第2章.集成運算放大器1

第2章

運算放大器在半導體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。簡單來說，集成電路是把元器件和連接導線全部制作在一小塊硅片上而成的電路。集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等。1模擬集成電路的特點：電阻值不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至幾十千歐。需要大電阻時，通常用恒流源替代；

電容利用PN結(jié)結(jié)電容，一般不超過幾十pF。需要大電容時，通常在集成電路外部連接。級與級之間用直接耦合；

二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。如由NPN型三極管短路其中一個PN結(jié)構(gòu)成。2運算放大器外形圖32.1 集成運放概述集成電路——把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有某種特定功能的電子電路。1.集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖特點：電路對稱性，提高整個電路的性能若干級電壓放大帶負載能力強，電流放大4運算放大器方框圖輸入級：均采用差動放大電路組成，可減小溫度漂移的影響，提高整個電路共模抑制比。2.

中間級：多采用有源負載的共射極放大電路，有源負載及復合管可提高電壓增益。3.

輸出級：互補對稱功放。4.

偏置電路：用以供給各級直流偏置電流，由各種電流源電路組成。5(a)是國家標準規(guī)定的符號(b)是國內(nèi)外常用的符號＋－v－v+vo－＋＋v－v+voAvo運放既然是個器件，當然有符號，下面是運算放大器的符號，里面畫個三角，表示這是運算放大器；有反向輸入端、同相輸入端、還有輸出端，同相輸入端和輸出端是相位相同，所以都寫了一個加號（＋），反向輸入端和輸出端相位相反，寫了一個減號（－），Avo表示他的放大倍數(shù)；有時候在一些工程類的書上，也看到右邊的符號，一個大的三角，輸出vo,負的（v－)反向輸入端，正的(v+)同相輸入端.集成運算放大器的電路符號?表示信號從左(輸入端)向右(輸出端)傳輸?shù)姆较颉?同相輸入端反相輸入端輸出端–+特點：兩個輸入端（同相+、反相—），一個輸出端，單向傳輸7

理想運算放大電路具有無窮大的電壓增益、無窮大的輸入電阻（開路），所以不取用信號源電流。它的輸出電阻為零。如圖所示。輸入電壓Vid加在兩個輸入端之間。輸出電壓為AodVid，用內(nèi)電壓源符號表示.-＋＋＋＋－－－－－＋供電電源2.運算放大器的電路模型Vidrid=∞r(nóng)o=0VOAod=∞+-8圖2.1.3運算放大器的電路模型通常（實際）：開環(huán)電壓增益Avo的≥105（很高）輸入電阻ri≥106Ω（很大）輸出電阻ro≤100Ω（很小）

vO＝Avo(vP－vN)，當（V－＜vO＜V＋）

92.運算放大器的電路模型當Avo(vP－vN)≥V＋時

vO＝

V＋

當Avo(vP－vN)≤

V-時

vO＝

V-電壓傳輸特性

vO＝

f

(vP－vN)線性范圍內(nèi)vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率end非線性（飽和）范圍內(nèi)？

10通過測試得到，他的輸入和輸出滿足這么一個曲線的關(guān)系，這個關(guān)系曲線叫做傳輸特性曲線，這個曲線分為兩個區(qū)，橫坐標是vi，縱坐標是vo。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)vi＋－vNvPvo這是一個運算放大器，他的輸入和輸出到底有什么樣的關(guān)系？11vi＋－vNvPvo注意vi是什么？

vi是同相輸入端減去反向輸入端，就是差模信號。vi＝vP－vNN(negative)型P(positive)型12如果vi很小的化，由于放大倍數(shù)很大，vo和vi是什么關(guān)系？線性關(guān)系，在這里把這個區(qū)域叫做線性區(qū)，當vi達到一定值的時候，輸出就飽和了，把這個區(qū)域叫做飽和區(qū)。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)13飽和的電壓是什么？

飽和的電壓就是電源電壓;為什么會飽和？

因為電壓大到一定值的時候，放大倍數(shù)很大，輸出不會再隨著輸入繼續(xù)增加，就達到了正負飽和電壓，+VOM和-VOM,在這里稱作正負飽和電壓.vi＋－vNvPvovivo+VOM-VOM飽和區(qū)14旁邊兩個區(qū)叫飽和區(qū)，中間叫線性區(qū).正負飽和電壓能達到什么值？輸出的正負飽和電壓最大等于電源電壓，不會超過電源電壓。這個特性曲線是傳輸特性曲線，傳輸?shù)氖莢i與vo之間的關(guān)系。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)飽和區(qū)15這么兩個區(qū)就使得運放具有不同的作用，運放工作在線性區(qū)有線性區(qū)的作用；工作在飽和區(qū)有飽和區(qū)的作用；

線性區(qū)是指的輸出是隨著輸入的變化而變化;

飽和區(qū)是指的輸入信號達到一定值以后輸出電壓飽和在某個值上；這就是傳輸特性曲線，傳輸特性曲線是指的vo與vi之間的關(guān)系。16負飽和電路模型中的輸出電壓不可能超越正負電源電壓值：設(shè)：若：則ab線性區(qū)正飽和017Avo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。例：若VOM=12V，Avo=106，則|vi|<12V時，運放處于線性區(qū),否則就處于飽和區(qū)。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)飽和區(qū)解：18例：電路如圖所示，運放的開環(huán)電壓增益輸入電阻，電源電壓

（1）試求當時輸入電壓的最小幅值（2）輸入電流畫出傳輸特性曲線。說明運放的兩個區(qū)域。＋＋＋＋－－－－－＋電源19解：（1）輸入電壓的最小幅值當時，（2）輸入電流畫傳輸特性曲線連接a、b兩點得ab線段，其斜率時，電路工作在線性區(qū)；，則運放進入非線性區(qū)。運放得電壓傳輸特性如圖所示20ab021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，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件虛短路放大倍數(shù)與負載無關(guān)。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。虛開路運放工作在線性區(qū)的特點222.2理想運算放大器運算放大器在工程上應用是非常廣的，就是應為他有各種各樣的特性，可以完成各種各樣的功能。這些功能是在測試系統(tǒng)中不可缺少的功能，所以他的應用非常廣，我們分為幾類去進行介紹運算放大器的應用。運算放大器既然是運算，他可以完成加減乘除運算，乘除都是通過加減來的，還可以完成對數(shù)和反對數(shù)的運算，還可以完成積分和微分運算，我們只介紹加減，比例放大，還有微分和積分運算等23

如果運放用于信號運算，我們主要是指的運放工作在線性區(qū)，利用虛擬短路和虛擬斷路的分析依據(jù)，這兩條一定要記住。如何讓他工作在線性區(qū)，加入負反饋，他的應用范圍一個就是信號運算，一個還可以作為濾波器。241.輸出電壓的飽和極限等于運放的電源電壓，即和2.運放的開環(huán)電壓增益很高，以至差分輸入電壓的值盡管很小，仍可驅(qū)使運放進入飽和區(qū)。即:若則將趨于正飽和極限即:若則將趨于負飽和極限3.若未達到飽和極限，則差分輸入電壓必趨近于0值。當處于與之間，則運放必將工作在線性區(qū)。非線性區(qū)限幅區(qū)254.內(nèi)部的輸入電阻的阻值很高，因而可近似認為無限大；由此可以假定，流入或流出同相和反相端的電流為零。5.內(nèi)部的輸出電阻的阻值很低乃至可近似認為它為零。＋＋＋＋－－－－－＋電源26＋＋－－將上述近似理想的運放的性能參數(shù)理想化，便可得到如圖所示的理想運放的電路模型。它表示輸入電阻是開路的，即輸出端的電阻輸出電壓27運放工作在線性區(qū)的特點理想運放的條件虛短路虛開路放大倍數(shù)與負載無關(guān)，可以分開分析＋－＋運放線性應用信號的放大、運算有源濾波電路28

由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻髙，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其為理想運放。29前面講了一下理想運算放大器的一些特點，在分析電路的時候我們可以用兩個重要的特點：一個是虛斷（虛假的開路）一個是虛短（虛假的短路）利用理想放大器的特性，分析一下各種運算放大器構(gòu)成的比例運算電路。2.3基本線性運放電路線性運放電路：運放一定工作在線性范圍（狀態(tài)），電路通過接入負反饋來保證。30什么是比例運算電路？

比例運算電路是將信號按比例進行放大；例如：輸入信號是5V，按2倍的比例進行放大，輸出就是10V，這就是同相的比例放大；如果是負2倍的放大，輸出就是負10V，這就叫做反相比例放大；

比例運算電路分為兩類：

同相比例放大、反相比例放大。比例運算電路需要引入負反饋，他主要引入的是電壓負反饋，引入的負反饋還是深度負反饋，如果是深度負反饋和開環(huán)的放大倍數(shù)無關(guān)，只和反饋系數(shù)有關(guān)。31比例運算電路作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(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)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。322.3.1同相運算放大器1.基本電路+--(+)同相放大電路

vo通過電阻R2有反饋，它接到運放的反向輸入端，這是一個負反饋，既然是負反饋，就滿足虛短和虛斷。輸入是從同相端輸入＋－(+)(+)＋－如果是負反饋，那么

v+=v-=？輸入的電流為零，Rp上沒有電流，那么：v+=vi，這叫虛短路，

v+=v-=vi，這叫虛短路。33虛短輸入信號看里面的值是正值，那么vo和vi的相位應該是相同的。再看反相輸入端，反相輸入端參考兩個電流，這兩個電流應該相等.這時候vo和vi的關(guān)系是：則：同相放大電路+--(+)＋－(+)(+)＋－342.負反饋的基本概念開環(huán)閉環(huán)正、負反饋判斷方法：瞬時極性法瞬時電位變化極性——某時刻電位的斜率電路有vo

＝Avo(vp－vn)引入反饋后vn0，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓使輸出減小了，增益Av＝vo/vi下降了，這時的反饋稱為負反饋。反饋：將放大電路輸出量，通過某種方式送回到輸入回路的過程。反饋概念反饋的分類：正、負反饋

35此時引入的反饋是負反饋。負反饋的的作用是利用輸出電壓通過反饋元件對放大電路起自動調(diào)整作用，從而牽制了的變化，最后達到輸出穩(wěn)定平衡。-＋－(+)(+)＋－＋－(+)(+)＋－363.虛假短路

圖中輸出通過負反饋的作用，使vn自動地跟蹤vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。

由于運放的輸入電阻ri很大，所以，運放兩輸入端之間的ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。

由運放引入負反饋而得到的虛短和虛斷兩個重要概念，是分析由運放組成的各種線性應用電路的利器，必須熟練掌握。37+--(+)同相放大電路反饋電壓虛短虛開路＋－(+)(+)＋－384.幾項技術(shù)指標的近似計算（1）電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作為公式直接使用，注意問題）討論：電壓增益Av與運放無關(guān)，僅有外電路元件參數(shù)決定。vo,vi同相，電壓增益Av大于或等于1394.幾項技術(shù)指標的近似計算（2）輸入電阻Ri

輸入電阻定義根據(jù)虛短和虛斷有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以討論：優(yōu)點？40(2)輸出電阻信號源置零+--(+)＋－(+)(+)＋－討論：優(yōu)點？415.電壓跟隨器＋－＋vo和vi之間的關(guān)系：

這里用一根反饋線作為反饋網(wǎng)絡;什么反饋？負反饋.既然是負反饋，vp=vn，vp=vn=vi，vo=vi;這里輸入和輸出是相同的，這是同相比例運放的一個特例，這種電路的特性比較穩(wěn)定.42結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入此電路輸入電阻大，輸出電阻小，雖然電壓跟隨器的電壓增益等于1電壓跟隨性能好＋－＋43如將電壓跟隨器接在髙內(nèi)阻的信號源與負載之間。＋－＋+-信號源負載該電路幾乎不從信號源吸取電流，因此，當負載變化時，輸出電壓幾乎不變，從而消除了負載變化對輸出電壓的影響44＋＋--信號源負載例如：當具有內(nèi)阻為的信號源直接驅(qū)動的負載時，如圖所示。它的輸出電壓為電壓跟隨器的作用45無電壓跟隨器時負載上得到的電壓電壓跟隨器時ip≈0，vp＝vs根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs46結(jié)構(gòu)特點：信號通過從反相輸入端輸入，負反饋引到反相輸入端，同相端接地。2.3.2反相放大電路1.基本電路反相比例放大電路引入的是什么樣的負反饋？R2是一個反饋網(wǎng)絡；它直接取到的是輸出端，就是電壓負反饋；R2又和輸入端接的是同一跟線，這是并聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋電路。電位為0，虛地vo_++R2R1RPvii1i247＋－虛短＋－電位為0，虛地計算vo和vi的關(guān)系要用到虛擬短路和虛擬斷路，還要用到基爾霍夫定律.虛斷是指的輸入運放的電流為零；反向輸入端有一個電流ii，同相輸入端也有一個電流ii，既然輸入的電流為零，同相輸入的電阻RP流過的電流應該是零。RP兩端等電位點，RP左端的電位是零，RP右邊也應等于零，同相輸入端的電位也就是零。vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，這是虛短48根據(jù)虛斷→ii=0→vn=0→根據(jù)虛短→

Vp=0電壓增益：＋－虛短＋－電位為0，虛地vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，這是虛短49由理想運放組成的放大器的放大倍數(shù)和理想運放本身的放大倍數(shù)有關(guān)系嗎？沒有關(guān)系。和它外加的器件有關(guān)系，完全由外部電路器件決定它的放大倍數(shù)。這是一個反向輸入，當然這是一個反向比例放大。502.幾項技術(shù)指標的近似計算（1）電壓增益虛開路虛短路虛開路vo_++R2R1RPvii1i2＋－虛短＋－（可作為公式直接使用）512.幾項技術(shù)指標的近似計算（2）輸入電阻和輸出電阻由于電壓負反饋得作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。＋－虛短＋－52平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。RP=R1

//R2在反相比例放大電路的RP稱作平衡電阻，主要是保證輸入的對稱性，這個電阻如何的取值？vo_++R2R1RPvii1i253反饋方式這是一個電壓并聯(lián)負反饋既然是電壓并聯(lián)負反饋，輸出電阻很