第7章 集成運算放大器及其應用

1、 集成運放集成運放是一種是一種直接耦合的多級放大電路直接耦合的多級放大電路，性能理想的運，性能理想的運算放大電路具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作算放大電路具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點漂移小等特點。點漂移小等特點。按制作工藝分為雙極型、按制作工藝分為雙極型、CMOS 型和型和BiFET 型三種。型三種。 按照工作原理分為電壓放大型、電流放大型、跨導型和互按照工作原理分為電壓放大型、電流放大型、跨導型和互阻型四種。阻型四種。 按照性能指標分為通用型、低噪聲型、高速型、低功耗型、按照性能指標分為通用型、低噪聲型、高速型、低功耗型、精密型和程控高輸入阻抗型等。精密型和程控

2、高輸入阻抗型等。 集成運放雖種類繁多、形式多樣，但電路結(jié)構(gòu)一般由四部集成運放雖種類繁多、形式多樣，但電路結(jié)構(gòu)一般由四部分組成分組成：(1)(1)輸入級輸入級：輸入電阻高、噪聲低、靜態(tài)電流小、零漂?。狠斎腚娮韪摺⒃肼暤?、靜態(tài)電流小、零漂小。(2)(2)中間級中間級( (電壓放大級電壓放大級) )：具有較高的電壓放大倍數(shù)。：具有較高的電壓放大倍數(shù)。(3)(3)輸出輸出級：級：動態(tài)范圍大、帶負載能力強，非線性失真小。動態(tài)范圍大、帶負載能力強，非線性失真小。(4)(4)偏置電路偏置電路：提供合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。提供合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEu

3、o+ui1u i2+Auo信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端輸出端實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(a)(b)8 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC輸出輸出集成運放的電路符號及典型芯片的引腳排列集成運放的電路符號及典型芯片的引腳排列uo=Aod(ui1-ui2)Aod:差分式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)差分式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)集成運放的信號輸入方式集成運放的信號輸入方式1、共模輸入方式、共模輸入方式+UCCUEEuo+ui1u i2+Auo 當運放的兩個輸入端輸入當運放的兩個輸入端輸入大大小相同，極性也相同小相同，極性也相同的信號時，的信號時，稱為共

4、模輸入方式。稱為共模輸入方式。ui 因此，理想的情況下集成運放在共模輸入時的放因此，理想的情況下集成運放在共模輸入時的放大倍數(shù)為大倍數(shù)為0，即，即0ioucuuA即即ui1=ui2集成運放的信號輸入方式集成運放的信號輸入方式2、差模輸入方式、差模輸入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 當運放的兩個輸入端輸入當運放的兩個輸入端輸入大大小相同，極性相反小相同，極性相反的信號時，稱的信號時，稱為差模輸入方式。為差模輸入方式。ui 差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用Aud表示，即表示，即uuuuuAoiouduuui 指運放在無外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓指運放

5、在無外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比，其值越大越好，即：之比，其值越大越好，即：idooduuA 指運放無外加反饋時，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模指運放無外加反饋時，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模放大倍數(shù)之比。反映了運放對共模輸入信號的抑制能力，其值放大倍數(shù)之比。反映了運放對共模輸入信號的抑制能力，其值越大越好，即：越大越好，即：|ocodCMRRAAK差模輸入電阻差模輸入電阻rid 指運放在無外加反饋情況指運放在無外加反饋情況下，從兩個輸入端口看進去的下，從兩個輸入端口看進去的等效電阻。等效電阻。uou+u-rid輸出電阻輸出電阻ro 指運放在無外加反饋情指運放在無外加反饋情況下

6、，從輸出端口看進去的況下，從輸出端口看進去的戴維南等效電阻。戴維南等效電阻。uou+u-+-uocro（5）其他參數(shù)）其他參數(shù) 包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫漂及開環(huán)帶寬等，詳細定義參看教程。漂及開環(huán)帶寬等，詳細定義參看教程。（1）反饋的概念）反饋的概念 如果反饋信號使放大器的凈輸入加強，從而也使輸出加如果反饋信號使放大器的凈輸入加強，從而也使輸出加強，這種反饋稱為強，這種反饋稱為正反饋正反饋。 如果反饋信號使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減如果反饋信號使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減弱，這種反饋稱為弱，這種反饋稱為負反饋負反饋。（2）開環(huán)閉環(huán)的概念）開環(huán)閉環(huán)的

7、概念 如果放大器的輸出與輸入之間沒有反饋，放大器的這種如果放大器的輸出與輸入之間沒有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為連接狀態(tài)稱為開環(huán)開環(huán)狀態(tài)狀態(tài)。 如果放大器的輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種如果放大器的輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為連接狀態(tài)稱為閉環(huán)閉環(huán)狀態(tài)狀態(tài)。（3）反饋的分類）反饋的分類1）直流反饋和交流反饋）直流反饋和交流反饋 如果反饋量中只含有直流量，稱為直流反饋；或者說，僅在直如果反饋量中只含有直流量，稱為直流反饋；或者說，僅在直流通路中存在的反饋稱為直流反饋。流通路中存在的反饋稱為直流反饋。 如果反饋量中只含有交流量，稱為交流反饋；或者說，僅在交如果反饋量中只含

8、有交流量，稱為交流反饋；或者說，僅在交流通路中存在的反饋稱為交流反饋。流通路中存在的反饋稱為交流反饋。 在很多放大電路中，常常是交、直流反饋兼有。在很多放大電路中，常常是交、直流反饋兼有。2）正反饋和負反饋）正反饋和負反饋3）電壓反饋和電流反饋）電壓反饋和電流反饋如果引入反饋量取自輸出電壓，則為電壓反饋。如果引入反饋量取自輸出電壓，則為電壓反饋。如果引入反饋量取自輸入電流，則為電流反饋。如果引入反饋量取自輸入電流，則為電流反饋。4）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)串聯(lián) 反饋：反饋：在輸入回路中，反饋量和輸入量都以在輸入回路中，反饋量和輸入量都以電壓電壓的形式出現(xiàn)，的形式出現(xiàn)，并以并以

9、 串聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電壓求和的方式來反映反饋串聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電壓求和的方式來反映反饋對輸入信號的影響。對輸入信號的影響。并聯(lián)并聯(lián) 反饋：反饋：在輸入回路中，反饋量和輸入量都以在輸入回路中，反饋量和輸入量都以電流電流的形式出現(xiàn)，的形式出現(xiàn)，并以并聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電流求和的方式來反映反饋并以并聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電流求和的方式來反映反饋對輸入信號的影響。對輸入信號的影響。（4）反饋的判斷）反饋的判斷1）有無反饋的判斷）有無反饋的判斷若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路相連接的通路，即反饋通路，并由此影響了放大電路的凈輸入，則表明電路引入了反饋;否則電路中便沒有

10、反饋。1）有無反饋的判斷）有無反饋的判斷（4）反饋的判斷）反饋的判斷2）反饋極性的判斷：瞬時極性法）反饋極性的判斷：瞬時極性法基本做法是：規(guī)定電路輸入信號在某一時刻對地的極性，并以此為依據(jù)，逐級判斷電路中各相關(guān)點電流的流向和電位的極性，從而得到輸出信號的極性；根據(jù)輸出信號的極性判斷出反饋信號的極性；若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號增大，則說明引入了正反饋；若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號減小，則說明引入了負反饋。 即通過分析集成運放的凈輸入電壓，或者凈輸入電流因反饋的引入是增大了還是減小了，來判斷反饋的極性。2）反饋極性的判斷：瞬時極性法）反饋極性的判斷：瞬時極性法2）反饋極性的判斷：

11、瞬時極性法）反饋極性的判斷：瞬時極性法（4）反饋的判斷）反饋的判斷3）判斷反饋的串并聯(lián)形式）判斷反饋的串并聯(lián)形式并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點引入，或是并接在放大器的同一個輸入端上。串聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點引入或反饋信號和輸入信號加在放大器的不同輸入端上。串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋（4）反饋的判斷）反饋的判斷3）判斷反饋的串并聯(lián)形式）判斷反饋的串并聯(lián)形式并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點引入，或是并接在放大器的同一個輸入端上。串聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點引入或反饋信號和輸入信號加在放大器的不同輸入端上。并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋（4）反饋的判斷）反饋的判斷4）判斷電壓或電流

12、反饋的方法）判斷電壓或電流反饋的方法（4）反饋的判斷）反饋的判斷4）判斷電壓或電流反饋的方法）判斷電壓或電流反饋的方法（5）負反饋的四種類型）負反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電壓放大為輸出電是把凈輸入電壓放大為輸出電壓，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸壓，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸出電壓變換為反饋電壓出電壓變換為反饋電壓uf,uf在在輸入端與輸入電壓輸入端與輸入電壓ui串聯(lián)相減。串聯(lián)相減。（5）負反饋的四種類型）負反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電流放大為輸出電是把凈輸入電流放大為輸出電壓，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸壓，而

13、反饋網(wǎng)絡的作用是把輸出電壓變換為反饋電流出電壓變換為反饋電流if,if在在輸入端與輸入電流輸入端與輸入電流ii并聯(lián)相減。并聯(lián)相減。（5）負反饋的四種類型）負反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電壓放大為輸出電是把凈輸入電壓放大為輸出電流，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸流，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸出電流變換為反饋電壓。出電流變換為反饋電壓。這種類型中，放大電路的作用這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電流放大為輸出電是把凈輸入電流放大為輸出電流，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸流，而反饋網(wǎng)絡的作用是把輸出電流變換為反饋電流。出電流變換為反饋電流。四種負反饋的判斷，見書例四種負

14、反饋的判斷，見書例7.57.2.4 負反饋對放大電路性能的影響負反饋對放大電路性能的影響1）增益）增益2）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性3）波形失真性）波形失真性4）輸入電阻和輸出電阻）輸入電阻和輸出電阻1）降低放大倍數(shù)）降低放大倍數(shù)其中，其中，AF叫環(huán)路增益，叫環(huán)路增益，1+AF叫反饋深度叫反饋深度2）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性，指開環(huán)的相對穩(wěn)定程度與閉環(huán)的相對穩(wěn)定程度的所謂穩(wěn)定性，指開環(huán)的相對穩(wěn)定程度與閉環(huán)的相對穩(wěn)定程度的比較。負反饋的基本特點是自動調(diào)整作用，當外界條件發(fā)生變比較。負反饋的基本特點是自動調(diào)整作用，當外界條件發(fā)生變化引起輸出信號增大時，負反饋則按比例將增大量送到輸入

15、端，化引起輸出信號增大時，負反饋則按比例將增大量送到輸入端，抵消一部分輸入信號，使凈輸入信號減小，達到降低輸出信號抵消一部分輸入信號，使凈輸入信號減小，達到降低輸出信號的目的。的目的。2）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了?？梢?，引入負反饋后，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了。例例7.6 一個放大電路的開環(huán)放大倍數(shù)為一個放大電路的開環(huán)放大倍數(shù)為1000，由于某種原因下降到，由于某種原因下降到900，當引入負反饋后，其反饋系數(shù)，當引入負反饋后，其反饋系數(shù)F為為0.2，求其閉環(huán)的相對變化量。，求其閉環(huán)的相對變化量。3）擴展通頻帶）擴展通頻帶111(1)mmf

16、mHfHmHfAAA FAffjjfA Ff4）改善波形失真：減小非線性失真）改善波形失真：減小非線性失真4）改善波形失真：減小非線性失真）改善波形失真：減小非線性失真5）改善電路的輸入電阻和輸出電阻）改善電路的輸入電阻和輸出電阻輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的等效電阻，因而反饋對輸輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的等效電阻，因而反饋對輸入電阻的影響，取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡在電路輸入端的入電阻的影響，取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡在電路輸入端的連接方式，即取決于電路引入的是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。連接方式，即取決于電路引入的是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。1）串聯(lián)負反饋對輸入電阻的影響）串聯(lián)負反饋

17、對輸入電阻的影響b 并聯(lián)負反饋對輸入電阻的影響并聯(lián)負反饋對輸入電阻的影響（2）對輸出電阻的影響）對輸出電阻的影響輸出電阻是從放大電路輸出端看進去的等效電阻，因而負反饋對輸出電阻是從放大電路輸出端看進去的等效電阻，因而負反饋對輸出電阻的影響取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡在放大電路輸出輸出電阻的影響取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡在放大電路輸出端的連接方式，即取決于電路引入的是電壓反饋還是電流反饋。端的連接方式，即取決于電路引入的是電壓反饋還是電流反饋。1）電壓負反饋對輸出電阻的影響）電壓負反饋對輸出電阻的影響對于電壓反饋的放大電路，當輸入電壓對于電壓反饋的放大電路，當輸入電壓ui為一定值，如果輸入電為

18、一定值，如果輸入電壓壓uo由于負載電阻由于負載電阻RL的減小而減小時，則反饋電壓的減小而減小時，則反饋電壓UF也隨之減也隨之減小，其結(jié)果使凈輸入電壓小，其結(jié)果使凈輸入電壓ud增大，于是輸出電壓就接近原值。所增大，于是輸出電壓就接近原值。所以電壓反饋的放大電路具有恒壓輸出特性，根據(jù)電壓源的外特性：以電壓反饋的放大電路具有恒壓輸出特性，根據(jù)電壓源的外特性：內(nèi)阻越小越接近恒壓源。內(nèi)阻越小越接近恒壓源。因此，電壓負反饋使輸出電阻減小。因此，電壓負反饋使輸出電阻減小。2）電流負反饋對輸出電阻的影響）電流負反饋對輸出電阻的影響對于電流反饋的放大電路，當輸入電壓對于電流反饋的放大電路，當輸入電壓ui為一定值

19、，如果輸出電為一定值，如果輸出電流流io由于溫度升高而增大時，則反饋電壓由于溫度升高而增大時，則反饋電壓UF也隨之增大，其結(jié)果也隨之增大，其結(jié)果使凈輸入電壓使凈輸入電壓ud減小，于是輸出電流就接近原值。所以電流反饋減小，于是輸出電流就接近原值。所以電流反饋的放大電路具有恒流輸出特性，根據(jù)電流源的外特性：的放大電路具有恒流輸出特性，根據(jù)電流源的外特性：內(nèi)阻越大越接近恒流源。內(nèi)阻越大越接近恒流源。因此，電流負反饋使輸出電阻增大。因此，電流負反饋使輸出電阻增大。集成運算放大器加上一定形式的外接電路可實現(xiàn)各種功能。集成運算放大器加上一定形式的外接電路可實現(xiàn)各種功能。例如：能對信號進行反相放大與同相放大

20、，對信號進行加、例如：能對信號進行反相放大與同相放大，對信號進行加、減、微分和積分運算。減、微分和積分運算。 實際運放的理想化模型就是理想運放。其理想化指標為：實際運放的理想化模型就是理想運放。其理想化指標為：;udA ;idr; 0or;CMRK;Hf 盡管理想運算放大器并不存在，但由于集成運算放大器的技盡管理想運算放大器并不存在，但由于集成運算放大器的技術(shù)指標都比較接近于理想值，在具體分析時將其理想化來分術(shù)指標都比較接近于理想值，在具體分析時將其理想化來分析。析。 為了計算方便，后續(xù)內(nèi)容一律將集成運放為理想運放。為了計算方便，后續(xù)內(nèi)容一律將集成運放為理想運放。線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Au

21、d( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR非過零比較器的實際應用：非過零比較器的實際應用： 集成運放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護集成運集成運放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護集成運放的輸入級，需加輸入端限幅電路。放的輸入級，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為入電壓最大值為UD改進的單限比較器：改進的單限比較器：比較器的輸出電壓是由比較器的內(nèi)部設(shè)計

22、決定的，其值是比較器的輸出電壓是由比較器的內(nèi)部設(shè)計決定的，其值是固定的，而在實際應用中，輸出電壓往往不能滿足負載的固定的，而在實際應用中，輸出電壓往往不能滿足負載的需要，為了解決這一問題，常在運放的輸出端接限幅電路。需要，為了解決這一問題，常在運放的輸出端接限幅電路。uiUR輸出帶限幅的電壓比較器：輸出帶限幅的電壓比較器：為適應負載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。為適應負載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UZ UZ Uo(sat) +Uo(sat)uoO電壓比較器的分析方法電壓比較器的分析方法：（1 1）寫出寫出 u+、u-的表達式，的表達式，令令u+ u-=0，求解出的求解出的 uI

23、即為即為UT；（2 2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3 3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出輸出電壓電壓的躍變方向。的躍變方向。一般單限比較器21-REFI1212_0RRuUuRRRRuu令，得REF12TURRUZOUU作用于反相輸入端作用于反相輸入端0REFU例例7.9 圖圖 7.39 所示電路中，所示電路中，R1 = R2 = 5k ，參考電壓，參考電壓 U R = 2V ，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓 U Z = 5V，輸入電壓為圖，輸入電壓為圖 (a)

24、所示的三角波。所示的三角波。試畫輸出電壓波形。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2+ R1URRURRRuRRRu2121211-根據(jù)理想運放的虛斷根據(jù)理想運放的虛斷i = i + = 0則則R1 和和 R 2串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得VURRUuuRT2 012，可得閾值電壓令例例7.9 圖圖 7.39 所示電路中，所示電路中，R1 = R2 = 5k ，參考電壓，參考電壓 U R = 2V ，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓 U Z = 5V，輸入電壓為圖，輸入電壓為圖 (a)所示的三角波。所示的三角波。試畫輸出電壓波形。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2+ R1U

25、R當當ui-2V時，時，uo= - Uz= - 5VuitOUROt +Uz Uzuo單限電壓比較器具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點，存在的單限電壓比較器具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點，存在的主要問題是輸出電壓主要問題是輸出電壓波形不夠陡波形不夠陡，抗干擾能力差抗干擾能力差。0tui閾值電壓閾值電壓0tuO錯誤的輸出錯誤的輸出+ +UZ- -UZ0ut干擾干擾輸出波形輸出波形不夠陡不夠陡實際運放的開環(huán)增益不實際運放的開環(huán)增益不是是 ，所以狀態(tài)的躍變，所以狀態(tài)的躍變必須經(jīng)過線性區(qū)，并需必須經(jīng)過線性區(qū)，并需要經(jīng)過一定的時間。要經(jīng)過一定的時間。遲滯比較器：在單限比較器的基礎(chǔ)上，通過電阻把輸出電壓反饋遲滯比

26、較器：在單限比較器的基礎(chǔ)上，通過電阻把輸出電壓反饋到運放到運放同相輸入端形成正反饋。到運放到運放同相輸入端形成正反饋。輸入電壓加到同相端稱為同相滯回比較器；輸入電壓加到同相端稱為同相滯回比較器；輸入電壓加到反相端稱為反相滯回比較器；輸入電壓加到反相端稱為反相滯回比較器；二、滯回比較電路二、滯回比較電路-+uiuOR1UZRURR2反相遲滯比較器反相遲滯比較器反相遲滯比較器反相遲滯比較器問題：問題：1）該電路有無反饋？若有，什么類型？）該電路有無反饋？若有，什么類型？-+uiuOR1RURR2+UZ- -UZ211212RoRRUURuURURRRROURRR211+ +ui 很小時，輸出很小時

27、，輸出;ZOUU ui 很大時，輸出很大時，輸出;ZOUU 2) 當當u+=u-時，電路狀態(tài)發(fā)生跳變，時，電路狀態(tài)發(fā)生跳變，ui由小增大由小增大，使，使uO從從+UZ跳變?yōu)樘優(yōu)? -UZ所需的閾值電壓為所需的閾值電壓為UTH+：ui由大變小由大變小，使，使uO從從- -UZ 跳變?yōu)樘優(yōu)? +UZ所需的閾值電壓為所需的閾值電壓為UTH- -： ;211212ZRTHURRRURRRU;211212ZRTHURRRURRRU分析電路：分析電路：1）根據(jù)虛斷：）根據(jù)虛斷：i+=0,R1與與R2串聯(lián)串聯(lián)ZTHTHTURRRUUU2112下閾值下閾值電壓電壓上閾值上閾值電壓電壓回差回差電壓電壓-+u