第3章-集成電路運(yùn)算放大電路

第3章集成運(yùn)算放大電路電子技術(shù)基礎(chǔ)3.1差動(dòng)放大電路3.2集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介3.3

集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路3.4

集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用目錄下一頁上一頁3.1差動(dòng)放大電路3.1.1零點(diǎn)漂移

1．零點(diǎn)漂移現(xiàn)象當(dāng)放大電路處于靜態(tài)時(shí)，即輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出端的靜態(tài)電壓應(yīng)為恒定不變的穩(wěn)定值。但是在直流放大電路中，即使輸入信號(hào)電壓為零，輸出電壓也會(huì)偏離穩(wěn)定值而發(fā)生緩慢的、無規(guī)則的變化，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。如圖3-1(a)所示直接耦合放大電路，即使將輸入端短路，在其輸出端也會(huì)有變化緩慢的電壓輸出，即Ui＝0，U00。下一頁上一頁返回3.1差分放大電路

2．產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因

產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因有電源電壓的波動(dòng)、溫度變化、元器件老化等，其中溫度變化是產(chǎn)生零漂的最主要的原因，因此，也稱為溫度漂移。

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3．抑制零點(diǎn)漂移的措施

(1)選用穩(wěn)定性能好的高質(zhì)量的硅管。

(2)采用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源可以抑制電源電壓波動(dòng)引起的零漂。

(3)利用恒溫系統(tǒng)來減小溫度變化引起的零漂。

(4)利用兩只特性相同的三極管組成差動(dòng)放大器，它可以有效地抑制零漂。下一頁上一頁返回3.1差分放大電路3.1.2差動(dòng)放大電路

1.電路組成

圖3-2是一個(gè)基本差動(dòng)放大電路，它由兩個(gè)特性相同的三極管VT1和VT2組成對(duì)稱電路，電路參數(shù)均對(duì)稱(比如RCl=RC2，βl=β2等)。電路中有兩組電源VCC，和VEE。兩個(gè)三極管的發(fā)射極連接在一起，并接了一個(gè)恒流源，它提供恒定的發(fā)射極電流I0

。這個(gè)電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，稱為雙端輸入、雙端輸出差動(dòng)放大電路。差動(dòng)放大電路沒有耦合電容，是直接耦合放大電路。

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2.靜態(tài)特性

當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，即uI1=uI2=0時(shí)，由于電路完全對(duì)稱，這時(shí)兩個(gè)三極管的集電極電流相等，則有ICl=IC2=I0/2，而IC1RC1=IC2RC2

，故uO=uO1-uO2=0。也就是說，當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，其輸出信號(hào)也為0。

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3.動(dòng)態(tài)特性

(1)差模特性

電路的兩個(gè)輸入端各加上一個(gè)大小相等、極性相反的電壓信號(hào)，稱為差模輸入方式。此時(shí)，uIl=uI/2，uI2=-uI/2，若用uID表示差模輸入信號(hào)，則有uID=uI1–uI2。在差模輸入信號(hào)作用下，差動(dòng)放大電路一個(gè)管的集電極電流增加，而另一管的集電極電流減少，使得uO1和uO2以相反方向變化，在兩個(gè)輸出端將有一個(gè)放大了的輸出電壓uO。這說明，差動(dòng)放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)有放大作用。

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(2)共模特性電路的兩個(gè)輸入端各加上一個(gè)大小相等、極性相同的電壓信號(hào)，稱為共模輸入方式。此時(shí)，uIl=uI2=uI/2，若用uIC表示共模輸入信號(hào)，則有uIC=(

uIl+uI2)/2。在共模信號(hào)作用下，由于電路參數(shù)對(duì)稱，兩管集電極電流的變化是大小相等、方向相同，因此uO1和uO2相等，輸出端uO=uO1-uO2=0。這說明，差動(dòng)放大器電路對(duì)共模輸入信號(hào)沒有放大作用，起抑制作用。

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4.共模抑制比

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5.抑制零點(diǎn)漂移

在差動(dòng)放大電路中，溫度或電源電壓的波動(dòng)，會(huì)引起兩管集電極電流相同的變化，其效果相當(dāng)于共模輸入方式。由于電路元器件的對(duì)稱性及發(fā)射極接有恒流源，在理想情況下，可使輸出電壓保持不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。當(dāng)然，實(shí)際上要做到兩管電流完全對(duì)稱和理想恒流源是比較困難的，由于實(shí)際的電路元器件存在微小的不對(duì)稱，造成差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)的輸出電壓不為0。但是，可以在差動(dòng)放大電路中加上調(diào)零電路使靜態(tài)時(shí)的輸出電壓為0。

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集成運(yùn)放具有可靠性高、使用方便、放大性能好(如極高的放大倍數(shù)、較寬的通頻帶、很低的零漂等)等特點(diǎn)。隨著技術(shù)指標(biāo)的不斷提高和價(jià)格日益降低，作為一種通用的高性能放大器，目前已廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理、波形產(chǎn)生及電源等電子技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。

圖3—3是半導(dǎo)體硅片集成電路放大了的削面結(jié)構(gòu)示意圖。它把小硅片電路及其引線封裝在金屬或塑料外殼內(nèi)，只露出外引線。

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3.2.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：

1．集成運(yùn)放采用直接耦合方式，是高質(zhì)量的直接耦合放大電路。

2．集成運(yùn)放采用差動(dòng)放大電路克服零點(diǎn)漂移。由于在很小的硅片上制作很多元件，所以可使元件的特性達(dá)到非常好的對(duì)稱性，加之采用其它措施，集成運(yùn)放的輸入級(jí)具有高輸入電阻、高差模放大倍數(shù)、高共模抑制比等良好性能。

3．用有源元件取代無源元件。用電流源電路提供各級(jí)靜態(tài)電流，并以恒流源替代大阻值電阻。

4．采用復(fù)合管以提高電流放大系數(shù)。

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3.2.2集成運(yùn)放的組成及各部分的作用

集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)稱為同相輸入端，一個(gè)稱為反相輸入端；一個(gè)輸出端；符號(hào)如圖3-4(a)所示。圖中，帶“-”號(hào)的輸入端稱為反相輸入端，帶“+”號(hào)的輸入端稱為同相輸入端，三角形符號(hào)表示運(yùn)算放大器?！啊蕖北硎鹃_路增益極高。它的三個(gè)端分別用U-、U+和UO來表示。一般情況下可以不畫出電源連線。其輸入端對(duì)地輸入，輸出端對(duì)地輸出。下一頁上一頁返回3.2集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介

1．輸入級(jí)輸入級(jí)又稱前置級(jí)，它是一個(gè)高性能的差動(dòng)放大電路。輸入級(jí)的好壞影響著集成運(yùn)放的大多數(shù)參數(shù)。

2．中間級(jí)中間級(jí)是整個(gè)電路的主放大器，主要功能是獲得高的電壓放大倍數(shù)。

3．輸出級(jí)輸出級(jí)應(yīng)具有輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，非線性失真小等特點(diǎn)。

4．偏置電路偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。下一頁上一頁返回3.2集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介

3.2.3集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

1.最大輸出電壓Uopp

2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

3.輸入失調(diào)電壓Uio

4.輸入失調(diào)電流Iio

5.輸入偏置電流IB

6.最大共模輸人電壓UICM

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3．2．4集成運(yùn)放的種類

1．通用型

2．低功耗型

3．高精度型

4．高阻型

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3.2.5理想運(yùn)算放大器

1.理想集成運(yùn)放的特性

（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞；（2）差模輸入電阻rid=∞；（3）輸出電阻ro=0；（4）共模抑制比KCMR

=∞；（5）輸入偏置電流IB1=IB2

=0。

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2.理想集成運(yùn)放的兩個(gè)重要結(jié)論

(1)因rid→∞有i+≈i-≈0，即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電流近似為零。

(2)因Auo→∞，故有u+≈u-即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位近似相等。下一頁返回請(qǐng)看動(dòng)畫3.集成運(yùn)放的傳輸特性表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線稱為傳輸特性曲線，如圖3-5所示，可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。

(1)線性區(qū)工作在線性區(qū)時(shí)，UO和Ui是線性關(guān)系，即

UO=AodUi=Aod（U--U+）

(2)非線性區(qū)集成運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)時(shí)，這時(shí)輸出電壓只有兩種可能。當(dāng)U-＞U+時(shí)，UO=-UOm當(dāng)U-＜U+時(shí)，UO=+UOm

此時(shí)虛短原則不成立，U-≠U+，虛斷原則仍然成立，即有I-=I+=0。

3.2集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介

返回3.3.1反相比例運(yùn)算電路

如圖3－6所示，輸入信號(hào)ui經(jīng)外接電阻R1送到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R2接地。反饋電阻RF跨接在輸出端和反相輸入端之間，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

輸出電壓與輸入電壓是一種比例運(yùn)算關(guān)系，或者說是比例放大的關(guān)系，比例系數(shù)只取決于RF與RL的比值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。3.3集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路

請(qǐng)看例題下一頁返回3.3集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路

3.3.2同相比例運(yùn)算電路如圖3－7所示，輸入信號(hào)ui經(jīng)外接電阻R2送到同相輸入端，而反相輸入端通過電阻R1接地。反饋電阻RF跨接在輸出端和同相輸入端之間，形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸出電壓與輸入電壓也是一種比例運(yùn)算關(guān)系，或者說是比例放大的關(guān)系。同相輸入比例放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)也僅與外部電阻R1和RF的比值有關(guān)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)無關(guān)。下一頁上一頁請(qǐng)看例題返回3.3集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路

3.3.3加法運(yùn)算電路

如果在反相比例運(yùn)算電路的輸入端增加若干輸入電路，如圖3－8所示，則構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。

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3.3.4減法運(yùn)算電路

減法運(yùn)算電路是指輸出電壓與多個(gè)輸電壓和差值呈比例的電路，常用差動(dòng)輸入方式來實(shí)現(xiàn)。如圖3－9所示。請(qǐng)看例題下一頁上一頁返回3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

3.4.1積分和微分運(yùn)算電路

1．積分運(yùn)算電路

將反相輸入比例運(yùn)算電路的反饋電阻RF用電容C替換，則成為積分運(yùn)算電路，如圖3－10所示。

輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比。

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2.微分運(yùn)算電路將積分運(yùn)算電路的R、C位置對(duì)調(diào)即為微分運(yùn)算電路，如圖3-11所示。

輸出電壓與輸電壓對(duì)時(shí)間的微分成正比。

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3.4.2電壓比較器

電壓比較器的基本功能是對(duì)輸入端的兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，判斷出哪一個(gè)電壓大，在輸出端輸出比較結(jié)果。輸入端的兩個(gè)電壓，一個(gè)為參考電壓或基準(zhǔn)電壓UR，另一個(gè)為被比較的輸入信號(hào)電壓Ui。作為比較結(jié)果的輸出電壓U0，則是兩種不同的電平，高電平或低電平，即數(shù)字信號(hào)1或0。

圖3－12(a)所示為一簡(jiǎn)單的電壓比較器，參考電壓UR加在同相輸入端，輸入電壓Ui加在反相輸入端。

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相位條件：，表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相同，即必須是正反饋。

3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

3.4.3正弦波振蕩器

1.正弦波振蕩器的工作原理產(chǎn)生自激振蕩的條件為：

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幅值條件：，表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的大小相等。返回3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

2.正弦波振蕩電路

（1）振蕩電路的組成

①放大電路：由三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、運(yùn)放等構(gòu)成的各種基本放大電路。②選頻網(wǎng)絡(luò)：有LC選頻網(wǎng)絡(luò)、RC選頻網(wǎng)絡(luò)等，這部分決定了正弦波發(fā)生器的振蕩頻率。③反饋網(wǎng)絡(luò)：有變壓器反饋、LC反饋網(wǎng)絡(luò)、RC反饋網(wǎng)絡(luò)及其組合電路。下一頁上一頁返回3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（2）正弦波振蕩器的分類根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，可將振蕩器分為RC振蕩器(振蕩頻率范圍為幾十赫茲至幾十千赫茲)；LC振蕩器(振蕩頻率的范圍為幾千赫茲至幾百千赫茲)；石英晶體振器（約為兆赫茲數(shù)量級(jí)）。每一類電路中，放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)又可采用各種不同的電路形式。下一頁上一頁請(qǐng)看動(dòng)畫（方波發(fā)生器）返回圖3-１直接耦合放大電路及其零點(diǎn)漂移現(xiàn)象

返回圖3-2基本差動(dòng)放大電路

返回圖3-3集成電路剖面結(jié)構(gòu)示意圖

返回圖3-4集成運(yùn)放的符號(hào)及內(nèi)部電路框圖

返回圖3－5集成運(yùn)放的傳輸特性曲線返回圖3－6反相比例運(yùn)算電路

返回圖3－7同相比例運(yùn)算電路

返回圖3－8反相加法運(yùn)算電路

返回圖3－9反相差動(dòng)輸入電路

返回圖3－10積分運(yùn)算電路

返回圖3－11微分運(yùn)算電路

返回圖3－12電壓比較器及其電壓傳輸特性

返回（a）電壓比較器電路（b）電壓比較器電壓傳輸特性虛短與虛斷返回方波發(fā)生器返回例3.1反相比例運(yùn)算電路

【例3.1】在右圖所示，設(shè)R1=10KΩ，RF=50KΩ，求Auf，如果ui=0.5V，uo=?【解】下一頁上一頁返回例3.2同相比例運(yùn)算電路（分析）【解】右圖電路中反相輸人端未接電阻R1，(即R1=∞)，穩(wěn)壓管電壓UZ作為輸人信號(hào)加到同相輸人端，該電路形式為同相跟隨器。uo＝ui＝UZ由于比較穩(wěn)定、精確，此電路可作為基準(zhǔn)電壓源．且可以提供較大輸出電流。

【例3.２】分析圖中輸出電壓與輸人電壓的關(guān)系，并說明電路的作用。下一頁上一頁返回例3.3同相比例運(yùn)算電路（計(jì)算）_1【例3.3】在右圖所示的電路中，已知R1＝100KΩ，RF＝200KΩ，R2=l00KΩ，R3＝200KΩ，ui

＝1V，求輸出電壓uo

。

【解】根據(jù)虛斷，由右圖可得：又根據(jù)虛短，有u-≈u+下一頁上一頁返回例3.3同相比例運(yùn)算電路（計(jì)算）_2所以：

可見圖所示電路也是一種同相輸入比例運(yùn)算電路。代入數(shù)據(jù)得：

下一頁上一頁返回例3.4加法電路的應(yīng)用_1【例3.4】一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓和一些待測(cè)量（經(jīng)傳感器變換為電壓信號(hào)）的關(guān)系為uo=2ui1+0.5ui2+4ui3

，試用集成運(yùn)放構(gòu)成信號(hào)處理電路，若取RF=100KΩ，求各電阻值。

【解】分析，輸入信號(hào)為加法關(guān)系，故第一級(jí)采用加法電路，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)要求同相，所以再加一組長(zhǎng)反相器。電路構(gòu)成如下圖所示。下一頁上一頁返回例3.4加法電路的應(yīng)用_2當(dāng)RF=100KΩ得：R1=50KΩ，R2=200KΩ，R3=25KΩ。平衡電阻：R4=R1//R2//R3//RF=(100//50//200//25)=16KΩ。第二級(jí)為反相電路：R5=RF=100KΩ。平衡電阻：R6=R5//RF=(100//100)=50KΩ。推導(dǎo)第一級(jí)電路的各電阻阻值：下一頁上一頁返回例3.5求輸出電壓【例3.5】寫出如圖４－10所示運(yùn)算電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui1

、ui2的關(guān)系。第二級(jí)運(yùn)放A2構(gòu)成減法運(yùn)算電路，故：【解】在右圖中，第一級(jí)運(yùn)放A1構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，故：下一頁上一頁返回例3.6反饋類型的判別_1【例3.6】試右圖（a）和（b）兩個(gè)兩級(jí)放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端的各是何種類型的反饋電路。a.

反饋電路從A2的輸出端引出，故為電壓反饋；b.

反饋電壓uf和輸入電壓ui分別加在A1的同相和反相兩個(gè)輸入端，故為串聯(lián)反饋