电工与电子技术基础10--集成运算放大器课件

1、本章要点第10章 集成运算放大器 本章主要介绍集成运算放大器的组成，差分放大电路的特点、工作原理和分析方法，理想运算放大器的特性及由其构成的基本运算电路。重点要求掌握差分放大电路的特点及静态计算、双端输出时的动态分析，理想运算放大器的分析依据及比例、加法、减法、微、积分运算电路的分析应用。 为什么集成电路应用得如此广泛？ 你知道吗体积小、重量轻、耗电低、工作可靠性高，便于维护。元器件、导线甚至完整的系统一次性加工在一微小的硅片上。 集成电路是将管子、电阻、电容等元器件及电路的连线都集成在一块半导体基片上。它具有体积小，重量轻、功耗低、工作可靠等优点，广泛用于信号处理、信号变换、信号发生等方面，

2、因此在自动控制、测量仪表等领域占有重要的地位。 集成电路按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类：10.1 概述集成运算放大器是模拟集成电路的一种。它实际上是一个高开环放大倍数的多级直接耦合放大电路。100/片（1001000）/片103 105 /片105 以上/片集成运放的组成输入级：输入电阻大、零点漂移小。差动放大电路中间级：较高的电压放大倍数。共射放大电路输出级：输出电阻小、提高足够的功率输出。射极输出器偏置电路：为各级提供合适的静态工作点。恒流源10.2 直接耦合放大电路的零点漂移问题 由于阻容耦合隔直，不能放大缓慢变化的信号及直流信号，故而只能采用前后级直接相连的直接耦合方式。

3、但直接耦合放大电路除了前后级工作点相互牵连、电平移动问题外，更为突出的问题是零点漂移问题。1. 什么是零点漂移？ 当输入电压ui0时，uo0 ，即静态时在输出端还有缓慢变化的电压信号输出，输出电压偏离原来的起始点而上下飘动，这种现象称为零点漂移。如右图所示。 当漂移量大到足以和输入信号相比时，两者无法分辨，使放大电路无法正常工作。 实际上阻容耦合的交流放大器也存在零点漂移，但由于电容容隔直通交的特点，递缓慢变化的信号及直流信号无法从前级往后级传输。 零点漂移所产生的电压实际上是一个虚假信号。当放大电路外加输入信号后，它与真实信号共存于电路中。2. 零点漂移的影响3.零点漂移产生的原因 引起零点

4、漂移的原因很多，如元件的老化、参数的变化、电源电压的波动等。 最严重的是三极管的参数随温度的变化引起的漂移。 特别是放大器第一级的漂移量，对真实输出的影响最大。 因为它与输入信号一起以同样的放大倍数传送到输出端。所以克服零点漂移现象的影响，主要途径是抑制第一级的温度漂移。指温度升高一度（C）时，输出端的漂移电压折合到输入端的等效输入漂移电压，即5.采取的措施a采用热敏元件进行补偿；b. 采用负反馈自动稳定态工作点（射极偏置电路）；c采用差分式放大电路，利用电路的对称性抑制零点漂移。4.零点漂移的指标抑制零点漂移是有效的方法是第一级采用差分放大电路10.3.1 差动放大电路的结构特点典型差动放大

5、电路如图10-2所示，其特点为：a. VT1、VT2构成的左右放大电路结构完全对称，管子特性相同。10.3 差动放大电路b.电路有两个输入端ui1和ui2 ，且ui ui1 ui2 ;电路还有两个输出端uo1 、 uo2 ，且uo uo1 uo2 。c.电路有两个直流电源Ucc、UEE。10.2.2 零点漂移的抑制a. 静态时ui1ui20，即将两输入端与地短接。则输出电压为：尽管两个管子都产生了零点漂移，但由于两管集电极电位的变化是互相抵消的，所以总的输出电压依然为零，即也就意味着零点漂移被完全抑制了，说明差动放大电路对两管所产生的同向变化的漂移具有抑制作用。b.当温度升高时：两管集电极电流

6、都增大，集电极电位都下降，且两边的变化量相等c. 电阻RE的作用 电阻RE引入电流负反馈，当温度增加时，两管的IB同时增加，两管的IC也同时增加，从而导致发射极电压UE升高，两管发射结电压UBE降低，使两管基极电流IB减小。 电位器RP是用来调电路平衡的，又称为调零电位器。 实际中电路不可能完全对称，在输入电压为零时，输出电压不为零。 利用电位器RP的动点使两管分配到不同的阻值，以使UC1UC2，从而确保静态时uo0。 但RP不宜过大，一般在几十欧姆至几百欧姆左右。d. RP的作用 静态时，ui1ui20 ，由于电路两边参数对称，故两管静态值完全相同，即 流过RE的电流是两管发射极电流之和即，

7、故可只画一个管子的直流通路即可。10.3.3 静态分析RP的较小，忽略其影响。 由于两个管子的集电极电位相等，流经RL的电流为零，故RL可断开。 由此可知，每管的发射极电路中相当于接入了2RE的电阻，所以每个管子的静态工作点的稳定性都得到了提高，负电源UEE是用来补偿RE上的静态压降，使三极管有合适的静态工作点。由图有：由于前两项比第三项小得多，可忽略，有： 差动放大电路的信号输入可分为差模输入、共模输入和比较输入。而从输出输入的方式可分为双端输入/数端输出、双端输入/单端输出、单端输入/双端输出及单端输入/单端输出。1. 差模输入 两个输入信号的大小相等，极性相反 ，即：10.3.4 动态分

8、析 由于两管完全对称，一个管子电流的增加量等于另外一个管子的电流减小量，以至流过RE的电流不变即iRE ie1 - ie2 = 0，则两端的电压也不变。RE对差模信号无反馈作用，相当于短路 。 另外，由于两管完全对称，uod1的增加量等于uod2的减小量，故RL的中点交流电位为0，可以看作接地 。 对应的微变等效电路如图（b） 由于： 则：输入电阻：（1）双端输出输出取自两个管子的集电极，即uod，则差模电压放大倍数为：输出电阻：双端输出时的差模电压放大倍数和单管电压放大倍数相同，输出电阻是单管放大电路的两倍。（2）单端输出输出取自两个管子的集电极，即uod1，则差模电压放大倍数为：输出电阻：

9、单端输出时的差模电压放大倍数是单管电压放大倍数的一半，输出电阻和单管放大电路的相等。2 共模输入 两个输入信号大小相等，极性相同，即： 在共模信号的作用下，两管的电流同时增加或减小相同的数量，RE中的电流变化为每管发射极电流变化的两倍。即对每管而言，相当于发射极接了2RE的电阻。（1） 双端输出由于两管对称，有故双端输出电压为共模电压放大倍数为即差动放大电路双端输出时，具有很强的抑制共模信号的能力。 差动放大电路对零点漂移的抑制，是抑制共模信号的一个特例。（2） 单端输出从VT1管集电极输出，有通常则有RE越大，Auc1越小，共模抑制能力越强。RE共模抑制电阻或表示成对数形式 共模抑制比KCM

10、RR越大，差动放大电路分辨所要放大的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。 对双端输出的差动放大电路，应尽可能提高电路参数（含参数的温度特性）的对称性，尽可能地加大共模RE反馈电阻。 对单端输出，则只有靠RE的作用来提高共模抑制比KCMRR 。(3)共模抑制比 两个输入信号ui1、 ui2 既非差模，又非共模，它们的大小和极性是任意的，这种输入称为比较输入。 比较信号可分解为共模与差模的合成,即：uid1和uid2为一对差模信号，满足uic1和uic2为一对共模信号，满足故有3.比较输入 由于电路对称，Auc=0 , uoc =0输出中只有差模信号,即：（2）单端输出（设从VT1集电极输

11、出）输出为共模和差模输出之和（1）双端输出 10.3.5 单端输入 输入信号仅加在一个输入端，另一个输入端接地。 单端输入可以看作是比较输入的一个特例，即： ui1ui 、ui20即： 故单端输入也可以看成是双端输入，分析和双端输入相同。例10-1电路如图107所示。已知RPRB01k、RCRE10k、50、UCCUEE12V求: (1)两管的静态值；(2) 信号从两管的集电极输出时的差模、共模电压放大倍数、共模抑制比；（3)共模抑制比KCMR；(4)信号从VT1的集电极输出时的差模、共模电压放大倍数、共模抑制比；（4）当ui1=0.01V、ui2=0.05V时，uo=?解：（1）由式(10-

12、1)至(10-4)，有： (2)由对称性： （3）（4） 10.4.1集成运放内部电路简介 电路由四级、四部分组成。 10.4 集成运算放大器简介10.4.2集成运放封装、管脚及电路符号 （1）封装单列直插式（SIP）注：在使用集成运算放大器时，只需知道其管脚用途和主要参数，至于其内部电路结构可以不考虑 双列直插式（DIP）扁平式（SSOP）（2）uA741(F007)（5G24）的管脚和符号图2反相输入端3同相输入端7、4正、负电源端，电压范围22V。典型值15V，也可单电源使用。6-输出端。 1、5外接调零电位器的两个端子 8空脚 10.4.3 主要参数 运算放大器的性能可以用一些参数来表

13、示。为了合理地选用运算放大器，必须了解各参数的含义。1.开环电压放大倍数Au0 在没有外接反馈电阻（即开环）时的差模电压放大倍数。越大，运放电路精度越高，工作性能越好。一般为104108，即80140db。2.最大输出电压UOPP 在不失真的条件下的最大输出电压。uA741的最大不失真电压约为12V。 3. 输入失调电压Uio 理想的运算放大器，当输入电压为零时，输出电压也为零。但由于在制造工艺上很难使参数达到完全对称，因此当输入为零时，输出并不为零。如果要使输出为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压Uio ,使得输出为零。 Uio 一般为毫伏级，其值愈小愈好。4.输入失调电流Iio 由于电路

14、内部元件参数不对称，运算放大器两个输入端的静态电流不相等，其差值的绝对值称为失调电流，即一般在微安数量级，其值越小越好。 5.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均值（IB1 IB2) / 2称为输入偏置电流。它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关。其值越小越好，一般在几百个纳安。6. 最大差模输入电压UidM 运算放大器两个输入端允许外加的最大电压称为最大差模输入电压。其大小取决于输入级的结构。当输入电压超过此值时，输入级电路的管子将会损坏。7.最大共模输入电压UicM 运算放大器对共模信号的抑制，在共模输入电压范围内才存在。如果超过最大共模输入电压，运算放大器抑

15、制共模信号的能力大为下降，甚至损坏器件。10.4.4 理想运算放大器及分析依据1.理想化条件 理想运放是不存在的，但实际运放的许多指标很接近理想运放。为简化分析，常将实际运放理想化。其理想化的条件是： a.开环电压放大倍数 Auob.差模输入电阻 ridc.开环输出电阻 ro0d.共模抑制比 KCMRR理想集成运算放大器的符号如图10-11所示。2. 电压传输特性 表示集成运放输出电压和输入电压之间关系的特性曲线称为电压传输特性，如图10-12所示。 集成运算放大器的电压传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。（1）线性区：输入为uiu u，输出为uoAuo ui。 当运放为理想时， Auo

16、，即使输入ui很小，也会使运放进入饱和区（非线性区），故线性区很小，所以要使运放工作在线性区，必须外加深度负反馈。 线性区线性区（2）非线性区 当输入uiu u0，即 u u输出为uo+UOPP；当输入uiu u0，即 u0时其输出为 只有在ui从0跳变到UI时，有一个突变负向脉冲，如图10-21(b)示。对于积分电路，在ui0时其输出为 当t 增大时，uo负值线性增长，当达到U0(sat）时，即进入了饱和状态，运放工作在非线性区， uo不再增加，如图10-21(c)示。图10-21表示当ui为阶跃输入时，积分电路和微分电路的输出电压波形。例 试写出下图所示电路的输出电压和输入电压的微分方程解

17、：A1为反相输入加法电路， A2为反相输入放大电路，A3为反相积分电路。则各输出电压为故 前面运算电路中带有深度负反馈，所以运算放大器工作在线性区。当运放工作在开环或正反馈时，由于开环放大倍数很高，很小的输入电压或干扰电压就可使放大器工作在非线性区，虚断的原则不再满足，但虚断还是成立的 10.6.1 电压比较器电路及原理 电压比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，视输入信号是大于还小于给定值来决定输出状态。它在测量、控制、非正弦波发生器中得到了广泛应用。 1.普通电压比较器10.6 电压比较器 图10-23（a）是最简单的单门限比较器的电路图，电路中无反馈环节，运放在开环状态下工作。其中ui为输入电压， UR为参考电压，可正、可负、可为零。当uiUR时，uO=+UOPP当uiUR时，uO=-UOPP当UR=0时，为过零比较器。如图10-23（b）、（c）所示。 图10-24所示为两种限幅比较器电路和其电压传输特性（忽略稳压管的正向压降U