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1、集成运算放大器 Bitsion 孙冰 2014-01-10 1 集成运算放大器简介 2 放大电路中的反馈 3 信号运算电路 4 集成运放的使用 1.1 集成运算放大器的分类 1.2 集成运算放大器的电路组成 1.3 集成运算放大器的参数 1.4 集成运算放大器的电压传输特性 1.1 集成运算放大器的分类 .1.1 什么是放大器 电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放大 器，英文为amplifier。 目前所有放大器的基础放大器件是电子管和晶体 管。 以放大器为核心，能够实现放大功能的电路，称为 放大电路。 .1.2 放大器的分类 从简到繁，可将放大器分为三个级别： 晶体管：双极型，单极型(
2、JFET,MOSFET) 集成运算放大器：标准运放，全差分运放 集成功能放大器：差动放大器，仪表放大器，程控增益放大器 ，压控放大器以及其它特殊功能放大器等。 .1.3 运算放大器 集成为一个芯片的，由晶体管组成的直接耦合型，开环多级放大 电路。 开环增益很大，不能直接作为放大器，需要外部反馈网络配合。 最常见：差分输入、单端输出的标准运放。 另一种：差分输入、差分输出的全差分运放 1.2 集成运算放大器的电路组成 .2.1 集成运算放大器的组成 特点 输入级采用差分放大电路，共模抑制比 和 输入电阻很高。 中间级多为差分电路和高增益放大器 ，起电压放大作用。 输出级采用互补对称放大电路和射极
3、输出器，ro很小，带负载能力很强。 直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 简单的运算放大器电路 T1、T2组成差分放大 T3、T4组成复合管放大 T5、T6为射极输出器 T7、T8组成恒流源 R7、D、T9为恒流源 + + - - - - - 1.2.2集成放大器的符号 1 输入失调电压 产生原因： 理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零 装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为 零时，存在一定的输出电压。 计算方法： 输入电压UI=0时，输出电压UO折合到输入端的电压的负值，即 1.2.3 集成运算放大器的参数 2 输入偏置电流 产生原因：
4、 BJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端 总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压 为零时，两个输入端静态电流的平均值。 当UO=0时，输入偏置电流IIB为 双极型晶体管-有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电 3 输入失调电流 产生原因： 如果运算放大器的输入级电路参数是完全对称的，则差分对管 的偏置电流应当相等。但实际输入差分对管是不可能完全一致的， 因此。它们的输入偏置电流必然会有差异。 计算方法： 当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差 ，即 越小越好 4 温度漂移 1. 输入失调电压温漂 输入失调电压温漂UIO/T是指在
5、规定温度范围内UIO的温度 系数，是衡量电路温漂的重要指标。UIO/T不能用外接调 零装置的办法来补偿。 输入失调电压 2.输入失调电流温漂 输入失调电流温漂IIO/T是指在规定温度范围内IIO的温度系 数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零装 置来补偿。 输入失调电流 5 最大差模输入电压 差模输入电压是指差动放大电路的两个输入端上的两个对地的输 入信号之差。 最大差模输入电压Uidmax指的是集成运放的反相和同相输入端所 能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将 出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永 久性损坏。 6 最大共模输入电压
6、 运放输入的共模输入电压超过最大共模输入电压Uicmax时的共模 抑制比将显著下降。 Uicmax一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟 随误差的共模输入电压幅值。 7 最大输出电流 最大输出电流Iomax是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通 常给出输出端短路的电流。 8 开环差模电压增益 开环差模电压增益AUO是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载 ，无负反馈情况下的直流差模电压增益。 其中，U-为反相输入端所加电压，U+为同 向输入端所加电压。这个参数集中反映了集 成运算放大器对有用信号的放大能力，这个 参数越大越好。 值得注意的是，AUO又是频率的函数，频率高于某一数值
7、后， AUO的数值开始下降。下图表示741型运放AUO的频率特性。 9 开环带宽 开环带宽BW又称为3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时 对应的频率fH。 741的带宽 为7HZ 10 单位增益带宽 单位增益带宽BWG对应于开环电压增益AUO频率响应曲线上其增益下 降到AUO=1时的频率fT，即AUO为0dB时的信号频率fT，是集成运放的重 要参数。 741型运放的AUO2105时， 它的fTAUOfH21057Hz 1.4MHz。 11 转换速率 转换速率SR是指放大电路在闭环状态下，输入为 大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对 时间的最大变化速率，即 集成运放的频率响应和瞬
8、态响应在大信号时与 小信号时的差别： 在大信号输入时，特别是大的阶跃信号加入时，运放将工作到非 线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。 从频率范围来看，这将使大信号频带宽度总要比小信号时窄； 而从瞬态响应来看，将使放大电路的输出电压不能即时地跟随阶跃 输入电压变化。 输出电压变化如下图所示，这就提出了转换速率的问题。由于转 换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定用集成运放在单位电压 增益、单位时间内输出电压的变化值，来标定转换速率。 转换速率的大小与许多因素有关，其中主要是与运放所加的补偿电容 ，运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电 电流等因素有关。 在
9、输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后 才随输入电压作线性变化，通常要求运放的SR大于信号变化斜率的绝 对值。 在运放的输入端加一正弦电压ui(t)Uimsint，输出电压uo(t)- Uomsint，输出电压的最大变化速率为 Uomcost 2fUom 为了使输出电压波形不因SR的限制而产生 失真，必须使运放的SR为 SR2fUom 1.4 集成运算放大器的电压传输特性 集成运算放大器在应用电路中有两个基本工作状态：线性工作 状态和非线性工作状态。 开环应用(或正反馈闭环应用) 非线性状态， 负反馈闭环应用 线性工作状态。 理想运放的特性： 差模开环电压增益Aud= 差模输
10、入电阻rid = 输出电阻ro = 0 共模抑制比KCMR = 输入偏置电流IIB = 0。 输出失调电压UIO、失调电流IIO及其温漂均 为零。 单位增益带宽BWG = 转换速率SR = 理想运算放大器在线性工作状态时的“虚短”和“虚断”特性： 虚短：由于运放的开环电压放大倍数很大（80dB以上）。而输 出电压是有限的（10V14V）。因此，运放的差模输入电压不足 1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。 这一特性称为虚假短路，简称虚短。 理想运放 两输入端之间相当于“短路” Ao, 如果u+=0，则u-=o，“虚地” u- u+ + - uiu o 虚断：运放的差模输入电阻很大，都在1
11、M以上。因此，流入 运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。可以 把两输入端视为开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。 对于理想运放ri = 两输入端之间相当于“断路” + - uiu o i- i+ 理想运算放大器在非线性工作状态时： 其输出电压将随差模信号电压的变化快速地转变到另一恒定值， 其输出电压uO只有两种可能 当uPuN时，uO=UOH； 当uPuN时，uO=UOL 2 放大电路中的反馈 2.1 反馈的基本概念 反馈是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一部 分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入 回路，并同输入信号一起参与控制作用，
12、以使放大电路某些性能获得 改善的过程。 图中xi是输入信号，xf 是反馈信号，xd称为净输 入信号。且有 1反馈的极性 分类： 按交直流性质反馈分为交流反馈、直流反馈和交直流反馈。 反馈信号只有交流成分时为交流反馈， 反馈信号只有直流成分时为直流反馈， 既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。 实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈。 按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反馈 两种极性。 xixd xixd 正反馈 负反馈 不同极性的反馈对放大电路性能的影响截然不同： 正反馈能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性， 主要用于振荡电路。 负反馈降低了放大
13、倍数，但却换来了放大电路性能的改善，是反馈 讨论的重点 。 3 信号运算电路 3.1基本运算电路 3.2积分与微分电路 3.3 对数与指数电路 1比例运算电路 （1）反相比例运算电路 电路的电压放大 倍数为 3.1 基本运算电路 若令Rf = R1，则有Auf = -1，称为反相器。 2 同相比例运算电路 所以有： 当Rf=0，R1=时，则有： 同相跟随 2加法运算电路 当R1=R2=Rf时，输出等于两输入之 和的反相 ii1 ii2 因为因为以及 3减法运算电路 当R1=Rf，R2=R3 时减法电路 1积分运算电路 即是电容C 的充电电流 当输入信号ui是阶跃信号 UI，且电容C 初始电压为零， 则当t0时 2微分运算电路 4 集成运放的使用
