第7章集成运算放大器及其应用

本章要点

集成电路基础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集成电路基础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集成电路基础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。7.1集成运放概述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集成运放概述二、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：提供合适的、稳定的静态工作点。反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+ui1ui2+–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)765F0071234U-U+-UCC+UCC输出集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列uo=Aod(ui1-ui2)Aod:差分式放大电路的差模电压放大倍数集成运放的信号输入方式1、共模输入方式+UCC–UEEuo+–+ui1ui2+–+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，即即ui1=ui2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差模输入方式下的电压放大倍数用Aud表示，即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，其值越大越好，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。反映了运放对共模输入信号的抑制能力，其值越大越好，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，从输出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。7.2负反馈放大电路（1）反馈的概念

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。（3）反馈的分类1）直流反馈和交流反馈

如果反馈量中只含有直流量，称为直流反馈；或者说，仅在直流通路中存在的反馈称为直流反馈。如果反馈量中只含有交流量，称为交流反馈；或者说，仅在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。

在很多放大电路中，常常是交、直流反馈兼有。2）正反馈和负反馈3）电压反馈和电流反馈如果引入反馈量取自输出电压，则为电压反馈。如果引入反馈量取自输入电流，则为电流反馈。4）串联反馈和并联反馈串联反馈：在输入回路中，反馈量和输入量都以电压的形式出现，并以串联方式在输入端相加减。即由电压求和的方式来反映反馈对输入信号的影响。并联反馈：在输入回路中，反馈量和输入量都以电流的形式出现，并以并联方式在输入端相加减。即由电流求和的方式来反映反馈对输入信号的影响。（4）反馈的判断1）有无反馈的判断若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，即反馈通路，并由此影响了放大电路的净输入，则表明电路引入了反馈;否则电路中便没有反馈。1）有无反馈的判断（4）反馈的判断2）反馈极性的判断：瞬时极性法基本做法是：规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号增大，则说明引入了正反馈；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则说明引入了负反馈。

即通过分析集成运放的净输入电压，或者净输入电流因反馈的引入是增大了还是减小了，来判断反馈的极性。2）反馈极性的判断：瞬时极性法2）反馈极性的判断：瞬时极性法（4）反馈的判断3）判断反馈的串并联形式并联反馈：反馈信号与输入信号在同一节点引入，或是并接在放大器的同一个输入端上。串联反馈：反馈信号和输入信号不在同一节点引入或反馈信号和输入信号加在放大器的不同输入端上。串联反馈（4）反馈的判断3）判断反馈的串并联形式并联反馈：反馈信号与输入信号在同一节点引入，或是并接在放大器的同一个输入端上。串联反馈：反馈信号和输入信号不在同一节点引入或反馈信号和输入信号加在放大器的不同输入端上。并联反馈（4）反馈的判断4）判断电压或电流反馈的方法（4）反馈的判断4）判断电压或电流反馈的方法（5）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用是把净输入电压放大为输出电压，而反馈网络的作用是把输出电压变换为反馈电压uf,uf在输入端与输入电压ui串联相减。（5）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用是把净输入电流放大为输出电压，而反馈网络的作用是把输出电压变换为反馈电流if,if在输入端与输入电流ii并联相减。（5）负反馈的四种类型这种类型中，放大电路的作用是把净输入电压放大为输出电流，而反馈网络的作用是把输出电流变换为反馈电压。这种类型中，放大电路的作用是把净输入电流放大为输出电流，而反馈网络的作用是把输出电流变换为反馈电流。四种负反馈的判断，见书例7.57.2.4负反馈对放大电路性能的影响1）增益2）稳定性3）波形失真性4）输入电阻和输出电阻1）降低放大倍数其中，AF叫环路增益，1+AF叫反馈深度2）提高放大倍数的稳定性所谓稳定性，指开环的相对稳定程度与闭环的相对稳定程度的比较。负反馈的基本特点是自动调整作用，当外界条件发生变化引起输出信号增大时，负反馈则按比例将增大量送到输入端，抵消一部分输入信号，使净输入信号减小，达到降低输出信号的目的。2）提高放大倍数的稳定性可见，引入负反馈后，放大倍数的稳定性提高了。例7.6一个放大电路的开环放大倍数为1000，由于某种原因下降到900，当引入负反馈后，其反馈系数F为0.2，求其闭环的相对变化量。3）扩展通频带4）改善波形失真：减小非线性失真4）改善波形失真：减小非线性失真5）改善电路的输入电阻和输出电阻输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因而反馈对输入电阻的影响，取决于基本放大电路与反馈网络在电路输入端的连接方式，即取决于电路引入的是串联反馈还是并联反馈。1）串联负反馈对输入电阻的影响b并联负反馈对输入电阻的影响（2）对输出电阻的影响输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因而负反馈对输出电阻的影响取决于基本放大电路与反馈网络在放大电路输出端的连接方式，即取决于电路引入的是电压反馈还是电流反馈。1）电压负反馈对输出电阻的影响对于电压反馈的放大电路，当输入电压ui为一定值，如果输入电压uo由于负载电阻RL的减小而减小时，则反馈电压UF也随之减小，其结果使净输入电压ud增大，于是输出电压就接近原值。所以电压反馈的放大电路具有恒压输出特性，根据电压源的外特性：内阻越小越接近恒压源。因此，电压负反馈使输出电阻减小。2）电流负反馈对输出电阻的影响对于电流反馈的放大电路，当输入电压ui为一定值，如果输出电流io由于温度升高而增大时，则反馈电压UF也随之增大，其结果使净输入电压ud减小，于是输出电流就接近原值。所以电流反馈的放大电路具有恒流输出特性，根据电流源的外特性：内阻越大越接近恒流源。因此，电流负反馈使输出电阻增大。7.3具有负反馈的集成运放应用电路集成运算放大器加上一定形式的外接电路可实现各种功能。例如：能对信号进行反相放大与同相放大，对信号进行加、减、微分和积分运算。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。其理想化指标为：

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.理想运放的概念尽管理想运算放大器并不存在，但由于集成运算放大器的技术指标都比较接近于理想值，在具体分析时将其理想化来分析。

为了计算方便，后续内容一律将集成运放为理想运放。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O运放工作在线性区的条件是：引入深度负反馈运放工作在非线性区的条件是：运放处于开环或引入了正反馈集成运放工作在非线性区时，输出电压不再随输入电压线性增长，而是达到饱和。3.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”

3.理想运放在线性工作区的特点1）虚短2）虚断uoRFuiR2R1++––++–ifi1i–i+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)此外，运放工作在非线性区时，两输入端的电流可认为等于零，即：

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.反相输入：输入信号从反相输入端引入的电路。(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++––++–1.反相输入(1)电路组成ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–从式子可以看出，输出电压与输入电压呈比例关系，负号表示输出电压与输入电压反相。

当RF=R1时，uo=ui,输入电压与输出电压大小相等，相位相反，即为反相器。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=或

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：输入端多个输入信号想加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)此时，输出电压是n个输入电压的反相之和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=?ifi1uOCuiRR++––++–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。积分电路的波形变换作用积分电路的波形变换作用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。7.4滤波的概念及有源滤波器滤波器的作用是让负载需要的某一频段的信号顺利通过电路，而其他频段的信号被滤波电路加以抑制和衰减，即过滤掉负载不需要的信号。7.4滤波的概念及有源滤波器7.4滤波的概念及有源滤波器7.4滤波的概念及有源滤波器7.4滤波的概念及有源滤波器缺点：1）电路增益小，最大仅为1；2）带负载能力差，当在输出端接入负载时，滤波特性随之改变。3）通带和阻带之间存在一个频率较宽的过渡区。在分析有源滤波电路时，一般都通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“象函数”U(s)和I(s)，因而电阻的R(S)=R，电容的Zc(s)=1(sC),电感的ZL(s)=sL,输入量与输出量之比称为传递函数，即：A(s)=Uo(s)/Ui(s)一阶有源低通滤波器

求解传递函数时，只需将放大倍数中的jω用s

取代即可；s

的方次称为阶数。频率趋于0时的放大倍数为通带放大倍数决定于RC环节表明进入高频段的下降速率为－20dB/十倍频（1）一阶电路1.同相输入：把一阶无源RC低通滤波电路接到集成运放的同相输入端。经拉氏变换得传递函数：一阶电路幅频特性曲线：讨论：1）f=0时，2）f=f0时，3）f趋于无穷时，

2）反相输入有源低通滤波器

一阶有源高通滤波器

一阶有源高通滤波器图形见书一阶有源低通滤波器

7.5电压比较器要求：了解集成运放构成电压比较器的条件

掌握各种电压比较器的工作原理

掌握各种电压比较器的传输特性7.5电压比较器7.5电压比较器分析电压比较器时，通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。

阈值：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。传输特性：指比较器的输入电压和输出电压之间的关系。按照传输特性的不同，电压比较器有以下种类：单限比较器、滞回比较器(迟滞比较器)、双限比较器（窗口比较器）等一、单限比较电路：又称为电平检测器通常只含有一个运放，而且大多数情况下运放处于开环状态，只有一个门限电压。uoui0+UOM-UOM++uoui++uouiuoui0+UOM-UOM（1）过零比较器:（运放处于开环，门限电平UR=0）过零比较器的实际运用–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非过零比较器的实际应用：

集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输入电压最大值为±UD改进的单限比较器：比较器的输出电压是由比较器的内部设计决定的，其值是固定的，而在实际应用中，输出电压往往不能满足负载的需要，为了解决这一问题，常在运放的输出端接限幅电路。uiUR输出带限幅的电压比较器：为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。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–UZ–Uo(sat)+Uo(sat)uoO电压比较器的分析方法：（1）写出u+、u-的表达式，令u+＝u-=0，求解出的uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。一般单限比较器作用于反相输入端例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。迟滞比较器：在单限比较器的基础上，通过电阻把输出电压反馈到运放到运放同相输入端形成正反馈。输入电压加到同相端称为同相滞回比较器；输入电压加到反相端称为反相滞回比较器；二、滞回比较电路-+uiuOR1UZRURR2反相迟滞比较器反相迟滞比较器问题：1）该电路有无反馈？若有，什么类型？-+uiuOR1RURR2+UZ-UZ+ui很