模電第五章集成運算放大器及其應用

第五章集成運算放大器及其應用集成電路（integratedcircuit，IC）

LM3245.1基本差動放大電路5.2集成運算放大器5.3集成運放的運算電路5.4集成運放的應用電路5.5集成運算放大器組成的電壓比較器5.6集成運放的選擇原則和使用5.1基本差動放大電路1、直接耦合放大電路需要解決的問題

各級靜態(tài)工作點之間互相影響、互相牽制

零點漂移問題

輸入端短接（uI=0），其輸出端電壓有忽大忽小緩慢地、無規(guī)則地變化的輸出電壓．這種現(xiàn)象就稱為零點漂移。

產(chǎn)生零點漂移的因素：溫度變化、任何元器件參數(shù)的變化，電源的波動。

在多級直接耦合放大電路中，又以第一級漂移的影響最為嚴重。

零點漂移問題

圖5-1抑制零點漂移的具體措施：（1）選用溫漂小的元器件；（2）電路元件在安裝前要經(jīng)過認真篩選和“老化”處理，以確保質量和參數(shù)的穩(wěn)定性。（3）為了減小電源電壓波動引起的漂移，要采用穩(wěn)定度高的穩(wěn)壓電源。（4）采用溫度補償電路。（5）采用調制型直流放大器。（6）采用差動放大電路。2、差動放大電路1)基本差動放大電路

雙端輸入

雙端輸出

圖5-2基本差動電路利用電路的對稱性，具有抑制零點漂移的能力。

溫度TΔUo=(Uc1-Uc2)不變

（UBEβ)2)射極耦合差動放大電路

R

E的主要作用是穩(wěn)定電路的工作點，進一步減小零點漂移。

溫度T（UBEβ)IC1IC2IEUBEUBEΔUo=(Uc1-Uc2)不變

長尾圖5-3在差動電路中，這種左右兩邊輸入端所獲得的對地大小相等，極性相反的信號電壓就稱為差模信號

差模信號

調零電位器

RE的存在并不影響對差模信號的放大ΔUO=ΔUO1-ΔUO2=ΔUC1-ΔUC2

減小增大靜態(tài)工作點

分析：

在忽略RP時，靜態(tài)時ΔUI1=ΔUI2=0，輸入回路方程：VEE=IBQRB+UBEQ+2IEQRE

可得Q點為（忽略IBQ時）

電路的差模電壓放大倍數(shù)AuD

RB>>RP時

差動電路雙端輸入雙端輸出結構的電壓放大倍數(shù)和單管共射電路的放大倍數(shù)相同。采用差動放大電路只是為了抑制零點漂移。

當在兩個集電極之間接有負載電阻RL時：

差模輸入電阻：RiD

≈2(RB

+Rbe)差模輸出電阻：RO=2RC

差模地端兩個大小相等，極性相同的信號稱為共模輸入信號。

共模信號是反映溫漂干擾或噪聲等無用的信號。如果電路完全對稱，則在共模信號作用下，兩管電流同時等量增大，結果輸出電壓ΔUOC

=0

若電路完全對稱，則AuC=0,KCMR→∞

共模信號

KCMR

=AuD/AuC晶體管電路設計(上)P212差動放大電路模擬電子技術基礎習題2、其它形式的輸入，輸出方式

雙端輸入、單端輸出圖差動放大電路

圖5-5

單端輸入、雙端輸出差動放大電路

圖5-6

反相輸出

單端輸入、單端輸出

圖5-7

同相輸出

單端輸入、單端輸出

圖5-73、提高共模抑制比的電路

具有恒流源的差動放大電路a）電路b）用恒流源表示Ｖ3的電路IC3的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。

圖5-8晶體管電路設計(上)P212差動放大電路5.2集成運算放大器

集成電路是在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構成具有特定功能的電子電路。

特點:體積小、高可靠性和靈活性等。

分類：模擬集成電路又可分為集成運算放大器，集成寬頻帶放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比較器、集成鎖相環(huán)、集成穩(wěn)壓電源、集成模數(shù)和數(shù)模轉換器等。在模擬集成電路中，集成運算放大器（簡稱集成運放）是應用極為廣泛的一種。

什么是集成運算放大電路？高增益（高放大倍數(shù)）的直接耦合放大電路問世最早，應用最廣泛。最初多用于各種模擬信號的運算故稱：集成運算放大電路，簡稱集成運放(OperationalAmplifier)

。1、集成運放的電路結構及符號

集成運放組成框圖

圖5-9

舉例：型號為F007（比較老的運放）的通用型集成運放（μA741代替）

對于集成運放電路，應首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。雙電源集成運算放大器外形及符號運算放大器的符號a)常用符號b)國標符號圖1-4圖5-10理想運放的圖形符號a)符號b)標有雙電源的運放符號

LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。2、集成電路的特點（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結構的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。1.集成運放的理想化條件

開環(huán)差模電壓增益

AoD105（很高）

輸入電阻

RiD

106Ω（很大）

輸出電阻

Ro100Ω（很?。?/p>

3、集成運放的電壓傳輸特性和主要參數(shù)

共模抑制比

KCMR

∞

（很高）

由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是＋UOM,就是－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。通用型運放工作電源為雙電源2.集成運放的傳輸特性非線性區(qū)圖5-11理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=Aod(uP–

uN

)所以(1)差模輸入電壓約等于0即uP=uN

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即iP=iN0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Aod越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。(理想運放工作在線性區(qū)必要條件)

uP–uN

uo線性區(qū)–UOM+UOM)OiPiN理想運放工作在飽和區(qū)(非線性區(qū))的特點(1)輸出只有兩種可能,+UOM或–UOM(2)iP=iN0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當uP>uN

時，uO=+UOM

uP<uN

時，uO=–UOM

不存在“虛短”現(xiàn)象

uP–uN

uo–UOM+UOMO飽和區(qū)理想運放工作在非線性區(qū)必要條件之一：1、開環(huán)狀態(tài)2、引入正反饋iPiN2）主要參數(shù)(器件手冊P42)LM324典型值理想值

開環(huán)差模放大電壓倍數(shù)AuD

100dB∞

輸入失調電壓UIO2mV0

輸入失調電流IIO5nA0

輸入偏置電流IIB45nA0

輸入失調電壓溫度漂移dUI/dt

幾μV/℃0

開環(huán)差模輸入電阻RiD1MΩ∞

最大差模輸入電壓ＵIDM32V

最大共模輸入電壓ＵICM

Vcc-1.5V-3db帶寬fh和單位增益帶寬fc

最大輸出電壓ＵOPPVcc-1.5V

轉換速率SR幾V/μS∞LM324的特性曲線

輸入電壓范圍b)開環(huán)頻率

c)大信號頻率響應d)小信號跟隨器脈沖響應（同相）

圖5-14e)電源電流和電源電壓關系f)輸入偏置電流和電源電壓關系5.3集成運放的運算電路1、負反饋是運放線性應用的必要條件運放的開環(huán)狀態(tài)是無法進行線性放大的，解決的辦法是引入負反饋。對于工作在線性區(qū)的理想運放，有以下兩條重要結論：

▼理想運放兩個輸入端之間的電壓通常非常接近于零：

即（uN-uP）或uNuP

▼理想運放的兩輸入端基本不取電流：

即ii

運放線性應用時的“虛短”和“虛斷”

運放只有在線性工作區(qū)時，才存在“虛短”圖5-145.3.2線性運放的三種基本電路

反相輸入式放大電路同相輸入式放大電路雙端輸入式放大電路

1、反相輸入式放大電路

反相輸入式放大電路a）電路圖b）等效電路R2是平衡電阻R2=R1RF

虛地

虛短uo=–

uF=–

iFRF

iId=0iI=iF虛地

Rif=R1

圖5-16反相放大電路的特點：由于反相輸入端為虛地，它的共模輸入電壓可近似為零，這樣對運放的有關共模的參數(shù)要求低；由于是電壓負反饋，輸出電阻小，近似為零，所以帶負載能力強；由于是并聯(lián)負反饋，輸入電阻?。≧i=R1），輸入端要向信號源吸取一定的電流。由于運放輸出電流通常只有幾個毫安，所以RF必須大于1kΩ；又由于實際運放存在失調電流，所以RF又必須小于幾MΩ，否則易引起運放的飽和。2、同相輸入式放大電路同相輸入放大電路iI=iF

uP=uI

uN=uP=uI

圖5-17同相輸入放大電路的特點：

由于是深度串聯(lián)負反饋，輸入電阻特別高，可達20M以上，可近似為無窮大。由于是深度電壓負反饋，輸出電阻很小，可近似為零。由于uN=uP=uI，運放兩端存在共模電壓，會引起運算誤差，所以在選擇運放時，就要求它的共模抑制比較高。

電壓跟隨器a)基本電路b)降低輸入電阻的電路同相輸入放大電路的特例

——電壓跟隨器Auf=1圖5-143、雙端輸入式放大電路雙端輸入放大電路a)基本電路b)令uI1=0時的等效電路c)令uI2=0時的等效電路圖5-15雙端輸入式放大電路的特點：它能放大差動信號，線性區(qū)工作時可采用疊加定理的分析方法。同相、反相端的輸入電阻分別為（R2+R3）及R1，輸出電阻較小。若在該差動放大電路的兩輸入端存在大小相等，相位相同的共模輸入信號時，應選擇共模抑制比高的運算放大器，否則易帶來誤差。

359頁精讀OP放大技術即是模擬技術的基礎，又是其核心。重點：理解電路，直到可以應用。

5.3.3模擬信號運算電路

運放線性區(qū)應用電路的輸入、輸出電壓的關系只取決于反饋網(wǎng)絡，輸入、輸出電壓的關系可以模擬成y=fx

的數(shù)學方程式。其中y表示輸出電壓，x表示輸入電壓。反饋網(wǎng)絡只要接入不同元件和采用不同的電路形式，就可實現(xiàn)各種數(shù)學運算。這些基本的運算電路在自動調節(jié)系統(tǒng)、測量儀器中得到廣泛的應用。1、比例運算電路

y=kx

2、加法運算電路

y=(k1x1+k2x2+k3x3)

反相加法電路

iI1+iI2+iI3=iFR1=R2=R3=RFuo=–

（uI1+uI2+uI3）圖5-20

例題

用反相加法器實現(xiàn)下面的運算表達式：uo=2uI1+3uI2+4uI3，要求輸入端電阻不能小于10k。

解：

3、減法運算電路

y=k1x1–k2x2

4、積分運算電路y=kx(t)dt

電容的初始電壓值

圖5-22若uI是恒定電壓UuI=U時各點工作波形

運放存在著失調電流，電容有漏電

圖5-235、微分運算電路

微分運算電路a）基本電路b）輸入、輸出波形輸入電壓uI與輸出電壓uO有微分關系

圖5-24實用的微分電路

在輸入回路串一小電阻，以限制輸入電流。在反饋回路并一個具有一定穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管，以限制輸出電壓。在平衡電阻和反饋電阻兩端各并聯(lián)一個小電容，起相位補償作用。圖5-25例題(1)寫出輸入與輸出的關系；(2)若uI=1V，

uC(0)=0，求輸出uO變?yōu)?V所需的時間。[解](1)(2)5.4集成運放的應用電路

5.4.1電壓――電流轉換電路(I/U轉換電路)電壓－電流變換電路a）反相輸入式b）同相輸入式c)復合管驅動uR1=uI

當輸入電壓不變，負載電阻在一定范圍內變化，輸出電流將保持不變，此電路就成為恒流源。

圖5-145.4.2、電流――電壓變換電路電流－電壓轉換電路

uo=-iFRF=-iIRF圖5-275.4.3單電源交流放大電路圖5-28單電源反相輸入阻容耦合放大電路

12VCC的偏置電壓

圖5-29單電源同相輸入阻容耦合放大電路

5.4.4線性整流電路圖5-30單相線性半波整流電路a）基本電路b）電壓傳輸特性c）輸入、輸出電壓波形圖5-31全波線性整流電路a)基本電路b）輸入、輸出波形圖模擬電子技術基礎習題運放的傳輸特性5.5集成運算放大器組成的電壓比較器

工作在非線性區(qū)的運放一般都處于開環(huán)或正反饋方式線性區(qū)UO=AuD（UP-UN）

非線性區(qū)UO受正、負電源電壓限制

非線性與線性應用的運放的區(qū)別是N與P點不再是“虛短路”，輸出電壓也不隨輸入電壓連續(xù)線性變化。

當uN>uP時，輸出是反向飽和電壓-UO(sat)；當uP>uN時，輸出是正向飽和電壓+UO(sat)。工作在非線性區(qū)的運放只有兩種輸出狀態(tài)，分別將這兩種狀態(tài)稱為輸出高電平與輸出低電平。uP>uNuN>uP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1單值電壓比較器單值電壓比較器的基本功能是比較兩個電壓的大小，并由輸出的高電平或低電平來反映比較結果。

圖5-32單值電壓比較電路a）UR接同相端的電路b）UR接同相端的電壓傳輸特性曲線c）UR接反相端的電路d）UR接反相端的電壓傳輸特性曲線e)過零電壓比較器f)過零電壓比較器的電壓傳輸特性曲線圖5-33穩(wěn)壓管限幅的單值電壓比較器5.5.2遲滯電壓比較器圖5-34外界干擾對輸出波形的影響a)正弦波―方波變換電路b)輸入波形c)輸出波形輸出信號翻轉多次

圖5-35具有遲滯特性的電壓比較器a）基本電路b）c）d）電壓傳輸特性曲線上限門限電平UTH1下限門限電平UTH2UTH1>UTH2

uI＞UTH1時，uo=－UO(sat)

uI＜UTH2時，uo=＋UO(sat)

兩個門限電壓的差值稱為回差電壓UTH；[例5-3]根據(jù)圖所示的電壓比較器電路。(1)求出回差電壓UTH，并畫出傳輸特性。(2)已知輸入電壓波形圖，畫出輸出電壓波形。[例6-3]根據(jù)