第三章-差动放大电路及集成运算放大器-第三节集成运算放大器及其应用

差动放大电路及集成运算放大器

第三章差动放大电路及集成运算放大器3.1差动放大电路

3.2负反馈放大电路3.3集成运算放大器及其应用

差动放大电路及集成运算放大器3.3集成运算放大器及其应用集成电路的英文缩写为IC。它是利用先进的工艺技术，将各种电子元器件构成的功能电路，制造在一块很小的半导体芯片上而形成的微型电子器件。该技术诞生于二十世纪六十年代初，是电子技术的重要突破。分为线性集成电路和数字集成电路两大类。线性集成电路主要有集成运算放大器、集成功率放大器和集成稳压器等。

差动放大电路及集成运算放大器集成运算放大器简称为运放，是发展最早、应用最广泛的一种线性集成电路,它是直接耦合的高倍放大器,它具有高的电压增益，高的输入电阻和低的输出电阻，内部电路采用直接耦合的方式，能放大直流电压和较高频率范围的交流电压。早期的应用主要是模拟数值运算，故称运算放大器。集成运放种类较多，内部电路各有特点，但总体结构大致相同。如图３-13是运放的电路组成框图。框图共分三部分：

差动输入级电压放大级输出级偏置电路同相输入端反相输入端输出端

图3-13集成运放内部组成电路框图

差动放大电路及集成运算放大器第一部分为差动输入级。该级主要任务是提高输入电阻和提高共模抑制比，对集成运算放大器的质量起关键作用。

第二部分为中间放大级,采用共射放大电路.主要任务是产生足够大的电压放大倍数，因此它也应具有较高的输入电阻。放大管一般由复合管组成，并采取措施提高集电极负载电阻。如采用恒流源代替Rc,一般的中间放大级的电压增益可达到60dB以上。第三部分为输出级。其主要任务是输出足够大的电流，能提高带负载能力。所以该级应具有很低的输出电阻和很高的输入电阻，一般采用射极输出器的方式。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.2外形与符号集成运放的外形有圆形、扁平形和双列直插式三种，如图3-14所示。(a)图为圆形，(b)图为扁平形，(c)图为双列直插式。目前常用的双列直插式型号有μA741(8端)、LM324(14端)等,采用陶瓷或塑料封装。

图3-14集成运放外形差动放大电路及集成运算放大器常用集成运算放大器µA741与LM324的外引线端子排列图如图3-15所示。其端子排列为:从正面看，带半圆形或其它形的标识端向左,则左下角的端子为1号端子,然后逆时针依次排号,左上角的端子为最后一个,连接电路时注意不能接错。

图3-15µA741与LM324的外引线排列图差动放大电路及集成运算放大器集成运放的符号如图3-16所示,有用方框式的(a),也有用三角形的(b),本书以方框形为例。集成运放有两个输入端，“-”端叫反相输入端，“+”端叫同相输入端，输出端的电压与反相输入端反相，与同相输入端同相。图中的运放工作在线性状态时，输出电压与输入电压的关系为：ｕo=Auo(ｕi2-ｕi1)。

图3-16集成运放符号差动放大电路及集成运算放大器3.3.3集成运算放大器的主要参数

在实用中，正确合理地选择使用集成运算放大器是非常重要的。因此必须要熟悉它的特性和参数，这里只对集成运放的主要常用参数作简单介绍。

3.3.3.1最大差模输入电压Ｕidmax

该参数表示运放两个输入端之间所能承受的最大差模电压值，输入电压超过该值时，差动放大电路的对管中某侧的三极管发射结会出现反向击穿，损坏运放电路。运放μA741的最大差模输入电压为30V。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.3.2最大共模输入电压Uicmax

这是指运算放大器输入端能承受的最大共模输入电压。当运放输入端所加的共模电压超过一定幅度时，放大管将退出放大区，使运放失去差模放大的能力，共模抑制比明显下降。运放μA741在电源电压为±15V时，输入共模电压应在±13V以内。

3.3.3.3开环差模电压放大倍数（也叫电压增益）Auｄ

开环是指运放未加反馈回路时的状态，开环状态下的差模电压增益叫开环差模电压增益Aud。Aud＝uod/uid。用分贝表示则是20lg｜Aud｜(dB)。高增益的运算放大器的Aud可达140dB以上，即一千万倍以上。理想运放的Ａud为无穷大。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.3.4差模输入电阻rid

是指运放在输入差模信号时的输入电阻。对信号源来说，差模输入电阻rid的值越大，对其影响越小。理想运放的rid

为无穷大。

3.3.3.5开环输出电阻ro

运放在开环状态且负载开路时的输出电阻。其数值越小，带负载的能力越强。理想运放的ro=0。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.3.6共模抑制比KCMR

，它是运放的差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值，也常用分贝值表示。KCMR的值越大表示运放对共模信号的抑制能力越强。理想运放的KCMR为无穷大。3.3.3.6最大输出电压UOPP

运算放大器输出的最大不失真电压的峰值叫最大输出电压。一般情况下该值略小于电源电压。集成运放的种类很多，这里仅将集成运放μA741的参数列入表3-1中，以便参考。集成运放除通用型外，还有高输入阻抗、低漂移、低功耗、高速、高压和大功率等专用型集成运放。它们各有特点。因而也就各有其用途。差动放大电路及集成运算放大器参数名称参数符号测试条件最小典型最大单位输入失调电压UIO

R

S≤10KΩ1.05.0mV输入失调电流IIO

20200nA输入偏置电流IIB

80500nA差模输入电阻rid

0.32.0MΩ输入电容Ci1.4PF输入失调电压调整范围UIOR

±15mV差模电压增益AudRL≥2KΩ，U0≥±10V50000200000V/V输出电阻ro

75Ω输出短路电流IOS

25mA电源电流IS

1.72.8mA功耗PC

5085mW瞬态响应(单位增益)上升时间tτ

Ui=20mv；RL=2KΩ，CL≤100PF0.3μS过冲K（V）5.0%转换速率SR

RL≥2KΩ0.5V/μs表3－1集成运放μA741在常温下的电参数表（电源电压±15V，温度25℃）差动放大电路及集成运算放大器3.3.4基本运算电路

基本运算放大电路主要有：比例运算、加法减法运算、乘除运算、积分运算、微分运算及对数反对数运算电路等，这里只介绍比例运算电路、加减运算电路和积分微分电路。在介绍集成运算电路的基本应用之前，先介绍一下理想运算放大器的有关知识。3.3.4.1理想运算放大器在分析运算放大器时，常将它看着一个理想运算放大器。

差动放大电路及集成运算放大器理想运算放大器的条件是：开环电压放大倍数Au0→∞；

差模输入电阻rid→∞；

开环输出电阻ro→0；

共模抑制比KCMR→∞。

图3-17理想运算放大器的图形符号差动放大电路及集成运算放大器由于实际的运算放大电路的技术指标接近理想运算放大器，因此，在分析实际运算放大器时，常将它看成是理想的。图3-17为理想运算放大器的图形符号，它有两个输入端和一个输出端，反相输入端标有“-”号，同相输入端和输出端标有“+”号。它们的对地电压分别为“u-”、“u+”和“uo”。“∞”表示开环放大倍数。表示输入电压和输出电压之间关系的特性曲线称为传输特性。如图3-18所示，图中虚线表示实际传输特性，从传输特性看，可分为线性区和饱和区。运算放大器可工作在线性区，也可工作在饱和区，但分析方法不同。

差动放大电路及集成运算放大器当它工作在线性区时，uo和(u+-u-)是线性关系，即

uo=Au0(u+-u-)

这时运算放大器是一个线性元件。由于它的放大倍数很高，即使输入电压为毫伏级，也足以使电路饱和，其饱和电压值为+Uo(sat)或-Uo(sat)，接近电源电压。

图3-18运算放大器的传输特性差动放大电路及集成运算放大器运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：（1）由于运算放大器的差模输入电阻rid→∞,故可认为两个输入端的输入电流为零。即这种由于集成电路内部输入电阻无穷大而使输入电流几乎为零的现象称之为“虚断”。（2）由于运算放大器的开环电压放大倍数Au0→∞，而输出电压是一有限数值，故：

差动放大电路及集成运算放大器即由于集成开环放大倍数为无穷大，与其放大时的输出电压相比，同、反相的输入电压差值可以忽略不计，同、反相输入电压几乎相等，我们称这种现象为“虚短”。“虚断”和“虚短”在集成运算放大电路分析中很有用的概念。运算放大器工作在饱和区时,输出电压不能用uo=Au0(u+-u-)计算，输出电压只有两种可能，即+Uo(set)或-Uo(sat)。当u+>u-时，uo=+Uo(sat)；当u+<u-时，uo=-Uo(sat)。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.2比例运算电路（1）反相比例运算电路当输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，这样比例运算电路就构成了反相比例运算电路。如图3-19，同相输入端通过电阻R2接地，输入信号ui通过R1送到反相输入端，输出端与反相输入端间跨接反馈电阻RF。根据集成运算电路的“虚断”和“虚短”可得：

差动放大电路及集成运算放大器由图3-38可得：

由此得出：该电路的闭环电压放大倍数为：图3-19反相比例运算电路差动放大电路及集成运算放大器上式表明，电路的电压放大倍数只与外围电阻有关，而与运放电路本身无关，这就保证了放大电路放大倍数的精确和稳定。当RF无穷大(开环)时，放大倍数也为无穷大。式中的“－”号表示输出电压的相位与输入电压的相位相反。

图中的R2为平衡电阻，R2=R1//RF，其作用是消除静态电流对输出电压的影响。

该电路的反馈类型为并联电压负反馈。

差动放大电路及集成运算放大器例3-1．在图3-19中，

R1=10kΩ，RF=50kΩ，求Auf和R2；若输入电压ui=1.5V，则uo为多大？解：将数据代入上面的闭环电压放大倍数公式得：

当R1=RF时，Auf=1，电路为反相器。差动放大电路及集成运算放大器（2）同相比例运算电路如果输入信号从同相输入端引入，运放电路就成了同相比例运算放大电路。如图3-20所示。根据理想运算放大器的特性：得：

因而:差动放大电路及集成运算放大器图3-20同相比例运算电路图3-21电压跟随器差动放大电路及集成运算放大器可见，输出电压与输入电压之间的比例关系与运算放大器本身无关。同相输入比例运算放大电路的电压放大倍数Auf≥1；

同相比例电路中，当R1=∞或RF=0时，电路的电压放大倍数为1，这时就成了电压跟随器，如图3-21所示。其输入电阻为无穷大，对信号源几乎无任何影响。输出电阻为零，为一理想恒压源，所以带负载能力特别强。它比射极输出器的跟随效果好得多，可以作为各种电路的输入级、中间级和缓冲级等。

该电路的反馈类型为串联电压负反馈。

差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.3反相加法器

如果在反相输入比例运算电路的输入端增加若干输入支路，就构成反相加法运算电路，也称求和电路，如图3-22所示。

图3-22反相加法运算电路差动放大电路及集成运算放大器根据“虚短”和“虚断”概念，由图可列出：

；；；；由上列各式可得：当R11=R12=R13=R1时，上式为：差动放大电路及集成运算放大器当R1=RF时，则：

由此看出：加法运算电路也与运算放大电路本身的参数无关，只要电阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。另外，反相加法电路中无共模输入信号（即u+=u-=0），抗干扰能力强，因此应用广泛。平衡电阻R2

的取值：差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.4同相加法运算

同相输入加法电路如图3-23所示，输入信号加到同相端。

图3-23同相加法运算电路

差动放大电路及集成运算放大器由集成运放的“虚断”(i-=0)可得：

即：令R=R3//R21//R22//R23，上式为：又根据“虚短”(u+=u-)可得：差动放大电路及集成运算放大器所以

当R21=R22=R23=R3时，上式为：当RF=3R1时：可见，同相加法器的输出和输入同相，但同相加法电路中存在共模输入电压（即u+和u-不等于零），因此不如反向输入加法器应用普遍。差动放大电路及集成运算放大器例3-2如图3-22，若R11=R12=10kΩ，R13=5kΩ，RF=20kΩ，ui1=1V，ui2=ui3=1.5V，

（1）求输出电压uo。

（2）若再设UCC=±15V，ui3=3V，其它条件不变，再求uo。解：（1）根据公式得

（2）当ui3=3V时，同样代入上式得uo=－17V，该值已超出UCC=±15V的范围，运放已处于反向饱和状态，故uo=－15V。差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.5减法运算

如果运算放大器的同、反相输入端都有信号输入，就构成差动输入的运算放大电路，如图3-24所示。它可以实现减法运算功能。

图3-24减法运算电路差动放大电路及集成运算放大器根据“虑断”(即i+=i-=0)，由图可得：

又据“虑短”概念u-≈u+，故从上列两式可得：则：差动放大电路及集成运算放大器当R1=R2且RF=R3时，上式可化为：

上式表示，输出电压uo与两个输入电压的差成正比。当RF=R1时，则得：上式表示当电阻选得适当时，输出电压为两输入电压的差。由以上分析可知，当R1=R2且RF=R3时，电路的电压放大倍数为：差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.6积分和微分运算（1）积分电路

图3-25积分运算电路积分差动放大电路及集成运算放大器在电工学中我们学过电容元件上的电压uC与电容两端的电荷量q关系为：C=q/u，即q=Cu，根据电流的定义，可得电容上的电流为：

iC=，由此得：；。根据以上关系，如果在反相比例运算电路中，用电容C代替电阻RF作为反馈元件，就可以构成积分电路，如图3-25（a）所示。由于是反相输入，且u+=u-=0，所以有：；差动放大电路及集成运算放大器上式表明uo与ui的积分成比例，式中的负号表示两者相位相反，R1C称为积分时间常数。当ui为一常数时，则uo成为一个随时间t变化的直线，即：所以，当ui为方波时，输出电压uo应为三角波，图3-26(b)所示。由于输出电压与放大电路本身无关，因此，只要电路的电阻和电容取值适当，就可以得到线性很好的三角波形。差动放大电路及集成运算放大器（2）微分电路

微分运算是积分运算的逆运算，只须将积分电路中输入端的电阻和反馈电容互换位置即可，如图3-26所示。

图3-26微分运算电路差动放大电路及集成运算放大器由图可列出：

故：即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。所以当输入电压ui为一条随时间t变化的直线时，输出电压uo将是一个不变的常数。那么当输入电压ui为三角波时，输出电压uo将是一个矩形波。读者可自己试试画出它们的波形。差动放大电路及集成运算放大器3.3.4.7电压比较器

电压比较器是集成运算放大电路开环工作的典型，电路工作在开关状态。电压比较器的作用是比较输入端的电压和参考电压(门限电压)，根据同、反相两输入端电压的大小，输出为两个极限电平。（1）非零电压比较器

如图3-27，UR为参考电压，ui经R1输入到反相输入端，由于电路工作在开环状态，放大倍数很大(理想运放电路的放大倍数为∞)，只要同相和反相输入端有微小的电压差，电路就会输出饱和电压Uo(sat)。即当ui<UR时，uo=+Uo(sat)，当ui>UR时，uo=-Uo(sat)。

差动放大电路及集成运算放大器图3-27(b)为电压比较器的输入输出传输特性，从特性曲线中可以看出，电压比较器相当于一个开关，要么输出高电平“1”，要么输出低电平“0”。

图3-27非零电压比较器差动放大电路及集成运算放大器（2）过零电压比较器

当参考电压UR=0时，输入电压与零电压比较，称为过零比较器，其电路和传输特性如图3-28（a）、（b）所示。若给过零比较器输入一正弦电压，电路则输出方波电压，如图3-29所示。

图3-28过零电压比较器差动放大电路及集成运算放大器图3-29输入输出电压波形差动放大电路及集成运算放大器（3）滞回比较器

前面介绍的比较器，抗干扰能力都较差，因为输入电压在门限电压附近稍有波动，就会使输出电压误动，形成干扰信号。采用滞回比较器就可以解决这个问题。

图3-30滞回比较器差动放大电路及集成运算放大器滞回比较器又称施密特触发器，将集成运放电路的输出电压通过反馈支路送到同相输入端，形成正反馈，如图3-30(a)，当输入电压ui逐渐增大或减小时，对应门限电压不同，传输特性呈现“滞回”现象，如图3-30(b)。两门限电压分别为U´+和U´´+，两者电压差∆U+称为回差电压或门限宽度。设电路开始时输出高电平+Uo(sat)，通过正反馈支路加到同相输入端的电压为R2Uo(sat)/(R2+R3)，由叠加原理可得，同相输入端的合成电压为上限门电压U´+为：

差动放大电路及集成运算放大器当ui逐渐增大并等于U´+时，输出电压uo就从+Uo(sat)跃变到-