《模拟电子技术基础教程》课件第五章 集成运算放大电路

第六章集成功率放大电路第五章集成运算放大电路5.15.2集成运算放大电路概述集成运算放大器在信号运算方面的运用01集成运算放大电路概述一、集成运算放大器简介

集成运放是模拟集成电路中应用最为广泛的一种，它实际上是一种高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。第一代集成运放以μA709（我国的FC3）为代表，性能指标比一般的分立元件要提高。主要缺点是内部缺乏过电流保护，输出短路容易损坏。第二代集成运放以二十世纪六十年代的μA741型高增益运放为代表，在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。电路中还有过流保护措施。但是输入失调参数和共模抑制比指标不理想。

第三代集成运放代以二十世纪七十年代的AD508为代表，其特点使输入级采用了“超β管”，且工作电流很低。从而使输入失调电流和温漂等项参数值大大下降。第四代集成运放以二十世纪八十年代的HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。二、模拟集成电路的特点1.采用有源器件

由于制造工艺的原因，在集成电路中制造有源器件比制造大电阻容易实现。因此大电阻多用有源器件构成的恒流源电路代替，以获得稳定的偏置电流。BJT比二极管更易制作，一般用集电极—基极短路的BJT代替二极管。2.采用直接耦合作为级间耦合方式

由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过100pF，至于电感，只能限于极小的数值（1

H以下）。因此，在集成电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管复合或组合电路

集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是BJT或FET最容易制作，而复合和组合结构的电路性能较好，因此，在集成电路中多采用复合管（一般为两管复合）和组合（共射—共基、共集—共基组合等）电路。三、集成运放的基本组成1.输入级：主要由差动放大电路构成，以减小运放的零漂和其他方面的性能。2.中间级：要提供高的电压增益，故称为中间放大级。中间级的电路形式多为带有源负载的高增益放大器。3.输出级：由NPN和PNP两种极性的晶体管或复合管组成，其主要作用是获得正负两个极性的输出电压或电流，提供足够的功率，满足负载的需要。4.偏置电流源：偏置电流源的作用是给上述各电路提供合适的偏置电流，以稳定静态工作点。四、集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压增益Aod

一般运放的Aod为60～120dB，性能较好的运放Aod＞140dB。一般希望Aod越大越好，实际的Aod与工作频率有关，当频率大于一定值后，Aod随频率升高而迅速下降。2.温度漂移

在规定的温度范围内，输入失调电压的变化量

UIO与引起UIO变化的温度变化量

T之比，称为输入失调电压/温度系数

UIO/

T。

UIO/

T越小越好，一般为±(10～20)

V/℃。3.最大差模输入电压Uid,max4.最大共模输入电压Uic,max5.单位增益带宽fT

这是指集成运放的两个输入端之间所允许的最大输入电压值。若输入电压超过该值，则可能使运放输入级BJT的其中一个发射结产生反向击穿。显然这是不允许的。Uid,max大一些好，一般为几到几十伏。

这是指运放输入端所允许的最大共模输入电压。若共模输入电压超过该值，则可能造成运放工作不正常，其共模抑制比KCMR将明显下降。显然，Uic,max大一些好，高质量运放最大共模输入电压可达十几伏。fT是指使运放开环差模电压增益Aod下降到0dB（即Aod=1）时的信号频率，它与三极管的特征频率fT相类似，是集成运放的重要参数。6.开环带宽fH7.转换速率SRfH是指使运放开环差模电压增益Aod下降为直流增益的倍（相当于-3dB）时的信号频率。由于运放的增益很高，因此fH一般较低，约几赫兹至几百赫兹左右（宽带高速运放除外）。

这是指运放在闭环状态下，输入为大信号（如矩形波信号等）时，其输出电压对时间的最大变化速率，即

转换速率SR反映运放对高速变化的输入信号的响应情况，主要与补偿电容、运放内部各管的极间电容、杂散电容等因素有关。SR大一些好，SR越大，则说明运放的高频性能越好。一般运放SR小于1V/

s，高速运放可达65V/

s以上。8.最大输出电压Uo,max五、集成运算放大器符号图5.3常见集成电路的封装形式图5.2集成运放的电路符号六、理想运算放大器的特点1.理想运算放大器的条件①开环电压增益Aod→∞；②差模输入电阻rid→∞；③输出电阻rod=0；④共模抑制比KCMR→∞，即没有温度漂移；⑤开环带宽fH→∞；⑥转换速率SR→∞；⑦输入端的偏置电流IBN=IBP=0；⑧干扰和噪声均不存在。2.理想运算放大器的特性（1）虚短（2）虚断

虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚短路，简称虚短。虚短路不能理解为两输入端短接，只是（u–-u+）的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚开路，简称虚断，显然不能将两输入端真正断路。i–=i+→0：相当于运放两输入端“虚断路”。同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。图5.4理想运算放大器的特性说明示意图02集成运算放大器在信号运算方面的运用一、比例运算电路1.反相输入比例运算（1）电路组成（2）电路分析由“虚断”的概念i+=i–=0，可知i1=if，则因虚短，所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点。输出电压为：该电路的电压增益为：输出电压uo与输入电压ui之间成比例（负值）关系。（3）结论

①Auf为负值，即uo与ui极性相反，因为ui加在反相输入端；

②Auf

只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关；

③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1；

④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”；

⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，Ri=R1，共模输入电压低。2.同相输入比例运算（1）电路组成（2）电路分析由“虚断”的概念i+=i–=0，可知i1=if，则因虚短，所以u–=u+=ui，则输出电压为：该电路的电压增益为：（3）结论①Auf为正值，即uo与ui极性相同，因为ui加在同相输入端；②Auf只与外部电阻R1、Rf有关，与运放本身参数无关；③Auf≥1，不能小于1；④u–=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象；⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。例5.1：R1=10k

，Rf=20k

，ui=-1V。求：uo、Ri。说明R0的作用，R0应为多大？解：

R0为平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。例5.2：电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k

。求：（1）Auf、R2；（2）若R1不变，要求Auf为-10，则RF、R2应为多少？解：（1）

（2）因为所以

二、加法运算电路1.反相加法运算电路（1）电路组成电路要求：平衡电阻R2=Ri1//Ri2//Rf。（2）电路分析因虚断，i–=0，所以i1+i2=if，得到

因虚短，u–=u+=0，则

输出电压为：（3）反相加法运算电路的特点①多个信号从反相端输入，同相端接地；②输入电阻低；③共模电压低；④当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响。2.同相加法运算电路

（1）电路组成电路要求：平衡电阻R1//Rf=R2//R3

//R4。（2）电路分析由“虚断”的概念i–=0，可知i1=if，得到由“虚断”的概念i+=0，可知i2+i3=i4，得到因虚短，u–=u+，所以因为电路要求平衡电阻满足R1//Rf=R2//R3

//R4所以（3）同相加法运算电路的特点

①多个信号从同向端输入，反向端接地；

②输入电阻高；

③共模电压高；

④当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响。三、减法运算电路（1）电路组成该电路是反相输入和同相输入相结合的放大电路。（2）电路分析根据“虚短”和“虚断”的概念可知并可得下列方程式：利用，并联解上式可得在上式中，若满足R2//R3=R1//Rf，如果取R1=R2，R3=Rf，则该式可简化为当R1=R2=R3=Rf，有uo=ui2

ui1

四、积分运算电路（1）电路组成

在电子电路中，常用积分运算电路和微分运算电路作为调节环节，此外，积分运算电路还用于延时、定时和非正弦波发生电路中。（2）电路分析

根据“虚短”和“虚断”的概念有：i1=if电流if对Cf进行充电，且为恒流充电（充电电流与电容Cf及电容上电压无关）。假设电容Cf的初始电压为uC(t0)时，则有当电容Cf初始电压为0，则五、微分运算电路微分是积分的逆运算。将积分电路的电阻和电容元件互换位置，即构成微分电路，微分电路如上图所示。微分电路选取相对较小的时间常数RfC1。（1）电路组成同样根据“虚短”和“虚断”的概念有：i1=if

设t=0时，电容C上的初始电压为0，则接入信号电压ui时有：

（2）电路分析上式表明，输出电压与输入电压的关系满足微分运算