第六章集成運(yùn)算放大器

第六章集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛（如：放大器、比較器、振蕩器、信號運(yùn)算電路等）的集成放大器。

集成運(yùn)算放大器(簡稱集成運(yùn)放)：是一種高電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合的放大器。（線性集成電路）5.1集成運(yùn)放的基本單元電路

（P133）一、集成運(yùn)放的電路構(gòu)成集成運(yùn)放內(nèi)部由輸入級、中間級、輸出級、輔助電路4大部分組成。1、輸入級：采用帶恒流源的差分放大器。2、輸出級：電壓放大電路（一般是共射組態(tài)）3、中間級：互補(bǔ)對稱放大電路（附保護(hù)電路）4、輔助電路：使各級放大電路得到穩(wěn)定的直流偏置。(有的還設(shè)置了外接調(diào)零電路、RC移項(xiàng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)等電路)二、電流源1、作用：為放大電路提供穩(wěn)定的直流偏置。作為放大電路的有源負(fù)載，增大放大倍數(shù)和動態(tài)范圍。2、常用類型：單三極管電流源、鏡像電流源。后者比前者的溫度穩(wěn)定性好。3、電流源特點(diǎn)：直流電阻小，交流電阻大。（使用電流源做負(fù)載，稱為有源負(fù)載）直接耦合放大器：放大器與信號源、負(fù)載以及放大器之間采用導(dǎo)線（或電阻）直接連接。特點(diǎn)：低頻響應(yīng)好?？梢苑糯箢l率等于零的直流信號或變化緩慢的交流信號。三、直耦放大器的兩個特殊問題（一）、前后級的電位配合問題簡單的直接耦合電路由于VC1=VBE2，而VBE2很小，使V1的工作點(diǎn)接近于飽和區(qū)，限制了輸出的動態(tài)范圍。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必須解決前后級直流電位的配合問題。（二）、零點(diǎn)漂移問題四、零點(diǎn)漂移1、概念：將直流放大器輸入端對地短路，使之處于靜態(tài)，輸出電壓（在輸出端）會發(fā)生不規(guī)則變化，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。2、零漂后果：在直接耦合放大電路中，前一級的零漂電壓會傳到后級被逐級放大，嚴(yán)重時零漂電壓會超過有用的信號，將導(dǎo)致出錯。級數(shù)越多，零漂越嚴(yán)重。第一級的零漂是最大的影響因素。3、零漂原因：三極管參數(shù)隨溫度變化（主要原因）；電路更換元件（三極管）；電源電壓波動，4、抑制零漂方法：用恒溫系統(tǒng)消除溫度變化的影響；采用差分放大電路（主要）；用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源；五、差分放大器2、雙端輸入雙端輸出的基本差分放大器電路圖：1、電路特點(diǎn)：由兩個完全對稱的單管放大器組成，電路結(jié)構(gòu)對稱、元件參數(shù)對應(yīng)相等。

輸入電壓vI經(jīng)R1、R2分壓為相等的vI1和vI2分別加到兩管的基極(雙端輸入)，輸出電壓取自兩管的集電極(雙端輸出),等于兩管輸出電壓之差，即vO=vO1–vO2。３、抑制零漂原理

設(shè)輸入電壓vI=0，因電路完全對稱，則ic1=ic2，vO1=vO2，vO=vO1–vO2=0。當(dāng)溫度變化時，兩管輸出電壓的變化量相等，使vO1=vO2，輸出電壓vO=vO1–vO2=0?？梢?，兩管的漂移在輸出端相互抵消，從而有效地抑制了零點(diǎn)漂移。（1）.共模電壓放大倍數(shù)AVC共模信號：大小相等、極性相同的兩個輸入信號。共模輸入方式：兩管輸入信號為共模信號的輸入方式。兩管的輸入信號vI1=vI2=vI，放大器為共模輸入，因電路對稱，vO1=vO2。其雙端輸出電壓

vO=vO1

-vO2=0。即共模放大倍數(shù)共模雙端輸入、雙端輸出差分放大電路的共模放大倍數(shù)等于零。即對共模信號進(jìn)行了抑制。４、電壓放大倍數(shù)（2）．差模電壓放大倍數(shù)AVD差模信號：大小相等而極性相反的兩個輸入信號。差模輸入方式：兩管輸入信號為差模信號的輸入方式。當(dāng)vI0時，vI１=vI/2，vI２=-

vI/2，放大器為差模輸入。vO1=-vO2，放大器雙端輸出電壓vO=vO1–vO2=vO-(-vO1)=2vO1。設(shè)單管放大器的放大倍數(shù)為AV1、AV2，且AV1=AV2，于是差模放大倍數(shù)為AVD=AV1=AV2４、電壓放大倍數(shù)（1）．共模電壓放大倍數(shù)AVC（2）．差模電壓放大倍數(shù)AVD理想情況：AVC

＝０；(表示無用的信號完全得到抑制)實(shí)際情況：AVC越小越好AVＤ等于單個放大管的電壓放大倍數(shù)A(表示有用的信號得到正常放大)

雙端輸入、雙端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)ＡVD等于單管放大器的放大倍數(shù)ＡV。 可見，該電路是用多一倍元件的代價換來了對零漂的抑制能力。５、共模抑制比KCMR（１）作用

：衡量差分放大器放大差模信號（有用）及抑制共模信號（無用）的能力。（２）公式：（３）單位：無

（４）理想情況：共模抑制比KCMR=∞；實(shí)際情況：KCMR越大，差分放大器的性能越好。[例5.1.1]設(shè)單管放大器的放大倍數(shù)，AV1=AV2=-20。試求：(1)差分放大器的差模放大倍數(shù)AVD？(2)若已知差分放大器共模放大倍數(shù)AVC=0.02，求共模抑制比KCMR=?解：(1)(2)２、RP、Re、GE在電路中的作用

RP——調(diào)零電位器。作用是克服電路非對稱性。當(dāng)Vi=0時調(diào)節(jié)RP，使vo=0。Re——公共射極電阻。作用是引入共模負(fù)反饋。對共模信號有負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑢Σ钅Ｐ盘栂喈?dāng)于短路。VEE或GE——輔助電源（負(fù)）。作用是補(bǔ)償Re上的直流壓降，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，防止輸出動態(tài)范圍減小。６、實(shí)用的差分放大電路１、電路圖（雙端輸入雙端輸出）７、差分放大電路的連接方式雙端輸入：將信號加在兩個管子的基極。單端輸入：將信號加在一個管子的基極與公共地端。雙端輸出：負(fù)載ＲＬ接在兩個管子的集電極。單端輸出：負(fù)載ＲＬ接在某一個管子的集電極與地端，而另一個管子無輸出。差分放大電路的４種連接方式：（１）雙端輸入雙端輸出（電路對稱，同時利用電路兩側(cè)對稱性及發(fā)射極電阻ＲＥ的共模反饋來抑制零漂）（２）雙端輸入單端輸出（３）單端輸入雙端輸出（４）單端輸入單端輸出（電路不對稱，主要靠發(fā)射極電阻ＲＥ的共模反饋來抑制零漂）差分放大電路：（1）、由雙端輸出改為單端輸出，差模電壓放大倍數(shù)AVD減少一半。（2）、由雙端輸入改為單端輸入，差模電壓放大倍數(shù)AVD基本不變。一、集成運(yùn)算放大器的符號與引腳1．集成電路的封裝外形：國產(chǎn)集成運(yùn)放的封裝外形主要采用圓殼式和雙列直插式。2．集成運(yùn)放的型號國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3430/T—1989)規(guī)定，由字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示國家標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)表示運(yùn)算放大器，阿拉伯?dāng)?shù)字表示品種。國際上尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。5.2集成運(yùn)算放大器介紹 （Ｐ139）3．集成運(yùn)放的管腳順序及功能

國產(chǎn)第二代集成運(yùn)放CF741接線如圖所示。雙列直插式集成運(yùn)放的管腳順序是，管腳向下，標(biāo)志于左，序號自下而上逆時針方向排列。管腳功能如下：CF741外接線圖為反相輸入端(輸出信號與輸入信號反相位)為同相輸入端(輸出信號與輸入信號同相位)接負(fù)電源(-9~-18)V為輸出端接正電源(+9~+18)V為空腳腳1、4、5外接調(diào)零電位器國產(chǎn)第一代集成運(yùn)放F004接線如圖所示。圓殼式集成運(yùn)放的管腳順序是，管腳向上，序號自標(biāo)志起從小到大按順時針方向排列。管腳功能如下：腳7接正電源(+15)V，腳4接負(fù)電源(-15)V，腳6為輸出端，腳1、4、8接調(diào)零電位器，腳3為同相輸入端，腳2為反相輸入端，腳5、6之間的300k電阻及RP、CP的作用是消除自激，可通過調(diào)試決定數(shù)值。

不同類型運(yùn)放的管腳排列和管腳功能是不同的，應(yīng)用時可查閱產(chǎn)品手冊來確定。F004外接線圖３．集成運(yùn)放的種類國產(chǎn)集成運(yùn)放根據(jù)用途可分為：通用型、低功耗型、高精度型、高阻型。４．集成運(yùn)放的主要參數(shù)（１）開環(huán)電壓放大倍數(shù)AVＤ：電路開環(huán)情況下（無反饋），輸出電壓與輸入差模電壓之比，即集成運(yùn)放本身的差模電壓放大倍數(shù)。AVＤ越大，集成運(yùn)放運(yùn)算精度越高。（２）差模輸入電阻rid：差模輸入時，運(yùn)放無外加反饋回路時的輸入電阻。rid越大，集成運(yùn)放性能越好。（３）開環(huán)輸出阻抗rod：運(yùn)放無外加反饋回路時的輸出電阻。rod越小，集成運(yùn)放帶負(fù)載能力越強(qiáng)。（４）共模抑制比KCMR：綜合衡量運(yùn)放的放大和抗零漂抗共模干擾的能力。KCMR

越大，運(yùn)放性能越好。（５）輸入失調(diào)電壓VＩO：輸入信號為零時，為使輸出電壓也為零，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓值。（６）輸出電壓峰-峰值VOPP：放大器在空載情況下，最大不失真電壓的峰-峰值。（７）靜態(tài)功耗PD：運(yùn)放輸入端短路、輸出端開路時所消耗的功率。（８）開環(huán)頻帶寬BW：開環(huán)電壓放大倍數(shù)隨信號頻率升高而下降3dB所對應(yīng)的頻帶寬。以上參數(shù)可根據(jù)集成運(yùn)放的型號，從產(chǎn)品說明書等有關(guān)資料中查閱。

５．集成運(yùn)放的圖形符號圖(a)是國家新標(biāo)準(zhǔn)(GB/T4728·13—1996)規(guī)定的符號；圖(b)是曾用過的符號。畫電路時，通常只畫出２個輸入端和１個輸出端。輸入端標(biāo)“+”號表示同相輸入端，標(biāo)“-”號表示反相輸入端。集成運(yùn)放可看成一個高電壓放大倍數(shù)、低零漂的雙端輸入、單端輸出式差分放大器。*一、集成運(yùn)算放大器的理想特性將集成運(yùn)放看作一個理想運(yùn)放，具備理想特性5條：1．輸入信號為零時，輸出端應(yīng)恒定為零，即vi=0時vo=0；2．輸入阻抗無窮大，即ri=∞；3．輸出阻抗為0，即ro=0；4．通頻帶寬度BW應(yīng)從0到∞，即BW=∞；5．開環(huán)電壓放大倍數(shù)無窮大，即AVO=∞。在實(shí)際應(yīng)用和分析集成運(yùn)放電路時，可將實(shí)際運(yùn)放視為理想運(yùn)放，以簡化分析。5.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 （Ｐ143）對于理想集成運(yùn)放，通頻帶寬度（BW=fH-fL）從0到∞，因此，其下限頻率fL是0，上限頻率fH是∞。*二、理想集成運(yùn)放的重要結(jié)論1．同相輸入端與反相輸入端的電位相等。（兩端之間的電壓為零。也稱為虛短。）即 vi

+=vi

-Ｕ＝vi

+—vi

-=０2．同相輸入端與反相輸入端的輸入電流都為0。（也稱為虛斷）即 ii

+=ii

-=0*三、集成運(yùn)放的基本應(yīng)用1、反相輸入比例運(yùn)算放大電路（1）、基本電路圖（2）、反饋元件及反饋類型： Rf：電壓并聯(lián)負(fù)反饋（3）、虛地圖中，Ａ點(diǎn)是虛地點(diǎn)！vB=0，因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的電位相等，所以vA=vB

0。即A端的電位接近于零電位，但實(shí)際并沒有接地，所以通常把A端稱為“虛地”。Ｂ、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

Ａ、輸出電壓

（４）、計算公式結(jié)論： 反相輸入比例運(yùn)算放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)與開環(huán)電壓放大倍數(shù)（AVD）無關(guān)，只取決于Rf

與R1的比值；輸出電壓與輸入電壓成反比例關(guān)系，比例系數(shù)是－Ｒf／Ｒ１。

（５）、完善應(yīng)用在同相輸入端多了一個電阻Ｒ２，叫平衡電阻。作用是：使運(yùn)放輸入級的差分放大電路對稱，有利于抑制零漂。計算公式為：Ｒ２＝Ｒ1//Ｒf。(其他２個電阻并聯(lián))平衡電阻Ｒ２上沒有電流。其他結(jié)果與基本電路圖完全一樣。２、同相輸入比例運(yùn)算放大電路（1）、基本電路圖（2）、反饋元件及反饋類型： Rf：電壓串聯(lián)負(fù)反饋（3）、虛短圖中，Ａ點(diǎn)是虛短點(diǎn)！因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的輸入電流都為0，所以iA=iB

=0，則vB=vi，又因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的電位相等，所以vA=vB

=vi

。即A端的電位接近于Ｂ點(diǎn)電位，好象兩端用導(dǎo)線短路，所以通常把A端稱為“虛短”。Ｂ、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

Ａ、輸出電壓

（４）、計算公式結(jié)論：同相輸入比例運(yùn)算放大電路的電壓放大倍數(shù)與開環(huán)電壓放大倍數(shù)（AVO）無關(guān)，只取決于Rf與R1的比值；輸出電壓與輸入電壓同相且成比例關(guān)系，比例系數(shù)是 。

（５）、完善應(yīng)用在同相輸入端多了一個電阻Ｒ２，叫平衡電阻。作用是：使運(yùn)放輸入級的差分放大電路對稱，有利于抑制零漂。計算公式為：Ｒ２＝Ｒ1//Ｒf。(其他２個電阻并聯(lián))平衡電阻Ｒ２上沒有電流。其他結(jié)果與基本電路圖完全一樣。３、加法比例運(yùn)算放大電路（1）、３輸入加法比例運(yùn)算放大電路的電路圖（2）、反饋元件及反饋類型： Rf：電壓并聯(lián)負(fù)反饋（3）、虛地：圖中，Ａ點(diǎn)是虛地點(diǎn)（４）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：加法比例運(yùn)放是在反相比例運(yùn)放的基礎(chǔ)上多并聯(lián)了幾個輸入端而成的。（５）、輸出電壓ＶＯ計算公式若取R1=R2=R3=R，上式簡化為：若又取Rf=R，則：vO=-(vI1+vI2+vI3)結(jié)論：電路的輸出電壓正比于各輸入電壓之和。（６）、平衡電阻３輸入加法比例運(yùn)算放大電路中，同相輸入端接一個平衡電阻Ｒ４，大小是其他４個電阻的并聯(lián)值。作用是：使運(yùn)放輸入級的差分放大電路對稱，有利于抑制零漂。計算公式為：若是n輸入的加法比例運(yùn)算放大電路，則平衡電阻的計算公式是：３、減法比例運(yùn)算放大電路（1）、電路圖（2）、反饋元件及反饋類型：Rf：電壓負(fù)反饋（3）、虛短：圖中，Ａ點(diǎn)是虛短點(diǎn)，電位計算公式為：提示: B點(diǎn)電位就是電阻R3上的電壓。R２與R3串聯(lián)后，所加的電壓是ＶＩ２。結(jié)論，輸出電壓正比于兩個輸入電壓之差。若Rf=R1,則：

vO=vI2–vI1（４）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：減法比例運(yùn)放是在反相輸入端和同相輸入端同時輸入一個電壓信號。（即差分輸入）（５）、輸出電壓ＶＯ計算公式前提：R1=R2，R3=Rf注意看公式：同相輸入端信號減反相輸入端信號計算各電路的各個元件阻值并畫集成運(yùn)放電路圖，使它滿足vi與vO之間的下列運(yùn)算關(guān)系：例題：提示: 看這２個公式，分別符合集成運(yùn)放的哪種運(yùn)算關(guān)系？可將公式分別變形為：（１）ＶＯ＝２０（ＶＩ２－ＶＩ１）（２）ＶＯ＝－１０（ＶＩ１＋ＶＩ２＋ＶＩ３）解：

(1)：由vO=２０（vI２—vI１）可知，應(yīng)按減法比例運(yùn)算電路來連接，同相輸入端的輸入信號是vI２，反相輸入端的輸入信號是vI１。要求電阻R1=R2，R3=Rf且Rf=20R1。電路如圖：Rf是反饋元件，引入了電壓負(fù)反饋。Ａ點(diǎn)是虛短點(diǎn)。(2)：由ＶＯ＝－１０（ＶＩ１＋ＶＩ２＋ＶＩ３）可知，比例系數(shù)－１0即－Rf/R的值。應(yīng)按３輸入加法比例運(yùn)算電路來連接。要求Rf=10R

，且R1=R2=R3＝Ｒ，平衡電阻R4=R1//R2//R3//Rf。電路如圖：Rf是反饋元件，引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。Ａ點(diǎn)是虛地點(diǎn)。

集成運(yùn)放除了組成上述運(yùn)算單元電路外，還可改變反饋元件或連接方式組成乘法、除法、開方、平方、指數(shù)、對數(shù)以及微分、積分等各種運(yùn)算電路。1．反相器Ａ、前提：反相比例運(yùn)放，Rf=R1，Ｂ、輸出電壓計算公式：vO=-vI，Ｃ、電壓放大倍數(shù)計算公式：Ａvf=－１Ｄ、名稱由來：輸出電壓與輸入電壓在數(shù)值上相等且相位相反，稱為“反相器”。Ｅ、電路符號：圖中“1”表示電壓放大系數(shù)為1。四、集成運(yùn)放應(yīng)用的兩個特例2．電壓跟隨器Ａ、前提：同相比例運(yùn)放，R

f=０，R1＝，Ｂ、輸出電壓計算公式：vO=vI，Ｃ、電壓放大倍數(shù)計算公式：Ａvf=１Ｄ、名稱由來：輸出電壓與輸入電壓在數(shù)值上相等且相位相同，稱為“電壓跟隨器”。Ｅ、電路符號：五、集成運(yùn)放的三種輸入形式

集成運(yùn)放作為放大器，它的輸入方式有三種：同相輸入、反相輸入、差分輸入。同相比例運(yùn)放是“同相輸入”方式反相比例運(yùn)放、加法比例運(yùn)放是“反相輸入”方式減法比例運(yùn)放是”差分輸入”方式集成運(yùn)算放大器的工作在線性區(qū)，引入的是負(fù)反饋。集成運(yùn)算放大器的工作在非線性區(qū)，引入的是正反饋；或者使運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)。輸出電壓不是高電平，就是低電平。過零比較器：參考電壓是0V，即與零電壓比較：（可以由反相比例運(yùn)放構(gòu)成，也可以由同相比例運(yùn)放構(gòu)成）

Vi>0，Vo=—VccVi<0，Vo=+VccVi>0，Vo=+VccVi<0，Vo=—Vcc一．LM324組成電平指示電路１、LM324簡介LM324是含有四個運(yùn)放的集成組件。簡稱四運(yùn)放集成電路。GND為接地端，VCC為電源正極端(6V)，每個運(yùn)放的反相輸入端、同相輸入端、輸出端均有編號。例如，1Vi、1Vi+、1VO分別表示1號運(yùn)放的反相輸入端、同相輸入端及輸出端。依此類推，2Vi-、2Vi+、2VO是表示2號運(yùn)放器的等等。5.４集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 2、LM324組成的電平指示器四個運(yùn)放的同相輸入端連接于由V(2AP9)、R10、C2組成的整流電路輸出端，作為信號的輸入端。輸出端分別通過限流電阻R6、R7、R8、R9接有發(fā)光二極管LED1、LED4、LED3、LED2。反相輸入端分別經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)RP1、R2、R3、R4、R5分壓后加上量值不等的正電壓。

無信號輸入時，四個運(yùn)放同相輸入端皆為零電平，因反相輸入端皆為正電位，所以各運(yùn)放輸出低電平，因此V1~V4各發(fā)光二極管均不發(fā)光。有信號輸入時，信號經(jīng)整流后的對地電壓(電位)若僅大于第2腳電位，則第1腳的發(fā)光二極管V1發(fā)光。

若同相輸入端的電位都高于相應(yīng)運(yùn)放反相輸入端的電位時，四個發(fā)光二極管LED1、LED4、LED3、LED2全部發(fā)光。這樣，隨著音頻信號強(qiáng)弱的變化，電路中發(fā)光二極管的個數(shù)和亮度也隨之變化。其中，改變RP1的阻值，可調(diào)整發(fā)光二極管的亮度。5.5集成運(yùn)放使用常識一、零點(diǎn)調(diào)整方法：將輸入端短路接地，調(diào)整調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。二、消除自激振蕩方法：加阻容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。具體參數(shù)和接法可查閱使用說明書。目前，由于大部分集成運(yùn)放內(nèi)部電路的改進(jìn)，已不需要外加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。三、保護(hù)電路1．電源