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1、第 11 章 运算放大器前两章讲的是分立电路，就是由各种单个元件连接起来的电子电路。集成电 路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。近年来，集成电路正在取代分立电路元件，它打破了分立元件和分立电路的设计方法，实现了材料、元件和电路的统一。它的体积小，重量 轻，功耗低，可靠性高，价格也 较便宜。所以集成电路的问世。是电 子技术的一个新的飞跃，使电子技术进入了微电子时代，从而促进了各个科学技术领域先进技术的发展。就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模（即 SSI，MSI,SIVLL 和 SI）之分。目
2、前的超大规模集成电路，每块芯片上制有上亿个元件，而芯片面积只有几十平方毫米。就导电类型而言，有双极型、单级型和两者兼容的。就功能而言，有数字集成电路和模拟集成电路。本章所讲的是集成运算放大器。至于其它集成器件，将在后面各章部分别介绍。11.1 运算放大器的简单介绍11.1.1 运算放大器的组成集成运算放大器的电路可分为输入级、中间级、输出集和偏执电路四个基本组成部分（图 11.1.1）图 11.1.1 运算放大器的方框图输入级是提高运算放大器质量关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级都采用差分放大电路，它有同相和反相两个输入端。中间级主要进行电压放大倍数高，一般由共发
3、射极放大电路构成。输出级与负载相连，要求其输出电阻低带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路的作用是为了上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管脚的用途以及放大器的主要参数，至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。集成运算放大器可用图 11.1.1 的符号来表示。图中所示的是F007（5G24）集成运算放大器的外形、管脚和符号图。它有双列直插式 图 11.1.2a和圆壳式 图 11.1.2b两种封装。 这种运算器需要与外电路相接的是通过 7 个管脚引出的。各管脚
4、的功能是：图 11.1.2 F007 集成运算放大器的外形、管脚和符号图1,5外接调零电位器（通常为 10K）的两个端子。2反相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是反相的（或两者极性相反）。3同相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是同相的（或者两者极性相同）。4负电源端。接-15V 稳压电源。6输出端。7正电源端。接+15V 稳压电源。8空脚。11.1.2 主要参数运算放大器的性能可用一些参数来表示。为了合理选用和正确选用和正确使用运算放大器，必须了解各主要参数的意义。1.最大输出电压 U OP能是输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出
5、电压。F007 集成运算放大器的最大输出电压约为正负十三伏。2.开环电压放大倍数 A uo在运算放大器的输出端与输入端之间没有外接电路时所测出的差摸电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。 A 越高，所构成的运算电路月稳定，运算精度也越高。 A 一般约uo uo为 104 - 107,即 80 140dB。3.输入失调电压 U 0I理想的运算放大器，当输入电压 u =u =0(即把两输入端同时接1I2I地)时 ，输出电压 u =0。但在实际的运算放大器中，由于制造中能0够元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，u 0.反过来0说，如果要 u =0，必须在输入端加一个很小的 补偿电压，它就是0输
6、入失调电压。U I一般为几毫伏，显然他愈小愈好。4.输入失调电流 I 0输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即 I = 。I 一般在零点零几毫安 级，其 值愈小愈好。021B05. 输入偏执电流 I输入新年好为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，成为输入偏执电流，即 I = .它的大小主要和 电路中的第一级管子的B2BI性能有关。这个电流也是愈小愈好，一般在零点几微安级。6.共模输入电压范围 U ICM运算放大器对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运算放大器的共模抑制性能就大为下降，甚至造成器件损坏。以上介绍了运算放大器
7、的几个主要参数的意义，其他参数（如差模输入电阻、差模输出电阻、温度漂移、共模抑制比、静态功耗等）的意义是可以理解的，就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高（几兆欧以上）、输出电阻低（为几百欧）、漂移小、可靠性高、体积小的主要特点，所以他已成为一种通用器件，广泛而灵活的运用于各个技术领域中。在 选用集成运算放大器时，就像选用其他电路元件一样，要根据它们的参数说明，确定适用型号。11.1.3 理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器时，一般可将它看成理想运算放大器。理想化的条件主要有：开环电压放大倍数 A ;0u差模输入电阻 r ;id开环输入电阻 r 0;0共模
8、抑制比 K .CMR由于实际运算放大器的上述技术指标接近理想化的条件，因此在分析时用理想运算放大器代替实际放大器所引起的误差并不严重，在工程上是允许的，但这样就使分析过程大大简化。后面对运算放大器都是根据它的理想化条件来分析的。图 11.1.3 所示是理想运算放大器的图形符号。它有两个输入端和一个输出端。反向输入端标上“-”号，同相 输入端和输出端标上“+”号。它们对“地”的电压（即各端的电压）分别用 u ,u , u 表示。 “ ”表0示开环电压放大倍数的理想化条件。表示输出电压和输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性，从运算放大器的传输特性（图 11.1.4）看，可分为线性区和饱和区。运算
9、放大器可工作在线性区，也可工作在饱和区，但分析方法不一样。图 11.1.3 运算放大器的图形符号图 11.1.4 运算放大器的传输特性1. 工作在线性区当运算放大器工作在线性区时，输出信号 u 和输入差值信号（u -u0 ）是线性关系，即u =A （u -u ） （11.1.1）0运算放大器是一个线性放大元件。由于运算放大器的开环电压放大倍数 A 很高，即使输入毫伏级以下的信号，也足以使 输出电压0u饱和，其饱和值+U 或-U 达到接近正电 源电压或负电源电压)(0sat)(0sat值；另外，由于干扰，使工作难以稳定。所以，要是运算放大器工作在线性区，通常外接反馈电路（见 11.2 节）。运算
10、放大器工作在线性区时，分析依据有两条：（1（ 由于运算放大器的差模输入电阻 r ，故可认为两输id入端的输入电流为零。（2（ 由于运算放大器的开环电压放大倍数 A ，而 输出电0u压是一个有限制，故从式（11.1.1）可知，u -u = 0uA即 u u如果反相端有输入时，同相端姐“地”，即 u =0，由上式可见，u 0 这就是说反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的“地”电位端，通常称为“虚地”。2. 工作在饱和区运算放大器工作在饱和区时，式（11.1.1）不能满足，这时输出电压u 只有两种可能，或等于 +U 或等于-U ，而 u 与 u 不一定0 )(0sat )(0sat
11、相等：当 u u 时， u =+U ；0)(sat当 u u 时， u =-U 。)(st此外，运算放大器工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也等于零。运算放大器的应用很广泛，后面几节将介绍它在几个方面的而应用。【例 11.1.1】F007 运算放大器的正、负电源电压为 15V，开环电压放大倍数 A =2 105 ，输出最大电压（即 U ）为 13V。今在0u)(0sat图 11.1.3 中分别加下列输入电压，求出输出电压及其极性：（1（ u =+10uV,u =-10Uv;（2（ u =-5uV,u =+10Uv;（3（ u =0V,u =5mV;（4（ u =5mV,u =0V。【解】由式
12、（11.1.1）u -u = = V= uV0uA51236可见，只要两个输入端之间的电压绝对值超过 65uV，输出电压就达到正或负的饱和值。（1（ u =2 105(15+10) 10-6=+5V0（2（ u =2 105(-5-10) 10-6=-3V（3（ u =-13 V0（4（ u =+13 V11.2 放大电路中的反馈负反馈在科学技术领域中的应用很多，在电子放大电路中采用负反馈的目的是为了改善放大电路的工作性能。11.21 反馈的基本概念凡是将放大电路（或某哥系统）输出短的信号（电压或电流）的一部分或全部通过某种电路（反馈电路）引回到输入端，就称为反馈。图 11.2.1 所示分别为
13、无反馈的和带反馈的放大电路的方框图。任何带有反馈的放大电路都包含两个部分：一个为不带反馈的基本放大电路 A，它可以是单级或多级 的；一个是反馈电路 F，它是联系放大电路的输出电路和输入电路的环节，多数是有电阻元件构成。图中，用 x 表示信号，它既可以表示电压，也可以表示电流。信号的传递方向如图中箭头所示，x ,x 和 x ，分别为输入、输I0F出和反馈信号。x 和 x 在输入端比较（“ ”是比较环节的符号），FI得出净输入信号 x 。D若引入的反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈；若使净输入信号增大，则为正反馈图 11.2.1 放大电路方框图（a）无反馈 （b）带有反馈11.2.2 负反馈和正
14、反馈的判别 瞬时极性法是判别电路中负反馈与正反馈的基本方法。设接“地”参考点的电位为零,电路中某点在某瞬时的电位高于零电位者,则该点电位的瞬时极性为正(用 表示),反之为负( 用 表示) 。在图 11.2.2(a)中,R 为 反馈电阻,跨接在输出端与反相 输入端之间,F设某一瞬时输入电压 u 为正,则同相输入端电位的瞬时极性为“ ”,输I出端电位的瞬时极性也为” ”。输出电压 u 经 R 和 R 分压后在 R0F1上得出反馈电压 u (根据图中的参考方向 u 应为正值),它减小了净1 F输入电压 u ,u =u -u ,故为负反馈。或者 说。输出端电位的瞬时极性DI为正,通过反馈提高了反相输入
15、端的电位,从而减小了净输入电压。 图 11.2.2 负反馈与正反馈的判别（a）负反馈 (b)正反馈顺便提一下,对于理想运算放大器,由于 A ,即 使在两个输入0u端之间加一微小电压(如在例 11.1.1 中,超过 ),输出电压就达到v65正或负的饱和值。因此必须引入负反馈,使 u -u ,才能使运算放大器工作在线性区。在图 11.2.2（b）中,设 u 为正时,反相输入端电位的瞬时极性为” ”,I输出端电位的瞬时极性为” ”。u 经 R 和 R 分压后在 R 上得到反0F22馈电压 u (在图中 u 应为正值)。显然, u 使净输入电压 u 增大了,故FF D为正反馈。或者说,输出端电位的瞬时
16、极性为负,通过反馈降低了同相输入端的电位,从而增大了净输入电压。11.2.3 负反馈的类型根据反馈电路与基本放大电路在输入端和输出端连接方式的不同,负反馈可分为下述四种类型。1. 串联电压负反馈图 11.2.3（a）所示即为图 11.2.2(a),已判别是一负反馈电路。图 11.2.3 串联电压负反馈电路(a)电 路 (b)方框图反馈电压u = uF1R0取自输出电压 u ,并与之成正比 ,故为反馈电压。 0反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式作比较,两者串联,故为串联反馈。因此,图 11.2.3(a)是引入串联电压负反馈的电路。图 11.2.3(b)是其方框图。2. 并联电路负反馈在图 11.24(a)中,设某一瞬时输入电压 u 为正,则反相输入端电位I的
