第7章集成运算放大器及其应用(修改1)

本章要点

放大电路的基本概念及参数集成运放的理想化参数理想运放的工作区理想运放在线性区的应用理想运放在非线性区的应用章节内容7.0放大电路的基础7.1集成运放概述7.2具有负反馈的集成运放应用电路7.3电压比较器7.0放大电路基础7.0.1

放大的概念电子电路中放大,本质上讲是一种能量的转换,即在输入小信号控制下,通过放大器将直流电源的能量转换成负载所需的,比输入信号源所提供的大得多的能量.注意：放大是指不失真前提下，使交流信号由小变大、由弱变强。电压放大电路可以用一个有输入端口和输出端口的四端网络表示，如下图：uiuoAu5.0.2

放大电路的性能指标1.放大倍数电压放大倍数电流放大倍数互导放大倍数互阻放大倍数iuUUA0=iiIIA0=igUIA0=irIUA0=uiuoAuiii02.输入电阻Ri

输入电阻(由放大器输入端看进去呈现的电阻)是衡量放大电路从信号源(或从其前级放大器输出端)采集信号大小的参数。定义为放大器的输入电压Ui与其输入电流Ii

的比值（对交流信号，为有效值之比）。AuIi~USUiRsRi越大，则放大器从前端采集的信号Ui就越大3.输出电阻Ro输出电阻是从放大电路输出端看进去呈现的电阻。放大电路输出端对其负载而言，相当于信号源，我们将它等效为戴维南等效电路，这里的内阻就是输出电阻。~RoRLAu~USU0i0UTiTAu~USRo越小，则放大器的带负载能力越强4.通频带fbw=fH–fL用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力fAu0.7AumfL下限截止频率fH上限截止频率Aum低频段高频段中频段（通频带）频带宽带5.非线性失真由半导体器件非线性特性引起的失真设:输出信号中的基波幅值为A1、谐波波幅值为A2、A3…，则非线性失真系数。6．最大不失真输出电压当输入电压增大到使输出电压非线性失真系数达到额定值(通常定为10%)时的输出电压定义为最大不失真输出电压。一般以有效值Uom表示。8.最大输出功率与效率

在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率。直流电源能量的利用率称为效率η，等于输出功率Po

与直流电源功率PE

之比，即7.0.3

基本放大电路的组成及交流放大原理

晶体管在电路中有三种连接方式：

为了使晶体三极管工作在放大状态，要求：发射结正偏、集电结反偏

基本共射放大电路组成RB+VCCRCC1C2TT是NPN型三极管，起放大的作用直流电源VCC一方面提供静态偏置以保证发射结正偏、集电结反偏，另一方面也为输出放大了的信号提供能量。基级电阻RB可设置合适的静态基极偏置电流。集电极电阻RC用于将电流的变化转换为电压的变化，以实现电压放大。隔直耦合电容C1和C2用来隔断直流、耦合交流，通常要求大电容，以保证一定频率范围内，电容对交流而言视为短路。

静态时，输入的交流信号ui=0ui=0时IBQICQRB+VCCRCC1C2T隔直耦合电容等效为开路。

VCC通过RB提供静态基极偏流IBQ。经过T放大,得到

ICQ=βIBQ三极管CE端口电压为

UCEQ=VCC-RCIBQRB+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCEtuotuiiCuCEuoiB

动态时，输入的交流信号

ui≠0，交流时电容等效为短路微弱的信号电压ui

叠加在UBEQ上，改变三极管的基极电流iB在基极电流iB

控制下，得到放大了的集电极变化电流iCRC将iC的变化转变成电压uCE变化C2将uCE的直流成分隔离，得到放大的交流输出电压uo7.1集成运放概述7.1.1集成运放的特点及分类

集成电路是把整个电路中的元器件制作在一块半导体硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。集成电路的优点：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；……具有体积小、重量轻、耗电省、工作稳定、性能优良、使用方便等。集成运放是一种直接耦合的多级放大电路，性能理想的运算放大电路具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。按制作工艺分为双极型、CMOS型和BiFET型三种。按照工作原理分为电压放大型、电流放大型、跨导型和互阻型四种。按照性能指标分为通用型、低噪声型、高速型、低功耗型、精密型和程控高输入阻抗型等。7.1.2集成运放的基本组成

集成运放虽种类繁多、形式多样，但电路结构一般由四部分组成：(1)输入级：输入电阻高、噪声低、静态电流小、零漂小。(2)中间级(电压放大级)：具有较高的电压放大倍数。(3)输出级：动态范围大、带负载能力强，非线性失真小。(4)偏置电路：为以上电路提供合适的直流工作电流，通常由电流源组成。反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列集成运放的信号输入方式1、共模输入方式+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo当运放的两个输入端输入大小相同，极性也相同的信号时，称为共模输入方式。ui在集成运放内部电路的设计中，为了有效的控制零点漂移，已通过采用差分输入级电路，使得共模输入时放大电路的输出接近于0。因此，理想的情况下集成运放在共模输入时的放大倍数为0，即集成运放的信号输入方式2、差模输入方式+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo当运放的两个输入端输入大小相同，极性相反的信号时，称为差模输入方式。ui当集成运放两个输入端的内部电路完全对称时，信号ui接于同相端和反向端之间就满足差模输入条件。即差模输入方式下的电压放大倍数用Aud表示，即7.1.3集成运放的主要技术指标1．必要的概念（1）反馈的概念

将放大电路的输出量（电压或电流），通过一定的电路(反馈电路)，部分或全部回送到输入端(或输入回路)，用以改善或改变电路某些特性的控制过程，称之为反馈。通过反馈电路回送到输入回路电压或电流信号称为反馈信号。

如果反馈信号使放大器的净输入加强，从而也使输出加强，这种反馈称为正反馈。

如果反馈信号使放大器的净输入减弱，从而也使输出减弱，这种反馈称为负反馈。（2）开环闭环的概念

如果放大器的输出与输入之间没有反馈，放大器的这种连接状态称为开环状态。

如果放大器的输出与输入之间连有反馈，放大器的这种连接状态称为闭环状态。开环闭环引入负反馈闭环引入正反馈2．集成运放的主要参数（1）差模开环电压放大倍数Aod指运放在无外加反馈情况下，输出电压与输入差模电压之比。即（2）共模抑制比CMRR指运放无外加反馈时，开环差模电压放大倍数与开环共模放大倍数之比。即（3）差模输入电阻rid指运放在无外加反馈情况下，从两个输入端口看进去的等效电阻。uou++–+u-rid（4）输出电阻ro指运放在无外加反馈情况下，从输入端口看进去的戴维南等效电阻。uou++–+u-+-uocro（5）其他参数包含有失调电压、失调电流、温漂及开环带宽等，详细定义参看教程。7.3.1理想运放分析基础7.3具有负反馈的集成运放应用电路实际运放的理想化模型就是理想运放。其理想化参数为：

开环差模增益：

差模输入电阻：

输出电阻：

共模抑制比：

上限截止频率：

失调电压、电流及其温漂：均为0。1.理想运放的概念2.运放的电压传输特性线性区：uo=Aud(u+–u–)非线性区：u+>u–时，uo=+Uo(sat)u+<u–时，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性非线性区O3.理想运放在线性工作区的特点因为uo=Aud(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–,称“虚短”电压传输特性Aud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。++∞uou–u+i+i––

u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O(2)由于

输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

4.理想运放在非线性工作区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–时，uo=+Uo(sat)

u+<u–时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O非线性区7.3.2比例运算电路1.反相比例运算(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”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++––++–例:电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不变,要求Auf为–10,则RF

、R2应为多少？解：1.Auf=–RFR1

=–5010=–5R2=R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf=–RF/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–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–

当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–uoui++––++–同相比例电路的最大特点是输入电阻高，比较适合于输入级，以提高信号的采集能力。7.3.3加法运算电路1.反相加法运算电路

平衡电阻：

R2=Ri1//Ri2//RFuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–

可采用叠加定理求uo（1）ui1单独作用时（2）ui2单独作用时则当Ri1=Ri2=RF时，uo=－(ui1+ui2)2.同相加法运算电路方法:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–当Ri1=Ri2=R1=RF时，uo=ui1+ui27.3.4减法运算电路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+–++––当R1=R2=R3=RF时，uo=ui2—ui1例7.7加减法运算电路如图7.23所示，求输出与各输入电压之间的关系。方法:根据叠加原理

ui1单独作用时，ui2单独作用时，ui3单独作用时，u4单独作用时，uo=uo1+uo2+uo3+uo4

=−1.3ui1−1.9ui2+2.3ui3+1.15ui4

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–7.3.5积分与微分运算电路1.积分运算电路输出电压为输入电压对时间的积分，因此称实现该运算的功能电路为积分电路。ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–2.微分运算电路输出电压为输入电压对时间的微分，因此称实现该运算的功能电路为微分电路。7.5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。

阈值：指输出电压在高、低电平间发生跳变时对应的输入电压值。一般是固定的，有的有一个阈值，有的有两个阈值。按照传输特性的不同，电压比较器有以下种类b.迟滞比较器:两个阈值电压UT1≠UT2.输入电压向单一方向变化时,输出电压跃变一次.a.单限比较器:一个阈值电压UT.c.窗口比较器:两个阈值电压UT1≠UT2.输入电压向单一方向变化时,输出电压跃变两次.图1图2图3传输特性：指比较器的输入电压和输出电压之间的关系。电压比较器分析主要抓住三个要点：①确定电路输出电压uO高电平值UOH和低电平值UOL。②确定阈值电压值UT，输入电压uI等于阈值电压值UT的时刻，也正是输出电压uO发生跳变的时刻。③当输入电压uI变化经过阈值电压值UT时，输出电压uO跳变的方向；即是由UOH跳变到UOL，还是由UOL跳变到UOH。7.5.1单限比较电路uoui0+UOM-UOM++uoui++uouiuoui0+UOM-UOM（1）过零比较器:（运放处于开环，门限电平=0）–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–时，uo=+Uo(sat)

u+<u–时，uo=–Uo(sat)即ui<UR时，uo=+Uo(sat)

ui>UR时，uo=–

Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。门限电压为UR。参考电压(2)非过零比较器（运放处于开环）输入信号接在反相端ui>UR，uo=+Uo(sat)ui<UR，uo=–Uo(sat)uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在同相端uiUR输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui<

UR，uo=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZui<UR时，uo'

=+Uo(sat)ui>UR时，uo'

=–

Uo(sat)uo'RDZURuouiR2++–R1+–++–––Uo(sat)+Uo(sat)uoO例7.9

图7.39所示电路中，R1=R2=5kΩ，参考电压UR=2V，稳压二极管的稳定电压UZ=5V，输入电压为图(a)所示的三角波。试画输出电压波形。RDZuouiR2++–R1UR根据理想运放的虚断i−=i+=0则R1和R2串联，根据叠加定理得例7.9

图7.39所示电路中，R1=R2=5kΩ，参考电压UR=2V，稳压二极管的稳定电压UZ=5V，输入电压为图(a)所示的三角波。试画输出电压波形。RDZuouiR2++–R1UR当ui<-2V时，uo=Uz=5V当ui>-2V时，uo=-Uz=-5VuitOUROt+Uz–Uzuo单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的主要问题是输出电压波形不够陡，抗干扰能力差。0tui阈值电压0tuO错误的输出+UZ-UZ干扰输出波形不够陡实际运放的开环增益不是，所以状态的跃变必须经过线性区，并需要经过一定的时间。7.5.2滞回比较电路R2引入正反馈，-+uiuOR1UZRURR2if反相迟滞比较器运放工作在非线性区。引入正反馈有两个作用：1、正反馈加快了uO的转换速度，

输出电压波形很陡。2、电路有两个阈值电压。+UZ-UZ+说明U＋有两种取值由叠加原理，反相迟滞比较器令u+=u-，可得两个不同的阈值电压。-+uiuOR1RURR2if+UZ-UZ+ui很小时，输出ui很大时，输出当u+=u-