第9章 集成運算放大器基礎(chǔ)

1、集成放大器是一種高放大倍數(shù)的多級直接耦集成放大器是一種高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路合放大電路(direct coupling amplifier)。是發(fā)展最早、。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。由于最初多用應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。由于最初多用于各種模擬信號運算（如比例、求和、求差、積于各種模擬信號運算（如比例、求和、求差、積分、微分分、微分 ），故被稱為），故被稱為集成運算放大電路集成運算放大電路(integrated operational amplifier circuit)，簡稱，簡稱集成集成運放運放。 rid 大大: 幾幾百百K 幾幾十十M 集成運放的特點：集成運放

2、的特點：共模抑制比共模抑制比CMRR 很大很大 ro 小：?。簬讕?幾十幾十 Aod 很很大大: 105 107理想運放：理想運放： rid CMRR ro 0 0Aod +UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端 輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差放信號，都采用帶恒流源的差放 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出

3、電阻低，帶負載能與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。 偏置電路：偏置電路：為各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電為各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。路構(gòu)成。 運算放大器的方框圖運算放大器的方框圖集成運放的符號：集成運放的符號： u u+ uoAo國內(nèi)符號國內(nèi)符號uu+ uo國際符號國際符號直接耦合使得各級的靜態(tài)工作點直接耦合使得各級的靜態(tài)工作點Q相互影響，如前一級的相互影響，如前一級的Q點發(fā)生變點發(fā)生變化，則會影響到后面各級的

4、化，則會影響到后面各級的Q點。第點。第一級的微弱信號變化，經(jīng)多級放大以一級的微弱信號變化，經(jīng)多級放大以后使輸出端產(chǎn)生很大的變化。最常見后使輸出端產(chǎn)生很大的變化。最常見的由于環(huán)境溫度變化而引起的工作點的由于環(huán)境溫度變化而引起的工作點漂移，稱為漂移，稱為溫漂溫漂，它是影響直接耦合，它是影響直接耦合放大電路性能的主要因素之一。當(dāng)輸放大電路性能的主要因素之一。當(dāng)輸入短路時，輸出端卻存在隨時間緩慢入短路時，輸出端卻存在隨時間緩慢變化電壓，如圖變化電壓，如圖9-2所示。這種輸入所示。這種輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化稱為稱為“零點漂移零點漂移”，簡稱，簡稱“零漂零漂”

5、。產(chǎn)生零漂的原因主要是因為晶體管的參數(shù)受溫度的影響。產(chǎn)生零漂的原因主要是因為晶體管的參數(shù)受溫度的影響。 電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2兩個輸入、兩個輸入、兩個輸出兩個輸出兩管兩管靜態(tài)工靜態(tài)工作點相同作點相同uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0靜態(tài)時，靜態(tài)時，ui1 = ui

6、2 = 0當(dāng)溫度升高時當(dāng)溫度升高時ICVC （兩管變化量相等）（兩管變化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信號共模信號 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信號差模信號 是有用信號是有用信號例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV

7、可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動控制這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。系統(tǒng)中是常見的。 （Common Mode Rejection Ratio)dCCMRRAAdCCMR(dB)20lg( )AA分貝 若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù)若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù) Ac = 0 輸出電壓輸出電壓 若電路不完全對稱，則若電路不完全對稱，則 Ac 0，實際輸出電壓實際輸出電壓 即共模信號對輸出有影響即共模信號對輸出有影響 。+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+穩(wěn)定靜態(tài)工作點，

8、限制每個管子的漂移。穩(wěn)定靜態(tài)工作點，限制每個管子的漂移。EE：用于補償：用于補償RE上的壓降，以獲得合適的工作點。上的壓降，以獲得合適的工作點。9.3.1 集成運放的主要參數(shù)集成運放的主要參數(shù)2. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOP-P 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。1. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod 運放沒有外接電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有外接電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Aod愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。一般在一般在105 107之間。理想運放的之

9、間。理想運放的Aod為為 。3. 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid rid的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。源索取電流的大小。rid越大越好，越大越好，rid1M , 有的可有的可達達100M 以上。理想集成運放的以上。理想集成運放的rid為為 。5. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成運放對共模信號的抑制能共模抑制比反映了集成運放對共模信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好，理越大越好，理想集成運放的想集成運放的CMRR為為 。6. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 使使

10、uo=0，在輸入端加的一個很小的補償電壓。其，在輸入端加的一個很小的補償電壓。其值愈小愈好。值愈小愈好。4. 輸出電阻輸出電阻 ro ro的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。一般力。一般幾幾 幾十幾十 ，理想集成運放的理想集成運放的ro為為0。7. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。其值愈小愈好。其值愈小愈好。8. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB 輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值。它的大小主要和電路

11、中第一級管子的性能有均值。它的大小主要和電路中第一級管子的性能有關(guān)。其值愈小愈好。關(guān)。其值愈小愈好。9. 帶寬帶寬 fh 運放是直流放大器，也可放大低頻信號，不適用運放是直流放大器，也可放大低頻信號，不適用于高頻信號。于高頻信號。集成運算放大器的特點：集成運算放大器的特點： 開環(huán)電壓放大倍數(shù)高，輸入電阻高，輸出電阻低，開環(huán)電壓放大倍數(shù)高，輸入電阻高，輸出電阻低，漂移小，可靠性高，體積小。漂移小，可靠性高，體積小。1. 理想運放幾個重要指標理想運放幾個重要指標開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo ，差模輸入電阻差模輸入電阻 rid ，開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻ro 0 ， 共模抑制比共模抑制比C

12、MRR uo+ u+u+UCCUEE 由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的謂的理想運放理想運放。2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ u 時，時， uo = Uo(sat) u+ u uoUo(sat)+Uo(sat) O飽和區(qū)飽和區(qū)集成運放引腳集成運放引腳 在應(yīng)用集成運放時在應(yīng)用集成

13、運放時, ,需要知道它的幾個管腳的用需要知道它的幾個管腳的用途以及放大器的主要參數(shù)途以及放大器的主要參數(shù), ,至于它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如至于它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如何一般是無關(guān)緊要的。何一般是無關(guān)緊要的。 集成運算放大器有集成運算放大器有鋁殼封裝鋁殼封裝和和雙列直插式塑殼雙列直插式塑殼封裝封裝兩種。兩種。 常有七個引腳，常有七個引腳， 如圖所示，如圖所示， 用途是：用途是：F0072341567+15V-15VRP輸出端輸出端反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端1 1和和5 5為外接調(diào)為外接調(diào)零電位器的兩零電位器的兩個端子。個端子。 2 2為反相輸入端為反相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號，由此

14、端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是反相的（或兩者極性相反）。與輸入信號是反相的（或兩者極性相反）。 3 3為同相輸入端為同相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是同相的（或兩者極性相同）。與輸入信號是同相的（或兩者極性相同）。 4 4為負電源端為負電源端，接接-15V-15V穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源。 7 7為正電源端為正電源端，接接+15V+15V穩(wěn)于電源。穩(wěn)于電源。 6 6為輸出端為輸出端。 F0072341567+15V-15VRP輸出端輸出端反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端 表示表示 負負反反饋饋交流反饋交流反饋直流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負反饋

15、電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點穩(wěn)定靜態(tài)工作點 集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。對數(shù)、乘法和除法等運算。 運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電

16、路的結(jié)構(gòu)和關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實現(xiàn)不同的運算。實現(xiàn)不同的運算。作用：作用：將信號按比例放大。將信號按比例放大。類型：類型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度引入深度電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋或或電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。1i1Ruui FofR

17、uui （1）電路組成）電路組成 以后如不加說明，輸入、以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地輸出的另一端均為地( )。（2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)因因虛短虛短, 所以所以u=u+= 0，稱反相輸入端稱反相輸入端“虛虛地地” 反相輸入端的重反相輸入端的重要特點要特點因因虛斷，虛斷，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、 u 對地電阻相同，保證靜態(tài)對地電阻相同，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。時輸入級的對稱性。 所以所以平衡電阻平衡電阻 R2 = R1 / RFi1FouRRu

18、1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋輸入信號和反饋信號加在輸入信號和反饋信號加在同一輸入端同一輸入端并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入反饋信號使凈輸入信號減小信號減小負反饋負反饋iif1iurRiof0r例：例：電路如下圖所示，已知電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不變，要求不變，要求Auf為為 10，則，則RF 、 R2 應(yīng)為應(yīng)為 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (

19、10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ oF11uRRRu 因因虛斷，虛斷，所以所以i+= i = 0, u+ = ui i1Fo)1(uRRu （1）電路組成）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虛短，虛短，所以所以 u+ =u = ui 同相輸入端不同相輸入端不“虛地虛地” 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、u 對地對地電阻相同，

20、電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻R2=R1/RFu+u 輸入信號和反饋信號分別輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端加兩個輸入端串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋 1Fiof1RRuuAu i1Fo)1(uRRu 反饋信號使凈輸入反饋信號使凈輸入信號減小信號減小負反饋負反饋uoRFuiR2R1+ 當(dāng)當(dāng) R1= 或或 RF = 0 時，時，uo = ui ， Auf = 1， 稱稱電壓跟隨器電壓跟隨器。uoRFuiR2R1+ 由運放構(gòu)成的電壓跟由運放構(gòu)成的電壓跟 隨器隨器輸入電阻高、輸出輸入電阻高、輸出 電阻低，電阻低，其跟隨性能比其跟隨性能比 射極

21、輸出器更好。射極輸出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：作用：作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：類型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度引入深度電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋或或電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。因因虛短虛短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡電阻：平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFFo2i2

22、i1i1iRuuRuuRuu uoii2ii1ifui2RFui1Ri2Ri1+ R2+因因虛斷虛斷，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if FFoi1i2i1i2-(+)RRu =uuRRui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+FFoi1i2i1i2-(+)RRu =uuRRi1i2FRRR() oi1i2uuu由虛斷可得：由虛斷可得：2i3 23uRRRu 由虛短可得：由虛短可得： uu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 則：則：R2 / R3 = R1 / RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量常用做測量放大電路放大電路3FFoi2i11231(1+)+RRRuuuRRRR 1i1i1o1F-(-)+RuuuRR-i11 1 =-uuR iui2uoRFui1R3R2+ R1+i1if電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)oFufi2i11=-uRAuuR uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F