电工学讲义10-集成运算放大器

第九章集成运算放大器基本要求1.了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移的抑制作用。2.掌握集成运放的理想化条件和重点理解理想集成运放的两大特征。3.重点掌握运放的三种输入方式及运放的应用。由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体分立元件电路集成电路集成运放属于模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路小规模：SSI中规模：MSI大规模：LSI超大规模：VLSI集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与输入之间可灵活实现各种特定的函数关系。集成运放的输入级通常由差动放大电路组成输入级中间级输出级输出端输入端集成运放的组成如下：差动放大电路由于电容和变压器不能集成，所以集成运算放大器中的多级放大电路采用直接耦合方式，易产生零点漂移。即当输入信号为0时，输出信号不保持恒值，而是缓慢无规则的变化。tuo当放大电路输入信号后，这种漂移伴随信号共存于放大电路，这两者都缓慢变化，一真一假，互相纠缠，难以分辨当漂移足够大，放大电路就难以工作。零点漂移引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在输入级采用差动放大电路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-两个输入端ui1、ui2经RB1、RB2接至T1T2基极；输出电压uo从两管集电极取出；RP：调零电阻。由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全对称，调节RP使放大电路在输入为0时，输出为0。RE：稳定静态工作点。UEE：补偿RE上的电压降，扩大放大器动态工作范围。电路特点电路结构左右对称RC1=RC2，RB1=RB2，T1T2型号特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-工作原理由于两管对称Uc1=Uc2Uo=Uc1-Uc2=0当温度变化引起IC1、IC2时，由于电路对称输出电压变化量U=UC1–UC2=0IC1=IC2，UC1=UC2零点漂移被抑制了静态分析（ui1=ui2=0）ui1Uccui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-动态分析对差动放大信号，输入信号有三种：1）共模信号:两个输入信号电压大小相同，极性相同即：ui1=ui2一般噪声、干扰、温度等无用信号为共模信号2）差模信号:两个输入信号电压大小相同，极性相反即：ui1=–ui2一般待放大的有用信号接为差模信号3）任意信号：两个输入信号电压、极性任意，一般可将其分解为差模分量和共模分量共模分量：等于两个输入分量的平均值差模分量：等于两个输入分量差值的一半uo=(ui1+ui2)/2ud=(ui1–ui2)/21）共模信号:ui1=ui2当每个管子有相同信号加入，集电极电流相同变化，每管输出电压也相同变化，输出电压为0。差动放大电路对共模信号，放大倍数为0，无放大作用Auc=uo/(ui1-ui2)=0差动放大电路对零点漂移的抑制作用，实质为差动放大电路对共模信号的抑制。动态分析2）差模信号：ui1=–ui2当每个管子有相反信号加入，集电极电流相反变化，每管输出电压也相反变化，输出电压为:

差动放大电路对差模信号,放大倍数与单管放大倍数相同Aud=uo/(ui1-ui2)=uo/ui在差模信号作用下，差动放大电路的输出电压变化量为两管各自输出电压变化量的两倍uo=uC1-Uc2=2uC1=–2Uc23）任意信号:分解为差模分量和共模分量例如：输入信号ui1=10mV,ui2=–6mVuo=(ui1+ui2)/2=2mV,ud=(ui1–ui2)/2=8mVUi1=2mV+8mVUi2=2mV–8mV对称电路对2mV不起作用，对8mV有放大作用一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍Ad,较小共模放大倍数Ac，将两者的比值定义为共模抑制比：KCMR=|

Ad/Ac

|

KCMR越大表明电路多差模信号的分辨能力和对共模信号的抑制作用越强，理想状态下KCMR=共模抑制比差动放大电路输入输出方式双输入—双输出方式ui1ui2uo1uo2ui1单输入—双输出方式ui1uo1uo2单输入—单输出方式uo1双输入—单输出方式ui1ui2uo1集成运算放大器概述输入级中间级输出级输出端输入端输入级：为抑制共模信号，采用差动放大电路，由于制造在一片芯片上，对称性易于保证

输入级电阻很高，可达几十千欧到几兆欧中间级：直接耦合的多级放大电路,放大倍数可达几千到几十万倍输出级：采用射级输出器，输出电阻较小集成运放有两个输入端和一个输出端。组成运算放大器的符号表示反向输入端同相输入端运放输出端(电源可不必画，AO指开环电压放大倍数)A0u-u+uo反相输入端ui同相输入端uiuouo集成运算放大器的技术指标最大输出电压开环电压放大倍数最大差摸输入电压4.最大共模输入电压理想运算放大器理想化条件:开环电压放大倍数Auo

输入电阻ri

输出电阻ro0

共模抑制比KCMR=u-u+uo∞理想运放图形符号理想运放的两大特征根据Auo=uo/(u+–u–)

,

所以(u+–u–)0，两个输入端之间近似无电位差，即u+=u–理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的电流为0,即：i+=i-=0特征1：两个输入端之间的电压近似等于0特征2：两个输入端的电流近似等于0u-u+uo∞i-i+运算放大器的输入方式反相输入同相输入差动输入输入信号从反相端接入电路输入信号从同相端接入电路同相端和反相端均有输入信号接入u-u+uo∞i-i+反相输入方式输入电压从反相端引入,同相端经过R2接地Rf：集成运放的开环放大倍数很高,微弱的输入信号也会使放大器进入饱和。在输入与输出之间接入负反馈电阻Rf作闭环应用。R2：由于输入级采用差动放大电路，为使静态时,ui=0,uo=0,反向输入端和同相输入端对接地端应有相同的电阻，在同相输入端接入平衡电阻R2R2=R1//Rfuiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--1.闭环电压放大倍数Au=uo/ui=–Rf/R1反向端虽未接地，但电位接近0，称反向输入端为“虚地”

负号表明输入输出电压反向电路分析if=i1=(u––uo)/Rf对图示节点：

i+=i–=0

(理想运放特征2)i1=i–+ifuiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-u+=u–=0u+=u–(理想运放特征1

)i+=0又：

i1=(ui–u–)/R1=ui/R1

又：Au=uo/ui=–Rf/R1只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接电阻Rf和R1有关，而与放大器本身参数无关。运放具有很高的精度和稳定性这种运放电路称为比例运算电路。当Rf=R1时,Au=–1,

称反向器。uiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-2.闭环输入电阻rif和rofrif=ui/iiu–=0rif=ui/i1=R1在反相输入运放电路中，反馈电流取至电压uo，形成电压反馈，反馈信号在输入端：i1=i–+if

，为并联反馈，反馈电流削弱了输入电流i-，是负反馈，电压并联负反馈输出电阻很小，对理想运放：uiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-rof=0同相输入方式输入信号从同相端输入

i+=i–=0

(由理想运放特征2)u+=u–(由理想运放特征1

)i1=if=-uo/(R1+Rf)i1=(0-u–)/R1=–u+/R1=–ui/R1Auf=uo/ui=(1+Rf/R1)输出电压与输入电压同相，放大倍数取决于外接电阻Rf,R1uouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--1.闭环电压放大倍数若R1开路(R1=

)

，Rf=R2=0Auf=uo/ui=(1+Rf/R1)=1输出电压与输入电压大小相同且同相电压跟随器uiuiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--uo∞uo2.闭环输入电阻rif和rofrif=ui/ii=ui/0=

rof0（电压负反馈）由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质量优越，几乎不向前级电路取电流，而向后级供电流时，几乎不存在内阻。常用作隔离器uouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--差动输入方式同相端和反相端同时有输入信号运用叠加原理：当ui1单独作用（ui2=0）反相输入方式：uo1=

–(Rf/R1)ui1当ui2单独作用（ui1=0）同相输入方式：uo2=(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]u+=ui2R3/(R2+R3)=u––u–/R1=(u––uo2)/Rfuoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui11.闭环电压放大倍数uo1=

–(Rf/R1)ui1uo2=(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]u=uo2+uo1=–(Rf/R1)ui1+(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]在该电路中，根据对称性要求：Rf//R1=R3//R2uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1举例已知ud为差模信号，uc为共模信号，R1=R2=R3，问当Rf为何值，输出电压uo不含共模信号？解：运用叠加原理设ud单独作用（uc=0),为反相输入方式uod=–(Rf/R1)ud设uc单独作用（ud=0),

则：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，则：(1+Rf/R1)[R3/(R2+R3)]=(Rf/R1)又：R1=R2=R3Rf=R1uoc=(1+Rf/R1)uc[R3/(R2+R3)]+–(Rf/R1)ucuouicu+u-if∞R1R2RfR3uid+-++--运算放大器的应用集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与输入之间可灵活实现各种特定的函数关系：加法电路减法电路积分电路微分电路电压比较器反相输入方式，有“虚地”存在u+=u–=0i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3/R3i+=i–=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rfuo=–(ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3)Rf当

R1=R2=R3=Ruo=–(ui1+ui2+ui3)Rf/R加法电路ui2ui1uo∞RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法电路的输出电压与输入电压之和成正比关系同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时

u+=u_0，可能产生较大的共模输入电压，使放大器

工作于非线性区域，甚至造成损坏。在设计加法电路时，uo数值必须低于电源电压，否则运放易趋于饱和而产生误差。uo=–(ui1+ui2+ui3)Rf/R注意:利用双端输入，可构成减法电路u+=u–=0u–=ui1-i1R1=ui1-(ui1–uo)R1/(R1+Rf)i+=i–=0u+=ui2R3/(R2+R3)uo=–(Rf/R1)ui1+(1+Rf/R1)[R3/(R2+R3)]ui2当R1=R2=R,Rf=R3时，uo=(Rf/R)(ui1-ui2)当R1=Rf时，uo=ui1-ui2减法电路uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1uo=(Rf/R)(ui1-ui2)输出电压uo与两个输入电压的差值成正比在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避免超过集成运放的最大共模电压。用电容C代替反馈电阻Rfu+=u–=0i+=i–=0i1=if=(ui-u–)/R=ui/Ruo=0-uc=–1/Cifdt=–1/Ci1dt输出电压uo正比于输入电压的对时间的积分。R1C为积分时间常数，R1C越小，积分作用越强积分电路uoui∞R1R2u+u-i-ifi1i+++--Cuc+-例10-3t<0,ui=0t>0,ui=–U负阶跃电压tui00uotuoui∞R1R2u+u-i-ifi1i+++--Cuc+-输出电压uo与输入电压是微分关系。RfC为微分时间常数，RfC越大，微分作用越强u+=u–=0i+=i–=0i1=if=-uo/Rfi1=C(duc/dt)=C(dui/dt)ui–uc=0微分电路uiuo∞RRfu+u-i-ifi1i++-+-Cuc+-例10-4t=0时：瞬间充电电流i1=Cdui/dt

和uo=–RfC(dui/dt)趋于，

但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。t>0时：ui为恒定值uo0，R