第3章-集成电路运算放大电路

第3章集成运算放大电路电子技术基础3.1差动放大电路3.2集成运算放大电路简介3.3

集成运算放大器的基本运算电路3.4

集成运算放大器的应用目录下一页上一页3.1差动放大电路3.1.1零点漂移

1．零点漂移现象当放大电路处于静态时，即输入信号电压为零时，输出端的静态电压应为恒定不变的稳定值。但是在直流放大电路中，即使输入信号电压为零，输出电压也会偏离稳定值而发生缓慢的、无规则的变化，这种现象叫做零点漂移，简称零漂。如图3-1(a)所示直接耦合放大电路，即使将输入端短路，在其输出端也会有变化缓慢的电压输出，即Ui＝0，U00。下一页上一页返回3.1差分放大电路

2．产生零点漂移的原因

产生零点漂移的原因有电源电压的波动、温度变化、元器件老化等，其中温度变化是产生零漂的最主要的原因，因此，也称为温度漂移。

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3．抑制零点漂移的措施

(1)选用稳定性能好的高质量的硅管。

(2)采用高稳定度的稳压电源可以抑制电源电压波动引起的零漂。

(3)利用恒温系统来减小温度变化引起的零漂。

(4)利用两只特性相同的三极管组成差动放大器，它可以有效地抑制零漂。下一页上一页返回3.1差分放大电路3.1.2差动放大电路

1.电路组成

图3-2是一个基本差动放大电路，它由两个特性相同的三极管VT1和VT2组成对称电路，电路参数均对称(比如RCl=RC2，βl=β2等)。电路中有两组电源VCC，和VEE。两个三极管的发射极连接在一起，并接了一个恒流源，它提供恒定的发射极电流I0

。这个电路有两个输入端和两个输出端，称为双端输入、双端输出差动放大电路。差动放大电路没有耦合电容，是直接耦合放大电路。

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2.静态特性

当没有输入信号时，即uI1=uI2=0时，由于电路完全对称，这时两个三极管的集电极电流相等，则有ICl=IC2=I0/2，而IC1RC1=IC2RC2

，故uO=uO1-uO2=0。也就是说，当输入信号为0时，其输出信号也为0。

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3.动态特性

(1)差模特性

电路的两个输入端各加上一个大小相等、极性相反的电压信号，称为差模输入方式。此时，uIl=uI/2，uI2=-uI/2，若用uID表示差模输入信号，则有uID=uI1–uI2。在差模输入信号作用下，差动放大电路一个管的集电极电流增加，而另一管的集电极电流减少，使得uO1和uO2以相反方向变化，在两个输出端将有一个放大了的输出电压uO。这说明，差动放大电路对差模输入信号有放大作用。

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(2)共模特性电路的两个输入端各加上一个大小相等、极性相同的电压信号，称为共模输入方式。此时，uIl=uI2=uI/2，若用uIC表示共模输入信号，则有uIC=(

uIl+uI2)/2。在共模信号作用下，由于电路参数对称，两管集电极电流的变化是大小相等、方向相同，因此uO1和uO2相等，输出端uO=uO1-uO2=0。这说明，差动放大器电路对共模输入信号没有放大作用，起抑制作用。

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4.共模抑制比

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5.抑制零点漂移

在差动放大电路中，温度或电源电压的波动，会引起两管集电极电流相同的变化，其效果相当于共模输入方式。由于电路元器件的对称性及发射极接有恒流源，在理想情况下，可使输出电压保持不变，从而抑制了零点漂移。当然，实际上要做到两管电流完全对称和理想恒流源是比较困难的，由于实际的电路元器件存在微小的不对称，造成差动放大电路静态时的输出电压不为0。但是，可以在差动放大电路中加上调零电路使静态时的输出电压为0。

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集成运放具有可靠性高、使用方便、放大性能好(如极高的放大倍数、较宽的通频带、很低的零漂等)等特点。随着技术指标的不断提高和价格日益降低，作为一种通用的高性能放大器，目前已广泛应用在自动控制、精密测量、通信、信号运算、信号处理、波形产生及电源等电子技术应用的各个领域。

图3—3是半导体硅片集成电路放大了的削面结构示意图。它把小硅片电路及其引线封装在金属或塑料外壳内，只露出外引线。

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3.2.1集成运算放大器的特点：

1．集成运放采用直接耦合方式，是高质量的直接耦合放大电路。

2．集成运放采用差动放大电路克服零点漂移。由于在很小的硅片上制作很多元件，所以可使元件的特性达到非常好的对称性，加之采用其它措施，集成运放的输入级具有高输入电阻、高差模放大倍数、高共模抑制比等良好性能。

3．用有源元件取代无源元件。用电流源电路提供各级静态电流，并以恒流源替代大阻值电阻。

4．采用复合管以提高电流放大系数。

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3.2.2集成运放的组成及各部分的作用

集成运放有两个输入端，一个称为同相输入端，一个称为反相输入端；一个输出端；符号如图3-4(a)所示。图中，带“-”号的输入端称为反相输入端，带“+”号的输入端称为同相输入端，三角形符号表示运算放大器。“∞”表示开路增益极高。它的三个端分别用U-、U+和UO来表示。一般情况下可以不画出电源连线。其输入端对地输入，输出端对地输出。下一页上一页返回3.2集成运算放大电路简介

1．输入级输入级又称前置级，它是一个高性能的差动放大电路。输入级的好坏影响着集成运放的大多数参数。

2．中间级中间级是整个电路的主放大器，主要功能是获得高的电压放大倍数。

3．输出级输出级应具有输出电压范围宽，输出电阻小，有较强的带负载能力，非线性失真小等特点。

4．偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。下一页上一页返回3.2集成运算放大电路简介

3.2.3集成运算放大器的主要参数

1.最大输出电压Uopp

2.开环电压放大倍数Auo

3.输入失调电压Uio

4.输入失调电流Iio

5.输入偏置电流IB

6.最大共模输人电压UICM

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3．2．4集成运放的种类

1．通用型

2．低功耗型

3．高精度型

4．高阻型

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3.2.5理想运算放大器

1.理想集成运放的特性

（1）开环电压放大倍数Aod=∞；（2）差模输入电阻rid=∞；（3）输出电阻ro=0；（4）共模抑制比KCMR

=∞；（5）输入偏置电流IB1=IB2

=0。

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2.理想集成运放的两个重要结论

(1)因rid→∞有i+≈i-≈0，即理想运放两个输入端的输入电流近似为零。

(2)因Auo→∞，故有u+≈u-即理想运放两个输入端的电位近似相等。下一页返回请看动画3.集成运放的传输特性表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性曲线，如图3-5所示，可分为线性区和非线性区。

(1)线性区工作在线性区时，UO和Ui是线性关系，即

UO=AodUi=Aod（U--U+）

(2)非线性区集成运算放大器工作在非线性区时，这时输出电压只有两种可能。当U-＞U+时，UO=-UOm当U-＜U+时，UO=+UOm

此时虚短原则不成立，U-≠U+，虚断原则仍然成立，即有I-=I+=0。

3.2集成运算放大电路简介

返回3.3.1反相比例运算电路

如图3－6所示，输入信号ui经外接电阻R1送到反相输入端，而同相输入端通过电阻R2接地。反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间，形成电压并联负反馈。

输出电压与输入电压是一种比例运算关系，或者说是比例放大的关系，比例系数只取决于RF与RL的比值，而与集成运放本身的参数无关。3.3集成运算放大器的基本运算电路

请看例题下一页返回3.3集成运算放大器的基本运算电路

3.3.2同相比例运算电路如图3－7所示，输入信号ui经外接电阻R2送到同相输入端，而反相输入端通过电阻R1接地。反馈电阻RF跨接在输出端和同相输入端之间，形成电压串联负反馈。输出电压与输入电压也是一种比例运算关系，或者说是比例放大的关系。同相输入比例放大电路的闭环电压放大倍数也仅与外部电阻R1和RF的比值有关，而与运算放大器本身的参数无关。下一页上一页请看例题返回3.3集成运算放大器的基本运算电路

3.3.3加法运算电路

如果在反相比例运算电路的输入端增加若干输入电路，如图3－8所示，则构成反相加法运算电路。

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3.3.4减法运算电路

减法运算电路是指输出电压与多个输电压和差值呈比例的电路，常用差动输入方式来实现。如图3－9所示。请看例题下一页上一页返回3.4集成运算放大器的应用

3.4.1积分和微分运算电路

1．积分运算电路

将反相输入比例运算电路的反馈电阻RF用电容C替换，则成为积分运算电路，如图3－10所示。

输出电压与输入电压对时间的积分成正比。

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2.微分运算电路将积分运算电路的R、C位置对调即为微分运算电路，如图3-11所示。

输出电压与输电压对时间的微分成正比。

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3.4.2电压比较器

电压比较器的基本功能是对输入端的两个电压进行比较，判断出哪一个电压大，在输出端输出比较结果。输入端的两个电压，一个为参考电压或基准电压UR，另一个为被比较的输入信号电压Ui。作为比较结果的输出电压U0，则是两种不同的电平，高电平或低电平，即数字信号1或0。

图3－12(a)所示为一简单的电压比较器，参考电压UR加在同相输入端，输入电压Ui加在反相输入端。

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相位条件：，表示反馈信号与输入信号的相位相同，即必须是正反馈。

3.4集成运算放大器的应用

3.4.3正弦波振荡器

1.正弦波振荡器的工作原理产生自激振荡的条件为：

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幅值条件：，表示反馈信号与输入信号的大小相等。返回3.4集成运算放大器的应用

2.正弦波振荡电路

（1）振荡电路的组成

①放大电路：由三极管、场效应管、运放等构成的各种基本放大电路。②选频网络：有LC选频网络、RC选频网络等，这部分决定了正弦波发生器的振荡频率。③反馈网络：有变压器反馈、LC反馈网络、RC反馈网络及其组合电路。下一页上一页返回3.4集成运算放大器的应用

（2）正弦波振荡器的分类根据选频网络的不同，可将振荡器分为RC振荡器(振荡频率范围为几十赫兹至几十千赫兹)；LC振荡器(振荡频率的范围为几千赫兹至几百千赫兹)；石英晶体振器（约为兆赫兹数量级）。每一类电路中，放大电路和反馈网络又可采用各种不同的电路形式。下一页上一页请看动画（方波发生器）返回图3-１直接耦合放大电路及其零点漂移现象

返回图3-2基本差动放大电路

返回图3-3集成电路剖面结构示意图

返回图3-4集成运放的符号及内部电路框图

返回图3－5集成运放的传输特性曲线返回图3－6反相比例运算电路

返回图3－7同相比例运算电路

返回图3－8反相加法运算电路

返回图3－9反相差动输入电路

返回图3－10积分运算电路

返回图3－11微分运算电路

返回图3－12电压比较器及其电压传输特性

返回（a）电压比较器电路（b）电压比较器电压传输特性虚短与虚断返回方波发生器返回例3.1反相比例运算电路

【例3.1】在右图所示，设R1=10KΩ，RF=50KΩ，求Auf，如果ui=0.5V，uo=?【解】下一页上一页返回例3.2同相比例运算电路（分析）【解】右图电路中反相输人端未接电阻R1，(即R1=∞)，稳压管电压UZ作为输人信号加到同相输人端，该电路形式为同相跟随器。uo＝ui＝UZ由于比较稳定、精确，此电路可作为基准电压源．且可以提供较大输出电流。

【例3.２】分析图中输出电压与输人电压的关系，并说明电路的作用。下一页上一页返回例3.3同相比例运算电路（计算）_1【例3.3】在右图所示的电路中，已知R1＝100KΩ，RF＝200KΩ，R2=l00KΩ，R3＝200KΩ，ui

＝1V，求输出电压uo

。

【解】根据虚断，由右图可得：又根据虚短，有u-≈u+下一页上一页返回例3.3同相比例运算电路（计算）_2所以：

可见图所示电路也是一种同相输入比例运算电路。代入数据得：

下一页上一页返回例3.4加法电路的应用_1【例3.4】一个测量系统的输出电压和一些待测量（经传感器变换为电压信号）的关系为uo=2ui1+0.5ui2+4ui3

，试用集成运放构成信号处理电路，若取RF=100KΩ，求各电阻值。

【解】分析，输入信号为加法关系，故第一级采用加法电路，输入信号与输出信号要求同相，所以再加一组长反相器。电路构成如下图所示。下一页上一页返回例3.4加法电路的应用_2当RF=100KΩ得：R1=50KΩ，R2=200KΩ，R3=25KΩ。平衡电阻：R4=R1//R2//R3//RF=(100//50//200//25)=16KΩ。第二级为反相电路：R5=RF=100KΩ。平衡电阻：R6=R5//RF=(100//100)=50KΩ。推导第一级电路的各电阻阻值：下一页上一页返回例3.5求输出电压【例3.5】写出如图４－10所示运算电路的输出电压uo与输入电压ui1

、ui2的关系。第二级运放A2构成减法运算电路，故：【解】在右图中，第一级运放A1构成同相比例运算电路，故：下一页上一页返回例3.6反馈类型的判别_1【例3.6】试右图（a）和（b）两个两级放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的各是何种类型的反馈电路。a.

反馈电路从A2的输出端引出，故为电压反馈；b.

反馈电压uf和输入电压ui分别加在A1的同相和反相两个输入端，故为串联反馈