第五章：集成運算放大電路及應(yīng)用

電路與電子技術(shù)主要內(nèi)容：集成運放的組成及功能負反饋放大電路集成運算放大器的線性應(yīng)用第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用第二篇模擬電子技術(shù)電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)集成電路按其功能分數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。第一節(jié)集成電路概述集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用第二節(jié)集成運算放大器的基本組成及其功能一、通用型集成運放(OperationalAmplifier)的組成1.模擬集成電路的特點1)直接耦合：采用差分電路形式，元件相對誤差??；2)大電阻用恒流源代替，大電容外接；3)高增益、高輸入電阻、低輸出電阻2.組成方框圖輸入級：差分電路，大大減少溫漂，要求輸入電阻要大中間級：實現(xiàn)電壓放大，通常采用共發(fā)射極電路,增益大輸出級：

OCL電路，帶負載能力強偏置電路：鏡像電流源，微電流源；為放大電路提供穩(wěn)定的偏流輸入級偏置電路中間級輸出級+

uo

uid電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.2.1偏置電路一、鏡像電流源+VCC當(dāng)VCC和R確定后,Ic2就確定了,稱為鏡像電流源。IC2V1RV2IRIB1IB2IC1IRI=IB1+

IB2=2IB1則：IR=IC1+2IB1IC2=

IC1=IR-2IB1=IR-2(IC2/β)有：≈≈Ic2≈Ie2=

(UBE1

–UBE2)/Re2二、微電流源由于△UBE的數(shù)值很小，故用阻值不大的RE2即可獲得微小的工作電流，故稱為微電流源。V1+VCCRe2RIc2V2IRUBE1UBE2（為放大電路提供穩(wěn)定的偏流或作有源負載）電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.2.2差分放大電路（輸入級）特點：a.兩個輸入端，兩個輸出端b.元件參數(shù)對稱c.ui1=ui2

時,uo

=0能有效地克服零點漂移ICQ1ICQ2IEIEQ1IEQ2UCQ1VEE=UBEQ+IEREIE=(VEE

–UBEQ)/REICQ1=ICQ2

IEQ1=(VEE

–

UBEQ)/2REUCQ1=VCC–

ICQ1RCUCQ2=VCC–

ICQ2RCUo

=UCQ1–

UCQ2=0一、電路組成及靜態(tài)分析直流通路UCQ2V1VCCV2VEERCRCREui1ui2uoV1+VCCV2-VEERCRCREuo——放大輸入信號之差電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用1.差模輸入與差模特性差模輸入ui1=–

ui2差模輸入電壓uid

=ui1

–

ui2=2ui1

=–

ui2差模信號交流通路ic1ic2使得：ic1=–

ic2uo1=–

uo2差模輸出電壓uod

=uC1

–uC2=uo1–(–

uo2)=

2uo1差模電壓放大倍數(shù)大小相同極性相反二、動態(tài)分析ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2ui1V1V2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1V2RCRCuoui2電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用2.共模輸入與共模抑制比共模輸入ui1=ui2共模輸出電壓uic

=ui1=ui2使得:ie1=ie2IEQ1+ie1IEQ2+ie2ue

=2ie1RE2RE2RE共模輸入電壓uoc

=uC1

–uC2=0共模抑制比用對數(shù)表示：大小相同極性相同共模信號交流通路ui1V1+VCCV2VEERCRCREuocui2uC1uC2V1V2RCRCuocui2uC1uC2ui1電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用電子與電工技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用共模抑制比

KCMR

(1)

KCMR

描述差分放大電路對零點漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈強；

(2)

理想情況下，電路參數(shù)完全對稱，

Ac=0，KCMR=∞。

Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好

結(jié)論：差動放大電路對有效的差模信號有放大作用，而對無效的共模信號有抑制作用。即“輸入有差別，輸出才有變動”。有四種不同的接法雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。1.雙端輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoui1ui2+VCCVEERe++三、差分放大電路的四種接法2.雙端輸入、單端輸出

uo+RcVT1VT2Rcui1ui2+VCCVEERe++電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用(2)若Aud

=–50、Auc=–0.05求輸出電壓uo，及KCMR1.01V0.99V[解]可將任意輸入信號分解為共模信號和差模信號之和(1)ui1=1.01=1.00+0.01(V)ui2=0.99=1.00–0.01(V)uid

=u

i1

–u

i2=1.01–0.99=0.02(V)uiC

=(ui1+ui2)/2

=1(V)(2)uod

=Auduid=–50

0.02=–

1(V)uoc

=Aucuic=–0.05

1=–0.05(V)uo

=Auduid

+Aucuic=–1.05(V)=60(dB)(1)求差模輸入電壓uid

、共模輸入電壓uic[例]ui1V1+VCCV2VEERCRCREuodui2uC1uC2電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用ic1ic2動態(tài)分析：ui

0VT1截止，T2導(dǎo)通ui>0VT1導(dǎo)通，T2截止iL

=ic1

;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL

=ic2存在交越失真，可以采用加二極管進行補償。靜態(tài)分析：ui=0V

T1、T2均不工作

uo=0V5.2.3互補對稱電路（輸出級）電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用構(gòu)成復(fù)合管時注意

1.前后兩個三極管連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級輸出電流與后級輸入電流實際方向一致。

2.外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個管子均為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，使管子工作在放大區(qū)。復(fù)合管的接法：VT1bVT2ec

VT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型(c)NPN型

cVT1bVT2e(d)PNP型

VT2VT1bec復(fù)合管的

、rbe

均比一個管子

1、rbe1提高了很多倍。由兩個或兩個以上三極管組成。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用第三節(jié)集成運放的典型電路

(F007內(nèi)部電路原理圖)輸入級中間級輸出級偏置電路電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.3.2集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對數(shù)表示，定義為無外加反饋時的直流差模增益單位：分貝理想情況Aod

為無窮大；實際情況Aod

為60~120dB。集成運放的符號老符號uid+VCC–VEE現(xiàn)用符號uouid+VCC–VEE8u+

—同相端輸入電壓u-

—反相端輸入電壓uid

—差模輸入電壓uid

=u

–

u+u+u-電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用三、差模輸入電阻rid二、共模抑制比KCMR定義：一般集成運放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運放在80dB以上，高質(zhì)量的可達160dB。其它指標(biāo)還有：最大輸出電壓、增益帶寬及輸出電阻等。四、輸入偏置電流IIB定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用反饋

—

將電路的輸出量(電壓或電流)的部分或全部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回路并影響輸入量(電壓或電流)和輸出量的過程。2.

信號的兩種流向正向傳輸：輸入輸出反向傳輸：輸出輸入

—

開環(huán)—

閉環(huán)輸入輸出

放大電路

反饋網(wǎng)絡(luò)第四節(jié)負反饋放大電路3.

判斷方法輸出與輸入之間是否存在反饋網(wǎng)絡(luò)(通路)由純電阻或串并聯(lián)電容無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用1.正反饋和負反饋正反饋—

反饋使凈輸入電量增加，從而使輸出量增大。負反饋—反饋使凈輸入電量減小，從而使輸出量減小。判斷方法：瞬時極性法

[例]5.4.1反饋的分類

反饋使凈輸入電流iid減小，故為負反饋。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用2.直流反饋和交流反饋直流反饋

—

直流信號的反饋。交流反饋

—

交流信號的反饋。判斷方法：看是否有電容

[例]uiuO8R1R2R3R4C有直流反饋,無交流反饋。直流通路中存在反饋通路。交流通路中存在反饋通路。若C串聯(lián)在反饋支路中,則無直流反饋。若去掉C則交直流反饋都有。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用3、電壓反饋和電流反饋電壓反饋

—

反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。電流反饋

—

反饋信號取自輸出電流。AFRLuo電壓反饋電流反饋iouoFARLio反饋取自輸出端或輸出分壓端為電壓反饋，反饋取自非輸出端為電流反饋。判斷方法：電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用4、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電壓相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。uid

=

ui

uf并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電流相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。iid

=

ii

ifAFiiifisiidRSRSAFuiuidufus反饋信號與輸入信號在不同節(jié)點為串聯(lián)反饋，在同一個節(jié)點為并聯(lián)反饋。判斷方法：電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用AFuiuidufusRSRLuo電壓串聯(lián)負反饋AFuiuidufusRSiouoRLio電流串聯(lián)負反饋FAiiifisiidRSRLuo電壓并聯(lián)負反饋FAiiifisiidRSiouoRLio電流并聯(lián)負反饋5.4.2四種類型的負反饋組態(tài)電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用※反饋類型的判斷[例1]uo

經(jīng)Rf

與R1分壓反饋到輸入回路，故有反饋。

反饋使凈輸入電壓uid

減小，為負反饋。反饋取自輸出端，故為電壓反饋。反饋信號與輸入信號在不同節(jié)點，故為串聯(lián)反饋。電壓串聯(lián)負反饋反饋組態(tài)判斷一電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用[例2]Rf

為輸入回路和輸出回路的公共電阻，故有反饋。

反饋使凈輸入電壓uid

減小，為負反饋。反饋取自非輸出端，故為電流反饋。反饋信號與輸入信號在不同節(jié)點故為串聯(lián)反饋。電流串聯(lián)負反饋反饋組態(tài)判斷二電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用[例3]

Rf

為輸入回路和輸出回路的公共電阻，故有反饋。反饋使凈輸入電流iid

減小，為負反饋。反饋取自輸出端，故為電壓反饋。反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點故為并聯(lián)反饋。電壓并聯(lián)負反饋反饋組態(tài)判斷三電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用[例4]Rf

介于輸入回路和輸出回路，故有反饋。

反饋使凈輸入電流iid

減小，為負反饋。反饋取自非輸出端，故為電流反饋。反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點故為并聯(lián)反饋。電流并聯(lián)負反饋反饋組態(tài)判斷四電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用四種反饋類型的判別一、正反饋和負反饋判別方法：瞬時極性法二、直流反饋和交流反饋判別方法：看反饋支路中是否存在電容三、電壓反饋和電流反饋判別方法：看反饋支路是否取自輸出端判別方法：看反饋支路是否反饋到輸入端小結(jié):四、并聯(lián)反饋和串聯(lián)反饋電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用A+–比較環(huán)節(jié)5.4.3負反饋放大電路性能的影響基本放大電路F反饋網(wǎng)絡(luò)

xi—輸入信號(ii或ui

)

xid

—

凈輸入信號(iid

或uid)

xo—輸出信號(io

或uo

)

xf

—

反饋信號(if或uf

)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xid

=xi-

xf—

負反饋方程。AF—環(huán)路放大倍數(shù)。1+AF—反饋深度。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用Af

的相對變化量A的相對變化量放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高二、提高放大電路的增益穩(wěn)定性三、減少非線性失真四、擴展通頻帶BW（改善波形失真）

BWf

=(1+AF)BW一、降低放大倍數(shù)電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用[例]

A

=

103，負反饋使放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高

100

倍，求F、Af

、A變化

10%時的Af

，以及dAf

/Af

。解：

1)1+AF=100，則F=(100–1)/

A=0.0992)=103/

100=103)此時的Af=負反饋以犧牲放大倍數(shù)，換取了放大倍數(shù)穩(wěn)定性的提高。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.4.4負反饋對輸入和輸出電阻的影響一、對輸入電阻的影響1.串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大Rif2.并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小Rifii

A

FuiuidufRiAFuidifiidii

A

FuiRiAFiid電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用二、對輸出電阻的影響1.電壓負反饋F

與A

并聯(lián)，使輸出電阻減小。AFRoRofA

為負載開路時的源電壓放大倍數(shù)。2.電流負反饋F

與A

串聯(lián)，使輸出電阻增大AFRoRofA

為負載短路時的源電壓放大倍數(shù)。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用第五節(jié)理想運算放大器5.5.1理想運放的技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益Aod

∞；輸出電阻ro

0；共模抑制比KCMR

∞；差模輸入電阻

rid

∞；輸入偏置電流IIB

0；帶寬BW

∞，轉(zhuǎn)換速率SR

∞等等。電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.5.2理想運放的兩種工作狀態(tài)輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即：+Aod理想運放工作在線性區(qū)特點：1.理想運放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”集成運放的電壓和電流一、線性區(qū)2.理想運放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個輸入端均沒有電流，即——“虛斷”電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成運放的傳輸特性二、非線性區(qū)當(dāng)u+>u-

時，uO

=+UOPP當(dāng)u+<u-時,uO

=-

UOPP

1.uO

的值只有兩種可能理想運放工作在非線性區(qū)特點：在非線性區(qū)內(nèi)，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運放的輸入電流等于零實際運放Aod

≠∞，當(dāng)u+與u-

差值比較小時，仍有Aod

(u+

-

u-

)UOPP，運放工作在線性區(qū)。但線性區(qū)范圍很小。實際特性電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.6.1

比例運算電路一、反相比例運算運算放大器在線性應(yīng)用時同時存在虛短和虛斷虛斷虛地為使兩輸入端對地直流電阻相等：R2=R1//Rf平衡電阻特點：1.為電壓并聯(lián)負反饋，Auf=

Rf

/R12.輸入電阻較小RifR

ifR

if=R13.uIC

=0

，對KCMR的要求低u+=u-

=0虛地重點第六節(jié)集成運算放大器的線性應(yīng)用電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用二、同相比例運算Auf=1電壓跟隨器當(dāng)R1=

，Rf

=0時，

特點：1.為電壓串聯(lián)負反饋，Auf=1+Rf

/R12.輸入電阻大R

if=

3.，對KCMR的要求高uIC

=uiu+=u-=uI電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用5.6.2

加法與減法運算一、加法運算1.反相加法運算R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf

=R1=R2

則uO

=

(uI1+uI2)∵且∴電路與電子技術(shù)第5章集成運算放大電路及其應(yīng)用法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R