第六章集成运算放大器

第六章集成运算放大器集成运算放大器是目前应用最广泛（如：放大器、比较器、振荡器、信号运算电路等）的集成放大器。

集成运算放大器(简称集成运放)：是一种高电压放大倍数的多级直接耦合的放大器。（线性集成电路）5.1集成运放的基本单元电路

（P133）一、集成运放的电路构成集成运放内部由输入级、中间级、输出级、辅助电路4大部分组成。1、输入级：采用带恒流源的差分放大器。2、输出级：电压放大电路（一般是共射组态）3、中间级：互补对称放大电路（附保护电路）4、辅助电路：使各级放大电路得到稳定的直流偏置。(有的还设置了外接调零电路、RC移项补偿环节等电路)二、电流源1、作用：为放大电路提供稳定的直流偏置。作为放大电路的有源负载，增大放大倍数和动态范围。2、常用类型：单三极管电流源、镜像电流源。后者比前者的温度稳定性好。3、电流源特点：直流电阻小，交流电阻大。（使用电流源做负载，称为有源负载）直接耦合放大器：放大器与信号源、负载以及放大器之间采用导线（或电阻）直接连接。特点：低频响应好。可以放大频率等于零的直流信号或变化缓慢的交流信号。三、直耦放大器的两个特殊问题（一）、前后级的电位配合问题简单的直接耦合电路由于VC1=VBE2，而VBE2很小，使V1的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。（二）、零点漂移问题四、零点漂移1、概念：将直流放大器输入端对地短路，使之处于静态，输出电压（在输出端）会发生不规则变化，这种现象称为零点漂移，简称零漂。2、零漂后果：在直接耦合放大电路中，前一级的零漂电压会传到后级被逐级放大，严重时零漂电压会超过有用的信号，将导致出错。级数越多，零漂越严重。第一级的零漂是最大的影响因素。3、零漂原因：三极管参数随温度变化（主要原因）；电路更换元件（三极管）；电源电压波动，4、抑制零漂方法：用恒温系统消除温度变化的影响；采用差分放大电路（主要）；用高稳定度的稳压电源；五、差分放大器2、双端输入双端输出的基本差分放大器电路图：1、电路特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等。

输入电压vI经R1、R2分压为相等的vI1和vI2分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压取自两管的集电极(双端输出),等于两管输出电压之差，即vO=vO1–vO2。３、抑制零漂原理

设输入电压vI=0，因电路完全对称，则ic1=ic2，vO1=vO2，vO=vO1–vO2=0。当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使vO1=vO2，输出电压vO=vO1–vO2=0。可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。（1）.共模电压放大倍数AVC共模信号：大小相等、极性相同的两个输入信号。共模输入方式：两管输入信号为共模信号的输入方式。两管的输入信号vI1=vI2=vI，放大器为共模输入，因电路对称，vO1=vO2。其双端输出电压

vO=vO1

-vO2=0。即共模放大倍数共模双端输入、双端输出差分放大电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了抑制。４、电压放大倍数（2）．差模电压放大倍数AVD差模信号：大小相等而极性相反的两个输入信号。差模输入方式：两管输入信号为差模信号的输入方式。当vI0时，vI１=vI/2，vI２=-

vI/2，放大器为差模输入。vO1=-vO2，放大器双端输出电压vO=vO1–vO2=vO-(-vO1)=2vO1。设单管放大器的放大倍数为AV1、AV2，且AV1=AV2，于是差模放大倍数为AVD=AV1=AV2４、电压放大倍数（1）．共模电压放大倍数AVC（2）．差模电压放大倍数AVD理想情况：AVC

＝０；(表示无用的信号完全得到抑制)实际情况：AVC越小越好AVＤ等于单个放大管的电压放大倍数A(表示有用的信号得到正常放大)

双端输入、双端输出差分放大电路的差模放大倍数ＡVD等于单管放大器的放大倍数ＡV。 可见，该电路是用多一倍元件的代价换来了对零漂的抑制能力。５、共模抑制比KCMR（１）作用

：衡量差分放大器放大差模信号（有用）及抑制共模信号（无用）的能力。（２）公式：（３）单位：无

（４）理想情况：共模抑制比KCMR=∞；实际情况：KCMR越大，差分放大器的性能越好。[例5.1.1]设单管放大器的放大倍数，AV1=AV2=-20。试求：(1)差分放大器的差模放大倍数AVD？(2)若已知差分放大器共模放大倍数AVC=0.02，求共模抑制比KCMR=?解：(1)(2)２、RP、Re、GE在电路中的作用

RP——调零电位器。作用是克服电路非对称性。当Vi=0时调节RP，使vo=0。Re——公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。VEE或GE——辅助电源（负）。作用是补偿Re上的直流压降，稳定静态工作点，防止输出动态范围减小。６、实用的差分放大电路１、电路图（双端输入双端输出）７、差分放大电路的连接方式双端输入：将信号加在两个管子的基极。单端输入：将信号加在一个管子的基极与公共地端。双端输出：负载ＲＬ接在两个管子的集电极。单端输出：负载ＲＬ接在某一个管子的集电极与地端，而另一个管子无输出。差分放大电路的４种连接方式：（１）双端输入双端输出（电路对称，同时利用电路两侧对称性及发射极电阻ＲＥ的共模反馈来抑制零漂）（２）双端输入单端输出（３）单端输入双端输出（４）单端输入单端输出（电路不对称，主要靠发射极电阻ＲＥ的共模反馈来抑制零漂）差分放大电路：（1）、由双端输出改为单端输出，差模电压放大倍数AVD减少一半。（2）、由双端输入改为单端输入，差模电压放大倍数AVD基本不变。一、集成运算放大器的符号与引脚1．集成电路的封装外形：国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。2．集成运放的型号国家标准(GB3430/T—1989)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。国际上尚无统一标准。5.2集成运算放大器介绍 （Ｐ139）3．集成运放的管脚顺序及功能

国产第二代集成运放CF741接线如图所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：CF741外接线图为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)接负电源(-9~-18)V为输出端接正电源(+9~+18)V为空脚脚1、4、5外接调零电位器国产第一代集成运放F004接线如图所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(+15)V，脚4接负电源(-15)V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通过调试决定数值。

不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。F004外接线图３．集成运放的种类国产集成运放根据用途可分为：通用型、低功耗型、高精度型、高阻型。４．集成运放的主要参数（１）开环电压放大倍数AVＤ：电路开环情况下（无反馈），输出电压与输入差模电压之比，即集成运放本身的差模电压放大倍数。AVＤ越大，集成运放运算精度越高。（２）差模输入电阻rid：差模输入时，运放无外加反馈回路时的输入电阻。rid越大，集成运放性能越好。（３）开环输出阻抗rod：运放无外加反馈回路时的输出电阻。rod越小，集成运放带负载能力越强。（４）共模抑制比KCMR：综合衡量运放的放大和抗零漂抗共模干扰的能力。KCMR

越大，运放性能越好。（５）输入失调电压VＩO：输入信号为零时，为使输出电压也为零，在输入端所加的补偿电压值。（６）输出电压峰-峰值VOPP：放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。（７）静态功耗PD：运放输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。（８）开环频带宽BW：开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的频带宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。

５．集成运放的图形符号图(a)是国家新标准(GB/T4728·13—1996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时，通常只画出２个输入端和１个输出端。输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。集成运放可看成一个高电压放大倍数、低零漂的双端输入、单端输出式差分放大器。*一、集成运算放大器的理想特性将集成运放看作一个理想运放，具备理想特性5条：1．输入信号为零时，输出端应恒定为零，即vi=0时vo=0；2．输入阻抗无穷大，即ri=∞；3．输出阻抗为0，即ro=0；4．通频带宽度BW应从0到∞，即BW=∞；5．开环电压放大倍数无穷大，即AVO=∞。在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。5.3集成运算放大器的应用 （Ｐ143）对于理想集成运放，通频带宽度（BW=fH-fL）从0到∞，因此，其下限频率fL是0，上限频率fH是∞。*二、理想集成运放的重要结论1．同相输入端与反相输入端的电位相等。（两端之间的电压为零。也称为虚短。）即 vi

+=vi

-Ｕ＝vi

+—vi

-=０2．同相输入端与反相输入端的输入电流都为0。（也称为虚断）即 ii

+=ii

-=0*三、集成运放的基本应用1、反相输入比例运算放大电路（1）、基本电路图（2）、反馈元件及反馈类型： Rf：电压并联负反馈（3）、虚地图中，Ａ点是虚地点！vB=0，因为同相输入端与反相输入端的电位相等，所以vA=vB

0。即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A端称为“虚地”。Ｂ、闭环电压放大倍数

Ａ、输出电压

（４）、计算公式结论： 反相输入比例运算放大电路的闭环电压放大倍数与开环电压放大倍数（AVD）无关，只取决于Rf

与R1的比值；输出电压与输入电压成反比例关系，比例系数是－Ｒf／Ｒ１。

（５）、完善应用在同相输入端多了一个电阻Ｒ２，叫平衡电阻。作用是：使运放输入级的差分放大电路对称，有利于抑制零漂。计算公式为：Ｒ２＝Ｒ1//Ｒf。(其他２个电阻并联)平衡电阻Ｒ２上没有电流。其他结果与基本电路图完全一样。２、同相输入比例运算放大电路（1）、基本电路图（2）、反馈元件及反馈类型： Rf：电压串联负反馈（3）、虚短图中，Ａ点是虚短点！因为同相输入端与反相输入端的输入电流都为0，所以iA=iB

=0，则vB=vi，又因为同相输入端与反相输入端的电位相等，所以vA=vB

=vi

。即A端的电位接近于Ｂ点电位，好象两端用导线短路，所以通常把A端称为“虚短”。Ｂ、闭环电压放大倍数

Ａ、输出电压

（４）、计算公式结论：同相输入比例运算放大电路的电压放大倍数与开环电压放大倍数（AVO）无关，只取决于Rf与R1的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系，比例系数是 。

（５）、完善应用在同相输入端多了一个电阻Ｒ２，叫平衡电阻。作用是：使运放输入级的差分放大电路对称，有利于抑制零漂。计算公式为：Ｒ２＝Ｒ1//Ｒf。(其他２个电阻并联)平衡电阻Ｒ２上没有电流。其他结果与基本电路图完全一样。３、加法比例运算放大电路（1）、３输入加法比例运算放大电路的电路图（2）、反馈元件及反馈类型： Rf：电压并联负反馈（3）、虚地：图中，Ａ点是虚地点（４）、结构特点：加法比例运放是在反相比例运放的基础上多并联了几个输入端而成的。（５）、输出电压ＶＯ计算公式若取R1=R2=R3=R，上式简化为：若又取Rf=R，则：vO=-(vI1+vI2+vI3)结论：电路的输出电压正比于各输入电压之和。（６）、平衡电阻３输入加法比例运算放大电路中，同相输入端接一个平衡电阻Ｒ４，大小是其他４个电阻的并联值。作用是：使运放输入级的差分放大电路对称，有利于抑制零漂。计算公式为：若是n输入的加法比例运算放大电路，则平衡电阻的计算公式是：３、减法比例运算放大电路（1）、电路图（2）、反馈元件及反馈类型：Rf：电压负反馈（3）、虚短：图中，Ａ点是虚短点，电位计算公式为：提示: B点电位就是电阻R3上的电压。R２与R3串联后，所加的电压是ＶＩ２。结论，输出电压正比于两个输入电压之差。若Rf=R1,则：

vO=vI2–vI1（４）、结构特点：减法比例运放是在反相输入端和同相输入端同时输入一个电压信号。（即差分输入）（５）、输出电压ＶＯ计算公式前提：R1=R2，R3=Rf注意看公式：同相输入端信号减反相输入端信号计算各电路的各个元件阻值并画集成运放电路图，使它满足vi与vO之间的下列运算关系：例题：提示: 看这２个公式，分别符合集成运放的哪种运算关系？可将公式分别变形为：（１）ＶＯ＝２０（ＶＩ２－ＶＩ１）（２）ＶＯ＝－１０（ＶＩ１＋ＶＩ２＋ＶＩ３）解：

(1)：由vO=２０（vI２—vI１）可知，应按减法比例运算电路来连接，同相输入端的输入信号是vI２，反相输入端的输入信号是vI１。要求电阻R1=R2，R3=Rf且Rf=20R1。电路如图：Rf是反馈元件，引入了电压负反馈。Ａ点是虚短点。(2)：由ＶＯ＝－１０（ＶＩ１＋ＶＩ２＋ＶＩ３）可知，比例系数－１0即－Rf/R的值。应按３输入加法比例运算电路来连接。要求Rf=10R

，且R1=R2=R3＝Ｒ，平衡电阻R4=R1//R2//R3//Rf。电路如图：Rf是反馈元件，引入了电压并联负反馈。Ａ点是虚地点。

集成运放除了组成上述运算单元电路外，还可改变反馈元件或连接方式组成乘法、除法、开方、平方、指数、对数以及微分、积分等各种运算电路。1．反相器Ａ、前提：反相比例运放，Rf=R1，Ｂ、输出电压计算公式：vO=-vI，Ｃ、电压放大倍数计算公式：Ａvf=－１Ｄ、名称由来：输出电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。Ｅ、电路符号：图中“1”表示电压放大系数为1。四、集成运放应用的两个特例2．电压跟随器Ａ、前提：同相比例运放，R

f=０，R1＝，Ｂ、输出电压计算公式：vO=vI，Ｃ、电压放大倍数计算公式：Ａvf=１Ｄ、名称由来：输出电压与输入电压在数值上相等且相位相同，称为“电压跟随器”。Ｅ、电路符号：五、集成运放的三种输入形式

集成运放作为放大器，它的输入方式有三种：同相输入、反相输入、差分输入。同相比例运放是“同相输入”方式反相比例运放、加法比例运放是“反相输入”方式减法比例运放是”差分输入”方式集成运算放大器的工作在线性区，引入的是负反馈。集成运算放大器的工作在非线性区，引入的是正反馈；或者使运放工作在开环状态。输出电压不是高电平，就是低电平。过零比较器：参考电压是0V，即与零电压比较：（可以由反相比例运放构成，也可以由同相比例运放构成）

Vi>0，Vo=—VccVi<0，Vo=+VccVi>0，Vo=+VccVi<0，Vo=—Vcc一．LM324组成电平指示电路１、LM324简介LM324是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。GND为接地端，VCC为电源正极端(6V)，每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，1Vi、1Vi+、1VO分别表示1号运放的反相输入端、同相输入端及输出端。依此类推，2Vi-、2Vi+、2VO是表示2号运放器的等等。5.４集成运算放大器的应用 2、LM324组成的电平指示器四个运放的同相输入端连接于由V(2AP9)、R10、C2组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻R6、R7、R8、R9接有发光二极管LED1、LED4、LED3、LED2。反相输入端分别经电阻分压网络RP1、R2、R3、R4、R5分压后加上量值不等的正电压。

无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此V1~V4各发光二极管均不发光。有信号输入时，信号经整流后的对地电压(电位)若仅大于第2脚电位，则第1脚的发光二极管V1发光。

若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管LED1、LED4、LED3、LED2全部发光。这样，随着音频信号强弱的变化，电路中发光二极管的个数和亮度也随之变化。其中，改变RP1的阻值，可调整发光二极管的亮度。5.5集成运放使用常识一、零点调整方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。二、消除自激振荡方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。三、保护电路1．电源