第五章集成运算放大器1

1、集成电路集成电路(IC,integrated circuit): 将整个电路的将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路模拟集成电路、数字集成电路数字集成电路；小小(SSI)、中、中(MSI)、大、大(LSI)、超大规、超大规模集成电路模集成电路(VLSI)； 集成电路概述集成电路概述集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，

2、元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外接。3. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。使用使用IC时的注意事项时的注意事项 IC不耐高温，焊接不耐高温，焊接IC时需要充分注意；时需要充分注意； IC不能加过高的电压或者反相电压；不能加过高的电压或者反相电压；

3、 避免在高湿度的环境中工作避免在高湿度的环境中工作。集成电路集成电路数字（数字（digital）集成电路）集成电路模拟（模拟（analog）集成电路）集成电路集成集成运算放大器运算放大器Operational amplifier 集成运算放大器是模拟集成电路的最主要集成运算放大器是模拟集成电路的最主要的代表器件，一直在模拟集成电路中居主的代表器件，一直在模拟集成电路中居主导地位。由于这种放大器早期是在模拟计导地位。由于这种放大器早期是在模拟计算机中实现某种数学运算，故名运算放大算机中实现某种数学运算，故名运算放大器。现在，它的应用已远远超过了模拟计器。现在，它的应用已远远超过了模拟计算的范围，

4、在信号处理、信号测量、波形算的范围，在信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域都得到了广泛的应转换、自动控制等领域都得到了广泛的应用。用。 5.1集成运算放大器概述集成运算放大器概述输入级中间级输出级偏置电路通常由差动放通常由差动放大电路构成，大电路构成，目的是为了减目的是为了减小放大电路的小放大电路的零点漂移、提零点漂移、提高输入阻抗高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对通常由互补对称电路构成，称电路构成，目的是为了减目的是为了减小输出电阻，小输出电阻，提高电路的带提高电路的带负载

5、能力负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。态工作点。UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图原理框图输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相一、开环差模电压放大倍数一、开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为 。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMM

6、R常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。三、差模输入电阻三、差模输入电阻ridri1M , 有的可达有的可达100M 以上。以上。四、输出电阻四、输出电阻roro =几几 -几十几十 。集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标五、最大共模输入电压五、最大共模输入电压UIcmax六、最大差模输入电压六、最大差模输入电压UIdmax七、七、-3dB带宽带宽fH运放是直流放大器，运放是直流放大器， 也可放大低频信号，也可放大低频信号，不适用于高频信号。不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对称性、零漂等的参还有其他一些反映运放对称性、零漂等的参数。不再一一介绍。数。不再一

7、一介绍。集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运放是一种电压放大倍数集成运放是一种电压放大倍数高，输入电阻大，输出电阻小，高，输入电阻大，输出电阻小，零点漂移小，抗干扰能力强，零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，耗电少的可靠性高，体积小，耗电少的通用电子器件。通用电子器件。 A +同相输入端反相输入端uouu+uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+AuoCoOMEuUmax例：若例：若UOM=12V，Au

8、o=106，则则|ui|0，即时，oOM当i0，即 UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 特点特点:运放处于运放处于 开环状态开环状态+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入电压比较器电压比较器(续续)电压传输特电压传输特性曲线性曲线uoui0+UOM-UOM+uoui过零比较器过零比较器: 当当UR =0时时+uouiuoui0+UOM-UOM电压比较器电压比较器(续续)+uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波

9、。方波。+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UF ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放的特点运放的特点KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A uo很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据u+uo_+uIi理想运放的传输特性理想运放的传输特性 由于。线性区几乎与由于。线性区几乎与纵坐标重合。不加纵坐标重合。不加负反馈时，稍有负反馈时，稍有u ud d即即进入饱

10、和区进入饱和区UOMUOMudu0 uuCCOM0UUu uuEEOM0UUu时，时，u+uo_+uIi在在输出与输入之间输出与输入之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线才能使其扩大输入信号的线性范围性范围_+ + u+u-u0反馈电路反馈电路理想运放的条件理想运放的条件oAir0or)uu(Auoo虚短路虚短路uu0iI放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚开路虚开路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点0ii ：将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过

11、某种电路（反馈电路）送回到输入回路，从而影响输入信号的过程。反馈到输入回路的信号称为反馈信号。根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两大类型。；。放大器放大器输出输出输入输入取取+ 加强输入信号加强输入信号 正反馈正反馈 (positive feedback) 用于振荡器用于振荡器(oscillator)取取 - 削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 (negative feedback) 用于放大器用于放大器(amplifier)开环开环(open loop)闭环闭环(closed loop)反馈网络反馈网络叠加叠加反馈反馈信号信号实际被放大信号实际被放大信号反馈反馈(

12、feedback)框图：框图：反馈电路的三个环节：反馈电路的三个环节：放大：放大：dooXXA反馈：反馈：ofXXF叠加：叠加：fidXXX负反馈框图：负反馈框图：基本放大基本放大电路电路AodXoX反馈回路反馈回路FfXiX+输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号差值信号差值信号基本放大基本放大电路电路AodXoX反馈回路反馈回路FfXiX+dooXXA开环放大倍数开环放大倍数(open loop gain)ioFXXA闭环放大倍数闭环放大倍数(closed loop gain)ofXXF反馈系数反馈系数负反馈的分析方法负反馈的分析方法分析步骤：分析步骤：3. 是否负反馈？是否负反

13、馈？4. 是负反馈！那么是何种类型的负反馈？是负反馈！那么是何种类型的负反馈？（判断反馈的组态）（判断反馈的组态）1. 有无反馈？找出反馈网络（电阻）。有无反馈？找出反馈网络（电阻）。2. 是交流反馈还是直流反馈？是交流反馈还是直流反馈？有无反馈的判断有无反馈的判断 判断放大电路有无反馈的方法是：判断放大电路有无反馈的方法是： 看输出量是否通过一定的电路（反馈电路）看输出量是否通过一定的电路（反馈电路）引回到输入端或者是输入回路，该电路存引回到输入端或者是输入回路，该电路存在，就有反馈，反之无反馈。在，就有反馈，反之无反馈。交直流反馈及其判断交直流反馈及其判断 引回的反馈量是直流量为引回的反馈

14、量是直流量为直流反馈直流反馈，如果是，如果是交流量为交流量为交流反馈交流反馈。 判断的方法是通过观察反馈电路，如果有直判断的方法是通过观察反馈电路，如果有直流通路，直流信号能反馈回去，则存在直流通路，直流信号能反馈回去，则存在直流反馈。如果有交流通路，交流信号能反流反馈。如果有交流通路，交流信号能反馈回去，则存在交流反馈。馈回去，则存在交流反馈。 解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。存在，来进行判别。判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。uu+1A+RfR

15、oiC22R1C交、直流反馈交、直流反馈交流反馈交流反馈 注意电容的注意电容的“隔直通交隔直通交”作用！作用！本级反馈本级反馈反馈只存在于某一级放大器中反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中反馈存在于两级以上的放大器中判断下图中的本级反馈与级间反馈判断下图中的本级反馈与级间反馈VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1级间反馈级间反馈本级反馈本级反馈本级反馈本级反馈增加隔直电容增加隔直电容C后，后，Rf只对交流起反馈作用。只对交流起反馈作用。注：本电路中注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。也起到隔

16、直作用。+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+T1T2RfRE1C正负反馈及其判断正负反馈及其判断 根据引回的反馈量对输入量的影响，如果是削弱，根据引回的反馈量对输入量的影响，如果是削弱，为为负反馈负反馈(negative feedback)；是加强为；是加强为正反馈正反馈(positive feedbak)。 正负反馈的判别方法可采用正负反馈的判别方法可采用“瞬时极性法瞬时极性法”，具，具体步骤是：体步骤是： 在放大电路的输入端加一个瞬时对地的信号（作在放大电路的输入端加一个瞬时对地的信号（作为输入信号），根据每级放大电路输出与输入的为输入信号），根据每级

17、放大电路输出与输入的相位关系，一级一级地向后观察，判断在输出端相位关系，一级一级地向后观察，判断在输出端引回反馈的那一点的瞬时相位，在沿反馈回路看引回反馈的那一点的瞬时相位，在沿反馈回路看回来，得到在输入端的反馈信号的瞬时相位，如回来，得到在输入端的反馈信号的瞬时相位，如果反馈信号是加强输入信号为正反馈，是削弱输果反馈信号是加强输入信号为正反馈，是削弱输入信号为负反馈。入信号为负反馈。反馈的正、负极性通常采用瞬时极性法判别。晶体反馈的正、负极性通常采用瞬时极性法判别。晶体管、场效应管及集成运算放大器的瞬时极性如图所示。管、场效应管及集成运算放大器的瞬时极性如图所示。晶体管的基极（或栅极）和发射

18、极（或源极）瞬时极性晶体管的基极（或栅极）和发射极（或源极）瞬时极性相同，而与集电极（或漏极）瞬时极性相反。集成运算相同，而与集电极（或漏极）瞬时极性相反。集成运算放大器的同相输入端与输出端瞬时极性相同，而反相输放大器的同相输入端与输出端瞬时极性相同，而反相输入端与输出端瞬时极性相反。入端与输出端瞬时极性相反。 A +(a) 晶体管 (b) 场效应管 (c) 集成运算放大器+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RE+uf+ ube +判断图示电路的反馈极性判断图示电路的反馈极性。解：设基极输入信号解：设基极输入信号ui的瞬时极性为正，则发射极反的瞬时极性为正，则发射极反馈信号馈信号

19、uf的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信号号ube（净输入信号净输入信号）与没有反馈时相比减小了，即）与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+T1T2RfRE1负反馈判断图示电路的反馈极性判断图示电路的反馈极性。Rpui +uoR1RF+uf+ud判断图示电路的反馈极性判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬的瞬时极性为负，经时极性

20、为负，经RF返送回同相输入端，反馈信号返送回同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，的瞬时极性为负，净输入信号净输入信号ud与没有反馈时相比与没有反馈时相比增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可确定为确定为正反馈正反馈。Rpui + +uoR1RF+uf+ud判断图示电路的反馈极性判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号瞬时极性为正，则输出信号uo的的瞬时极性为正，经瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，反馈信号返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为正，的瞬时极性为正，净输入信号净输入信号ud与没有反

21、馈时相与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为可确定为负反馈负反馈。总结总结 对单级集成运算放大电路，反馈引回到反对单级集成运算放大电路，反馈引回到反相输入端为负反馈；相输入端为负反馈； 反馈引回到同相输入端为正反馈。反馈引回到同相输入端为正反馈。 有多个运放构成的放大电路反馈极性，要有多个运放构成的放大电路反馈极性，要根据瞬时极性法具体分析。根据瞬时极性法具体分析。负反馈的类型及分析方法负反馈的类型及分析方法负反馈的类型负反馈的类型负负反反馈馈交流负反交流负反馈馈直流负反直流负反馈馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反

22、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作用：稳定静态工作点作用：稳定静态工作点电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈电压反馈：电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。反馈信号取自输出电流信号。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。根据输出端的结构，可分为电压反馈和电流反馈。根据输出端的结构，可分为电压反馈和电流反馈。判断方法：判断方法：将输出端（负载电阻的两端）短路，若将输出端（负载电阻的两端）短路，若反馈消失，是电压反馈，否

23、则为电流反馈。反馈消失，是电压反馈，否则为电流反馈。 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。串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。电压信号与输入信号电压比较。并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。信号电流与输入信号电流比较。串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈根据输入端的结构，可分为串联反馈和并联反馈。根据输入端的结构，可分为串联反馈和并联反馈。判

24、断方法判断方法是若输入量与反馈量在同一点，是并联反是若输入量与反馈量在同一点，是并联反馈，否则为串连反馈。馈，否则为串连反馈。Rpui + +uoR1RF+uf+ud1 1、电压串联负反馈、电压串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为。将输出端交流短路，RF直接接地，即反馈信号消失，故为。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为。Rp +uouiRFR1iiifid2 2、电压并联负反馈、电压并联负反馈即反馈信

25、号削弱了输入信号的作用，故为。将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电流if=0，即反馈信号消失，故为。ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为。+uoRpui + +R+uf+udRLio3 3、电流串联负反馈、电流串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为。将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之

26、间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为。即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为。Rp +uiRFR1iiifidRRL+uoio4 4、电流并联负反馈、电流并联负反馈将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是。ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为。u-uR+1f-ofo+LiRRRi+idAiii电流并联负反馈电流并联负反馈判断以下各图的反馈类型判断以下各图的反馈类型Rc1c2R+Vc2i-ROsR-ff12+uTisRRTiC

27、CibiuLe2电流并联负反馈电流并联负反馈VVA+2A1uiOu1RR2R3R45RR6u-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoi电压串联负反馈电压串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引入电流负反馈的目的引入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定输出电流稳定过程：稳定过程：RL io(ic2) if id （ib） io(ic2) +-Rc1c2RRfRe2RsLR1T2Tic2ifsius-u+O+-uiCC+Vibuu-1AiiR+i+oidifiofRRLR+-判断反馈类型，及电路的工作过程。判断反馈类型，及电路的工作过程。接有发射极交流负反馈电阻的放

28、大器接有发射极交流负反馈电阻的放大器(电流串联负反馈电流串联负反馈)RB1+ECRCC1C2RB2RERLuoBCRFRECEEuiubeuf负反馈电阻负反馈电阻RF性能比较性能比较结论结论: (1)放大倍数减小了放大倍数减小了,但稳定了但稳定了,即受晶体管的影响减小。即受晶体管的影响减小。(2) 输入电阻提高了输入电阻提高了.无无RF有有RF放大倍数放大倍数 -93 -19输入电阻输入电阻 1.52k 5.9k 输出电阻输出电阻 5 k 5 k RB1=100k RB2=33k RE=2.4k RF=100 RC=5k RL=5k =60EC=15Vrbe=1.62 k 放大倍数稳定性的比较

29、放大倍数稳定性的比较无无RFbeLurRA =60时时, Au =-93 =50时时, Au =-77有有RF=- RLrbe +（1+ ）RFAF =60时时, Au =-19 =50时时, Au =-18.6(2) 射极跟随器射极跟随器(电压串联负反馈电压串联负反馈)RB+ECC1C2RERLuouiubeuf性能：性能：（1）放大倍数）放大倍数 1（2）输入电阻大）输入电阻大（3）输出电阻小）输出电阻小负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响dooXXA ofXXF fidXXX 反馈电路的反馈电路的基本基本 方程方程基本放大电路基本放大电路AodX oX 反馈网络反馈网络FfX iX + FA1AXXAooiofFAo开环放大倍数开环放大倍数AF闭环放大倍数闭环放大倍数Xf与与Xi同相同相AF=Ao1+ AoF负反馈放大器的闭环放大倍数负反馈放大器的闭环放大倍数当当Ao很大时很大时, AoF 1,AF 1 F结论结论:当当Ao很大时很大时,负反馈放大器的闭环放大负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即只与反