《電路與模擬電子技術基礎》課件-第 9 章 集成運算放大電路

第

9

章集成運算放大器9.1集成電路概述9.2

集成運放的組成9.3

集成運算放大電路的主要參數(shù)9.4

集成運算放大電路的應用

重要知識點

本章小結2本章要點

1.集成運算放大器組成。

2.理想運算放大器。

本章重點難點

1.差分式放大電路的基本原理。

2.集成運算放大器的基本應用。9.1集成電路概述31．集成電路的概念及分類（1）概念：將分立元件組成的完整電路，制作在同一塊硅片上而形成集成電路。（2）分類：按功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路等。按規(guī)模可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模等。模擬集成電路可分為集成運算放大電路、集成功率放大電路、集成穩(wěn)壓電源電路等。42．集成電路的特點（1）級間采用直接耦合方式。由于硅片上不能制作大容量的電容，所以集成運放的內部電路結構只能采用直接耦合方式。在需要大容量電容和高阻值電阻的場合，常采用外接法。

（2）需要抑制零點漂移。直接耦合電路容易產(chǎn)生零點漂移，為了克服零點漂移，常采用補償手段。典型的補償型電路是差分放大電路，它是利用兩個晶體管參數(shù)的對稱性來抑制零點漂移的。5（3）用有源器件代替無源器件。在硅片上制作電阻，電阻值的精度不易控制，誤差可達10%～20%，因此在集成電路中，高阻值的電阻多用三極管、場效應管等有源器件組成的恒流源電路來代替。（4）采用復合結構的電路。集成電路內部放大器所用的三極管通常采用復合管來改進單管的性能。運算放大器外形圖69.2集成運算放大電路簡介71．集成運放的組成

集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。

兩個輸入端，一個輸出端。其內部電路一般是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4部分組成。圖9-1集成運放電路結構方框圖82．各部分的作用（1）輸入級。輸入級采用差分放大電路，以提高輸入電阻、減小零點漂移和抑制干擾信號。

（2）中間級。中間級主要進行電壓放大，一般由共發(fā)射極放大電路構成。集電極電阻常采用晶體管恒流源代替，以提高電壓放大倍數(shù)。

（3）輸出級。輸出級采用互補對稱功放電路或射極輸出器，以便輸出足夠大的電流和功率，并降低輸出電阻，提高帶負載能力。2．各部分的作用

9（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。

與分立元件不同，集成運放多采用恒流源電路為以上3部分電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點。103.典型集成運放F007簡介

圖9-2F007電路原理圖

電路原理圖如圖9-2所示。

典型集成運放F007的外形封裝

11

圖9-3F007集成運放外形及引腳圖集成運放F007的外形封裝常見的為圓殼式，共有8個腳，其中引腳2、3分別為反相和同相輸入端，6為輸出端，7、4分別接正、負直流電源，1、5兩端之間接調零電位器。4．集成運放的電路符號

12集成運放的電路符號如圖9-4所示。uN為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號‘+’表示；uP為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相反，用符號“-”表示。uO為輸出端。(a)我國常用符號（b）國外常用符號圖9-4集成運放的符號9.3差分放大電路簡介131．電路組成圖9-5基本差分放大電路14①射極電阻Re的作用。引入直流負反饋，抑制每只管子產(chǎn)生的漂移，從而抑制溫度變化對靜態(tài)工作點的影響，穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點，并且Re越大，靜態(tài)工作點越穩(wěn)定。1．電路組成15②負電源VEE的作用。射極電阻Re越大，其抑制零點漂移的作用就越強，但Re取值太大會使其上直流壓降也增大，若僅靠VCC供電，就會使IC減小，使管子的靜態(tài)工作點下降，進而導致管子動態(tài)范圍減小，甚至影響放大電路正常工作。引入負電源VEE，可以補償Re上的直流管壓降，使電路有合適的靜態(tài)工作點，不會導致管子的動態(tài)范圍太小，并且由于負電源VEE直接為兩管設置偏置電流，因此也可去掉偏置電阻Rb。1．電路組成162．工作原理（1）靜態(tài)分析靜態(tài)時，uI1=uI2＝0，由于電路完全對稱，因此UBE1＝UBE2，IBQ1＝IBQ2，ICQ1＝ICQ2，UCEQ1=UCEQ2，而UO＝UC1?UC2＝0，即靜態(tài)時輸出電壓為零。17（2）動態(tài)分析為了更好地分析差分放大電路的特性，定義差分放大電路的輸入信號為兩種形式：差模信號和共模信號。所謂差模信號，即在電路的兩個輸入端加上一對大小相等、極性相反的信號，即uI1=?uI2；所謂共模輸入，就是在電路的兩個輸入端加上一對大小相等、極性相同的信號，即uI1=uI2。2．工作原理△iE1=－△iE2，Re中電流不變，即差模信號：數(shù)值相等，極性相反，即①差模電壓放大倍數(shù)Aud183．主要技術指標的計算圖9-6交流通路結論：雙端輸入、雙端輸出的情況下，差分放大電路對差模信號的電壓放大倍數(shù)等于單邊電路的放大倍數(shù)。差分放大電路是用成倍的元器件來換取抑制零點漂移的能力。19圖9-7微變等效電路圖從微變等效電路可知，差模輸入電阻和差模輸出電阻分別為rid=2rbe

rod=2Rc

20②差模輸入電阻Rid和輸出電阻Rod

綜合考察差分放大電路放大差模信號的能力和抑制共模信號的能力，常用“共模抑制比”這一指標。所以將比值Aud/Auc的絕對值稱為共模抑制比，即KCMR越大，表明電路抑制共模信號的能力越強。在理想情況下，基本差分放大電路如由雙端輸出，Auc=0，KCMR=∞。實際上差分放大電路很難做到完全對稱，即，其共模抑制比KCMR為60dB～80dB。21③共模抑制比

根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：

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。2223【例9-1】差分放大電路如圖9-11所示，設兩個三極管參數(shù)完全相同，已知

=100，rbe=1kΩ，Rc1=Rc2=Rc=10k

，試問：（1）差模電壓放大倍數(shù)Aud。（2）差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。

圖9-18例9-1圖解：由圖可知該電路為雙端輸出，所以差模電壓放大倍數(shù)與單管共射電路的電壓放大倍數(shù)相同，輸入電阻為單管電路輸入電阻的兩倍，輸出電阻也是單管電路的兩倍，即Rid=2rbe=2×1kΩ=2kΩRod=2Rc=2×10kΩ=20kΩ249.4集成運算放大電路的主要參數(shù)251．開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud是指在無外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)。Aud越高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。返回262．共模抑制比KCMR

KCMR表示集成運放開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比，一般用對數(shù)表示，單位為分貝，即273．最大輸出電壓UOPP（輸出峰—峰電壓）最大輸出電壓UOPP是指在不失真情況下最大輸出電壓值，它與集成運放的電源電壓有關。284．最大差模輸入電壓UIdmax兩個輸入端間所允許加的最大電壓差值稱為最大差模輸入電壓。如果差模輸入信號超過UIdmax，將引起輸入管反向擊穿，而使運放不能正常工作。295．差模輸入電阻ridrid的大小反映了集成運放的輸入端向信號源索取電流的能力。一般要求rid越大越好,普通集成運放可達到幾百千歐到幾兆歐。例如：F007的rid為2MΩ。6．輸出電阻ro輸出電阻ro的大小反映了集成運放在輸出信號時的帶負載能力。有時也用最大輸出電流Iomax來表示它的極限帶負載能力。9.5集成運算放大電路的應用309.5.1．理想運算放大器的特點1．理想運算放大器的主要條件（1）開環(huán)差模電壓增益Avd=

。（2）開環(huán)差模輸入電阻Rid=

。（3）輸出電阻Ro=0

。（4）共模抑制比。除了上述幾個主要的條件以外，還有輸入失調電壓、失調電流及溫漂等條件。返回當運算放大器工作在線性區(qū)時，其輸出電壓uO和輸入電壓uN、uP之間必須滿足由于uO為有限值，而Aud=∞，即使輸入毫伏級以下的信號，也足以使輸出電壓uO=UOM。因此，為了使運算放大器工作在線性區(qū)，需要引入負反饋。圖9-9集成運放引入負反饋312．理想運算放大器的特點理想運算放大器工作在線性區(qū)時，具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個特性非常重要。

(1)虛短由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，而運放的輸出電壓是有限的。因此運放的差模輸入電壓為，uN=uP

322．理想運算放大器的特點兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。

注意：

“虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。

顯然不能將兩輸入端真正短路。332．理想運算放大器的特點

(2)虛斷由于凈輸入電壓為零，又由于理想運放的輸入電阻，故理想運放的兩輸入端電流均為零，即。注意：“虛斷”是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

iN=iP=0342．理想運算放大器的特點1.比例運算電路

輸出電壓圖9-10反相比例運算電路根據(jù)虛斷iN=iP=0根據(jù)虛短uN=uP=0iI=

(uI－

uN)/R1=uI/R1iF=

(uN－

uO

)/Rf=-uO/Rf∵iI=iF∴uI/R1=-uO/Rf9.5.2基本運算電路35【例9-2】電路如圖所示，uI=0.6V，R=50kΩ，Rf=100kΩ。試求輸出電壓uO的值。解

由“虛短”、“虛斷”的概念，有節(jié)點N的方程為uN=uP=0，iN=iP=0則

36該電路實現(xiàn)了反相比例運算功能

。同相比例運算電路根據(jù)虛斷iR=iF根據(jù)虛短uN=uP=uI即2）同相比例運算電路整理可得結論：輸出電壓uO與輸入電壓uI同相，且uO大于uI。

37特例：電壓跟隨器當R=∞（斷開R）或Rf=0時uO=uI

（a）R=∞

（b）Rf=0圖9-18電壓跟隨器

38同相比例運算電路-電壓跟隨器【例9-3】

電路如圖所示。設A為理想集成運放，R1=15kΩ，Rf=150kΩ。試求：輸出電壓uO與輸入電壓uI之間的關系，說明電路運算功能。解

由“虛短”、“虛斷”的概念，有該電路實現(xiàn)了同相比例運算功能。節(jié)點N的方程為uN=uP=uI，iN=iP=0則

39圖9-16反相加法電路根據(jù)虛斷，節(jié)點N的電流方程為根據(jù)虛短uN=uP=0即2．加法運算電路整理可得（1）反相加法運算電路。40uP1

、uP2分別為uI1

、uI2單獨作用于同相端的輸入電壓，其中設同相輸入端的電壓（2）同相加法運算電路41圖9-17同相加法電路結論：實現(xiàn)了同相加法運算。42利用同相比例運算電路的特性，可得若，則【例9-4】

電路如圖所示，假設A是理想集成運放，試求輸出電壓uO的值。解

由“虛短”、“虛斷”的概念，有該電路實現(xiàn)了同相加法運算功能。列寫節(jié)點N的方程為uN=uP，iN=iP=0聯(lián)立兩個方程，可得

uO=uI1+uI2

列寫節(jié)點P的方程有43圖9-19減法運算電路聯(lián)立求解可得列出N、P節(jié)點的電流方程為

3．減法運算電路當R1=R2，Rf=R3時，上式變?yōu)?4【例9-5】

電路如圖所示，已知R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=R6=Rf2=10kΩ，試求輸出電壓uO與三輸入電壓uI1、uI2、uI3之間的關系，該電路運算功能。解

第一級為反相加法電路，第二級為減法電路。該電路實現(xiàn)了加法運算。454．積分運算電路根據(jù)“虛短”

根據(jù)“虛斷”

而

整理得

輸出電壓uO為輸入電壓uI對時間t的積分，即實現(xiàn)了積分運算。

46積分電路除了可作積分運算外，還可用作波形變換，如將方波信號變換為三角波信號。當方波信號輸入積分電路時，輸出為三角波信號。積分電路的應用47【例9-6】

如圖9-27所示的積分電路，已知R=20kΩ，C=1μF，輸入信號uI為所示的階躍電壓。試求：輸入信號10s后，輸出電壓UO為多少？解由于積分電路的uO與uI的關系為將已知條件R=20kΩ，C=1μF，uI=1mV代入上式，得到48當t=10s時，該電路的輸出電壓UO=-0.05×10=-0.5V49根據(jù)“虛短”

根據(jù)“虛斷”

由

整理得

輸出電壓uO為輸入電壓uI對時間t的微分，即實現(xiàn)了微分運算。

5．微分運算電路50除了可作微分運算外，在脈沖數(shù)值電路中，常用作波形變換，如將方波信號變換為尖頂脈沖波。當方波信號輸入微分電路時，輸出為尖頂脈沖信號。微分電路的應用5152

零點漂移：當無信號輸入時，由于工作點不穩(wěn)定被逐級放大，在輸出端出現(xiàn)靜態(tài)電位緩慢不規(guī)則地變化的現(xiàn)象。在多級放大電路中，第一級的漂移影響尤為重要，必須采取措施有效地抑制零點漂移。

虛短：“虛短”是指在分析計算時，將集成運放的反相輸入端與同相輸入端間的電位差視為零，即uN=uP?！疤摱獭苯^不是將兩輸入端真正短路，在實際電路中，也絕不是uId=0，而是因為Aud很大，只是加入一個微小信號，就能在輸出端得到