第6章集成運(yùn)算放大器

第6章集成運(yùn)算放大器

（1）級(jí)間采用直接耦合方式,盡量避免使用電容器，必須使用電容的場(chǎng)合大多采用外接；（2）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路；（3）容易制成溫度漂移很小的運(yùn)算放大器；（4）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性（輸入級(jí)采用差分放大電路）；（5）電路中使用的二極管都采用晶體管構(gòu)成，多用作溫度補(bǔ)償元件或電位移動(dòng)電路。

6.1簡(jiǎn)單的集成電路運(yùn)算放大器

一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

二、

電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路部分組成。輸入端輸出端運(yùn)算放大器的方框圖運(yùn)算放大器方框圖中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入級(jí)采用差分放大電路，有同相和反相兩個(gè)輸入端，要求應(yīng)盡量減小零點(diǎn)漂移，靜態(tài)電流小，差模放大倍數(shù)高，輸入電阻盡可能大。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路中間級(jí)主要完成電壓放大，所以應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)，一般采用多級(jí)共射放大電路組成。輸出級(jí)與負(fù)載相接要求輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，能輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補(bǔ)功放或射級(jí)輸出器構(gòu)成。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路的作用是為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路F00712345678(a)外形(b)管腳(c)符號(hào)圖

集成運(yùn)算放大器的外形、管腳和符號(hào)如下圖所示。它有雙列直插式圖(a)和圓殼式圖(b)兩種封裝。正電源端負(fù)電源端空腳外接調(diào)零電位器三、外形圖及符號(hào)圖圖形符號(hào)：2反相輸入端。由此端接輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是反相的（或兩者極性相反）。3同相輸入端。由此端接輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是同相的（或兩者極性相同）。4負(fù)電源端。接-15V穩(wěn)壓電源。7正電源端。接+15V穩(wěn)壓電源。6輸出端。1和5外接調(diào)零電位器的兩個(gè)端子。8空腳。1.輸入失調(diào)電壓UIO(補(bǔ)償電壓)

理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實(shí)際上它的制造元件參數(shù)很難做到完全對(duì)稱。在室溫（25℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓UIO。即

四、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

UIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放制造中電路的對(duì)稱程度和電位配合情況。UIO值愈大，說(shuō)明電路的對(duì)稱程度愈差，一般約為

（1~10）mV。2.輸入偏置電流IIB

集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端是差分對(duì)管的基極，因此兩個(gè)輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運(yùn)放輸入電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值。當(dāng)ui=0時(shí)，偏置電流為3.最大輸出電壓UOPP

能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為運(yùn)算放大器的最大輸出電壓。F007集成運(yùn)算放大器的最大輸出電壓約為±13v。4.

輸入失調(diào)電流IIO

由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，IIO會(huì)引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級(jí)有效差分對(duì)管的不對(duì)稱程度，一般約為1nA～0.1μA。

集成電路運(yùn)放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即*7.最大差模輸入電壓Uidmax

：集成運(yùn)放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。6.共模輸入電壓范圍UICM

：這是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。*8.最大輸出電流Iomax：是指運(yùn)放所能輸出的正向或負(fù)向的峰值電流。通常給出輸出端短路的電流。

5.開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

：是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無(wú)反饋情況下所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)。

集成運(yùn)算放大器具有開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高(幾兆歐以上)、輸出電阻低(約幾百歐)、漂移小、可靠性高、體積小等主要特點(diǎn)，所以它已成為一種通用器件，廣泛而靈活地應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中。在選用集成運(yùn)算放大器時(shí)，就像選用其他電路元件一樣，要根據(jù)它們的參數(shù)說(shuō)明，確定適用的型號(hào)。

五、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)

1、理想化的條件主要是：

開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)

AUO→∞

差模輸人電阻rid

→∞

開(kāi)環(huán)輸出電阻

ro

→0

共模抑制比

KCMRR→∞

運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)

表示輸出電壓與輸人電壓之間關(guān)系的特性曲線稱為傳輸特性，從運(yùn)算放大器的傳輸特性(上圖)看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)。運(yùn)算放大器可工作在線性區(qū)，也可工作在飽和區(qū)。

(1)工作在線性區(qū)當(dāng)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，uo和(u+-u-)是線性關(guān)系，即

uo＝Auo(u+-u-)

（式1）運(yùn)算放大器是一個(gè)線性放大元件。所以，要使運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，通常引入深度電壓負(fù)反饋。

傳輸特性曲線的分析運(yùn)算放大器的傳輸特性②由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)AUO→∞，而輸出電壓是一個(gè)有限的數(shù)值，故從式1可知，即

如果反相端有輸人時(shí)，同相端接“地”，即U+＝0，由上式可見(jiàn)，U-≈0。這就是說(shuō)反相輸入端的電位接近于“地”電位，它是一個(gè)不接“地”的“地”電位端，通常稱為“虛地”。

①由于運(yùn)算放大器的差模輸人電阻rid→∞，故可認(rèn)為兩個(gè)輸入端的輸入電流為零。

運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，分析依據(jù)有兩條：(2)工作在飽和區(qū)

運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)時(shí)，上式1不能滿足，這時(shí)輸出電壓uo只有兩種可能，或等于+Uo(sat)或等于-Uo(sat)

，而U+與U-不一定相等：

當(dāng)U+＞U-時(shí)，

uo

＝+Uo(sat)

當(dāng)U+＜U-時(shí)，

uo

＝-Uo(sat)

此外，運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)時(shí)，兩個(gè)輸入端的輸入電流也等于零。運(yùn)算放大器的傳輸特性六、運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用

運(yùn)算放大器能完成比例、加減、積分與微分、對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)以及乘除等運(yùn)算。1、比例運(yùn)算

（1）.反相輸入（R2接地）

如果輸人信號(hào)是從反相輸入端引入的運(yùn)算，便是反相運(yùn)算。如圖所示是反相比例運(yùn)算電路。反相比例運(yùn)算電路平衡電阻反饋電阻

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

反相器當(dāng)ＲＦ＝Ｒ１時(shí)得：根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)的兩條分析依據(jù)可知：反相比例運(yùn)算電路（２）同相輸入（R1接地）如果輸人信號(hào)是從同相輸入端引入的運(yùn)算，便是同相運(yùn)算。如圖所示是同相比例運(yùn)算電路。同相比例運(yùn)算電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

uo與ui間的比例關(guān)系可認(rèn)為與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)，其精度和穩(wěn)定性都很高。

當(dāng)R1＝∞(斷開(kāi))或RF=0時(shí)，則電壓跟隨器2、加法運(yùn)算

如果在反相輸入端增加若干輸入電路，則構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路，如圖所示。反相加法運(yùn)算電路當(dāng)Ｒ１１＝Ｒ１２＝Ｒ１３＝R1時(shí)，上式為當(dāng)Ｒ１＝ＲＦ時(shí)，則由上三式可見(jiàn)，加法運(yùn)算電路也與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)．只要電阻阻值足夠精確，就可保證加法運(yùn)算的精度和穩(wěn)定性。平衡電阻Ｒ２＝Ｒ１１∥Ｒ１２∥Ｒ１３∥ＲＦ

3、減法運(yùn)算

如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，則為差動(dòng)輸入。差動(dòng)運(yùn)算在測(cè)量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用很多，其運(yùn)算電路如圖所示。差分減法運(yùn)算電路當(dāng)Ｒ１＝Ｒ２和ＲＦ＝Ｒ３時(shí)，上式為當(dāng)ＲＦ＝Ｒ１時(shí)，則

由上兩式可見(jiàn)，輸出電壓UO與兩個(gè)輸入電壓的差值成正比，所以可以進(jìn)行減法運(yùn)算。電壓放大倍數(shù)在上圖中，如將Ｒ3斷開(kāi)(Ｒ3＝∞)，原式變?yōu)榧礊橥啾壤\(yùn)算與反相比例運(yùn)算輸出電壓之和。4、積分運(yùn)算

與反相比例運(yùn)算電路比較，用電容CF代替RF作為反饋元件，就成為積分運(yùn)算電路，如圖所示。積分運(yùn)算電路

上式表明uo與ui的積分成比例，式中的負(fù)號(hào)表示兩者反相。R1CF稱為積分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)ui為階躍電壓如圖(a)時(shí)，則

其波形如圖(b)所示，最后達(dá)到負(fù)飽和值-Uo(sat)積分運(yùn)算電路的階躍響應(yīng)16.2.5微分運(yùn)算

微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算，只需將反相輸入端的電阻和反饋電容調(diào)換位置，就成為微分運(yùn)算電路，如圖所示。微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路的階躍響應(yīng)

即輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的一次微分成正比。當(dāng)ui為階躍電壓時(shí)，uo為尖脈沖電壓，如上圖所示。七、運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用

?1有源濾波器

?2采樣保持電路

3電壓比較器

電壓比較器的作用是用來(lái)比較輸入電壓和參考電壓，圖(a)是其中一種。因此，用作比較器時(shí)，運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)，即非線性區(qū)。當(dāng)ui＜UR時(shí)，uo=+Uo(sat)；當(dāng)ui

＞UR

時(shí)，uo=-Uo(sat)

。圖(b)是電壓比較器的傳輸特性?？梢?jiàn)，在比較器的輸入端進(jìn)行模擬信號(hào)大小的比較，在輸出端則以高電平或低電平(即為數(shù)字信號(hào)1或0)來(lái)反映比較結(jié)果。(a)電路(b)傳輸特性

當(dāng)UR＝0時(shí)，即輸入電壓和零電平比較，稱為過(guò)零比較器，其電路和傳輸特性如下圖所示。當(dāng)ui為正弦波電壓時(shí)，則uo為矩形波電壓，如圖所示。電壓比較器(a)電路(b)傳輸特性過(guò)零比較器如圖所示過(guò)零比較器將正弦波電壓變換為矩形波電壓。有時(shí)為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出端的數(shù)字電路的電平配合，可在比較器的輸出端與“地”之間跨接一個(gè)雙向穩(wěn)壓二極管DZ，作雙向限幅用。穩(wěn)壓二極管的電壓為Uz。電路和傳輸特性如圖所示。u1與零電平比較，輸出電壓uo被限制在+Uz或-Uz。上述的是用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器，輸入的是模擬量，輸出的不是高電平，就是低電平，即為數(shù)字量，以與數(shù)字電路配合。(a)電路(b)傳輸特性有限幅的過(guò)零比較器例16.3.1

16.５使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

16.5.1選用元件

通常是根據(jù)實(shí)際要求來(lái)選用運(yùn)算放大器。如測(cè)量放大器的輸入信號(hào)微弱，它的第一級(jí)應(yīng)選用高輸人電阻、高共模抑制比、高開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運(yùn)算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號(hào)圖聯(lián)接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、消振電路及調(diào)零電路等。16.5.2消振

16.5.3調(diào)零

由于運(yùn)算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響，很容易產(chǎn)生自激振蕩，破壞正常工作。為此，在使用時(shí)要注意消振。通常是外接RC消振電路或消振電容，用它來(lái)破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。是否已消振，對(duì)將輸人端接“地”，用示波器觀察輸出端有無(wú)自激振蕩。目前由于集成工藝水平的提高，運(yùn)算放大器內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振。

由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部參數(shù)不可能完全對(duì)稱，以致當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，仍有輸出信號(hào)。為此，在使用時(shí)要外接調(diào)零電路。16.5.4保護(hù)

1.輸入端保護(hù)

當(dāng)輸入端所加的差模式共模電比過(guò)高時(shí)會(huì)損壞輸入級(jí)的晶體管。為此，在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，如圖所示