電工學(xué)講義10集成運(yùn)算放大器

第十章集成運(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)掌握理想集成運(yùn)放的兩大特征。3.重點(diǎn)掌握集成運(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)放屬于小規(guī)模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概述集成運(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：？零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移：當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，放大電路的靜態(tài)值發(fā)生變化。零點(diǎn)：放大電路的直流電壓源UCC保持不變，環(huán)境溫度保持不變（20oC），輸入信號(hào)ui=0時(shí)放大電路的靜態(tài)值。引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴(yán)重。1.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。2在多級(jí)放大電路中，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。零點(diǎn)漂移的抑制抑制漂移，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。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，無(wú)法通過(guò)耦合方式抑制零點(diǎn)漂移。1.電路結(jié)構(gòu)1電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱（在理想的情況下，兩管的特性及對(duì)應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。）2電路具有兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出端。

典型差動(dòng)放大電路

+UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+++–––T2差動(dòng)放大電路特征：1.零點(diǎn)漂移的抑制

（靜態(tài)分析）uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0靜態(tài)時(shí)，ui1

=

ui2

=0當(dāng)溫度升高時(shí):ICVC差動(dòng)放大電路對(duì)兩管所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移都有抑制作用+UCCuoui1RCRB4T1RB2RCui2RB3RB1+++–––T22.工作原理uo?（VC1=VC2

）2.有信號(hào)輸入時(shí)的工作情況(動(dòng)態(tài)分析)兩管集電極電位呈等量同向變化(1)共模信號(hào)

ui1=ui2

大小相等、極性相同+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+–ui1ui2++––T2共模信號(hào)需要抑制uo=(uC1+uC1

)－(uC2+

uC１)=0

Ac=0電路共模信號(hào)沒(méi)有放大能力+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T22.有信號(hào)輸入時(shí)的工作情況兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化(2)

差模信號(hào)

ui1=–ui2

大小相等、極性相反uo=(uC1－uC1

)－(uC2+

uC１)=－2uC1對(duì)差模信號(hào)有放大能力+–+–+–+–+–+–差模信號(hào)是有用信號(hào)（Ad=－2uC1/－2ui

=Au

）(3)任意輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。一般可將其分解為差模分量和共模分量：例:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號(hào)差模信號(hào)

放大器只放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值信號(hào),抑制共模信號(hào)。這種輸入常作為比較放大來(lái)應(yīng)用，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是常見(jiàn)的。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（CommonModeRejectionRatio)差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說(shuō)明分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。3.共模抑制比共模抑制比一般情況下，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，全面衡量差動(dòng)放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力。RP：調(diào)零電阻。由于制造工藝上的問(wèn)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。典型差動(dòng)放大電路

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。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+--差動(dòng)放大電路輸入輸出方式雙輸入—雙輸出方式ui1ui2uo1uo2單輸入—雙輸出方式ui1uo1uo2ui1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)輸出端輸入端集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。組成+UCC–UEEuou–u+電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，采用帶恒流源的差放

。

中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由射極輸出器構(gòu)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)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB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(wú)電位差，即u+=u–理想運(yùn)放輸入電阻無(wú)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+虛短虛斷運(yùn)算放大器的輸入方式及電路分析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+1.反相輸入方式輸入電壓從反相端引入,同相端經(jīng)過(guò)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//Rfuoui∞R1Rfu+u-i-ifi1i+++--R21.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)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ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uou–=u+=0(特征1

)，i+=i–=0(特征2)，

所以i1if

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(wú)關(guān)。運(yùn)放具有很高的精度和穩(wěn)定性。這種運(yùn)放電路稱為反相比例運(yùn)算電路。當(dāng)Rf=R1時(shí),Au=–1,又稱反相器。ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uo電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低，輸出電阻

02.閉環(huán)輸入電阻rif

和rofuoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小—負(fù)反饋2.同相輸入方式因:i+=i-=

0

(特征2)

，所以:u+=ui=

u-(特征1)

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻:R2=R1//RFuouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--輸出電壓與輸入電壓同相，放大倍數(shù)取決于外接電阻Rf,R1輸入電阻高輸出電阻

0電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加兩個(gè)輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小—負(fù)反饋uoRFuiR2R1++––++–2.閉環(huán)輸入電阻rif

和rofrif=ui/ii

=ui/0=

rof0

（電壓負(fù)反饋）若R1開路(R1=)

，Rf

=R2=0輸出電壓與輸入電壓大小相同且同相電壓跟隨器uiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--uoui∞uo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ui∞uo輸入電阻高輸出電阻

0

例1：左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k負(fù)載電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。

例2：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路1.

能測(cè)量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。流過(guò)電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi13.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：當(dāng)ui2單獨(dú)作用（ui1=0）同相輸入方式：(2)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)（1）電路組成uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1在該電路中，根據(jù)對(duì)稱性要求：Rf

//R1=R3//R2常用做測(cè)量放大電路

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1分析方法2：因?yàn)閡oui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1已知ud為差模信號(hào)，uc為共模信號(hào)，R1=R2=R3，問(wèn)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=R1uoucu+u-if∞R1R2RfR3ud+-++--舉例運(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加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

反相輸入方式，有“虛地”存在u+=u–=0,i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3/R3i+=i–=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rf當(dāng)

R1=R2=R3=Ruoui2ui1∞RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路加法電路的輸出電壓與輸入電壓之和成正比關(guān)系2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：u+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–iR1iR2iR1=iR21.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–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。注意:利用雙端輸入，可構(gòu)成減法電路減法電路uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

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(guò)集成運(yùn)放的最大共模電壓。用電容C代替反饋電阻Rf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∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=ifif=?信號(hào)從反相端輸入，存在“虛地”例t<0,ui=0t>0,ui=–U負(fù)階躍電壓tui0t0uoui∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-線性積分時(shí)間積分飽和uO=UOM將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。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)微分電路uoui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-信號(hào)從反相端輸入，存在“虛地”

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=if例t=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，RfC越大，衰減越慢尖脈沖uo0tt<0,ui=0t>0,ui=–U負(fù)階躍電壓tui0ui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Um1或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo=–

Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài),放大倍數(shù)高，放大器處于飽和狀態(tài)UR為參考電壓：電壓比較器可用來(lái)判斷輸入信號(hào)的相對(duì)大小，用于控制電路或波形變換∞RRuo電壓比較器0uiui<UR:

放大器處于正飽和狀態(tài)uo=+Um1ui>UR:放大器處于負(fù)飽和狀態(tài)

uo=–Um2不存在u+=u－

現(xiàn)象

例10-5：若輸入電壓ui=UmSint,且UR<Um,畫uo波形。0uo0ui∞RR反饋電阻Rf

連接在同相輸入端，形成正反饋電路，加速了比較器的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。當(dāng)放大器處于正飽和狀態(tài):

uo=+Um1∞RRfR2uf+-URH稱為上閾值門限電壓受輸出電壓的控制當(dāng)放大器處于負(fù)飽和狀態(tài):

uo=-Um2具有遲滯作用的電壓比較器URL稱為下閾值上門限電壓URH

：ui逐漸增加時(shí)的門限電壓下門限電壓URL：ui

逐漸減小時(shí)的門限電壓uiuoO

–Um2+Um1電壓傳輸特性u(píng)itOuoOt+Um1–Um2兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++–R1+–+–例10-6：若輸入電壓ui=UmSint,且URH<Uim,|URL|<|Uim|,畫uo波形。0uoui0∞RRRfR2uf+-END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++-+-典型差動(dòng)放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個(gè)管子的漂移。EE：用于補(bǔ)償RE上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。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(wèn)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(wú)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