电工电子技术基础-第9章集成运算放大器

1第9章集成运算放大器2第9章集成运算放大器集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）是上世纪60年代初发展起来的一种半导体微型电子器件。它是采用一定的工艺把电路中所需的各种元件及连线集成在一块芯片上，封装后制成。随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以亿计的元件集成在一块面积只有几十平方毫米的芯片上。按照集成度（每一块芯片中所含元件数）高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI)，中规模集成电路(简称MSI),大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、耗电少和成本低等优点，是当今电子电路不可缺少的基本器件。本章介绍集成运算放大器的基本组成及其主要技术指标，理想运算放大器的模型及特点；讨论放大电路中的负反馈和集成运算放大器的应用。9.1集成运算放大器简介9.1.1集成运算放大器的组成集成运算放大器简称集成运放，它是一个高放大倍数的多级放大电路，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图9.1所示。图9.1集成运算放大器结构方框图输入级一般由差分放大电路组成，其输入电阻大，静态电流小，差模电压放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号能力强，有很高的共模抑制比。中间级主要进行电压放大，一般为复合管组成的共射极放大电路，以提高电流放大系数；并且放大电路的集电极电阻用晶体管恒流源代替，以获得极更高的电压放大倍数。输出级一般由OCL互补对称放大电路组成，具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点。偏置电路为各级放大电路建立稳定的静态工作点，一般由电流源电路组成。应用集成运算放大器时，重点要了解的是其管脚的用途及放大器的主要参数。集成运放一般有圆壳式和双列直插式两种封装形式，如图9.2（a）、（b）所示。图9.2（c）为集成运放的电路图形。各引脚的功能是：引脚2—反相输入端，输入电压用u-表示，信号由此端输入时，输出信号与输入信号反相。引脚3—同相输入端，输入电压用u+

表示，信号由此端输入时，输出信号与输入信号同相。引脚4—负电源端，接-15V电源。引脚7—正电源端，接+15V电源。引脚6—为输出端，输出电压用uo表示。引脚1、5—外接调零电位器。引脚8—空脚。（a）圆壳式

（b）双列直插式

（c）电路图形图9.2集成运算放大器及其电路图形图9.2（c）中所标的输入端电压和输出端电压都是对“地”电压，即为各端的电位。9.1.2集成运放的主要技术指标集成运放的性能主要由以下几个技术指标体现：（1）开环电压放大倍数Aod开环电压放大倍数Aod指在开环时的差模电压放大倍数，它是决定运算精度的重要指标，Aod一般约为104~107，若用对数表示，则其单位为分贝，一般为80~140dB。（2）开环差模输入电阻ridrid为集成运放的开环输入电阻。rid越大，运放从信号源取用的电流越小，对输入信号的影响越小。rid一般为几兆欧，如果运放的输入级采用场效应管，rid可达106MΩ。（3）开环输出电阻roro为集成运放的开环输出电阻。ro越小，表明运放驱动负载的能力越强。通常其值为十几欧到几百欧。（4）共模抑制比KCMRKCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值。用对数表示为20lg|KCMR|，单位为分贝（dB）。KCMR越大，运放抑制共模信号的能力越强。（5）输入失调电压UIO当输入电压为0时，为使输出电压也为0，在输入端所加的补偿电压称为输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放内部的对称程度，其值越小，说明对称程度越高。此值一般为1mV

10mV。（6）输入失调电流IIO当输入电压为0时，两输入偏置电流IB1、IB2之差称为输入失调电流IIO，即IIO=|IB1－IB2|。IIO反映了输入级差分管输入电流的对称性，一般希望IIO越小越好。普通运放的IIO约为10nA

100nA。（7）输入偏置电流IIBIIB是指运放输入电压为0时，两个输入端静态电流IB1、IB2的平均值，即IIB越小，信号源内阻对运放的静态工作点影响越小。

（8）最大差模输入电压UIDMUIDM是指运放同相输入端和反相输入端之间所能加的最大电压。所加电压超过此值时，运放输入级的晶体管将出现反向击穿现象，使运放输入特性变差，甚至损坏运放。（9）最大共模输入电压UICMUICM是指保证运放正常工作情况下允许输入的最大共模电压。当共模电压超过此值时，运放的共模抑制比KCMR会显著下降，失去差模信号的放大能力。9.2理想运算放大器9.2.1理想运算放大器模型

由于集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入阻抗大、输出阻抗小以及共模抑制比高等特点，一般将其看作理想运算放大器，简称理想运放。理想运算放大器应满足下列条件：

图9.3理想运放的图形符号（1）开环差模电压放大倍数

；（2）输入电阻

；（3）输出电阻

；（4）共模抑制比

。用理想运放代替实际运放可简化分析，所带来的误差在一般的工程计算中是完全允许的。本章对运放的应用电路的分析，如无特别说明都将实际运放视为理想运放。理想运放的图形符号如图9.3所示，图中的符号“∞”意指开环电压放大倍数

。9.2.2理想运放的分析依据

集成运放的电压传输特性反映了输出电压uo与差模输入电压uid（=u+－u－）之间的关系，见图9.4。运放有线性放大区和饱和区两个工作范围。图中的虚斜线为实际运放的放大区的传输特性，直角实折线为理想运放的传输特性。图9.4集成运放的传输特性（1）理想运放工作在线性放大区当集成运放工作于线性区时，满足线性关系由于理想运放的

，而uo为有限值，所以

，即上式表明，理想运放工作于线性放大区时，同相输入端与反相输入端的电位相等，所以两个输入端可视为短路。由于实际上并未真正短路，故称为“虚短”。因理想运放的差模输入电阻

，故流入

两个输入端的电流i+和i-

都为0，即上式表明，理想运放的两个输入端对内如同断路，但又不是实际断路，故称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是理想运放工作线性放大区的两个重要特点。（2）理想运放工作在饱和区集成运放工作在饱和区时，输出电压与输入电压不再满足上式的线性关系，而是理想运放在饱和区仍然有

，因此

。

由于实际集成运放具有很高的开环电压放大倍数Aod，即便输入信号电压很小，集成运放也很容易进入饱和区而失去线性放大作用。如Aod

=106（或120dB），UOM=10V，由图9.2.2可知运放的线性工作范围为-10μV～+10μV，放大电路很容易受干扰信号的影响而进入饱和区。为了保证集成运放工作在线性区，提高放大电路的抗干扰能力和稳定性，必须在放大电路中引入负反馈。9.3放大电路中的负反馈集成运放在实际应用中经常需要外接反馈电路，以构成各种不同功能的应用电路并改善放大电路性能。本节介绍负反馈的基本原理、反馈类型的判别方法及负反馈对放大电路性能的影响。9.3.1反馈的基本概念所谓反馈就是将放大电路输出回路中的某电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式回送到放大电路的输入回路，并对输入回路中的某电量（电压或电流）产生影响。图9.5是带有反馈的放大电路的方框图，图中相量

既可以表示电压信号，也可以表示电流信号；箭头表示信号的传输方向；反馈网络由连接输出回路和输入回路的电路构成。图中的标注说明如下：图9.5反馈放大器的方框图－反馈放大电路的外加输入信号；

－反馈放大电路的输出信号；

－输出信号经反馈网络后得到的反馈信号；

－外加输入信号

与反馈信号

的比较环节；－经比较环节得到的净输入信号，

；使净输入增大的反馈信号称为正反馈，使净输入减小的反馈信号称为负反馈。

－基本放大电路的放大倍数，即无反馈网络时放大电路的放大倍数，也称为开环增益；－反馈放大电路的放大倍数，即有反馈网络时放大电路的放大倍数，也称为闭环增益；

－反馈网络的反馈系数。下面讨论反馈放大电路的一般表达式。由上述各物理量的意义可知，开环增益为反馈网络的反馈系数为因为净输入信号为由上三式可得由此得闭环增益为上式即为反馈放大电路闭环增益的一般表达式。式中称为环路增益，也称为回归比，表示了净输入信号经基本放大电路和反馈网络构成的环路后，获得的反馈信号与净输入信号的比值，

越大，说明反馈越强。式中

称为反馈深度，放大电路引入反馈后的增益

与反馈深度有关。9.3.2反馈的类型及判别方法1.正反馈和负反馈的判别放大电路引入的是正反馈还是负反馈，可根据反馈信号对净输入信号的影响来判别，判别时可采用瞬时极性法，即首先假定输入信号在某一时刻的性为正，用符号⊕表示，然后逐步判别电路中各相关点的电位的极性（若为负极性，则用

表示），从而得到输出信号的极性；再根据输出信号的极性判别出反馈信号的极性，若反馈信号使净输入信号增加，为正反馈；若反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。（a）正反馈

（b）负反馈

（c）负反馈图9.6正反馈与负反馈的判别例如在图9.6（a）所示的电路中，设输入电压ui的瞬时极性为⊕，因输入信号是加在集成运放的反相输入端，所以输出电压uo的瞬时极性为

。uo经电阻RF和R1分压后得反馈电压uf，uf的瞬时极性为

，由净输入电压ud

=ui－uf，可知ud

>ui，净输入电压增大，说明电路引入的是正反馈。在图9.6（b）所示的电路中，设输入电压ui的瞬时极性为⊕，输出电压uo的瞬时极性亦为⊕。uo经电阻RF和R1分压后得反馈电压uf，uf的瞬时极性为⊕。由净输入电压ud

=ui－uf，可知ud

<ui，净输入电压减小，故电路引入的是负反馈。在图9.6（c）所示的电路中，假设输入电压ui的瞬时极性为⊕，因输入信号是加在集成运放的反相输入端，输出电压uo的瞬时极性为

，此时反相输入端的电位高于输出端的电位，反馈电流if方向如图所示，则净输入电流

，即净输入电流减小，该电路引入的是负反馈。2电压反馈和电流反馈的判别

若反馈量与输出电压成正比，称为电压反馈；若反馈量与输出电流成正比，则称为电流反馈。判别方法可采用负载短路法。假设将放大器输出端的负载短路，使输出电压为0，若反馈信号也为0，则为电压反馈，否则就是电流反馈。

图9.7（a）所示的电路中，如果把负载短路，则uo等于0，这时反馈信号uf也为0，所以是电压反馈。因此该放大电路中引入的反馈为电压串联负反馈。图9.7（b）所示的电路中，若把负载短路，反馈信号if仍然存在，所以是电流反馈。（a）电压负反馈、串联负反馈

（b）电流负反馈、并联负反馈图9.3.3负反馈类型的判别

图9.7（a）所示的电路中，输入信号和反馈信号加在不同输入端上，净输入信号ud=ui－uf，故为串联反馈；图9.7（b）所示的电路中，输入信号和反馈信号加在同一输入端上，净输入信号id=ii－if，为并联反馈；3串联反馈和并联反馈的判别

若输入信号与反馈信号是以电压方式比较，即ud

=ui－uf，称为串联反馈；若输入信号与反馈信号是以电流方式比较，即id=ii－if，则称为并联反馈。对于串联反馈输入信号和反馈信号分别加在不同输入端，而对于并联反馈输入信号和反馈信号同时加在同一输入端。9.3.3负反馈对放大电路性能的改善

放大电路引入了负反馈后增益会减小，但可使放大电路的增益稳定性、非线性失真、通频带等许多性能得以改善，下面分别进行介绍。1．稳定放大倍数

为了简化讨论而突出主要问题，假设放大电路中的元件为纯电阻元件，这闭环增益中各变量均为实数，即

将上式对变量A求导，得

注意上式中dA/A是开环放大倍数的相对变化量。由此可见，引入负反馈后，虽然放大倍数下降为原来的1/（1+AF），但放大倍数的稳定性却提高了（1+AF）倍。2．减小非线性失真

半导体器件是一种非线性器件，由于工作点选择不合适，或者输入信号过大由半导体器件构成的放大电路不可避免地会产生一定程度的非线性失真。引入负反馈后，非线性失真将会得到很大程度的改善。图9.10利用负反馈减小非线性产生的失真如图9.10所示，假设无反馈网络的基本放大电路产生了负半周的非线性失真，（见图中xo’的虚线波形。加了负反馈后，输出端的失真波形反馈到输入端与输入波形叠加，即xd

=xi－xf，结果是净输入信号的波形是正半周幅度小、负半周幅度大。此波形经基本放大电路后，对基本放大电路正半周幅度大、负半周幅度小的非线性失真有抵消作用，使得输出波形比较接近输入波形，很大程度上减小了放大电路的非线性失真。需要指出的是，引入负反馈后只能减小本级放大电路产生的非线性失真，而对输入信号本身带来的非线性失真，负反馈是无能为力的。3．展宽通频带

在讨论阻容耦合放大电路中，由于耦合电容和旁路电容的存在，将引起低频段放大倍数下降，由于分布电容和三极管极间电容的存在，将引起高频段放大倍数下降。如图9.11所示，放大器加入负反馈后，在低频段和高频段，输出信号减小，反馈信号也随之减小，净输入信号相对增大，从而使放大器输出信号的下降程度减小，放大倍数相对提高，上、下限频率分别向高、低频段扩展，通频带变宽。

图9.11利用负反馈展宽通频带4．对放大电路输入电阻的影响

负反馈对输入电阻的影响，取决于反馈网络与基本放大电路输入回路的连接方式，而与输出端回路无关，即仅取决于是串联反馈还是并联反馈。

如图9.7（a）所示的串联反馈中，uf与ui反相串联，使输入信号电压的一部分被反馈电压抵消，所以输入电流ii减小了，这相当于输入电阻增大了。而图9.7（b）所示的并联反馈中，信号源除供给id外，还需增加一个分量if，因此电流增大了，这相当于输入电阻减小了。5．对放大电路输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响，取决于反馈网络与基本放大电路输出回路的连接方式，而与输入回路无关，即仅取决于是电压反馈还是电流反馈。电压负反馈具有稳定输出电压uo的作用，即有恒压输出的特性，而具有恒压输出特性的放大电路其内阻很低，即输出电阻很低。电流负反馈具有稳定输出电流io的作用，即有恒流输出的特性，而具有恒流输出特性的放大电路其内阻很高，即输出电阻很高。所以说，电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。9.4集成运放在信号运算方面的应用集成运放可以构成各种信号运算电路。用于信号运算时，集成运放工作在线性区，分析时视为理想运放。9.4.1比例运算电路

比例运算电路是最基本的运算电路，是构成求和、积分、微分等运算电路的基础。反相比例运算电路

反相比例运算电路如图9.12所示。输入信号ui加在反相输入端，电路引入了电压并联负反馈。R1可视为信号源的内阻；Rp（=R1//RF）为平衡电阻，以保证静态时集成运放两输入端对地的对称性，从而避免内部差分电路两输入端产生附加偏差电压。由理想运放在线性区的“虚断”

，可知电阻Rp上没有电流，其电压降为0。又由“虚短”

得图9.12反相比例运算电路上式表明集成运放两个输入端的电位均为0，如同都接地一样，由于没有实际接地，所以称为“虚地”。由于

，故有

，即整理得可见，电路的输出电压与输入电压成正比，负号表示输出电压与输入电压反相，故称为反相比例运算电路。其闭环电压放大倍数为上式说明，反相比例运算电路的闭环电压放大倍数只与电阻R1和RF有关，与集成运放的参数无关，这就保证了电路的精度和稳定性。当中的RF=R1时，得

，反相比例运算器成为反相器。2.同相比例运算电路同相比例运算电路见图9.13，输入信号ui加在同相输入端，电路引入的是电压串联负反馈。由

，可知

，故有图9.13同相比例运算电路由于

，所以电阻Rp上电压降为0，有

。根据

，得

，代入上式有整理得

由上式可得同相比例运算电路的闭环电压放大倍数为如果设图9.13中的反馈电阻RF=0，（或）R1=∞，即得图9.14所示的电压跟随器。这时输出信号全部反馈到输入回路，输出电压跟随输入电压的变化，即图9.14电压跟随器9.4.2求和运算电路1.反相求和运算电路图9.16所示为反相求和运算电路。由“虚短”和“虚断”概念，有

，

图9.16反相求和运算电路即整理得可见，输出电压等于输入电压按比例相加，并且输出电压与输入电压反相，所以称为反相求和运算电路。图中的平衡电阻Rp

=R1//R2//RF。若R1=R2=RF，则有uo=－(ui1+ui2)。2.同相求和运算电路

图9.17所示为同相求和运算电路。由“虚断”，有

，故

即设Rp

=R1//R2//R3，则有再由“虚短”的

，以及得输出电压为若使静态时集成运放两输入端对地的电阻相等，即Rp

=R//RF，可简化成上式表明，输出电压等于输入电压按比例相加，并且输出电压与输入电压同相，所以称为同相比例运算电路。若R1=R2=RF，则有uo=ui1+ui2。3.减法运算电路如果将两个信号分别加在运放的同相输入端和反相输入端，即可实现减法运