电工学讲义10集成运算放大器

第十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掌握理想集成运放的两大特征。3.重点掌握集成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小规模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概述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：？零点漂移零点漂移：当输入信号为0时，放大电路的静态值发生变化。零点：放大电路的直流电压源UCC保持不变，环境温度保持不变（20ºC），输入信号ui=0时放大电路的静态值。引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。1.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。2在多级放大电路中，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。零点漂移的抑制抑制漂移，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。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，无法通过耦合方式抑制零点漂移。1.电路结构1电路结构对称（在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。）2电路具有两个输入、两个输出端。

典型差动放大电路

+UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+++–––T2差动放大电路特征：1.零点漂移的抑制

（静态分析）uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0静态时，ui1

=

ui2

=0当温度升高时:ICVC差动放大电路对两管所产生的零点漂移都有抑制作用+UCCuoui1RCRB4T1RB2RCui2RB3RB1+++–––T22.工作原理uo?（VC1=VC2

）2.有信号输入时的工作情况(动态分析)两管集电极电位呈等量同向变化(1)共模信号

ui1=ui2

大小相等、极性相同+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+–ui1ui2++––T2共模信号需要抑制uo=(uC1+uC1

)－(uC2+

uC１)=0

Ac=0电路共模信号没有放大能力+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T22.有信号输入时的工作情况两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化(2)

差模信号

ui1=–ui2

大小相等、极性相反uo=(uC1－uC1

)－(uC2+

uC１)=－2uC1对差模信号有放大能力+–+–+–+–+–+–差模信号是有用信号（Ad=－2uC1/－2ui

=Au

）(3)任意输入

ui1、ui2大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分量和共模分量：例:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信号差模信号

放大器只放大两个输入信号的差值信号,抑制共模信号。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。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（CommonModeRejectionRatio)差模放大倍数共模放大倍数

KCMR越大，说明分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。3.共模抑制比共模抑制比一般情况下，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，全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。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。典型差动放大电路

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。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+--差动放大电路输入输出方式双输入—双输出方式ui1ui2uo1uo2单输入—双输出方式ui1uo1uo2ui1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集成运放有两个输入端和一个输出端。组成+UCC–UEEuou–u+电路的简单说明输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，采用带恒流源的差放

。

中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由射极输出器构成。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集成运算放大器的主要技术指标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IIB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+虚短虚断运算放大器的输入方式及电路分析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+1.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//Rfuoui∞R1Rfu+u-i-ifi1i+++--R21.闭环电压放大倍数反向端虽未接地，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ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uou–=u+=0(特征1

)，i+=i–=0(特征2)，

所以i1if

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。这种运放电路称为反相比例运算电路。当Rf=R1时,Au=–1,又称反相器。ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uo电压并联负反馈输入电阻低，输出电阻

02.闭环输入电阻rif

和rofuoRFuiR2R1++––++–－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈2.同相输入方式因:i+=i-=

0

(特征2)

，所以:u+=ui=

u-(特征1)

（1）电路组成（2）电压放大倍数反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻:R2=R1//RFuouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--输出电压与输入电压同相，放大倍数取决于外接电阻Rf,R1输入电阻高输出电阻

0电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++–2.闭环输入电阻rif

和rofrif=ui/ii

=ui/0=

rof0

（电压负反馈）若R1开路(R1=)

，Rf

=R2=0输出电压与输入电压大小相同且同相电压跟随器uiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--uoui∞uo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ui∞uo输入电阻高输出电阻

0

例1：左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k负载电流的大小与负载无关。

例2：负载浮地的电压-电流的转换电路1.

能测量较小的电压；2.

输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi13.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：当ui2单独作用（ui1=0）同相输入方式：(2)闭环电压放大倍数（1）电路组成uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1在该电路中，根据对称性要求：Rf

//R1=R3//R2常用做测量放大电路

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

输出与两个输入信号的差值成正比。uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1分析方法2：因为uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1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=R1uoucu+u-if∞R1R2RfR3ud+-++--举例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加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

反相输入方式，有“虚地”存在u+=u–=0,i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3/R3i+=i–=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rf当

R1=R2=R3=Ruoui2ui1∞RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法运算电路1.反相加法运算电路加法电路的输出电压与输入电压之和成正比关系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：u+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–iR1iR2iR1=iR21.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–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。注意:利用双端输入，可构成减法电路减法电路uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

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Rf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∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=ifif=?信号从反相端输入，存在“虚地”例t<0,ui=0t>0,ui=–U负阶跃电压tui0t0uoui∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-线性积分时间积分饱和uO=UOM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。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1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,以满足控制系统的要求。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，微分作用越强微分电路uoui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-信号从反相端输入，存在“虚地”

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=if例t=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，RfC越大，衰减越慢尖脉冲uo0tt<0,ui=0t>0,ui=–U负阶跃电压tui0ui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分

控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Um1或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–

Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O运放工作于开环状态,放大倍数高，放大器处于饱和状态UR为参考电压：电压比较器可用来判断输入信号的相对大小，用于控制电路或波形变换∞RRuo电压比较器0uiui<UR:

放大器处于正饱和状态uo=+Um1ui>UR:放大器处于负饱和状态

uo=–Um2不存在u+=u－

现象

例10-5：若输入电压ui=UmSint,且UR<Um,画uo波形。0uo0ui∞RR反馈电阻Rf

连接在同相输入端，形成正反馈电路，加速了比较器的翻转过程，输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。当放大器处于正饱和状态:

uo=+Um1∞RRfR2uf+-URH称为上阈值门限电压受输出电压的控制当放大器处于负饱和状态:

uo=-Um2具有迟滞作用的电压比较器URL称为下阈值上门限电压URH

：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压URL：ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Um2+Um1电压传输特性uitOuoOt+Um1–Um2两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++–R1+–+–例10-6：若输入电压ui=UmSint,且URH<Uim,|URL|<|Uim|,画uo波形。0uoui0∞RRRfR2uf+-END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++-+-典型差动放大电路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。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