电工电子技术 课件 第8章 集成运算放大器

第8章集成运算放大器8.1差动放大电路8.2集成运算放大器简介8.3集成运算放大器的基本运算电路8.4集成运放非线性应用8.5集成运算放大电路的反馈分析8.6集成运算放大器的应用实训8集成运算放大器应用实训8.1差动放大电路集成电路是利用半导体制造工艺，把上述器件组成的电路及内部连线都制作在同一硅片上，并封装而构成具有特定功能电子电路。集成电路按集成度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模；按导电类型可分为双极型、单极型和两者兼容的；按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。下一页返回8.1.1多级直流放大电路的零点漂移放大级之间通常都采用直接耦合方式，而直接耦合方式的最大缺点就是零点漂移问题。产生零点漂移问题的主要原因是三极管（或场效应管）参数受温度影响发生变化和电源电压波动变化。直接耦合时，前级的漂移被后级放大，因此严重干扰正常信号，级数越多，漂移越重，甚至使放大器不能工作。在电路结构上，采用差分放大电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。上一页下一页返回8.1.2电路工作原理图8.1所示是基本的差动放大器。该电路采用两个对称的共射电路，具有两个输入端，由于两个三极管VT1、VT2的特性完全一样（称为差分对管），外接电阻也完全对称相等，输入信号从两管的基极输入，输出信号则从两管的集电极之间输出。采用正负电源供电。上一页下一页返回8.1.2电路工作原理

图8.1差动放大电路上一页下一页返回8.1.2电路工作原理1.静态分析

静态时，电路直流通路如图8.2所示。由于电路完全对称，所以有，输出电压。即静态时，差动放大电路具有零输入、零输出的特点。2.输入信号类型及其电压放大倍数（1）共模信号:一对大小相等、极性相同的输入信号称为共模信号，常用表示。（2）差模信号:大小相等、极性相反的输入信号，常用表示。8.1.2电路工作原理图8.2差动放大电路的直流通路8.1.2电路工作原理对差动放大电路来说，有用的或需要放大的信号是差模信号；无用的或需要抑制的信号是共模信号。差分放大器对共模信号没有放大作用，或者说对共模信号有抑制能力。除了差模信号和共模信号两种输入信号外，还有更一般的输入信号，即两个输入信号电压既非共模也非差模，而是任意大小和极性的信号，一般称这种输入方式为比较输入或不对称输入。8.1.2电路工作原理3.差动放大电路的动态分析（1）差模输入信号的动态分析如图8.3a所示为双端输出差动放大电路，其中负载接在两管集电极之间，由于差模输入时两端电压相反变化，负载中点电压相当于交流接地，差模交流通路如图8.3b所示，因为流过的电流，故差模信号在电阻值产生的电压降等效为零。8.1.2电路工作原理

（a）电路原理图

（b）差模交流通路

图8.3双端输出差动放大电路8.1.2电路工作原理差模电压放大倍数为：

式中，输入电阻：输出电阻：8.1.2电路工作原理（2）共模输入信号的动态分析

图8.3（a）所示电路的共模交流通路如图8.4所示。如果电路完全对称，在输入共模信号时，总有

，

中没有电流流过，可视为开路，故8.1.2电路工作原理图8.4共模交流通路8.1.2电路工作原理

例8.1：在图8.5所示电路中，设

，

，其余完全对称，

，若差模放大倍数

，共模放大倍数

，求输出电压。

8.1.2电路工作原理图8.5

8.1.2电路工作原理解：各管偏流在输入端电阻上的压降形成输入电压。

8.1.2电路工作原理4.共模抑制比（

）—衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力差模信号是有用信号，而共模信号是无用信号或者是干扰噪声等有害信号。因此，在差动放大器的输出电压中，总希望差模输出电压越大越好，而共模输出电压越小越好。为了衡量一个差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，引入共模抑制比这个量，其定义为有时也用分贝（dB）数来表示，即8.1.2电路工作原理上式说明共模抑制比越大，差分放大器放大差模信号的能力越强，抑制共模信号的能力也越强。显然，它越大越好，在电路完全对称的情况下，

，因此要使

增大，关键是提高两管电路的对称性。共模抑制比是差动放大电路的一项十分重要的技术指标。

8.1.2电路工作原理4.差动放大器的几种接法

差动放大器有两个输入端、两个输出端。根据不同需要，差动放大器输入信号时，可以双端输入也可以单端输入；输出信号时可以是双端输出也可以是单端输出。8.2集成运算放大器简介集成运算放大器简称集成运放，是模拟集成电路中运用最广的集成电路，它实质上是一个用集成工艺制成的具有很高电压放大倍数的直接耦合多级放大器。在模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制方面获得广泛应用。集成运放通常由三种外形，即双列直插式、扁平式和圆壳式，如图8.6所示。8.2集成运算放大器简介集成运放通常由三种外形，即双列直插式、扁平式和圆壳式，如图8.6所示。图8.6集成运放外形

8.2.1集成运放基本概念集成运放通常由输入级、偏置级、中间级和输出级组成。输入级是决定整个集成运放性能的最关键一级，要求其输入电阻高、静态电流小、差模放大倍数高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路。8.2.1集成运放基本概念图8.7集成运放的组成框图及符号8.2.1集成运放基本概念图中

表示信号传输方向，表示集成运放为理想化器件。左侧“-”为反相输入端，当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号相位相反，信号的这种输入方式称为反相输入。左侧“+”端为同相输入端，当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号相位相同，信号的这种输入方式称为同相输入。右侧“+”为输出端，信号由此端与地之间输出。8.2.2集成运算放大器主要参数（1）开环差模电压放大倍数（2）共模抑制比（3）输入失调电压（4）差模输入电阻（5）差模输出电阻8.2.3理想集成运放及其传输特性1.理想集成运放主要特点：（1）开环差模电压放大倍数（2）开环差模输入电阻（3）开环输出电阻（4）共模抑制比（5）开环带宽8.2.3理想集成运放及其传输特性2.集成运放的传输特性集成运放的输出电压

与输入电压

之间的

称为集成运放的电压传输特性。传输特性曲线分为线性区和非线性区（即饱和区）两部分，典型集成运放的传输特性曲线如图8.7所示。8.2.3理想集成运放及其传输特性图8.7集成运放的传输特性8.2.4理想化集成运放的特点1.集成运放工作在线性区的特点（1）集成运放的两个输入端的电压近似相等，理想化时可以认为，即运放的两个输入端为等电位，可视为短路，称之为“虚短”。（2）集成运放两个输入端的输入电流近似为0，理想化时可以认为，无电流输入运放，即运放的两个输入端相当于断路，称之为“虚断”。8.2.4理想化集成运放的特点“虚短”与“虚断”是集成运放线性应用时的两个非常重要的概念（结论），运用这两个概念，将大大简化运放应用电路的分析，必须给予足够的重视和充分的理解。在后续的电路分析中，如无特别说明，均将集成运放视为理想的。在实际应用电路中，要输入几乎为0的信号是不现实的，所以，实现运放工作在线性区的必要条件是在电路中引入深度的负反馈。8.2.4理想化集成运放的特点2.集成运放工作在非线性区的特点（1）输出电压只有正向饱和电压

和负向饱和电压

两种状态。

当同相电压大于反相电压，即

时，

当反相电压大于同相电压，即

时，

（2）由于集成运放的输入电阻极大，故输入端电流

。即运放的两个输入端仍然是“虚断”。8.2.4理想化集成运放的特点由于集成运放的开环极大（理想时

），极小的输入信号即可使输出信号为

或

，所以，集成运放工作在非线性区的必要条件是处于开环或引入正反馈。8.3集成运算放大器的基本运算电路集成运放引入深度负反馈后，可以实现比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等多种基本运算。这里介绍比例、加法、减法、积分、微分运算，通过这一部分的分析可以看到，其输出电压与输入电压之间的关系只与外接电路的参数有关，而与集成运放本身的参数无关。8.3.1比例运算电路（1）反相比例运算电路图8.8反相比例运算电路8.3.1比例运算电路根据“虚短”、“虚断”的概念，由图8.8所示电压、电流方向，可得

式（8-10）8.3.1比例运算电路式（8-10）表明，输出电压

与输入电压

为反相比例关系，比例系数仅由

和

的比值确定，与集成运放的参数无关。式中的负号表示

与

反相。8.3.1比例运算电路显然，反相比例运算电路实际上是一个反相放大器，其闭环电压放大倍数（即比例系数)为

（8-11）式（8-11）表明，集成运放组成的反相放大器具有稳定的放大能力（与负载无关），只要选取适当的比例系数，即可获得所需的电压放大倍数。。当

时，有

（8-12）即输入电压与输出电压大小相等，相位相反，此时的电路被称为反相器。由于反相端为“虚地”，故电路的输入电阻为

而输出电压与负载无关（相当于一个稳压源），电路的输出电阻为

8.3.1比例运算电路

例8.2设计一个比例运算电路，要求比例系数为-50，设

，确定反馈电阻阻值。解：已知

且

，故确定为反相比例放大电路。又因为

，则取平衡电阻根据参数，画出电路图，如图8.8所示。8.3.1比例运算电路图8.8例题8.2电路8.3.1比例运算电路同相输入比例运算电路图8.9同相比例运算电路8.3.1比例运算电路同理分析，有:

8.3.1比例运算电路输出电压

与输入电压

为同相比例运算关系，比例系数仅由

和

的比值确定，与集成运放的参数无关。该电路也称为同相放大器。电压放大倍数为8.3.1比例运算电路当

时，由图8.9可得的电路如图8.10(a)所示。

（a）图8.10电压跟随器8.3.1比例运算电路当

且

时，可得电路如图8.10(b)所示。（b）图8.10电压跟随器8.3.1比例运算电路可看出，此时有：

。即输出电压与输入电压大小相等，相位相同，该电路被称为电压跟随器。与单管电路组成的射极跟随器相比，运放的电压跟随器具有更高的跟随精度，因而广泛应用于各种缓冲电路中。8.3.1比例运算电路图8.11例8.3电路8.3.1比例运算电路图8.12反相加法运算电路在反相比例运算电路中增加若干个输入端，则构成反相加法运算电路。图8.12反相加法运算电路图8.12反相加法运算电路显然，加法运算的实质是输入电流的相加（叠加）。根据虚断及虚地概念，有8.3.3减法运算电路图8.13减法运算电路8.3.3减法运算电路根据虚短、虚断的概念，由图8.13可得

由于

，将以上各式整理，可得8.3.3减法运算电路上式表明：减法电路的输出电压仅由两个输入电压之差决定，故减法电路也称为差动放大电路，即两输入端的电压不相等（有“差”）时有输出信号（则“动”），所放大（处理）的是两个输入信号的差值，其输入信号通常也称为差动输入。8.3.3减法运算电路减法电路最显著的特点是具有良好的抗干扰能力当输入信号因干扰信号的影响而波动时，只要两端输入信号的差值不变，电路仍然能保持稳定的输出。因而常被用于多级放大电路的输入级。8.3.3减法运算电路解：由题已知，电路的外电阻匹配满足式（8-22），故输出电压为：8.3.4积分运算电路（a）基本电路（b）信号波形8.3.4积分运算电路

（c）实用积分电路8.3.4积分运算电路上式表明，输出电压等于输入电压对时间的积分，且相位相反。8.3.4积分运算电路8.3.4积分运算电路图8.15积分运算电路波形8.3.5微分运算电路将反相积分电路中的R和C互换，就可得到反相微分运算电路，如所示。图8.16a微分运算电路8.3.5微分运算电路根据虚地、虚断的概念以及分析，可得可见，输出电压正比于输入电压的微分，且相位相反。8.3.5微分运算电路微分电路的波形变换作用如图8.16b所示，当输入信号突变时，电路输出为尖脉冲电压，输入信号不变（稳态）时，电路无输出。图8.16b微分运算电路波形变换8.3.5微分运算电路微分电路对突变信号反应灵敏，常在自动控制系统中被用作加速环节。如图8.17所示的PID调节器。图8.17所示的PID调节器8.4集成运放非线性应用集成运放工作在非线性区时，处于开环或正反馈状态。此时运放两个输入端的电压不一定相等（不存在虚短），但仍然存在虚断。电压比较器是集成运放典型的非线性应用。电压比较器简称比较器，其将输入电压（被测信号，通常是连续的模拟量）与另一标准的电压信号（参考电压）进行比较，输出的是以高、低电平为特征的数字信号，即“1”或“0”。常用作模拟电路与数字电路的接口。

8.4.1单门限电压比较器反相输入的单门限比较器如图8.18a所示。电路的传输特性如图8.18b所示。8.4.1单门限电压比较器图8.18单门限电压比较电路a)

电路b)传输特性8.4.1单门限电压比较器图8.19a所示的电路称为过零电压比较器（参考电压为0），当输入电压过0时，输出电压就发生跳变，传输特性如图8.19b所示。8.4.1单门限电压比较器a)电路b)传输特性图8.19

过零比较器8.4.1单门限电压比较器过零比较器可将正弦波转换为正、负极性的矩形波，如图8.19c所示。c)波形变换图8.19

过零比较器8.4.2滞回电压比较器（a）电路

（b）传输特性图8.20滞回电压比较器8.4.2滞回电压比较器8.5集成运算放大电路的反馈分析将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部，通过一定的电路环节（称之为反馈支路）反向送回到输入端，从而对输入信号产生影响的过程称为反馈。有反馈的放大电路称为反馈放大电路。任何一个反馈放大电路都可以表示为一个基本放大电路和反馈网络组成的闭环系统。没有引入反馈时的基本放大电路叫做开环电路，其中表示基本放大电路的放大倍数，也称为开环放大倍数。引入反馈后的放大电路叫做闭环电路。8.5.1反馈的基本概念A表示基本放大电路的放大倍数，也称为开环放大倍数图8.22反馈放大电路方框图F表示反馈网络的反馈系数8.5.1反馈的基本概念（2）正反馈与负反馈如果反馈支路连接到输入的同相端，则称为正反馈如果反馈支路连接到输入的反相端，则称为负反馈引入深度的负反馈是使运放工作在线性放大区的必要条件，也是判断运放是否工作在线性区的标准。应用于线性放大的运放电路都是深度的负反馈放大器。8.5.1反馈的基本概念负反馈放大器可以分为四种类型（组态）:电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈。8.5.1反馈的基本概念a)电压串联负反馈b)电压并联负反馈

图8.27

负反馈放大器的四种类型8.5.1反馈的基本概念c)电流串联负反馈

d)电流并联负反馈图8.27

负反馈放大器的四种类型8.5.2反馈的判断1.有无反馈判断—找联系判断方法通过找联系：若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的反馈通路，并由此影响放大电路的净输入量，则表明电路引入了反馈；否则电路中便没有反馈。（a）无反馈

（b）有反馈图8.28有无反馈判定8.5.2反馈的判断2.负反馈的判断—瞬时极性法判断正、负反馈，通常采用瞬时极性法。(1)首先假设输入信号某一瞬时极性为正。设接“地”点的电位为零，电路中某点的瞬时电位高于零电位者，则该点的瞬时极性为正（用

表示），反之为负（用

表示）。（2）由于输入信号的瞬时极性，再根据不同组态放大电路中输出信号与输入信号的相位关系，逐步推断出各有关点的瞬时极性，最终确定出输出信号和反馈信号的瞬时极性。（3）如果反馈信号使净输入信号增强，则为正反馈，反之则为负反馈。8.5.2反馈的判断

（a）负反馈（b）负反馈图8.29反馈极性的判定8.5.2反馈的判断

（c）正反馈图8.29反馈极性的判定

8.5.2反馈的判断3.串联、并联反馈的判断--看输入端

从放大电路的输入端看，如果反馈信号与输入信号接在放大电路的同一输入端上，反馈量与输入量以电流方式相叠加，则为并联反馈；如果反馈信号与输入信号分别接在放大电路的两个输入端上，以电压方式相叠加，则为串联反馈。4.电压、电流反馈的判断--看输出端（短路法）

判断是电压反馈还是电流反馈，通常采用短路法：令放大电路的输出电压为零，即将输出端短路，如果反馈信号消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。8.5.2反馈的判断例8-9如图所示的反馈放大电路，确定电路中的反馈是电压反馈还是电流反馈，是串联反馈还是并联反馈。（a）电压反馈，串联反馈

图8.30电压、电流反馈和串联、并联反馈的判定8.5.2反馈的判断

（b）电流反馈，并联反馈图8.30电压、电流反馈和串联、并联反馈的判定8.5.3负反馈对放大器性能的影响1.改善非线性失真2.降低放大倍数及提高放大倍数的稳定性3.对输入电阻和输出电阻的影响4.拓展通频带8.6集成运算放大器的应用8.6.1运算电路应用实例1.三角波和方波发生器图8.31三角波和方波发生器8.6.1运算电路应用实例2.测量放大器图8.32测量放大器原理8.6.1运算电路应用实例例8-9：图8.33所示的电路称为电压-电流转换器，试分析输出电流

与输入电压

之间的函数关系。图8.33电压-电流转换器8.6.1运算电路应用实例解：根据虚短和虚断可知

因此由图8.33可得该电路中输出电流

与输入电压

成正比，而与负载电阻

的大小无关，从而将恒压源输入转换成恒流源输出。实训8集成运算放大器应用实训1.实训目的

（1）研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

（2）正确理解运算电路中各元件参数之间的关系和“虚短”、“虚断”、“虚地”的概念。2.实训设备及器件

(1）±12V直流电源

（2）函数信号发生器（3）交流毫伏表

（4）直流电压表（5）集成运算放大器μA741×1（6）电阻、电容若干实训8集成运算放大器应用实训

3.实训原理

1）理想运算放大器特性

2）基本运算电路

(1)反相比例运算电路

(2)反相加法电路

(3)同相比例运算电路

(4)差动放大电路（减法器）

(5)积分运算电路实训8集成运算放大器应用实训4.实训内容及步骤1）反相比例运算电路(1)参照图8.34连接实验电路，接通±12V电源，输入端对地短路，进行调零和消振。(2)适当选取电路中反馈电阻

的阻值，使得电路的电压放大倍数为

=10。

(3)输入

，

的正弦交流信号，测量相应的

，并用示波器观察和

的

相位关系，记入表8.1。实训8集成运算放大器应用实训图8.34

反相比例运算电路

实训8集成运算放大器应用实训表8.1反相比例运算电路测量结果实训8集成运算放大器应用实训2）同相比例运算电路(1)参照图8.36(a)连接实验电路。(2)适当选取电路中反馈电阻

的阻值，使得电路的电压放大倍数为

=11。实验步骤同内容1，将结果记入表8.2。(3)将图8.36(a)中的断开，得图8.36(b)电路重复内容1。实训8集成运算放大器应用实训

(a)同相比例运算电路(b)电压跟随器图8.36同相比例运算电路实训8集成运算放大器应用实训表8.2同相比较运算电路测量结果实训8集成运算放大器应用实训3）反相加法运算电