電工學(xué)講義10-集成運(yùn)算放大器

第九章集成運(yùn)算放大器基本要求1.了解差動(dòng)放大電路的基本工作原理和對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用。2.掌握集成運(yùn)放的理想化條件和重點(diǎn)理解理想集成運(yùn)放的兩大特征。3.重點(diǎn)掌握運(yùn)放的三種輸入方式及運(yùn)放的應(yīng)用。由晶體管、電阻、電容等單個(gè)元件組成的電路把分立元件集成在一片硅片上組成不可分割整體分立元件電路集成電路集成運(yùn)放屬于模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路小規(guī)模：SSI中規(guī)模：MSI大規(guī)模：LSI超大規(guī)模：VLSI集成運(yùn)放在外部反饋網(wǎng)絡(luò)的配合下，輸出與輸入之間可靈活實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常由差動(dòng)放大電路組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出端輸入端集成運(yùn)放的組成如下：差動(dòng)放大電路由于電容和變壓器不能集成，所以集成運(yùn)算放大器中的多級(jí)放大電路采用直接耦合方式，易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。即當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，輸出信號(hào)不保持恒值，而是緩慢無規(guī)則的變化。tuo當(dāng)放大電路輸入信號(hào)后，這種漂移伴隨信號(hào)共存于放大電路，這兩者都緩慢變化，一真一假，互相糾纏，難以分辨當(dāng)漂移足夠大，放大電路就難以工作。零點(diǎn)漂移引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴(yán)重。當(dāng)采用直接耦合時(shí)，第一級(jí)漂移被逐級(jí)放大，影響整個(gè)電路工作。因此抑制漂移，應(yīng)重點(diǎn)著手于第一級(jí)電路，其最有效的手段是在輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-兩個(gè)輸入端ui1、ui2經(jīng)RB1、RB2接至T1T2基極；輸出電壓uo從兩管集電極取出；RP：調(diào)零電阻。由于制造工藝上的問題，T1、T2不能完全對(duì)稱，調(diào)節(jié)RP使放大電路在輸入為0時(shí)，輸出為0。RE：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。UEE：補(bǔ)償RE上的電壓降，擴(kuò)大放大器動(dòng)態(tài)工作范圍。電路特點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱RC1=RC2，RB1=RB2，T1T2型號(hào)特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-工作原理由于兩管對(duì)稱Uc1=Uc2Uo=Uc1-Uc2=0當(dāng)溫度變化引起IC1、IC2時(shí)，由于電路對(duì)稱輸出電壓變化量U=UC1–UC2=0IC1=IC2，UC1=UC2零點(diǎn)漂移被抑制了靜態(tài)分析（ui1=ui2=0）ui1Uccui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-動(dòng)態(tài)分析對(duì)差動(dòng)放大信號(hào)，輸入信號(hào)有三種：1）共模信號(hào):兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相同即：ui1=ui2一般噪聲、干擾、溫度等無用信號(hào)為共模信號(hào)2）差模信號(hào):兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相反即：ui1=–ui2一般待放大的有用信號(hào)接為差模信號(hào)3）任意信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓、極性任意，一般可將其分解為差模分量和共模分量共模分量：等于兩個(gè)輸入分量的平均值差模分量：等于兩個(gè)輸入分量差值的一半uo=(ui1+ui2)/2ud=(ui1–ui2)/21）共模信號(hào):ui1=ui2當(dāng)每個(gè)管子有相同信號(hào)加入，集電極電流相同變化，每管輸出電壓也相同變化，輸出電壓為0。差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)，放大倍數(shù)為0，無放大作用Auc=uo/(ui1-ui2)=0差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用，實(shí)質(zhì)為差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制。動(dòng)態(tài)分析2）差模信號(hào)：ui1=–ui2當(dāng)每個(gè)管子有相反信號(hào)加入，集電極電流相反變化，每管輸出電壓也相反變化，輸出電壓為:

差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào),放大倍數(shù)與單管放大倍數(shù)相同Aud=uo/(ui1-ui2)=uo/ui在差模信號(hào)作用下，差動(dòng)放大電路的輸出電壓變化量為兩管各自輸出電壓變化量的兩倍uo=uC1-Uc2=2uC1=–2Uc23）任意信號(hào):分解為差模分量和共模分量例如：輸入信號(hào)ui1=10mV,ui2=–6mVuo=(ui1+ui2)/2=2mV,ud=(ui1–ui2)/2=8mVUi1=2mV+8mVUi2=2mV–8mV對(duì)稱電路對(duì)2mV不起作用，對(duì)8mV有放大作用一般情況下，電路往往難以完全對(duì)稱，對(duì)共模信號(hào)仍有一定放大作用。我們希望差動(dòng)放大電路有較大差模放大倍Ad,較小共模放大倍數(shù)Ac，將兩者的比值定義為共模抑制比：KCMR=|

Ad/Ac

|

KCMR越大表明電路多差模信號(hào)的分辨能力和對(duì)共模信號(hào)的抑制作用越強(qiáng)，理想狀態(tài)下KCMR=共模抑制比差動(dòng)放大電路輸入輸出方式雙輸入—雙輸出方式ui1ui2uo1uo2ui1單輸入—雙輸出方式ui1uo1uo2單輸入—單輸出方式uo1雙輸入—單輸出方式ui1ui2uo1集成運(yùn)算放大器概述輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出端輸入端輸入級(jí)：為抑制共模信號(hào)，采用差動(dòng)放大電路，由于制造在一片芯片上，對(duì)稱性易于保證

輸入級(jí)電阻很高，可達(dá)幾十千歐到幾兆歐中間級(jí)：直接耦合的多級(jí)放大電路,放大倍數(shù)可達(dá)幾千到幾十萬倍輸出級(jí)：采用射級(jí)輸出器，輸出電阻較小集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。組成運(yùn)算放大器的符號(hào)表示反向輸入端同相輸入端運(yùn)放輸出端(電源可不必畫，AO指開環(huán)電壓放大倍數(shù))A0u-u+uo反相輸入端ui同相輸入端uiuouo集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)最大輸出電壓開環(huán)電壓放大倍數(shù)最大差摸輸入電壓4.最大共模輸入電壓理想運(yùn)算放大器理想化條件:開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

輸入電阻ri

輸出電阻ro0

共模抑制比KCMR=u-u+uo∞理想運(yùn)放圖形符號(hào)理想運(yùn)放的兩大特征根據(jù)Auo=uo/(u+–u–)

,

所以(u+–u–)0，兩個(gè)輸入端之間近似無電位差，即u+=u–理想運(yùn)放輸入電阻無窮大，所以輸入端的電流為0,即：i+=i-=0特征1：兩個(gè)輸入端之間的電壓近似等于0特征2：兩個(gè)輸入端的電流近似等于0u-u+uo∞i-i+運(yùn)算放大器的輸入方式反相輸入同相輸入差動(dòng)輸入輸入信號(hào)從反相端接入電路輸入信號(hào)從同相端接入電路同相端和反相端均有輸入信號(hào)接入u-u+uo∞i-i+反相輸入方式輸入電壓從反相端引入,同相端經(jīng)過R2接地Rf：集成運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很高,微弱的輸入信號(hào)也會(huì)使放大器進(jìn)入飽和。在輸入與輸出之間接入負(fù)反饋電阻Rf作閉環(huán)應(yīng)用。R2：由于輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，為使靜態(tài)時(shí),ui=0,uo=0,反向輸入端和同相輸入端對(duì)接地端應(yīng)有相同的電阻，在同相輸入端接入平衡電阻R2R2=R1//Rfuiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Au=uo/ui=–Rf/R1反向端雖未接地，但電位接近0，稱反向輸入端為“虛地”

負(fù)號(hào)表明輸入輸出電壓反向電路分析if=i1=(u––uo)/Rf對(duì)圖示節(jié)點(diǎn)：

i+=i–=0

(理想運(yùn)放特征2)i1=i–+ifuiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-u+=u–=0u+=u–(理想運(yùn)放特征1

)i+=0又：

i1=(ui–u–)/R1=ui/R1

又：Au=uo/ui=–Rf/R1只要滿足理想運(yùn)放的條件，運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)只與外接電阻Rf和R1有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無關(guān)。運(yùn)放具有很高的精度和穩(wěn)定性這種運(yùn)放電路稱為比例運(yùn)算電路。當(dāng)Rf=R1時(shí),Au=–1,

稱反向器。uiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-2.閉環(huán)輸入電阻rif和rofrif=ui/iiu–=0rif=ui/i1=R1在反相輸入運(yùn)放電路中，反饋電流取至電壓uo，形成電壓反饋，反饋信號(hào)在輸入端：i1=i–+if

，為并聯(lián)反饋，反饋電流削弱了輸入電流i-，是負(fù)反饋，電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很小，對(duì)理想運(yùn)放：uiuo∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i++-+-rof=0同相輸入方式輸入信號(hào)從同相端輸入

i+=i–=0

(由理想運(yùn)放特征2)u+=u–(由理想運(yùn)放特征1

)i1=if=-uo/(R1+Rf)i1=(0-u–)/R1=–u+/R1=–ui/R1Auf=uo/ui=(1+Rf/R1)輸出電壓與輸入電壓同相，放大倍數(shù)取決于外接電阻Rf,R1uouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)若R1開路(R1=

)

，Rf=R2=0Auf=uo/ui=(1+Rf/R1)=1輸出電壓與輸入電壓大小相同且同相電壓跟隨器uiuiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--uo∞uo2.閉環(huán)輸入電阻rif和rofrif=ui/ii=ui/0=

rof0（電壓負(fù)反饋）由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器比三極管射極輸出器質(zhì)量?jī)?yōu)越，幾乎不向前級(jí)電路取電流，而向后級(jí)供電流時(shí)，幾乎不存在內(nèi)阻。常用作隔離器uouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--差動(dòng)輸入方式同相端和反相端同時(shí)有輸入信號(hào)運(yùn)用疊加原理：當(dāng)ui1單獨(dú)作用（ui2=0）反相輸入方式：uo1=

–(Rf/R1)ui1當(dāng)ui2單獨(dú)作用（ui1=0）同相輸入方式：uo2=(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]u+=ui2R3/(R2+R3)=u––u–/R1=(u––uo2)/Rfuoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui11.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)uo1=

–(Rf/R1)ui1uo2=(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]u=uo2+uo1=–(Rf/R1)ui1+(1+Rf/R1)ui2[R3/(R2+R3)]在該電路中，根據(jù)對(duì)稱性要求：Rf//R1=R3//R2uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1舉例已知ud為差模信號(hào)，uc為共模信號(hào)，R1=R2=R3，問當(dāng)Rf為何值，輸出電壓uo不含共模信號(hào)？解：運(yùn)用疊加原理設(shè)ud單獨(dú)作用（uc=0),為反相輸入方式uod=–(Rf/R1)ud設(shè)uc單獨(dú)作用（ud=0),

則：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，則：(1+Rf/R1)[R3/(R2+R3)]=(Rf/R1)又：R1=R2=R3Rf=R1uoc=(1+Rf/R1)uc[R3/(R2+R3)]+–(Rf/R1)ucuouicu+u-if∞R1R2RfR3uid+-++--運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)放在外部反饋網(wǎng)絡(luò)的配合下，輸出與輸入之間可靈活實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系：加法電路減法電路積分電路微分電路電壓比較器反相輸入方式，有“虛地”存在u+=u–=0i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3/R3i+=i–=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rfuo=–(ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3)Rf當(dāng)

R1=R2=R3=Ruo=–(ui1+ui2+ui3)Rf/R加法電路ui2ui1uo∞RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法電路的輸出電壓與輸入電壓之和成正比關(guān)系同相輸入加法電路應(yīng)用較少，同相輸入方式時(shí)

u+=u_0，可能產(chǎn)生較大的共模輸入電壓，使放大器

工作于非線性區(qū)域，甚至造成損壞。在設(shè)計(jì)加法電路時(shí)，uo數(shù)值必須低于電源電壓，否則運(yùn)放易趨于飽和而產(chǎn)生誤差。uo=–(ui1+ui2+ui3)Rf/R注意:利用雙端輸入，可構(gòu)成減法電路u+=u–=0u–=ui1-i1R1=ui1-(ui1–uo)R1/(R1+Rf)i+=i–=0u+=ui2R3/(R2+R3)uo=–(Rf/R1)ui1+(1+Rf/R1)[R3/(R2+R3)]ui2當(dāng)R1=R2=R,Rf=R3時(shí)，uo=(Rf/R)(ui1-ui2)當(dāng)R1=Rf時(shí)，uo=ui1-ui2減法電路uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1uo=(Rf/R)(ui1-ui2)輸出電壓uo與兩個(gè)輸入電壓的差值成正比在雙端輸入的減法電路中，應(yīng)限制共模電壓的數(shù)值，避免超過集成運(yùn)放的最大共模電壓。用電容C代替反饋電阻Rfu+=u–=0i+=i–=0i1=if=(ui-u–)/R=ui/Ruo=0-uc=–1/Cifdt=–1/Ci1dt輸出電壓uo正比于輸入電壓的對(duì)時(shí)間的積分。R1C為積分時(shí)間常數(shù)，R1C越小，積分作用越強(qiáng)積分電路uoui∞R1R2u+u-i-ifi1i+++--Cuc+-例10-3t<0,ui=0t>0,ui=–U負(fù)階躍電壓tui00uotuoui∞R1R2u+u-i-ifi1i+++--Cuc+-輸出電壓uo與輸入電壓是微分關(guān)系。RfC為微分時(shí)間常數(shù)，RfC越大，微分作用越強(qiáng)u+=u–=0i+=i–=0i1=if=-uo/Rfi1=C(duc/dt)=C(dui/dt)ui–uc=0微分電路uiuo∞RRfu+u-i-ifi1i++-+-Cuc+-例10-4t=0時(shí)：瞬間充電電流i1=Cdui/dt

和uo=–RfC(dui/dt)趨于，

但由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，只能是有效值。t>0時(shí)：ui為恒定值uo0，R