第2章.集成运算放大器1

第2章

运算放大器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。1模拟集成电路的特点：电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；

电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。需要大电容时，通常在集成电路外部连接。级与级之间用直接耦合；

二极管用三极管的发射结代。如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成。2运算放大器外形图32.1 集成运放概述集成电路——把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。1.集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图特点：电路对称性，提高整个电路的性能若干级电压放大带负载能力强，电流放大4运算放大器方框图输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。2.

中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。3.

输出级：互补对称功放。4.

偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。5(a)是国家标准规定的符号(b)是国内外常用的符号＋－v－v+vo－＋＋v－v+voAvo运放既然是个器件，当然有符号，下面是运算放大器的符号，里面画个三角，表示这是运算放大器；有反向输入端、同相输入端、还有输出端，同相输入端和输出端是相位相同，所以都写了一个加号（＋），反向输入端和输出端相位相反，写了一个减号（－），Avo表示他的放大倍数；有时候在一些工程类的书上，也看到右边的符号，一个大的三角，输出vo,负的（v－)反向输入端，正的(v+)同相输入端.集成运算放大器的电路符号▷表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。6同相输入端反相输入端输出端–+特点：两个输入端（同相+、反相—），一个输出端，单向传输7

理想运算放大电路具有无穷大的电压增益、无穷大的输入电阻（开路），所以不取用信号源电流。它的输出电阻为零。如图所示。输入电压Vid加在两个输入端之间。输出电压为AodVid，用内电压源符号表示.-＋＋＋＋－－－－－＋供电电源2.运算放大器的电路模型Vidrid=∞ro=0VOAod=∞+-8图2.1.3运算放大器的电路模型通常（实际）：开环电压增益Avo的≥105（很高）输入电阻ri≥106Ω（很大）输出电阻ro≤100Ω（很小）

vO＝Avo(vP－vN)，当（V－＜vO＜V＋）

92.运算放大器的电路模型当Avo(vP－vN)≥V＋时

vO＝

V＋

当Avo(vP－vN)≤

V-时

vO＝

V-电压传输特性

vO＝

f

(vP－vN)线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率end非线性（饱和）范围内？

10通过测试得到，他的输入和输出满足这么一个曲线的关系，这个关系曲线叫做传输特性曲线，这个曲线分为两个区，横坐标是vi，纵坐标是vo。vivo+VOM-VOM线性放大区vi＋－vNvPvo这是一个运算放大器，他的输入和输出到底有什么样的关系？11vi＋－vNvPvo注意vi是什么？

vi是同相输入端减去反向输入端，就是差模信号。vi＝vP－vNN(negative)型P(positive)型12如果vi很小的化，由于放大倍数很大，vo和vi是什么关系？线性关系，在这里把这个区域叫做线性区，当vi达到一定值的时候，输出就饱和了，把这个区域叫做饱和区。vivo+VOM-VOM线性放大区13饱和的电压是什么？

饱和的电压就是电源电压;为什么会饱和？

因为电压大到一定值的时候，放大倍数很大，输出不会再随着输入继续增加，就达到了正负饱和电压，+VOM和-VOM,在这里称作正负饱和电压.vi＋－vNvPvovivo+VOM-VOM饱和区14旁边两个区叫饱和区，中间叫线性区.正负饱和电压能达到什么值？输出的正负饱和电压最大等于电源电压，不会超过电源电压。这个特性曲线是传输特性曲线，传输的是vi与vo之间的关系。vivo+VOM-VOM线性放大区饱和区15这么两个区就使得运放具有不同的作用，运放工作在线性区有线性区的作用；工作在饱和区有饱和区的作用；

线性区是指的输出是随着输入的变化而变化;

饱和区是指的输入信号达到一定值以后输出电压饱和在某个值上；这就是传输特性曲线，传输特性曲线是指的vo与vi之间的关系。16负饱和电路模型中的输出电压不可能超越正负电源电压值：设：若：则ab线性区正饱和017Avo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若VOM=12V，Avo=106，则|vi|<12V时，运放处于线性区,否则就处于饱和区。vivo+VOM-VOM线性放大区饱和区解：18例：电路如图所示，运放的开环电压增益输入电阻，电源电压

（1）试求当时输入电压的最小幅值（2）输入电流画出传输特性曲线。说明运放的两个区域。＋＋＋＋－－－－－＋电源19解：（1）输入电压的最小幅值当时，（2）输入电流画传输特性曲线连接a、b两点得ab线段，其斜率时，电路工作在线性区；，则运放进入非线性区。运放得电压传输特性如图所示20ab021由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点222.2理想运算放大器运算放大器在工程上应用是非常广的，就是应为他有各种各样的特性，可以完成各种各样的功能。这些功能是在测试系统中不可缺少的功能，所以他的应用非常广，我们分为几类去进行介绍运算放大器的应用。运算放大器既然是运算，他可以完成加减乘除运算，乘除都是通过加减来的，还可以完成对数和反对数的运算，还可以完成积分和微分运算，我们只介绍加减，比例放大，还有微分和积分运算等23

如果运放用于信号运算，我们主要是指的运放工作在线性区，利用虚拟短路和虚拟断路的分析依据，这两条一定要记住。如何让他工作在线性区，加入负反馈，他的应用范围一个就是信号运算，一个还可以作为滤波器。241.输出电压的饱和极限等于运放的电源电压，即和2.运放的开环电压增益很高，以至差分输入电压的值尽管很小，仍可驱使运放进入饱和区。即:若则将趋于正饱和极限即:若则将趋于负饱和极限3.若未达到饱和极限，则差分输入电压必趋近于0值。当处于与之间，则运放必将工作在线性区。非线性区限幅区254.内部的输入电阻的阻值很高，因而可近似认为无限大；由此可以假定，流入或流出同相和反相端的电流为零。5.内部的输出电阻的阻值很低乃至可近似认为它为零。＋＋＋＋－－－－－＋电源26＋＋－－将上述近似理想的运放的性能参数理想化，便可得到如图所示的理想运放的电路模型。它表示输入电阻是开路的，即输出端的电阻输出电压27运放工作在线性区的特点理想运放的条件虚短路虚开路放大倍数与负载无关，可以分开分析＋－＋运放线性应用信号的放大、运算有源滤波电路28

由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻髙，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其为理想运放。29前面讲了一下理想运算放大器的一些特点，在分析电路的时候我们可以用两个重要的特点：一个是虚断（虚假的开路）一个是虚短（虚假的短路）利用理想放大器的特性，分析一下各种运算放大器构成的比例运算电路。2.3基本线性运放电路线性运放电路：运放一定工作在线性范围（状态），电路通过接入负反馈来保证。30什么是比例运算电路？

比例运算电路是将信号按比例进行放大；例如：输入信号是5V，按2倍的比例进行放大，输出就是10V，这就是同相的比例放大；如果是负2倍的放大，输出就是负10V，这就叫做反相比例放大；

比例运算电路分为两类：

同相比例放大、反相比例放大。比例运算电路需要引入负反馈，他主要引入的是电压负反馈，引入的负反馈还是深度负反馈，如果是深度负反馈和开环的放大倍数无关，只和反馈系数有关。31比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。322.3.1同相运算放大器1.基本电路+--(+)同相放大电路

vo通过电阻R2有反馈，它接到运放的反向输入端，这是一个负反馈，既然是负反馈，就满足虚短和虚断。输入是从同相端输入＋－(+)(+)＋－如果是负反馈，那么

v+=v-=？输入的电流为零，Rp上没有电流，那么：v+=vi，这叫虚短路，

v+=v-=vi，这叫虚短路。33虚短输入信号看里面的值是正值，那么vo和vi的相位应该是相同的。再看反相输入端，反相输入端参考两个电流，这两个电流应该相等.这时候vo和vi的关系是：则：同相放大电路+--(+)＋－(+)(+)＋－342.负反馈的基本概念开环闭环正、负反馈判断方法：瞬时极性法瞬时电位变化极性——某时刻电位的斜率电路有vo

＝Avo(vp－vn)引入反馈后vn0，vp(vi)不变→

(vp－vn)↓→

vo↓使输出减小了，增益Av＝vo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。反馈概念反馈的分类：正、负反馈

35此时引入的反馈是负反馈。负反馈的的作用是利用输出电压通过反馈元件对放大电路起自动调整作用，从而牵制了的变化，最后达到输出稳定平衡。-＋－(+)(+)＋－＋－(+)(+)＋－363.虚假短路

图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。

由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，这种现象称为虚断。

由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。37+--(+)同相放大电路反馈电压虚短虚开路＋－(+)(+)＋－384.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av

根据虚短和虚断的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作为公式直接使用，注意问题）讨论：电压增益Av与运放无关，仅有外电路元件参数决定。vo,vi同相，电压增益Av大于或等于1394.几项技术指标的近似计算（2）输入电阻Ri

输入电阻定义根据虚短和虚断有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以讨论：优点？40(2)输出电阻信号源置零+--(+)＋－(+)(+)＋－讨论：优点？415.电压跟随器＋－＋vo和vi之间的关系：

这里用一根反馈线作为反馈网络;什么反馈？负反馈.既然是负反馈，vp=vn，vp=vn=vi，vo=vi;这里输入和输出是相同的，这是同相比例运放的一个特例，这种电路的特性比较稳定.42结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入此电路输入电阻大，输出电阻小，虽然电压跟随器的电压增益等于1电压跟随性能好＋－＋43如将电压跟随器接在髙内阻的信号源与负载之间。＋－＋+-信号源负载该电路几乎不从信号源吸取电流，因此，当负载变化时，输出电压几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压的影响44＋＋--信号源负载例如：当具有内阻为的信号源直接驱动的负载时，如图所示。它的输出电压为电压跟随器的作用45无电压跟随器时负载上得到的电压电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vs46结构特点：信号通过从反相输入端输入，负反馈引到反相输入端，同相端接地。2.3.2反相放大电路1.基本电路反相比例放大电路引入的是什么样的负反馈？R2是一个反馈网络；它直接取到的是输出端，就是电压负反馈；R2又和输入端接的是同一跟线，这是并联负反馈；电压并联负反馈电路。电位为0，虚地vo_++R2R1RPvii1i247＋－虚短＋－电位为0，虚地计算vo和vi的关系要用到虚拟短路和虚拟断路，还要用到基尔霍夫定律.虚断是指的输入运放的电流为零；反向输入端有一个电流ii，同相输入端也有一个电流ii，既然输入的电流为零，同相输入的电阻RP流过的电流应该是零。RP两端等电位点，RP左端的电位是零，RP右边也应等于零，同相输入端的电位也就是零。vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，这是虚短48根据虚断→ii=0→vn=0→根据虚短→

Vp=0电压增益：＋－虚短＋－电位为0，虚地vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，这是虚短49由理想运放组成的放大器的放大倍数和理想运放本身的放大倍数有关系吗？没有关系。和它外加的器件有关系，完全由外部电路器件决定它的放大倍数。这是一个反向输入，当然这是一个反向比例放大。502.几项技术指标的近似计算（1）电压增益虚开路虚短路虚开路vo_++R2R1RPvii1i2＋－虚短＋－（可作为公式直接使用）512.几项技术指标的近似计算（2）输入电阻和输出电阻由于电压负反馈得作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。＋－虚短＋－52平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//R2在反相比例放大电路的RP称作平衡电阻，主要是保证输入的对称性，这个电阻如何的取值？vo_++R2R1RPvii1i253反馈方式这是一个电压并联负反馈既然是电压并联负反馈，输出电阻很