减低增高增高增高增高增高增高增

23、高增高减低减低减低减低减低减低 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不

24、大。改变输入电路和运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。1i1Ruui FofRuui (1) 电路组成电路组成 以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。(2) 电压放大倍数电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，称反相输入端称反相输入端“虚虚地地” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对对地电

25、阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RFuoRFuiR2R1+ 例例: 电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求求: 1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不变不变, 要求要求Auf为为 10, 则则RF 、 R2 应为多少？应为多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 10

26、0 (10 +100) = 9. 1 k uORFuiR2R1+ oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu (1) 电路组成电路组成(2) 电压放大倍数电压放大倍数1Fiof1RRuuAu 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFuoRFuiR2R1+ u+u 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由

27、运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例： 由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。UORFR2R1+ RL+UZRDZ+UUORFR2R1+ +RLRDZ+UZ+U反相输入恒压源反相输入恒压源同相输入恒压源同相输入恒压源ZFO1URRU ZFO)(11URRU 改变改变 RF 即可调节恒压源的输出电压。即可调节恒压源的输出电压。因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuR

28、u 故故得得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu uoui2RFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2：2i2i1i

29、1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+)(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如

30、如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则则：R2 / R3 = R1 / RF输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量常用做测量放大电路放大电路)1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu 1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+ 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uOCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的