第9章 集成运算放大器基础

1、集成放大器是一种高放大倍数的多级直接耦集成放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路合放大电路(direct coupling amplifier)。是发展最早、。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。由于最初多用应用最广泛的一种模拟集成电路。由于最初多用于各种模拟信号运算（如比例、求和、求差、积于各种模拟信号运算（如比例、求和、求差、积分、微分分、微分 ），故被称为），故被称为集成运算放大电路集成运算放大电路(integrated operational amplifier circuit)，简称，简称集成集成运放运放。 rid 大大: 几几百百K 几几十十M 集成运放的特点：集成运放

2、的特点：共模抑制比共模抑制比CMRR 很大很大 ro 小：小：几几 几十几十 Aod 很很大大: 105 107理想运放：理想运放： rid CMRR ro 0 0Aod +UCCUEEuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的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。共发射极放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出

3、电阻低，带负载能与负载相接，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。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路：偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电为各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。路构成。 运算放大器的方框图运算放大器的方框图集成运放的符号：集成运放的符号： u u+ uoAo国内符号国内符号uu+ uo国际符号国际符号直接耦合使得各级的静态工作点直接耦合使得各级的静态工作点Q相互影响，如前一级的相互影响，如前一级的Q点发生变点发生变化，则会影响到后面各级的

4、化，则会影响到后面各级的Q点。第点。第一级的微弱信号变化，经多级放大以一级的微弱信号变化，经多级放大以后使输出端产生很大的变化。最常见后使输出端产生很大的变化。最常见的由于环境温度变化而引起的工作点的由于环境温度变化而引起的工作点漂移，称为漂移，称为温漂温漂，它是影响直接耦合，它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。当输放大电路性能的主要因素之一。当输入短路时，输出端却存在随时间缓慢入短路时，输出端却存在随时间缓慢变化电压，如图变化电压，如图9-2所示。这种输入所示。这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化电压为零，输出电压偏离零值的变化称为称为“零点漂移零点漂移”，简称，简称“零漂零漂”

5、。产生零漂的原因主要是因为晶体管的参数受温度的影响。产生零漂的原因主要是因为晶体管的参数受温度的影响。 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui

6、2 = 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）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号共模信号 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号例例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

7、可分解成可分解成: : 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。 （Common Mode Rejection Ratio)dCCMRRAAdCCMR(dB)20lg( )AA分贝 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 。+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+稳定静态工作点，

8、限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，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。9.3.1 集成运放的主要参数集成运放的主要参数2. 最大输出电压最大输出电压 UOP-P 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。1. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod 运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。 Aod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。一般在一般在105 107之间。理想运放的之

9、间。理想运放的Aod为为 。3. 差模输入电阻差模输入电阻 rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。源索取电流的大小。rid越大越好，越大越好，rid1M , 有的可有的可达达100M 以上。理想集成运放的以上。理想集成运放的rid为为 。5. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模信号的抑制能共模抑制比反映了集成运放对共模信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好，理越大越好，理想集成运放的想集成运放的CMRR为为 。6. 输入失调电压输入失调电压 UIO 使使

10、uo=0，在输入端加的一个很小的补偿电压。其，在输入端加的一个很小的补偿电压。其值愈小愈好。值愈小愈好。4. 输出电阻输出电阻 ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。一般力。一般几几 几十几十 ，理想集成运放的理想集成运放的ro为为0。7. 输入失调电流输入失调电流 IIO 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。其值愈小愈好。其值愈小愈好。8. 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输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。它的大小主要和电路

11、中第一级管子的性能有均值。它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关。其值愈小愈好。关。其值愈小愈好。9. 带宽带宽 fh 运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。于高频信号。集成运算放大器的特点：集成运算放大器的特点： 开环电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低，开环电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低，漂移小，可靠性高，体积小。漂移小，可靠性高，体积小。1. 理想运放几个重要指标理想运放几个重要指标开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo ，差模输入电阻差模输入电阻 rid ，开环输出电阻开环输出电阻ro 0 ， 共模抑制比共模抑制比C

12、MRR uo+ u+u+UCCUEE 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的谓的理想运放理想运放。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(sat) u+ u 时，时， uo = Uo(sat) u+ u uoUo(sat)+Uo(sat) O饱和区饱和区集成运放引脚集成运放引脚 在应用集成运放时在应用集成

13、运放时, ,需要知道它的几个管脚的用需要知道它的几个管脚的用途以及放大器的主要参数途以及放大器的主要参数, ,至于它的内部电路结构如至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。何一般是无关紧要的。 集成运算放大器有集成运算放大器有铝壳封装铝壳封装和和双列直插式塑壳双列直插式塑壳封装封装两种。两种。 常有七个引脚，常有七个引脚， 如图所示，如图所示， 用途是：用途是：F0072341567+15V-15VRP输出端输出端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端1 1和和5 5为外接调为外接调零电位器的两零电位器的两个端子。个端子。 2 2为反相输入端为反相输入端，由此端接输入信号，则输出信号，由此

14、端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的（或两者极性相反）。与输入信号是反相的（或两者极性相反）。 3 3为同相输入端为同相输入端，由此端接输入信号，则输出信号，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的（或两者极性相同）。与输入信号是同相的（或两者极性相同）。 4 4为负电源端为负电源端，接接-15V-15V稳压电源。稳压电源。 7 7为正电源端为正电源端，接接+15V+15V稳于电源。稳于电源。 6 6为输出端为输出端。 F0072341567+15V-15VRP输出端输出端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端 表示表示 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

15、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态工作点稳定静态工作点 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体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器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、反行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深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度负反馈。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

16、路的结构和关系基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大。参数，而与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。实现不同的运算。作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度引入深度电压并联负反馈电压并联负反馈或或电压串联负反馈电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。与输入电压和反馈系数有关。1i1Ruui FofR

17、uui （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” 反相输入端的重反相输入端的重要特点要特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对地电阻相同，保证静态对地电阻相同，保证静态时输入级的对称性。时输入级的对称性。 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RFi1FouRRu

18、1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈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并联反馈并联反馈反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈iif1iurRiof0r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，要求不变，要求Auf为为 10，则，则RF 、 R2 应为应为 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (

19、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 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以i+= i = 0, 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 uoRFuiR2R1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u+ =u = ui 同相输入端不同相输入端不“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，

20、电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFu+u 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别加两个输入端加两个输入端串联反馈串联反馈反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈 1Fiof1RRuuAu i1Fo)1(uRRu 反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈uoRFuiR2R1+ 当当 R1= 或或 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称称电压跟随器电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 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

21、输出器更好。射极输出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度引入深度电压并联负反馈电压并联负反馈或或电压串联负反馈电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。与输入电压和反馈系数有关。因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFFo2i2

22、i1i1iRuuRuuRuu uoii2ii1ifui2RFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if FFoi1i2i1i2-(+)RRu =uuRRui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+FFoi1i2i1i2-(+)RRu =uuRRi1i2FRRR() oi1i2uuu由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 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3FFoi2i11231(1+)+RRRuuuRRRR 1i1i1o1F-(-)+RuuuRR-i11 1 =-uuR iui2uoRFui1R3R2+ R1+i1if电压放大倍数电压放大倍数oFufi2i11=-uRAuuR uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F