第10章集成运算放大电路

集成运算放大器采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。一、集成电路（IntegratedCircuit简称IC）绪论二、集成电路的特点（同分立器件电路相比）1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用。集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。2.两者的设计思想正好相反分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路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。三、集成运算放大器四、应用分类按功能分类按工作区域分类放大

—信号传递，AV、AI、AR（V/I）、AG（I/V）运算

—处理

—滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅比较

—判断电压大小信号产生

—正弦、方波、三角波线性应用非线性应用

——电压比较器10.1集成运算放大器概述10.1.1集成运算放大器的基本组成

输入级

中间级

输出级偏置电路运算放大器方框图2.集成电路运算放大器的内部组成单元反相输入端同相输入端1、同相和反相的区别？2、开环电压增益左图所示为F007集成运算放大器的芯片实物外形图从实物外形图上可看出，F007集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：1

F0072876543空脚正电源端输出端调零端调零端反相输入端同相输入端负电源端集成运放的电路图符号∞＋＋－U0U+U-同相输入反相输入∞＋＋－+15V输出6513724-15V调零电位器外部接线图Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:几十~几百KCMR高:70dB~130dB10.1.3运算放大器的特点分析集成运放的符号：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸1.集成运算放大器的传输特性集成运放的电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系曲线，如图10.1.5所示，包含一个线性区和两个饱和区。图10.1.5电压传输特性

当运放工作在线性区时，输出电压uo与输入电压(u+－u－)是线性关系，线性区的斜率取决于Auo的大小。当uo增加到一定值后，就进入了饱和区。正、负饱和区的输出电压±Uom一般略低于正、负电源电压。2.主要参数1.最大输出电压UOPP

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM

运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB3.理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo

，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区O3.理想运放工作在线性区的特点

uo

=Auo(u+–

u–

)(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性

Auo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)O4.理想运放工作在饱和区的特点输出只有两种可能,+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饱和区10.3运算放大器的应用

集成运放的基本应用可分为两类，即线性应用和非线性应用。当集成运放外加负反馈使其闭环工作在线性区时，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；当集成运放处于开环或外加正反馈使其工作在非线性区时，可构成各种幅值比较电路和矩形波发生器等。本节介绍模拟信号运算电路。所谓比例运算，就是输出电压uo与输入电压ui之间具有线性比例关系，即uo=Kui。当比例系数|K|>1时，即为放大电路。10.3.1比例运算电路比例运算电路反相输入比例运算放大电路同相输入比例运算放大电路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，因虚断，i+=i–=0

，

ifiii–i+uoRFuiRbR++––++–所以iiif

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻Rb=R//RF

结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R、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uoRFuiRbR++––++–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Rb=R//RFu+u–

结论：①Auf为正值，即

uo与ui

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

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。

当R=或RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiRbR++––++–

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++––++–(1)反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

Rb=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–Rb+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

10.3.2加、减运算电路(2)同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：

平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–常用做测量放大电路2、减法运算由虚断可得：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

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、积分运算

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–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=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–Ui

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。uoCF–RFuiR2R1++–++–ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分

这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满