第3章集成运算放大器

第3章集成运算放大器3.1集成运算放大器简介3.2集成运算放大器的线性应用3.3集成运算放大器的非线性应用3.1集成运算放大器简介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、应用最广泛的一种模拟集成电路。3.1.1集成运算放大器的组成及其特点集成运算放大器组成框图如图所示，包含输入级、中间级、输出级和偏置电路4个基本组成部分。图集成运算放大器组成框图1．集成运算放大器的组成输入级：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

。中间级：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。

偏置电路:由镜像恒流源等电路组成输出级：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。3.1.1集成运算放大器的组成及其特点1．集成运算放大器的组成2．集成运算放大器的特点（1）由于在集成电路工艺中还难以制造大容量电容，所以集成运算放大器各级之间均采用直接耦合方式。（2）集成电路中各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，容易获得特性相似的差分对管。又由于管子在同一硅片上，温度性能基本保持一致。因此，集成运算放大器中大量采用差动放大电路和恒流源电路，用以抑制漂移和稳定工作点。（3）集成电路中，比较适合的阻值为100Ω~30kΩ，制作高阻值电阻成本高，占用面积大且阻值偏差大(10%~20%)，因此，集成运算放大器中常用有源元件（晶体管、场效应晶体管或恒流源）代替大阻值的电阻。（4）常用复合晶体管代替单个晶体管，用以提高集成运算放大器的性能。3．集成运算放大器的符号a)国际常用符号b)国家标准符号c)具有电源引脚的国际常用符号3.1.2集成运算放大器的主要技术指标愈小愈好1.输入失调电压UIO2.输入偏置电流IIB

3.输入失调电流IIO4.开环差模电压增益Auo5．最大差模输入电压Uidmax6．差模输入电阻Rid

7．共模抑制比KCMR

8．最大共模输入电压Uicmax

3.1.3集成运算放大器的电压传输特性当Auo(uP－uN)U＋时

uO＝

U＋

当Auo(uP－uN)

U-时

uO＝

U-电压传输特性

uO＝

f

(uP－uN)线性范围内uO＝Auo(uP－uN)Auo——斜率3.1.4集成运算放大器的理想化模型1．理想集成运算放大器的技术指标（1）开环差模电压放大倍数Auo；（2）输入电阻Rid；（3）输出电阻Ro0；（4）共模抑制比KCMR；（5）输入偏置电流IBN=IBP=0；（6）失调电压UIO、失调电流IIO及它们的温漂均为零。2．理想集成运算放大器的工作特性3.1.4集成运算放大器的理想化模型（1）工作于线性区的理想集成运算放大器的工作特性根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：（1）虚断：由ri=∞，得ip＝in＝0，即两个输入端的电流恒为零。电流为零相当于断路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断；（2）虚短：由Auo=∞，得up＝un，即理想运放两个输入端的电位相等。两点等电位相当于短路，实际上两个输入端并未真正短接，因此称为虚短。理想运算放大器的电压传输特性（2）工作于非线性区的理想集成运算放大器的工作特性工作于非线性区的理想运算放大器仍然有输入电阻Rid，因此iP=iN=0；但由于uOAuo(uPuN)，不存在uP=uN，由电压传输特性可知其特点为：当uP>uN时，uO=+UOM；当uP<uN时，uO=-UOM；uP=uN为+UOM与-UOM的转折点。理想运算放大器的电压传输特性3.2.1比例运算电路1.反相比例运算(1)电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。(2)电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，

ifi1i–i+所以i1if

因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以

u–=ui，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：(1)Auf为正值，即uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。当R1=且RF

=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：3.2.2加法运算电路因虚短,u–=u+=0因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

ii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RF3.2.3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––3.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–UOMuotO+UOMui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui3.2.5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–3.3集成运算放大器的非线性应用3.3.1电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。1．过零电压比较器当同相端接uI，反相端uN=0时，输入电压是和零电压进行比较。当uI>0时，uO=+UOM当uI<0时，uO=-UOM

tuiOtuo+UOM–UOMO2．任意电压比较器ui>UR，uo=–

UOMui

<UR，uo=+UOMURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–UOM

+UOMuiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–UOM+UOMuiuoOUR电压传输特性ui>UR，uo=+UOMui

<UR，uo=–UOMURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+UOM–UOMuo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+UOM–UOMt1t23．迟滞比较器上门限电压下门限电压

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RF当uo=+UOM，则当uo

=–UOM，则R2－－uoui++–R1+–+–uiuoO

–UOM+UOM电压传输特性uitOuoOt+UOM–UOM两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFuoui++–R1+–+–3.3.2方波发生器矩形波产生电路

uc+–UR+–1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。电容电压uc

即是比较器的输入