第五章：集成运算放大电路及应用

电路与电子技术主要内容：集成运放的组成及功能负反馈放大电路集成运算放大器的线性应用第5章集成运算放大电路及其应用第二篇模拟电子技术电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用第5章集成运算放大电路及其应用集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。第一节集成电路概述集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用第二节集成运算放大器的基本组成及其功能一、通用型集成运放(OperationalAmplifier)的组成1.模拟集成电路的特点1)直接耦合：采用差分电路形式，元件相对误差小；2)大电阻用恒流源代替，大电容外接；3)高增益、高输入电阻、低输出电阻2.组成方框图输入级：差分电路，大大减少温漂，要求输入电阻要大中间级：实现电压放大，通常采用共发射极电路,增益大输出级：

OCL电路，带负载能力强偏置电路：镜像电流源，微电流源；为放大电路提供稳定的偏流输入级偏置电路中间级输出级+

uo

uid电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.2.1偏置电路一、镜像电流源+VCC当VCC和R确定后,Ic2就确定了,称为镜像电流源。IC2V1RV2IRIB1IB2IC1IRI=IB1+

IB2=2IB1则：IR=IC1+2IB1IC2=

IC1=IR-2IB1=IR-2(IC2/β)有：≈≈Ic2≈Ie2=

(UBE1

–UBE2)/Re2二、微电流源由于△UBE的数值很小，故用阻值不大的RE2即可获得微小的工作电流，故称为微电流源。V1+VCCRe2RIc2V2IRUBE1UBE2（为放大电路提供稳定的偏流或作有源负载）电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.2.2差分放大电路（输入级）特点：a.两个输入端，两个输出端b.元件参数对称c.ui1=ui2

时,uo

=0能有效地克服零点漂移ICQ1ICQ2IEIEQ1IEQ2UCQ1VEE=UBEQ+IEREIE=(VEE

–UBEQ)/REICQ1=ICQ2

IEQ1=(VEE

–

UBEQ)/2REUCQ1=VCC–

ICQ1RCUCQ2=VCC–

ICQ2RCUo

=UCQ1–

UCQ2=0一、电路组成及静态分析直流通路UCQ2V1VCCV2VEERCRCREui1ui2uoV1+VCCV2-VEERCRCREuo——放大输入信号之差电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用1.差模输入与差模特性差模输入ui1=–

ui2差模输入电压uid

=ui1

–

ui2=2ui1

=–

ui2差模信号交流通路ic1ic2使得：ic1=–

ic2uo1=–

uo2差模输出电压uod

=uC1

–uC2=uo1–(–

uo2)=

2uo1差模电压放大倍数大小相同极性相反二、动态分析ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2ui1V1V2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1V2RCRCuoui2电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用2.共模输入与共模抑制比共模输入ui1=ui2共模输出电压uic

=ui1=ui2使得:ie1=ie2IEQ1+ie1IEQ2+ie2ue

=2ie1RE2RE2RE共模输入电压uoc

=uC1

–uC2=0共模抑制比用对数表示：大小相同极性相同共模信号交流通路ui1V1+VCCV2VEERCRCREuocui2uC1uC2V1V2RCRCuocui2uC1uC2ui1电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用电子与电工技术第5章集成运算放大电路及其应用共模抑制比

KCMR

(1)

KCMR

描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；

(2)

理想情况下，电路参数完全对称，

Ac=0，KCMR=∞。

Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好

结论：差动放大电路对有效的差模信号有放大作用，而对无效的共模信号有抑制作用。即“输入有差别，输出才有变动”。有四种不同的接法双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。1.双端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoui1ui2+VCCVEERe++三、差分放大电路的四种接法2.双端输入、单端输出

uo+RcVT1VT2Rcui1ui2+VCCVEERe++电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用(2)若Aud

=–50、Auc=–0.05求输出电压uo，及KCMR1.01V0.99V[解]可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和(1)ui1=1.01=1.00+0.01(V)ui2=0.99=1.00–0.01(V)uid

=u

i1

–u

i2=1.01–0.99=0.02(V)uiC

=(ui1+ui2)/2

=1(V)(2)uod

=Auduid=–50

0.02=–

1(V)uoc

=Aucuic=–0.05

1=–0.05(V)uo

=Auduid

+Aucuic=–1.05(V)=60(dB)(1)求差模输入电压uid

、共模输入电压uic[例]ui1V1+VCCV2VEERCRCREuodui2uC1uC2电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用ic1ic2动态分析：ui

0VT1截止，T2导通ui>0VT1导通，T2截止iL

=ic1

;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL

=ic2存在交越失真，可以采用加二极管进行补偿。静态分析：ui=0V

T1、T2均不工作

uo=0V5.2.3互补对称电路（输出级）电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用构成复合管时注意

1.前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。

2.外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。复合管的接法：VT1bVT2ec

VT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型(c)NPN型

cVT1bVT2e(d)PNP型

VT2VT1bec复合管的

、rbe

均比一个管子

1、rbe1提高了很多倍。由两个或两个以上三极管组成。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用第三节集成运放的典型电路

(F007内部电路原理图)输入级中间级输出级偏置电路电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.3.2集成运放的主要技术指标一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为无外加反馈时的直流差模增益单位：分贝理想情况Aod

为无穷大；实际情况Aod

为60~120dB。集成运放的符号老符号uid+VCC–VEE现用符号uouid+VCC–VEE8u+

—同相端输入电压u-

—反相端输入电压uid

—差模输入电压uid

=u

–

u+u+u-电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用三、差模输入电阻rid二、共模抑制比KCMR定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。其它指标还有：最大输出电压、增益带宽及输出电阻等。四、输入偏置电流IIB定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用反馈

—

将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路并影响输入量(电压或电流)和输出量的过程。2.

信号的两种流向正向传输：输入输出反向传输：输出输入

—

开环—

闭环输入输出

放大电路

反馈网络第四节负反馈放大电路3.

判断方法输出与输入之间是否存在反馈网络(通路)由纯电阻或串并联电容无源网络构成电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用1.正反馈和负反馈正反馈—

反馈使净输入电量增加，从而使输出量增大。负反馈—反馈使净输入电量减小，从而使输出量减小。判断方法：瞬时极性法

[例]5.4.1反馈的分类

反馈使净输入电流iid减小，故为负反馈。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用2.直流反馈和交流反馈直流反馈

—

直流信号的反馈。交流反馈

—

交流信号的反馈。判断方法：看是否有电容

[例]uiuO8R1R2R3R4C有直流反馈,无交流反馈。直流通路中存在反馈通路。交流通路中存在反馈通路。若C串联在反馈支路中,则无直流反馈。若去掉C则交直流反馈都有。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用3、电压反馈和电流反馈电压反馈

—

反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈

—

反馈信号取自输出电流。AFRLuo电压反馈电流反馈iouoFARLio反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈取自非输出端为电流反馈。判断方法：电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用4、串联反馈和并联反馈串联反馈：反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现。uid

=

ui

uf并联反馈：反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。iid

=

ii

ifAFiiifisiidRSRSAFuiuidufus反馈信号与输入信号在不同节点为串联反馈，在同一个节点为并联反馈。判断方法：电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用AFuiuidufusRSRLuo电压串联负反馈AFuiuidufusRSiouoRLio电流串联负反馈FAiiifisiidRSRLuo电压并联负反馈FAiiifisiidRSiouoRLio电流并联负反馈5.4.2四种类型的负反馈组态电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用※反馈类型的判断[例1]uo

经Rf

与R1分压反馈到输入回路，故有反馈。

反馈使净输入电压uid

减小，为负反馈。反馈取自输出端，故为电压反馈。反馈信号与输入信号在不同节点，故为串联反馈。电压串联负反馈反馈组态判断一电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用[例2]Rf

为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。

反馈使净输入电压uid

减小，为负反馈。反馈取自非输出端，故为电流反馈。反馈信号与输入信号在不同节点故为串联反馈。电流串联负反馈反馈组态判断二电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用[例3]

Rf

为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。反馈使净输入电流iid

减小，为负反馈。反馈取自输出端，故为电压反馈。反馈信号与输入信号在同一节点故为并联反馈。电压并联负反馈反馈组态判断三电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用[例4]Rf

介于输入回路和输出回路，故有反馈。

反馈使净输入电流iid

减小，为负反馈。反馈取自非输出端，故为电流反馈。反馈信号与输入信号在同一节点故为并联反馈。电流并联负反馈反馈组态判断四电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用四种反馈类型的判别一、正反馈和负反馈判别方法：瞬时极性法二、直流反馈和交流反馈判别方法：看反馈支路中是否存在电容三、电压反馈和电流反馈判别方法：看反馈支路是否取自输出端判别方法：看反馈支路是否反馈到输入端小结:四、并联反馈和串联反馈电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用A+–比较环节5.4.3负反馈放大电路性能的影响基本放大电路F反馈网络

xi—输入信号(ii或ui

)

xid

—

净输入信号(iid

或uid)

xo—输出信号(io

或uo

)

xf

—

反馈信号(if或uf

)开环放大倍数反馈系数闭环放大倍数xid

=xi-

xf—

负反馈方程。AF—环路放大倍数。1+AF—反馈深度。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用Af

的相对变化量A的相对变化量放大倍数稳定性提高二、提高放大电路的增益稳定性三、减少非线性失真四、扩展通频带BW（改善波形失真）

BWf

=(1+AF)BW一、降低放大倍数电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用[例]

A

=

103，负反馈使放大倍数稳定性提高

100

倍，求F、Af

、A变化

10%时的Af

，以及dAf

/Af

。解：

1)1+AF=100，则F=(100–1)/

A=0.0992)=103/

100=103)此时的Af=负反馈以牺牲放大倍数，换取了放大倍数稳定性的提高。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.4.4负反馈对输入和输出电阻的影响一、对输入电阻的影响1.串联负反馈使输入电阻增大Rif2.并联负反馈使输入电阻减小Rifii

A

FuiuidufRiAFuidifiidii

A

FuiRiAFiid电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用二、对输出电阻的影响1.电压负反馈F

与A

并联，使输出电阻减小。AFRoRofA

为负载开路时的源电压放大倍数。2.电流负反馈F

与A

串联，使输出电阻增大AFRoRofA

为负载短路时的源电压放大倍数。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用第五节理想运算放大器5.5.1理想运放的技术指标开环差模电压增益Aod

∞；输出电阻ro

0；共模抑制比KCMR

∞；差模输入电阻

rid

∞；输入偏置电流IIB

0；带宽BW

∞，转换速率SR

∞等等。电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.5.2理想运放的两种工作状态输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即：+Aod理想运放工作在线性区特点：1.理想运放的差模输入电压等于零即——“虚短”集成运放的电压和电流一、线性区2.理想运放的输入电流等于零由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即——“虚断”电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成运放的传输特性二、非线性区当u+>u-

时，uO

=+UOPP当u+<u-时,uO

=-

UOPP

1.uO

的值只有两种可能理想运放工作在非线性区特点：在非线性区内，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-。“虚地”不存在2.理想运放的输入电流等于零实际运放Aod

≠∞，当u+与u-

差值比较小时，仍有Aod

(u+

-

u-

)UOPP，运放工作在线性区。但线性区范围很小。实际特性电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.6.1

比例运算电路一、反相比例运算运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断虚断虚地为使两输入端对地直流电阻相等：R2=R1//Rf平衡电阻特点：1.为电压并联负反馈，Auf=

Rf

/R12.输入电阻较小RifR

ifR

if=R13.uIC

=0

，对KCMR的要求低u+=u-

=0虚地重点第六节集成运算放大器的线性应用电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用二、同相比例运算Auf=1电压跟随器当R1=

，Rf

=0时，

特点：1.为电压串联负反馈，Auf=1+Rf

/R12.输入电阻大R

if=

3.，对KCMR的要求高uIC

=uiu+=u-=uI电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用5.6.2

加法与减法运算一、加法运算1.反相加法运算R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf

=R1=R2

则uO

=

(uI1+uI2)∵且∴电路与电子技术第5章集成运算放大电路及其应用法1：利用叠加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R