第四章集成运算放大器

第四章集成运算放大器第一页，共56页。

运算放大器(operationalamplifier)简称为运放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟计算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算放大器制成在一个小硅片上，就成为集成运算放大器(integratedoperationalamplifier)。由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点得到了广泛应用。可完成放大、振荡、调制、解调及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。本章将介绍集成运放的基本知识、基本电路及其主要应用。

第二页，共56页。主要内容第一节运算放大器的基本知识第二节运算放大器的基本电路第三节运算放大器的应用第三页，共56页。第一节运算放大器的基本知识一.集成运算放大器的组成集成运放通常由输入放大级、中间电压放大级、输出级以及偏置电路等四部分组成。输入级采用差动放大电路，要求输入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益的电压放大；输出级与负载相接，要求输出阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流；偏置电路一般由恒流源电路构成，给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。此外，电路还备有过流保护电路。第四页，共56页。集成运放的基本组成第五页，共56页。右图是运算放大器的电路符号。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。输出电压与反相输入电压相位相反，与同相输入电压相位相同。此外还有两个端分别接正、负电源，有些集成运放还有调零端和相位补偿端。在电路中不画出。第六页，共56页。二.集成运算放大器的使用1.调零实际运算放大器，当输入为零时输出并不为零，采用调零技术可使输入为零时输出也为零。第七页，共56页。2.消振集成运放是多级直接耦合的放大器，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输过程中会产生相移。信号频率变化时，相移也变化。当运放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。为了使放大器工作稳定，通常外接RC消振电路或消振电容，用来破坏产生自激振荡的条件。第八页，共56页。3.保护①输入端保护是当输入端所加的电压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下；第九页，共56页。②输出端保护是为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电压限制在±(Uz+UD)的范围内，其中，Uz是稳压管的稳定电压，UD是它的正向管压降；第十页，共56页。③电源保护是为了防止正、负电源接反，可用二极管进行保护。第十一页，共56页。三.集成运放的主要性能指标

1.输入失调电压Uis：对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压Uis，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。Uis一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。第十二页，共56页。

2.输入失调电流Iis：输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流I+与I-之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。Iis是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。

第十三页，共56页。3.开环电压增益Kd：开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可用Kd的常用对数表示。一般运放的电压增益都很大，为60~100dB，高增益运放可达140dB(即107)。第十四页，共56页。

(4)输入阻抗ri和输出阻抗ro：

输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，即ri=∆Ui/∆Ii，ri越大越好。双极型晶体管输入级的ri值为104-106Ω，单极型场效应管输入级ri可达109以上。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。第十五页，共56页。

(5)共模抑制比CMRR：

共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。

第十六页，共56页。运放还有很多其他指标：如转换速率是指放大器在闭环状态下，输入放大信号时，放大器输出电压对时间的最大变化速率。运放的静态功耗是指没有输入信号时的功耗，通常约为数十毫瓦，有些低耗运放，静态功耗可低到0.1mW以下，这个指标对于便携式或植入式医学仪器是很重要的。运放的最大共模输入电压是指运放共模抑制比明显恶化时的共模输入电压值，通常约为几伏到十几伏。运放的电源电压，一般从几伏到几十伏。第十七页，共56页。四.集成运算放大器的理想模型

集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数Kd→∞，输入阻抗ri→∞，输出阻抗ro→0，共模抑制比CMRR→∞，输入信号为零时，输出电压为0，且特性不随温度而变化。

第十八页，共56页。由此理想运放在线性运用时有以下重要结论：⑴运放两个输入端的电压近似相等，即U+≈U-：因为Kd→∞，则ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以u+=u-。这样，两个输入端可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为零电位，称为“虚地”(imaginaryground)。第十九页，共56页。

⑵两个输入端的输入电流近似为零，即Ii≈0因为ri→∞，所以Ii=（u+-u-)/ri=0。上面两个结论，虽然是从理想运放的特性得到的，但比较符合实际情况，因此，对于各种实际的集成运放电路，可以用理想模型进行分析、计算，这样可使电路的分析大大地简化，同时也不影响结果。第二十页，共56页。第二节运算放大器的基本电路一.反相放大器输入电压ui经电阻R1由反相输入端输入，输出端与反相端之间接一反馈电阻RF，同相输入端与地之间接一平衡电阻R2，且R2=R1//RF，以保证运放输入端的对称。第二十一页，共56页。因Ii=0，故i1≈if，因此又因u+≈u-=0，因此KF为反相放大器的闭环电压放大倍数，它只与外接电阻R1、RF有关，而与集成运放本身参数无关。只要电阻值足够精确，则输出电压uo与输入电压ui可得到高精度的比例关系，负号表示uo与ui相位相反，所以称反相放大器。第二十二页，共56页。当RF=R1时，uo=-ui，构成反相器。反相放大器是一种电压并联负反馈电路，输出阻抗低。因其反相输入端为虚地，所以该电路的输入电阻是R1。第二十三页，共56页。对于具有内阻Rs的信号源，上面公式中的R1应当用R1+Rs代替，为了不使电压增益受Rs的太大影响，R1应该取大一些。但为了保证输入电流远大于偏置电流，R1应远小于运放的内阻，对于通用型运放，R1不宜超过数十千欧，反馈电阻RF越大则电压增益越大，但要求反馈电流也应远大于偏置电流，所以RF也不能取得过大，通常不宜超过兆欧。因此，当Rs达到数千欧时，这个电路难以获得高增益。另外，反相放大器是并联负反馈电路，该放大器的输入电阻小，故它不能应用到高内阻信号源上。第二十四页，共56页。右图为高增益的反相放大器，反馈电压从分压电阻R3和R4的连接点引出，这仍是一个电压并联负反馈电路。由于R3/R4可以取很大值，因此这个电路可以获得很高的电压增益。第二十五页，共56页。二.同相放大器将反相放大器中R1端接地，输入电压ui经电阻R2由同相输入端输入，即可构成同相放大器(noninvertingamplifier)，实现输出电压uo与输入电压ui之间的同相比例运算。第二十六页，共56页。因Ii=0，故i1≈if，因此又因u+≈u-，因此uo与ui之间的比例关系也与运放本身的参数无关，电路精度和稳定度都很高。KF为正表示uo与ui同相，并且KF总是大于或等于1，这一点与反相放大器不同。第二十七页，共56页。当RF=0时KF=1，电路就变成电压跟随器。同相放大器实际上是一个电压串联负反馈放大器，因此其输入阻抗高、输出阻抗低，而且增益不受信号源内阻的影响。该电路的不足是其共模抑制比CMRR不太大。第二十八页，共56页。解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其中A1是跟随器，因此Uo1=Ui=2V它又是A2的输入信号电压，A2是反相放大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V第二十九页，共56页。三.差分放大器右图是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输入，可实现减法运算。根据理想运放条件，得

当R1=R2，R3=RF时，R1=R2=R3=RF，则uo=ui1-ui2。第三十页，共56页。该电路的反馈对同相输入端是电压串联负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈，它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放大器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要随之改变，因此使用很不方便，实际电路要进行改进，详见后面的并联型差分放大器。第三十一页，共56页。第三节运算放大器的应用一.加法和减法运算电路对于低内阻信号源，双端都采取并行输入可以同时实现加减法运算，下图是实现加减法运算的基本电路。第三十二页，共56页。由Ii=0，得设即整理后，得若调节R5，使R+=R-，则第三十三页，共56页。上式表明，输出电压等于各输入电压按不同的比例相加或相减。如果Rl、R2、R3、R4、RF取不同值，需按权重进行加减法；如果Rl=R2=R3=R4=RF可以实现加减运算，即uo=(ui1+ui2)-(ui3+ui4)如果只从反相端并行输入信号，可以实现反相加法运算，即uo=-(ui3+ui4)如果只从相同端并行输入信号，可以实现同相加法运算，即uo=(ui1+ui2)输入端个数可以根据实际需要适当增减，剩余的输入端要接地。第三十四页，共56页。二.积分和微分运算电路积分运算电路将反相放大器的反馈电阻换成电容器CF，放大电路如图所示。假定反馈电容CF初始电压为0，则第三十五页，共56页。上式表明，输出电压uo是输入电压ui对时间的积分，R1CF叫做时间常数，负号表示输出电压与输入电压在相位上相反。这个电路应用到有直流成分的输入电压时，积分时间不能太长，以免输出电压达到饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。

积分运算电路常用于对呼吸流速等进行积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生理参数。

第三十六页，共56页。2.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的反馈电容CF和输入电阻R1交换位置，即构成微分运算放大器。由上面两式得，即输出电压与输入电压的微分成正比。第三十七页，共56页。在使用微分电路时，输入电压变化不能太大，否则运放将达到饱和，甚至被损坏。微分电路的主要缺点是干扰较严重，因为干扰电压变化很快，频谱很宽，频率越高的成分放大越多，形成很多尖峰。在微分运算前先经过低通滤波可以大改善这个电路的性能。微分运算放大电路可用来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以求得其变化速率。第三十八页，共56页。三.对数和反对数运算电路1.对数运算电路以二极管代替反相放大器中的反馈电阻RF，即可构成对数运算放大电路。二极管PN结的正向电流为：

UT=26mV，i1=ui/R1，理想运放，i1=iD，因此两边取对数，又uo=-uD，则第三十九页，共56页。上式说明，电路的输出电压与输入电压的对数成正比关系。实际电路中，常用三极管的发射结代替二极管。该电路只适用于ui>0的情况，若ui<0，则需将二极管两极对调连接。这个电路的主要缺点是受温度影响很大，其次是小电流和大电流时误差较大。对数运算放大电路在生物医学仪器中应用较多，但实际电路较复杂。第四十页，共56页。2.反对数运算电路反对数运算是对数运算的逆运算，又叫指数运算。将对数运算电路中的二极管与输入电阻交换位置，即可构成反对数运算放大电路。因为：所以：第四十一页，共56页。上式表明电路的输出电压与输入电压的反对数成正比。实际电路中常用三极管代替二极管。当ui<0时，应使二极管反向连接，三极管用PNP型。实际电路中，绝对温度T、反向饱和电流Is都与环境温度有关，是影响输出电压稳定的主要因素。为减小它们对uo的影响，实际设计的电路要比上述电路复杂。第四十二页，共56页。3.乘除法运算电路将对数、反对数、加法、减法等运算电路按数学规律加以组合，就可以得到信号的乘法、除法、乘方等运算电路。减法运算指数运算ui1/ui2In(ui1/ui2)第四十三页，共56页。四.测量放大器在生物信息检测中，由于生物医学信号幅度小，生物医学信号源内阻大，环境引起的共模干扰大，因此获取信号要求用输入阻抗高和共模抑制比大的放大器，这种通用放大器就是测量放大器。它的基本作用是把微弱的生物电信号进行放大，使它可以进一步被处理、记录或显示。第四十四页，共56页。同相并联型差分放大器图4-19，具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益可调等优点，广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用这种电路。

调节R1，可调节电路的电压增益。同相串联型差分放大器图4-20，为了获得高输入阻抗，并达到少用运放器件的目的，可采用同相串联型差分放大器。其输入阻抗通常可高达几十兆欧。第四十五页，共56页。A1、A2组成放大倍数约为27的同相串联型差分放大器，其输出端接有RC高通滤波器。输出级是A3组成的放大倍数为33的同相放大器，这个电路的总电压放大倍数为27×33=891。同相串联比同相并联电路接成的心电放大器省一个运放器件，更为经济合算。第四十六页，共56页。五.电压比较器用集成运放可构成各种电压比较器(voltagecomparator)。可对两个输入信号进行比较，判别输入信号的大小和极性。UR是参考电压，加在同相输入端，输入电压ui加在反相输入端。运算放大器工作于开环状态。第四十七页，共56页。由于开环电压增益很高，即为集成运放本身的电压增益，所以即使输入端有一个非常微小的差模信号，也会使电路输出电压达到饱和电压值，即接近集成运放的电源电压。当ui<UR时，输出正饱和值+Uom(接近正电源+E)，当ui>UR时，输出负饱和值-Uom(接近负电源-E)，右图是运算放大器工作在开环状态时，电压比较器的传输特性。第四十八页，共56页。可见比较器的输入端进行的是模拟信号大小的比较，而在输出端则以高电平或低电平来反映其比较的结果。当参考电压UR=0时，即输入电压ui与零电平比较，称为过零比较器。比较器是运算放大器的非线性运用，由于它的输入为模拟量，输出为数字量，是模拟电路与数字电路之间的过渡电路，所以在自动控制、数字仪表、波形变换、模数转换等方面都广泛地使用电压比较器，目前国内外已有专门的单片集成比较器。第四十九页，共56页。六.有源滤波器集成运算放大器和RC电路可组成有源滤波电路。有源滤波电路能提高滤波性能，还可以将信号放大，且放大倍数易调节。有源滤波器也可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。第五十页，共56页。右图为低通有源滤波器电路。对于输入信号中的高频成分，电容C可近似地看成短路，输出端与反相输入端虚地连接，所以最终输出电压很小，抑制了高频信号。对于输入信号中的低频成分，电容C可近似地看成开路，这时的放大倍数为-R2/R1，低频信号顺利通过。此低通滤波器的上限频率为：1/2πR2C。R2不直接与信号串联在一起，所以可取很大