第3章-集成電路運算放大電路

第3章集成運算放大電路電子技術基礎3.1差動放大電路3.2集成運算放大電路簡介3.3

集成運算放大器的基本運算電路3.4

集成運算放大器的應用目錄下一頁上一頁3.1差動放大電路3.1.1零點漂移

1．零點漂移現(xiàn)象當放大電路處于靜態(tài)時，即輸入信號電壓為零時，輸出端的靜態(tài)電壓應為恒定不變的穩(wěn)定值。但是在直流放大電路中，即使輸入信號電壓為零，輸出電壓也會偏離穩(wěn)定值而發(fā)生緩慢的、無規(guī)則的變化，這種現(xiàn)象叫做零點漂移，簡稱零漂。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)生零點漂移的原因

產(chǎn)生零點漂移的原因有電源電壓的波動、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．抑制零點漂移的措施

(1)選用穩(wěn)定性能好的高質量的硅管。

(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差動放大電路

1.電路組成

圖3-2是一個基本差動放大電路，它由兩個特性相同的三極管VT1和VT2組成對稱電路，電路參數(shù)均對稱(比如RCl=RC2，βl=β2等)。電路中有兩組電源VCC，和VEE。兩個三極管的發(fā)射極連接在一起，并接了一個恒流源，它提供恒定的發(fā)射極電流I0

。這個電路有兩個輸入端和兩個輸出端，稱為雙端輸入、雙端輸出差動放大電路。差動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

當沒有輸入信號時，即uI1=uI2=0時，由于電路完全對稱，這時兩個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，當輸入信號為0時，其輸出信號也為0。

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3.動態(tài)特性

(1)差模特性

電路的兩個輸入端各加上一個大小相等、極性相反的電壓信號，稱為差模輸入方式。此時，uIl=uI/2，uI2=-uI/2，若用uID表示差模輸入信號，則有uID=uI1–uI2。在差模輸入信號作用下，差動放大電路一個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，在兩個輸出端將有一個放大了的輸出電壓uO。這說明，差動放大電路對差模輸入信號有放大作用。

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

uIl+uI2)/2。在共模信號作用下，由于電路參數(shù)對稱，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，差動放大器電路對共模輸入信號沒有放大作用，起抑制作用。

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4.共模抑制比

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5.抑制零點漂移

在差動放大電路中，溫度或電源電壓的波動，會引起兩管集電極電流相同的變化，其效果相當于共模輸入方式。由于電路元器件的對稱性及發(fā)射極接有恒流源，在理想情況下，可使輸出電壓保持不變，從而抑制了零點漂移。當然，實際上要做到兩管電流完全對稱和理想恒流源是比較困難的，由于實際的電路元器件存在微小的不對稱，造成差動放大電路靜態(tài)時的輸出電壓不為0。但是，可以在差動放大電路中加上調零電路使靜態(tài)時的輸出電壓為0。

下一頁上一頁返回3.2集成運算放大電路簡介

集成運放具有可靠性高、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。隨著技術指標的不斷提高和價格日益降低，作為一種通用的高性能放大器，目前已廣泛應用在自動控制、精密測量、通信、信號運算、信號處理、波形產(chǎn)生及電源等電子技術應用的各個領域。

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

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3.2.1集成運算放大器的特點：

1．集成運放采用直接耦合方式，是高質量的直接耦合放大電路。

2．集成運放采用差動放大電路克服零點漂移。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到非常好的對稱性，加之采用其它措施，集成運放的輸入級具有高輸入電阻、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靜態(tài)電流，并以恒流源替代大阻值電阻。

4．采用復合管以提高電流放大系數(shù)。

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3.2.2集成運放的組成及各部分的作用

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

1．輸入級輸入級又稱前置級，它是一個高性能的差動放大電路。輸入級的好壞影響著集成運放的大多數(shù)參數(shù)。

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

3．輸出級輸出級應具有輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，有較強的帶負載能力，非線性失真小等特點。

4．偏置電路偏置電路用于設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點。下一頁上一頁返回3.2集成運算放大電路簡介

3.2.3集成運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.輸入失調電壓Uio

4.輸入失調電流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理想運算放大器

1.理想集成運放的特性

（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.理想集成運放的兩個重要結論

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

(2)因Auo→∞，故有u+≈u-即理想運放兩個輸入端的電位近似相等。下一頁返回請看動畫3.集成運放的傳輸特性表示輸出電壓與輸入電壓之間關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，UO和Ui是線性關系，即

UO=AodUi=Aod（U--U+）

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

此時虛短原則不成立，U-≠U+，虛斷原則仍然成立，即有I-=I+=0。

3.2集成運算放大電路簡介

返回3.3.1反相比例運算電路

如圖3－6所示，輸入信號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)負反饋。

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

請看例題下一頁返回3.3集成運算放大器的基本運算電路

3.3.2同相比例運算電路如圖3－7所示，輸入信號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)負反饋。輸出電壓與輸入電壓也是一種比例運算關系，或者說是比例放大的關系。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，而與運算放大器本身的參數(shù)無關。下一頁上一頁請看例題返回3.3集成運算放大器的基本運算電路

3.3.3加法運算電路

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

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3.3.4減法運算電路

減法運算電路是指輸出電壓與多個輸電壓和差值呈比例的電路，常用差動輸入方式來實現(xiàn)。如圖3－9所示。請看例題下一頁上一頁返回3.4集成運算放大器的應用

3.4.1積分和微分運算電路

1．積分運算電路

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

輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比。

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2.微分運算電路將積分運算電路的R、C位置對調即為微分運算電路，如圖3-11所示。

輸出電壓與輸電壓對時間的微分成正比。

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3.4.2電壓比較器

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

圖3－12(a)所示為一簡單的電壓比較器，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：，表示反饋信號與輸入信號的相位相同，即必須是正反饋。

3.4集成運算放大器的應用

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：，表示反饋信號與輸入信號的大小相等。返回3.4集成運算放大器的應用

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、場效應管、運放等構成的各種基本放大電路。②選頻網(wǎng)絡：有LC選頻網(wǎng)絡、RC選頻網(wǎng)絡等，這部分決定了正弦波發(fā)生器的振蕩頻率。③反饋網(wǎng)絡：有變壓器反饋、LC反饋網(wǎng)絡、RC反饋網(wǎng)絡及其組合電路。下一頁上一頁返回3.4集成運算放大器的應用

（2）正弦波振蕩器的分類根據(jù)選頻網(wǎng)絡的不同，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）。每一類電路中，放大電路和反饋網(wǎng)絡又可采用各種不同的電路形式。下一頁上一頁請看動畫（方波發(fā)生器）返回圖3-１直接耦合放大電路及其零點漂移現(xiàn)象

返回圖3-2基本差動放大電路

返回圖3-3集成電路剖面結構示意圖

返回圖3-4集成運放的符號及內部電路框圖

返回圖3－5集成運放的傳輸特性曲線返回圖3－6反相比例運算電路

返回圖3－7同相比例運算電路

返回圖3－8反相加法運算電路

返回圖3－9反相差動輸入電路

返回圖3－10積分運算電路

返回圖3－11微分運算電路

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反相比例運算電路

【例3.1】在右圖所示，設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同相比例運算電路（計算）_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同相比例運算電路（計算）_2所以：

可見圖所示電路也是一種同相輸入比例運算電路。代入數(shù)據(jù)得：

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

，試用集成運放構成信號處理電路，若取RF=100KΩ，求各電阻值。

【解】分析，輸入信號為加法關系，故第一級采用加法電路，輸入信號與輸出信號要求同相，所以再加一組長反相器。電路構成如下圖所示。下一頁上一頁返回例3.4加法電路的應用_2當RF=100KΩ得：R1=50KΩ，R2=200KΩ，R3=25KΩ。平衡電阻：R4=R1//R2//R3//RF=(100//50//200//25)=16KΩ。第二級為反相電路：R5=RF=100KΩ。平衡電阻：R6=R5//RF=(100//100)=50KΩ。推導第一級電路的各電阻阻值：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所示運算電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui1

、ui2的關系。第二級運放A2構成減法運算電路，故：【解】在右圖中，第一級運放A1構成同相比例運算電路，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）兩個兩級放大電路中從運算放大器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的同相和反相兩個輸入端，故為串聯(lián)反饋