第10章集成運(yùn)算放大電路

10.2放大電路中的負(fù)反饋10.3集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用10.4集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用10.1集成運(yùn)算放大器的基本知識10.5集成運(yùn)算放大器使用中應(yīng)注意的問題集成運(yùn)算放大電路第10章

集成電路:

把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分的整體。

集成電路特點：體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價格低。

集成運(yùn)算放大器：具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。用于模擬運(yùn)算、信號處理、測量技術(shù)、自動控制等領(lǐng)域。引言10.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成與符號10.1.2集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性10.1.2集成運(yùn)算放大器的主要特性指標(biāo)10.1.4理想集成運(yùn)算放大器10.1集成運(yùn)算放大器的基本知識10.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成與符號輸入級：差動放大器，減少零點漂移、提高輸入阻抗。輸出級：射極輸出器或互補(bǔ)對稱功率放大器，提高帶載能力。偏置電路：為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點。輸出端偏置電路輸入級中間級輸出級輸入端中間級：電壓放大。運(yùn)算放大器的符號反相輸入端同相輸入端輸出端+–++–+u+u–uoLM741運(yùn)放外型和管腳LM741反相輸入端同相輸入端輸出端+–+6237415+15V-15V10k

1k

調(diào)零：當(dāng)輸入信號為零時，輸出為零。8為空腳

運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線稱為傳輸特性。實際運(yùn)放電壓傳輸特性uooUO+UO-線性工作區(qū)正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)+–++–+u+u–uo很大UO-

、UO+為負(fù)、正飽和電壓。當(dāng)很小時，運(yùn)放工作在線性區(qū)。10.1.2集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性理想運(yùn)放傳輸特性uooUO+UO-正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)+–++–+u+u–uo理想運(yùn)放時，當(dāng)

為了讓運(yùn)放工作在線性區(qū)，必須加負(fù)反饋，限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。10.1.3集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)2.

輸入失調(diào)電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓幾毫伏3.

輸入失調(diào)電流

IIOUO=0時，輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差。1nA

0.1

A1.

開環(huán)差模電壓增益Aud104

1074.差模輸入電阻rid輸出電阻ro幾百千歐

幾兆歐幾十歐

幾百歐5.共模抑制比

KCMR>80dB6.

最大差模輸入電壓UIdmax共模輸入UIC過大，K

CMR下降。當(dāng)UId過大時，反偏的PN結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。LM741為

36V7.最大共模輸入電壓UICmax9.

最大輸出電壓幅度UOPP如電源電壓

15V，UOPP為

13

14VLM741為

16V兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。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。8.靜態(tài)功耗PCO幾十毫瓦理想化的主要條件：

開環(huán)差模電壓增益

開環(huán)差模輸入電阻開環(huán)輸出電阻共模抑制比

在分析運(yùn)算放大器的電路時，一般把運(yùn)算放大器看成理想元件。10.1.4理想運(yùn)算放大器+–++–+u+u–uo

開環(huán)共模輸入電阻

運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線稱為傳輸特性。實際運(yùn)放電壓傳輸特性uooUO+UO-線性工作區(qū)正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)+–++–+u+u–uo很大UO-

、UO+為負(fù)、正飽和電壓。當(dāng)很小時，運(yùn)放工作在線性區(qū)。理想運(yùn)放傳輸特性uooUO+UO-正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)+–++–+u+u–uo理想運(yùn)放時，當(dāng)

為了讓運(yùn)放工作在線性區(qū)，必須加負(fù)反饋，限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。注意：工作在飽和區(qū)的理想運(yùn)放時，當(dāng)時，工作在線性區(qū)的理想運(yùn)放

相當(dāng)于兩輸入端之間短路,但又未真正短路，故稱“虛短”。

相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱“虛斷”。2.i+=i–

=01.u+=u–,而uo是有限值,運(yùn)放開環(huán)輸入電阻

由于故從式,可知+–++–+u+u–uo（虛短）（虛斷）i–i+

引言10.2.2負(fù)反饋放大電路的判斷與基本類型10.2.3負(fù)反饋對放大電路性能的影響10.2放大電路中的負(fù)反饋10.2.1反饋放大電路的組成反饋

—

將電路的輸出量(電壓或電流)的部分或全部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回路并影響輸入量(電壓或電流)和輸出量的過程。引言2.

信號的兩種流向正向傳輸：輸入輸出反向傳輸：輸出輸入

—

開環(huán)—

閉環(huán)輸入輸出

放大電路

反饋網(wǎng)絡(luò)A+–比較環(huán)節(jié)一、反饋的組成和基本關(guān)系式基本放大電路F反饋網(wǎng)絡(luò)xi—輸入信號(ii或ui)xid—

凈輸入信號(iid或uid)xo—輸出信號(io或uo)xf—

反饋信號(if或uf)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xid=xi-

xf—

負(fù)反饋方程。AF—環(huán)路放大倍數(shù)。1+AF—反饋深度。10.2.1反饋放大電路的組成一、反饋的分類1.正反饋和負(fù)反饋正反饋—

反饋使凈輸入電量增加，從而使輸出量增大。負(fù)反饋—反饋使凈輸入電量減小，從而使輸出量減小。判斷法：瞬時極性法2.直流反饋和交流反饋直流反饋

—

直流信號的反饋。交流反饋

—

交流信號的反饋。10.2.2負(fù)反饋放大電路的判斷與基本類型

例輸入回路輸出回路判斷電路是否存在反饋。是正反饋還是負(fù)反饋？直反饋還是交流反饋？+C1RS+ui–RERB+VCCC2RL+us–+uo–++uid

–

RE介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使

uid減小，為負(fù)反饋。既有直流反饋，又有交流反饋。1.電壓反饋和電流反饋電壓反饋

—

反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。判別法：使uo=0(RL短路)，若反饋消失則為電壓反饋。電流反饋

—

反饋信號取自輸出電流。判別法：使io=0(RL開路)，若反饋消失則為電流反饋。AFRLuo電壓反饋電流反饋iouoFARLio二、四種基本負(fù)反饋組態(tài)2.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電壓相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。uid

=

ui

uf特點：信號源內(nèi)阻越小，反饋效果越明顯。并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電流相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。iid

=

ii

if特點：信號源內(nèi)阻越大，反饋效果越明顯。AFiiifisiidRSRSAFuiuidufusAFuiuidufusRSRLuo電壓串聯(lián)負(fù)反饋AFuiuidufusRSiouoRLio電流串聯(lián)負(fù)反饋FAiiifisiidRSRLuo電壓并聯(lián)負(fù)反饋FAiiifisiidRSiouoRLio電流并聯(lián)負(fù)反饋三、四種基本負(fù)反饋四、四種基本負(fù)反饋放大電路例題分析：例uo經(jīng)Rf與R1分壓反饋到輸入回路，故有反饋。AF

反饋使凈輸入電壓uid減小，為負(fù)反饋。RL=0，無反饋，故為電壓反饋。uf=uoR1/(R1+Rf)也說明是電壓反饋。uid=ui

uf故為串聯(lián)反饋。電壓串聯(lián)負(fù)反饋例Rf為輸入回路和輸出回路的公共電阻，故有反饋。

反饋使凈輸入電壓uid減小，為負(fù)反饋。RL=0，反饋存在，故為電流反饋。uf=ioRf，也說明是電流反饋。uid=ui–

uf故為串聯(lián)反饋。AF電流串聯(lián)負(fù)反饋例

Rf為輸入回路和輸出回路的公共電阻，故有反饋。反饋使凈輸入電流iid減小，為負(fù)反饋。RL=0，無反饋，故為電壓反饋。iid=ii

if，故為并聯(lián)反饋。AF電壓并聯(lián)負(fù)反饋例Rf

介于輸入回路和輸出回路，故有反饋。

反饋使凈輸入電流iid減小，為負(fù)反饋。RL=0，反饋存在，故為電流反饋。iid=ii–

if，故為并聯(lián)反饋。AF電流并聯(lián)負(fù)反饋

電流串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋

RE—

引入本級電流串聯(lián)負(fù)反饋；引入級間電流并聯(lián)負(fù)反饋。例例4.1.7

反饋信號與輸入信號在不同節(jié)點為串聯(lián)反饋，在同一個節(jié)點為并聯(lián)反饋。反饋取自輸出端或輸出分壓端為電壓反饋，反饋取自非輸出端為電流反饋。規(guī)律：1.提高增益的穩(wěn)定性Af的相對變化量A的相對變化量放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高10.2.3負(fù)反饋對放大電路性能的影響例A

=

103，負(fù)反饋使放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高

100

倍，求F、Af、A變化

10%時的Af

，以及dAf/Af。解：

1)1+AF=100，則F=(100–1)/

A=0.0992)=103/

100=103)此時的Af=負(fù)反饋以犧牲放大倍數(shù)，換取了放大倍數(shù)穩(wěn)定性的提高。2.減少非線性失真uf加入負(fù)反饋無負(fù)反饋FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真3.

改變放大電路的輸入和輸出電阻（1）對輸入電阻的影響a.串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大Rif深度負(fù)反饋：b.并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小Rif深度負(fù)反饋：ii

A

FuiuidufRiAFuidifiidii

A

FuiRiAFiid（2）對輸出電阻的影響a.電壓負(fù)反饋F

與A

并聯(lián)，使輸出電阻減小。AFRoRofA

為負(fù)載開路時的源電壓放大倍數(shù)。深度負(fù)反饋：b.電流負(fù)反饋F

與A

串聯(lián)，使輸出電阻增大AFRoRofA

為負(fù)載短路時的源電壓放大倍數(shù)。深度負(fù)反饋：4.擴(kuò)展通頻帶BW無反饋時：BW=fH

fL

fH引入反饋后，fA(f)OAm0707AmfLfHBWAf(f)Amf0707AmffLffHfBWf可證明：fHf=(1+AF)fHfLf=fL

/

(1+AF)=(1+AF)fH

fHf

=(1+AF)BW

BWf=fHf

fLf10.3

集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用10.3.1比例運(yùn)算電路10.3.2加法運(yùn)算電路10.3.3減法運(yùn)算電路10.3.4微分和積分運(yùn)算電路10.3.1

比例運(yùn)算一、反相比例運(yùn)算運(yùn)算放大器在線性應(yīng)用時同時存在虛短和虛斷虛斷虛地為使兩輸入端對地直流電阻相等：R2=R1//Rf平衡電阻特點：1.為深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，Auf=

Rf/R12.輸入電阻較小RifR

ifR

if=R13.uIC=0

，對KCMR的要求低u+=u-

=0虛地例有一電阻式壓力傳感器，其輸出阻抗為500

，測量范圍是（0~10）Mpa,其靈敏度是+1mV/0.1Mpa,現(xiàn)在要用一個輸入0V~5V的標(biāo)準(zhǔn)表來顯示這個傳感器測量的壓力變化，需要一個放大器把傳感器輸出的信號放大到標(biāo)準(zhǔn)表輸入需要的狀態(tài)，設(shè)計放大器并確定各元件參數(shù)。解：采用反相比例構(gòu)成放大器，放大器的最高輸入電壓為：（10Mpa/0.1Mpa）1mV=100mV放大器的最高輸出電壓（標(biāo)準(zhǔn)表的最高輸入）為5V。放大倍數(shù)：5/0.1=50第一級放大后再接一級反相器，使相位符合要求。（1）取

為信號源內(nèi)阻的20倍。（2）（3）（4）運(yùn)放采用LM741，10V對稱電源供電。（5）（6）R1RfR

+–++–+R12Rf2R2

+–++–+二、同相比例運(yùn)算Auf=1跟隨器當(dāng)R1=

，Rf=0時，

特點：1.為深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，Auf=1+Rf/R12.輸入電阻大R

if=

3.，對KCMR的要求高uIC=uiu+=u-=uI同相比例運(yùn)算主要特點：（1）輸入與輸出信號同相。

（2）輸入電阻大，輸出電阻小。（3）存在共模輸入信號，對KCMR的要求高。例如圖所示電路，計算輸出電壓uo

的大小。+–+–++–+uou+解：該電路是一電壓跟隨器。u+=7.5V輸出電壓uo=7.5V例如圖所示電路，寫出電流iL與輸入電壓uI

的關(guān)系式。解：iLR1R2RLi1uI+–+–++–+u+u-u+=u-=uIiL=i1=uI/R11.輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)。2.恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源。特點：（電壓—電流轉(zhuǎn)換器）一、加法運(yùn)算1.反相加法運(yùn)算R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)10.3.2

加法運(yùn)算電路R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

2.同相加法運(yùn)算利用疊加定理：uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R

1；Rf=R

fuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf/R1(uI2

uI1)減法運(yùn)算實際是差分電路10.3.3

減法運(yùn)算電路R1R1Rf

+

Rf+–+–++–+uou+u-Rf+–US例

如圖所示電路，是用運(yùn)放構(gòu)成的測量電路，US

為恒壓源，若

Rf是某個非電量（如壓力或溫度）的變化所引起的傳感元件的阻值變化量。試寫出uO

與

Rf

之間的關(guān)系式。解：由差分運(yùn)算電路的輸入、輸出關(guān)系可得整理可得

輸出信號電壓與傳感元件阻值變化量成正比。R2=Rf虛地虛斷RfC1=

—

時間常數(shù)微分電路輸出電壓：一、微分運(yùn)算uItOuOtO10.3.4

微分和積分運(yùn)算電路二、積分運(yùn)算=當(dāng)uI=UI時，設(shè)uC(0)=0

時間常數(shù)

=

R1Cf積分電路輸出電壓：tuIOtuOO例測量放大器(儀用放大器)同相輸入同相輸入差分輸入uO1uO2對共模信號：uO1=uO2

則uO=0對差模信號：R1中點為交流地為保證測量精度需元件對稱性好u+=u-=usio=i1=us/R11.輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)2.恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源特點：例電壓—電流轉(zhuǎn)換器例開關(guān)延遲電路電子開關(guān)當(dāng)uO

6V時S閉合，tuOO6V1msuItO

3VtusO

3V例利用積分電路將方波變成三角波10k

10nF

時間常數(shù)

=

R1Cf=0.1ms設(shè)uC(0)=0=

5VuI/Vt/ms0.10.30.55

5uO/Vt/ms=5V5

5例差分運(yùn)算電路的設(shè)計條件：Rf=10k

要求：uo=uI1

2uI2R1=5k

R2=2R3R2//R3=R1//Rf

=5//10R2=10k

R3=5k

課堂練習(xí)10.4

集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用非線性電路的分析方法

當(dāng)運(yùn)放工作于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)時，運(yùn)放工作在非線性區(qū)。

運(yùn)放的非線性特性在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。1.電壓比較器

電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此判別輸入信號的大小和極性。R1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–ui:輸入電壓UREF:參考電壓當(dāng)ui>UREF時，uO=–UOMui

UREF時，uo=+UOMui

=UREF時，uO

發(fā)生躍變uooUOM–UOMUREF電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UREF=0時，稱為過零比較器。若ui為正弦波，畫出uo的波形。uootUOM–UOMR1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–uooUOM–UOMUREFotUREF=0UREF=1Vot1VuootUOM–UOM

在輸出端與反相輸入端接一個雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值。限幅電壓比較器UZ–UZuooR1R2ui+–+–++–+uo+–DZ電壓傳輸特性當(dāng)ui>0時，uO=–UZui

0時，uO=+UZ2.滯回比較器

滯回比較器是一種能判斷出兩種狀態(tài)的開關(guān)電路，廣泛應(yīng)用于自動控制電路中。uooUOM–UOMR1R2uI+–+–++–+uoUREFRfu+u-u+滯回特性u+：上門限電平：下門限電平：回差電壓可改變參考電壓改變門限電平（改變R2Rf改變回差）例

電冰箱用電子溫度控制器，當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)10°C時壓縮機(jī)工作，當(dāng)下降達(dá)0°C時壓縮機(jī)停，溫度變化用熱敏電阻檢驗，熱敏電阻對應(yīng)溫度變化是0.1

/0°C，量電路，在0°C時電阻值是50

，用繼電器控制壓縮機(jī)電源的通斷，繼電器線圈直流電阻為500，工作電壓為10V~12V，采用運(yùn)放構(gòu)成滯回比較器接通和切斷控制信號。若信號放大器輸出對應(yīng)10°C時為0.6V，對應(yīng)0°C時為0.1V。試畫出電路原理圖并計算出各元件參數(shù)。

解：用電橋構(gòu)成溫度-電壓變換電路，橋臂工作電流限制在1mA以內(nèi)。采用差動放大、反相比例、滯回比較器，構(gòu)成控制電路。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k

12k

+12VRt50

50

RpUI1UI2UZ+UDRP1橋臂電阻：因電流限制在1mA內(nèi)，各橋臂電阻不小于12k

。信號放大參數(shù)：溫度：0°C~10°C時，電橋輸出為0.2mV~1.2mV。滯回比較器輸入應(yīng)為0.1V~0.6V。電壓放大倍數(shù)100倍（差動放大10倍，比例放大50倍）。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k

12k

+12VRt50

50

RpUI1UI2UZ+UDRP1滯回比較器：選用UZ=6.2V則有：整理可得：則：10.5

集成運(yùn)算放大器使用中應(yīng)注意的問題一、集成電路器件命名及主要性能指標(biāo)1.國標(biāo)GB-3430-82對集成電路的規(guī)定第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符號國標(biāo)字母器件類型數(shù)字系列品種字母工作條件字母封裝符號意義符號意義符號意義符號意義C中國制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS線性放大音響電視穩(wěn)壓器接口電路非線性CERM.0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封閉扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金屬菱形金屬圓形2.主要參數(shù)1)

輸入失調(diào)電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓2)

輸入偏置電流IIB幾毫伏UO=0時，10nA

1

A3)

輸入失調(diào)電流

IIOUO=0時，1nA

0.1

A4)

開環(huán)電壓增益Aud100

140dB5)

差模輸入電阻Rid輸出電阻Ro幾十千歐

幾兆歐幾十歐

幾百歐6)共模抑制比

KCMR>80dB7)

最大差模輸入電壓UIdM共模輸入UIC過大，K

CMR下降當(dāng)UId

過大時，反偏的PN結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。NPN管UIdM=

5V橫向PNP管UIdM=

30VCF741為

30V8)最大共模輸入電壓UICM9)

最大輸出電壓幅度UOPP輸出級為OCL電路一般比電源電壓小一個UCE(sat)如電源電壓

15V，UOPP為

13

14VCF741為

13V二、集成運(yùn)放使用注意事項(一)

集成運(yùn)放的封裝和引腳排列封裝形式:金屬圓形、雙列直插式、扁平式封裝材料:陶瓷、金屬、塑料例:塑封雙列直插式(DIP)CF741DIP—DualIn-LinePakage(二)集成運(yùn)放使用注意事項1.查閱手冊了解引腳的排列及功能；2.檢查接線有否錯誤或虛連，輸出端不能與地、電源短路；3.輸入信號應(yīng)遠(yuǎn)小于UIdM和UICM，以防阻塞或損壞器件；4.電源不能接反或過高，拔器件時必須斷電；5.輸入端外接直流電阻要相等，小信號高精度直流放大需調(diào)零。三、合理選用集成運(yùn)放的型號集成運(yùn)放按技術(shù)指標(biāo)可分為：

通用型、高輸入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高壓型、大功率型等。1.高輸入阻抗型

主要用于測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣-保持電路等。典型器件為5G28。2.低漂移型

主要用于精密檢測、精密模擬計算、自控儀表等。典型器件為5G7650。4.低功耗型

主要用于遙測、遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究等對能源消耗有限制的場合。5.大功率型

主要用于要求輸出功率大的場合。典型器件為MGELI65。

選型時，除了滿足主要性能指標(biāo)外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合考慮，選用合適的運(yùn)算放大器。3.高速型

主要用于快速模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、有源濾波、高速采樣保持電路和視頻放大器等。四、集成運(yùn)放的消振和調(diào)零1.消振

方法：外接RC消振電路或消振電容，破壞產(chǎn)生自激震蕩的條件。

很多運(yùn)放內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振電路。是否已消振，可將輸入端接“地”，用示波器觀察輸出端有無自激震蕩。2.電路的調(diào)零

方法：將電路接成閉環(huán)。

(1)

無輸入調(diào)零：將兩輸入端接“地”，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。

(2)

有輸入時調(diào)零：按已知輸入電壓，計算輸出電壓，將實際值