模电第五章集成运算放大器及其应用

第五章集成运算放大器及其应用集成电路（integratedcircuit，IC）

LM3245.1基本差动放大电路5.2集成运算放大器5.3集成运放的运算电路5.4集成运放的应用电路5.5集成运算放大器组成的电压比较器5.6集成运放的选择原则和使用5.1基本差动放大电路1、直接耦合放大电路需要解决的问题

各级静态工作点之间互相影响、互相牵制

零点漂移问题

输入端短接（uI=0），其输出端电压有忽大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压．这种现象就称为零点漂移。

产生零点漂移的因素：温度变化、任何元器件参数的变化，电源的波动。

在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为严重。

零点漂移问题

图5-1抑制零点漂移的具体措施：（1）选用温漂小的元器件；（2）电路元件在安装前要经过认真筛选和“老化”处理，以确保质量和参数的稳定性。（3）为了减小电源电压波动引起的漂移，要采用稳定度高的稳压电源。（4）采用温度补偿电路。（5）采用调制型直流放大器。（6）采用差动放大电路。2、差动放大电路1)基本差动放大电路

双端输入

双端输出

图5-2基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零点漂移的能力。

温度TΔUo=(Uc1-Uc2)不变

（UBEβ)2)射极耦合差动放大电路

R

E的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小零点漂移。

温度T（UBEβ)IC1IC2IEUBEUBEΔUo=(Uc1-Uc2)不变

长尾图5-3在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，极性相反的信号电压就称为差模信号

差模信号

调零电位器

RE的存在并不影响对差模信号的放大ΔUO=ΔUO1-ΔUO2=ΔUC1-ΔUC2

减小增大静态工作点

分析：

在忽略RP时，静态时ΔUI1=ΔUI2=0，输入回路方程：VEE=IBQRB+UBEQ+2IEQRE

可得Q点为（忽略IBQ时）

电路的差模电压放大倍数AuD

RB>>RP时

差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是为了抑制零点漂移。

当在两个集电极之间接有负载电阻RL时：

差模输入电阻：RiD

≈2(RB

+Rbe)差模输出电阻：RO=2RC

差模地端两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。

共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电流同时等量增大，结果输出电压ΔUOC

=0

若电路完全对称，则AuC=0,KCMR→∞

共模信号

KCMR

=AuD/AuC晶体管电路设计(上)P212差动放大电路模拟电子技术基础习题2、其它形式的输入，输出方式

双端输入、单端输出图差动放大电路

图5-5

单端输入、双端输出差动放大电路

图5-6

反相输出

单端输入、单端输出

图5-7

同相输出

单端输入、单端输出

图5-73、提高共模抑制比的电路

具有恒流源的差动放大电路a）电路b）用恒流源表示Ｖ3的电路IC3的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。

图5-8晶体管电路设计(上)P212差动放大电路5.2集成运算放大器

集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。

特点:体积小、高可靠性和灵活性等。

分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数和数模转换器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。

什么是集成运算放大电路？高增益（高放大倍数）的直接耦合放大电路问世最早，应用最广泛。最初多用于各种模拟信号的运算故称：集成运算放大电路，简称集成运放(OperationalAmplifier)

。1、集成运放的电路结构及符号

集成运放组成框图

图5-9

举例：型号为F007（比较老的运放）的通用型集成运放（μA741代替）

对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。双电源集成运算放大器外形及符号运算放大器的符号a)常用符号b)国标符号图1-4图5-10理想运放的图形符号a)符号b)标有双电源的运放符号

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。2、集成电路的特点（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。1.集成运放的理想化条件

开环差模电压增益

AoD105（很高）

输入电阻

RiD

106Ω（很大）

输出电阻

Ro100Ω（很小）

3、集成运放的电压传输特性和主要参数

共模抑制比

KCMR

∞

（很高）

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM,就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。通用型运放工作电源为双电源2.集成运放的传输特性非线性区图5-11理想运放工作在线性区的特点因为uo

=Aod(uP–

uN

)所以(1)差模输入电压约等于0即uP=uN

,称“虚短”

(2)输入电流约等于0

即iP=iN0,称“虚断”

电压传输特性

Aod越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。(理想运放工作在线性区必要条件)

uP–uN

uo线性区–UOM+UOM)OiPiN理想运放工作在饱和区(非线性区)的特点(1)输出只有两种可能,+UOM或–UOM(2)iP=iN0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当uP>uN

时，uO=+UOM

uP<uN

时，uO=–UOM

不存在“虚短”现象

uP–uN

uo–UOM+UOMO饱和区理想运放工作在非线性区必要条件之一：1、开环状态2、引入正反馈iPiN2）主要参数(器件手册P42)LM324典型值理想值

开环差模放大电压倍数AuD

100dB∞

输入失调电压UIO2mV0

输入失调电流IIO5nA0

输入偏置电流IIB45nA0

输入失调电压温度漂移dUI/dt

几μV/℃0

开环差模输入电阻RiD1MΩ∞

最大差模输入电压ＵIDM32V

最大共模输入电压ＵICM

Vcc-1.5V-3db带宽fh和单位增益带宽fc

最大输出电压ＵOPPVcc-1.5V

转换速率SR几V/μS∞LM324的特性曲线

输入电压范围b)开环频率

c)大信号频率响应d)小信号跟随器脉冲响应（同相）

图5-14e)电源电流和电源电压关系f)输入偏置电流和电源电压关系5.3集成运放的运算电路1、负反馈是运放线性应用的必要条件运放的开环状态是无法进行线性放大的，解决的办法是引入负反馈。对于工作在线性区的理想运放，有以下两条重要结论：

▼理想运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零：

即（uN-uP）或uNuP

▼理想运放的两输入端基本不取电流：

即ii

运放线性应用时的“虚短”和“虚断”

运放只有在线性工作区时，才存在“虚短”图5-145.3.2线性运放的三种基本电路

反相输入式放大电路同相输入式放大电路双端输入式放大电路

1、反相输入式放大电路

反相输入式放大电路a）电路图b）等效电路R2是平衡电阻R2=R1RF

虚地

虚短uo=–

uF=–

iFRF

iId=0iI=iF虚地

Rif=R1

图5-16反相放大电路的特点：由于反相输入端为虚地，它的共模输入电压可近似为零，这样对运放的有关共模的参数要求低；由于是电压负反馈，输出电阻小，近似为零，所以带负载能力强；由于是并联负反馈，输入电阻小（Ri=R1），输入端要向信号源吸取一定的电流。由于运放输出电流通常只有几个毫安，所以RF必须大于1kΩ；又由于实际运放存在失调电流，所以RF又必须小于几MΩ，否则易引起运放的饱和。2、同相输入式放大电路同相输入放大电路iI=iF

uP=uI

uN=uP=uI

图5-17同相输入放大电路的特点：

由于是深度串联负反馈，输入电阻特别高，可达20M以上，可近似为无穷大。由于是深度电压负反馈，输出电阻很小，可近似为零。由于uN=uP=uI，运放两端存在共模电压，会引起运算误差，所以在选择运放时，就要求它的共模抑制比较高。

电压跟随器a)基本电路b)降低输入电阻的电路同相输入放大电路的特例

——电压跟随器Auf=1图5-143、双端输入式放大电路双端输入放大电路a)基本电路b)令uI1=0时的等效电路c)令uI2=0时的等效电路图5-15双端输入式放大电路的特点：它能放大差动信号，线性区工作时可采用叠加定理的分析方法。同相、反相端的输入电阻分别为（R2+R3）及R1，输出电阻较小。若在该差动放大电路的两输入端存在大小相等，相位相同的共模输入信号时，应选择共模抑制比高的运算放大器，否则易带来误差。

359页精读OP放大技术即是模拟技术的基础，又是其核心。重点：理解电路，直到可以应用。

5.3.3模拟信号运算电路

运放线性区应用电路的输入、输出电压的关系只取决于反馈网络，输入、输出电压的关系可以模拟成y=fx

的数学方程式。其中y表示输出电压，x表示输入电压。反馈网络只要接入不同元件和采用不同的电路形式，就可实现各种数学运算。这些基本的运算电路在自动调节系统、测量仪器中得到广泛的应用。1、比例运算电路

y=kx

2、加法运算电路

y=(k1x1+k2x2+k3x3)

反相加法电路

iI1+iI2+iI3=iFR1=R2=R3=RFuo=–

（uI1+uI2+uI3）图5-20

例题

用反相加法器实现下面的运算表达式：uo=2uI1+3uI2+4uI3，要求输入端电阻不能小于10k。

解：

3、减法运算电路

y=k1x1–k2x2

4、积分运算电路y=kx(t)dt

电容的初始电压值

图5-22若uI是恒定电压UuI=U时各点工作波形

运放存在着失调电流，电容有漏电

图5-235、微分运算电路

微分运算电路a）基本电路b）输入、输出波形输入电压uI与输出电压uO有微分关系

图5-24实用的微分电路

在输入回路串一小电阻，以限制输入电流。在反馈回路并一个具有一定稳压值的稳压管，以限制输出电压。在平衡电阻和反馈电阻两端各并联一个小电容，起相位补偿作用。图5-25例题(1)写出输入与输出的关系；(2)若uI=1V，

uC(0)=0，求输出uO变为0V所需的时间。[解](1)(2)5.4集成运放的应用电路

5.4.1电压――电流转换电路(I/U转换电路)电压－电流变换电路a）反相输入式b）同相输入式c)复合管驱动uR1=uI

当输入电压不变，负载电阻在一定范围内变化，输出电流将保持不变，此电路就成为恒流源。

图5-145.4.2、电流――电压变换电路电流－电压转换电路

uo=-iFRF=-iIRF图5-275.4.3单电源交流放大电路图5-28单电源反相输入阻容耦合放大电路

12VCC的偏置电压

图5-29单电源同相输入阻容耦合放大电路

5.4.4线性整流电路图5-30单相线性半波整流电路a）基本电路b）电压传输特性c）输入、输出电压波形图5-31全波线性整流电路a)基本电路b）输入、输出波形图模拟电子技术基础习题运放的传输特性5.5集成运算放大器组成的电压比较器

工作在非线性区的运放一般都处于开环或正反馈方式线性区UO=AuD（UP-UN）

非线性区UO受正、负电源电压限制

非线性与线性应用的运放的区别是N与P点不再是“虚短路”，输出电压也不随输入电压连续线性变化。

当uN>uP时，输出是反向饱和电压-UO(sat)；当uP>uN时，输出是正向饱和电压+UO(sat)。工作在非线性区的运放只有两种输出状态，分别将这两种状态称为输出高电平与输出低电平。uP>uNuN>uP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1单值电压比较器单值电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，并由输出的高电平或低电平来反映比较结果。

图5-32单值电压比较电路a）UR接同相端的电路b）UR接同相端的电压传输特性曲线c）UR接反相端的电路d）UR接反相端的电压传输特性曲线e)过零电压比较器f)过零电压比较器的电压传输特性曲线图5-33稳压管限幅的单值电压比较器5.5.2迟滞电压比较器图5-34外界干扰对输出波形的影响a)正弦波―方波变换电路b)输入波形c)输出波形输出信号翻转多次

图5-35具有迟滞特性的电压比较器a）基本电路b）c）d）电压传输特性曲线上限门限电平UTH1下限门限电平UTH2UTH1>UTH2

uI＞UTH1时，uo=－UO(sat)

uI＜UTH2时，uo=＋UO(sat)

两个门限电压的差值称为回差电压UTH；[例5-3]根据图所示的电压比较器电路。(1)求出回差电压UTH，并画出传输特性。(2)已知输入电压波形图，画出输出电压波形。[例6-3]根据