第10章集成运算放大电路

10.2放大电路中的负反馈10.3集成运算放大器的线性应用10.4集成运算放大器的非线性应用10.1集成运算放大器的基本知识10.5集成运算放大器使用中应注意的问题集成运算放大电路第10章

集成电路:

把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。

集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。

集成运算放大器：具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。引言10.1.1集成运算放大器的基本组成与符号10.1.2集成运算放大器的电压传输特性10.1.2集成运算放大器的主要特性指标10.1.4理想集成运算放大器10.1集成运算放大器的基本知识10.1.1集成运算放大器的基本组成与符号输入级：差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力。偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。输出端偏置电路输入级中间级输出级输入端中间级：电压放大。运算放大器的符号反相输入端同相输入端输出端+–++–+u+u–uoLM741运放外型和管脚LM741反相输入端同相输入端输出端+–+6237415+15V-15V10k

1k

调零：当输入信号为零时，输出为零。8为空脚

运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。实际运放电压传输特性uooUO+UO-线性工作区正饱和区负饱和区+–++–+u+u–uo很大UO-

、UO+为负、正饱和电压。当很小时，运放工作在线性区。10.1.2集成运算放大器的电压传输特性理想运放传输特性uooUO+UO-正饱和区负饱和区+–++–+u+u–uo理想运放时，当

为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。10.1.3集成运算放大器的主要参数2.

输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏3.

输入失调电流

IIOUO=0时，输入级两输入端的静态电流之差。1nA

0.1

A1.

开环差模电压增益Aud104

1074.差模输入电阻rid输出电阻ro几百千欧

几兆欧几十欧

几百欧5.共模抑制比

KCMR>80dB6.

最大差模输入电压UIdmax共模输入UIC过大，K

CMR下降。当UId过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。LM741为

36V7.最大共模输入电压UICmax9.

最大输出电压幅度UOPP如电源电压

15V，UOPP为

13

14VLM741为

16V两输入端间允许加的最大差模输入电压。能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。8.静态功耗PCO几十毫瓦理想化的主要条件：

开环差模电压增益

开环差模输入电阻开环输出电阻共模抑制比

在分析运算放大器的电路时，一般把运算放大器看成理想元件。10.1.4理想运算放大器+–++–+u+u–uo

开环共模输入电阻

运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。实际运放电压传输特性uooUO+UO-线性工作区正饱和区负饱和区+–++–+u+u–uo很大UO-

、UO+为负、正饱和电压。当很小时，运放工作在线性区。理想运放传输特性uooUO+UO-正饱和区负饱和区+–++–+u+u–uo理想运放时，当

为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。注意：工作在饱和区的理想运放时，当时，工作在线性区的理想运放

相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短”。

相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。2.i+=i–

=01.u+=u–,而uo是有限值,运放开环输入电阻

由于故从式,可知+–++–+u+u–uo（虚短）（虚断）i–i+

引言10.2.2负反馈放大电路的判断与基本类型10.2.3负反馈对放大电路性能的影响10.2放大电路中的负反馈10.2.1反馈放大电路的组成反馈

—

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。引言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A+–比较环节一、反馈的组成和基本关系式基本放大电路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。10.2.1反馈放大电路的组成一、反馈的分类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。判断法：瞬时极性法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。10.2.2负反馈放大电路的判断与基本类型

例输入回路输出回路判断电路是否存在反馈。是正反馈还是负反馈？直反馈还是交流反馈？+C1RS+ui–RERB+VCCC2RL+us–+uo–++uid

–

RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使

uid减小，为负反馈。既有直流反馈，又有交流反馈。1.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。判别法：使uo=0(RL短路)，若反馈消失则为电压反馈。电流反馈

—

反馈信号取自输出电流。判别法：使io=0(RL开路)，若反馈消失则为电流反馈。AFRLuo电压反馈电流反馈iouoFARLio二、四种基本负反馈组态2.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特点：信号源内阻越小，反馈效果越明显。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

if特点：信号源内阻越大，反馈效果越明显。AFiiifisiidRSRSAFuiuidufusAFuiuidufusRSRLuo电压串联负反馈AFuiuidufusRSiouoRLio电流串联负反馈FAiiifisiidRSRLuo电压并联负反馈FAiiifisiidRSiouoRLio电流并联负反馈三、四种基本负反馈四、四种基本负反馈放大电路例题分析：例uo经Rf与R1分压反馈到输入回路，故有反馈。AF

反馈使净输入电压uid减小，为负反馈。RL=0，无反馈，故为电压反馈。uf=uoR1/(R1+Rf)也说明是电压反馈。uid=ui

uf故为串联反馈。电压串联负反馈例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。RL=0，反馈存在，故为电流反馈。uf=ioRf，也说明是电流反馈。uid=ui–

uf故为串联反馈。AF电流串联负反馈例

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。RL=0，无反馈，故为电压反馈。iid=ii

if，故为并联反馈。AF电压并联负反馈例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。RL=0，反馈存在，故为电流反馈。iid=ii–

if，故为并联反馈。AF电流并联负反馈

电流串联负反馈电压串联负反馈

RE—

引入本级电流串联负反馈；引入级间电流并联负反馈。例例4.1.7

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。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。规律：1.提高增益的稳定性Af的相对变化量A的相对变化量放大倍数稳定性提高10.2.3负反馈对放大电路性能的影响例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。2.减少非线性失真uf加入负反馈无负反馈FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真3.

改变放大电路的输入和输出电阻（1）对输入电阻的影响a.串联负反馈使输入电阻增大Rif深度负反馈：b.并联负反馈使输入电阻减小Rif深度负反馈：ii

A

FuiuidufRiAFuidifiidii

A

FuiRiAFiid（2）对输出电阻的影响a.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。深度负反馈：b.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。深度负反馈：4.扩展通频带BW无反馈时：BW=fH

fL

fH引入反馈后，fA(f)OAm0707AmfLfHBWAf(f)Amf0707AmffLffHfBWf可证明：fHf=(1+AF)fHfLf=fL

/

(1+AF)=(1+AF)fH

fHf

=(1+AF)BW

BWf=fHf

fLf10.3

集成运算放大器的线性应用10.3.1比例运算电路10.3.2加法运算电路10.3.3减法运算电路10.3.4微分和积分运算电路10.3.1

比例运算一、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.为深度电压并联负反馈，Auf=

Rf/R12.输入电阻较小RifR

ifR

if=R13.uIC=0

，对KCMR的要求低u+=u-

=0虚地例有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500

，测量范围是（0~10）Mpa,其灵敏度是+1mV/0.1Mpa,现在要用一个输入0V~5V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，需要一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定各元件参数。解：采用反相比例构成放大器，放大器的最高输入电压为：（10Mpa/0.1Mpa）1mV=100mV放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为5V。放大倍数：5/0.1=50第一级放大后再接一级反相器，使相位符合要求。（1）取

为信号源内阻的20倍。（2）（3）（4）运放采用LM741，10V对称电源供电。（5）（6）R1RfR

+–++–+R12Rf2R2

+–++–+二、同相比例运算Auf=1跟随器当R1=

，Rf=0时，

特点：1.为深度电压串联负反馈，Auf=1+Rf/R12.输入电阻大R

if=

3.，对KCMR的要求高uIC=uiu+=u-=uI同相比例运算主要特点：（1）输入与输出信号同相。

（2）输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，对KCMR的要求高。例如图所示电路，计算输出电压uo

的大小。+–+–++–+uou+解：该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压uo=7.5V例如图所示电路，写出电流iL与输入电压uI

的关系式。解：iLR1R2RLi1uI+–+–++–+u+u-u+=u-=uIiL=i1=uI/R11.输出电流与负载大小无关。2.恒压源转换成为恒流源。特点：（电压—电流转换器）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)10.3.2

加法运算电路R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，则

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

2.同相加法运算利用叠加定理：uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R

1；Rf=R

fuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虚短、虚断uo=Rf/R1(uI2

uI1)减法运算实际是差分电路10.3.3

减法运算电路R1R1Rf

+

Rf+–+–++–+uou+u-Rf+–US例

如图所示电路，是用运放构成的测量电路，US

为恒压源，若

Rf是某个非电量（如压力或温度）的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出uO

与

Rf

之间的关系式。解：由差分运算电路的输入、输出关系可得整理可得

输出信号电压与传感元件阻值变化量成正比。R2=Rf虚地虚断RfC1=

—

时间常数微分电路输出电压：一、微分运算uItOuOtO10.3.4

微分和积分运算电路二、积分运算=当uI=UI时，设uC(0)=0

时间常数

=

R1Cf积分电路输出电压：tuIOtuOO例测量放大器(仪用放大器)同相输入同相输入差分输入uO1uO2对共模信号：uO1=uO2

则uO=0对差模信号：R1中点为交流地为保证测量精度需元件对称性好u+=u-=usio=i1=us/R11.输出电流与负载大小无关2.恒压源转换成为恒流源特点：例电压—电流转换器例开关延迟电路电子开关当uO

6V时S闭合，tuOO6V1msuItO

3VtusO

3V例利用积分电路将方波变成三角波10k

10nF

时间常数

=

R1Cf=0.1ms设uC(0)=0=

5VuI/Vt/ms0.10.30.55

5uO/Vt/ms=5V5

5例差分运算电路的设计条件：Rf=10k

要求：uo=uI1

2uI2R1=5k

R2=2R3R2//R3=R1//Rf

=5//10R2=10k

R3=5k

课堂练习10.4

集成运算放大器的非线性应用非线性电路的分析方法

当运放工作于开环或正反馈的工作状态时，运放工作在非线性区。

运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术中有广泛应用。1.电压比较器

电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。R1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–ui:输入电压UREF:参考电压当ui>UREF时，uO=–UOMui

UREF时，uo=+UOMui

=UREF时，uO

发生跃变uooUOM–UOMUREF电压传输特性当参考电压UREF=0时，称为过零比较器。若ui为正弦波，画出uo的波形。uootUOM–UOMR1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–uooUOM–UOMUREFotUREF=0UREF=1Vot1VuootUOM–UOM

在输出端与反相输入端接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值。限幅电压比较器UZ–UZuooR1R2ui+–+–++–+uo+–DZ电压传输特性当ui>0时，uO=–UZui

0时，uO=+UZ2.滞回比较器

滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。uooUOM–UOMR1R2uI+–+–++–+uoUREFRfu+u-u+滞回特性u+：上门限电平：下门限电平：回差电压可改变参考电压改变门限电平（改变R2Rf改变回差）例

电冰箱用电子温度控制器，当箱内温度达10°C时压缩机工作，当下降达0°C时压缩机停，温度变化用热敏电阻检验，热敏电阻对应温度变化是0.1

/0°C，量电路，在0°C时电阻值是50

，用继电器控制压缩机电源的通断，继电器线圈直流电阻为500，工作电压为10V~12V，采用运放构成滞回比较器接通和切断控制信号。若信号放大器输出对应10°C时为0.6V，对应0°C时为0.1V。试画出电路原理图并计算出各元件参数。

解：用电桥构成温度-电压变换电路，桥臂工作电流限制在1mA以内。采用差动放大、反相比例、滞回比较器，构成控制电路。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k

12k

+12VRt50

50

RpUI1UI2UZ+UDRP1桥臂电阻：因电流限制在1mA内，各桥臂电阻不小于12k

。信号放大参数：温度：0°C~10°C时，电桥输出为0.2mV~1.2mV。滞回比较器输入应为0.1V~0.6V。电压放大倍数100倍（差动放大10倍，比例放大50倍）。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k

12k

+12VRt50

50

RpUI1UI2UZ+UDRP1滞回比较器：选用UZ=6.2V则有：整理可得：则：10.5

集成运算放大器使用中应注意的问题一、集成电路器件命名及主要性能指标1.国标GB-3430-82对集成电路的规定第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符号国标字母器件类型数字系列品种字母工作条件字母封装符号意义符号意义符号意义符号意义C中国制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS线性放大音响电视稳压器接口电路非线性CERM.0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封闭扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金属菱形金属圆形2.主要参数1)

输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压2)

输入偏置电流IIB几毫伏UO=0时，10nA

1

A3)

输入失调电流

IIOUO=0时，1nA

0.1

A4)

开环电压增益Aud100

140dB5)

差模输入电阻Rid输出电阻Ro几十千欧

几兆欧几十欧

几百欧6)共模抑制比

KCMR>80dB7)

最大差模输入电压UIdM共模输入UIC过大，K

CMR下降当UId

过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。NPN管UIdM=

5V横向PNP管UIdM=

30VCF741为

30V8)最大共模输入电压UICM9)

最大输出电压幅度UOPP输出级为OCL电路一般比电源电压小一个UCE(sat)如电源电压

15V，UOPP为

13

14VCF741为

13V二、集成运放使用注意事项(一)

集成运放的封装和引脚排列封装形式:金属圆形、双列直插式、扁平式封装材料:陶瓷、金属、塑料例:塑封双列直插式(DIP)CF741DIP—DualIn-LinePakage(二)集成运放使用注意事项1.查阅手册了解引脚的排列及功能；2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电源短路；3.输入信号应远小于UIdM和UICM，以防阻塞或损坏器件；4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流放大需调零。三、合理选用集成运放的型号集成运放按技术指标可分为：

通用型、高输入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高压型、大功率型等。1.高输入阻抗型

主要用于测量放大器、模拟调节器、有源滤波器及采样-保持电路等。典型器件为5G28。2.低漂移型

主要用于精密检测、精密模拟计算、自控仪表等。典型器件为5G7650。4.低功耗型

主要用于遥测、遥感、生物医学和空间技术研究等对能源消耗有限制的场合。5.大功率型

主要用于要求输出功率大的场合。典型器件为MGELI65。

选型时，除了满足主要性能指标外，还应考虑经济指标，综合考虑，选用合适的运算放大器。3.高速型

主要用于快速模-数和数-模转换器、有源滤波、高速采样保持电路和视频放大器等。四、集成运放的消振和调零1.消振

方法：外接RC消振电路或消振电容，破坏产生自激震荡的条件。

很多运放内部已有消振元件，毋须外部消振电路。是否已消振，可将输入端接“地”，用示波器观察输出端有无自激震荡。2.电路的调零

方法：将电路接成闭环。

(1)

无输入调零：将两输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。

(2)

有输入时调零：按已知输入电压，计算输出电压，将实际值