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1、2018年8月22日星期三,第3章 集成运算放大器及应用,内 容 提 要本章首先介绍了集成运算放大器的结构、特性和主要参数，然后讨论运放的线性应用和非线性应用， 最后介绍了集成运放的使用常识。,3.1 集成运放放大器 3.2 集成运放的线性应用 3.3 集成运放的非线性应用 3.4 集成运放的使用常识,3.1 集成运算放大器,由三极管为核心元件的交流放大电路是由单个的分立元件构成，它们是电子技术的基础。电子科技一直在进步，目前在实际应用中较少直接使用结构如此简单的放大器，而主要使用的是集成电路，其中使用最多的是集成运算放大器，简称集成运放或运放。,集成运算放大器是采用集成电路工艺制成的高增益放
2、大器。它的应用已超出早期的数学运算范畴，能够实现各种不同功能的线性和非线性应用。运放的内部电路相当复杂，但作为使用者，只需要关注它的外部特性。目前运放已经像晶体管一样成为一种通用性极强的基本单元器件。,1958年美国TI公司成功地制造了世界上第一块集成电路。40余年来，集成电路的制造技术飞速发展。集成电路的发明是电子技术发展史上的一个重要里程碑。,第一个集成电路及其发明者 （ Jack Kilby from TI ）,1958年9月12日，基尔比在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。,前
3、面讲述的放大电路均是由彼此相互分开的三极管、二极管、电阻、电容等元件，借助导线或印刷电路连接成的一个完整的电路系统，称之为分立元件电路。利用半导体三极管常用的硅平面工艺技术，把组成电路的电阻、电容、二极管、三极管及连接导线同时制造在一小块硅片上，便成为一块集成电路，其对外部完成某一电路的功能。,集成电路是采用半导体制造工艺将元器件和电路融为一体的固态组件，因此，集成电路又称为固体电路。它与分立元件电路相比具有体积小、重量轻、外部焊点少、安装方便、工作可靠等优点。,1. 集成电路的特点（1）集成电路采用差动式直接耦合电路。（2）集成电路不用电感，少用电容和高阻值电阻。（3）大量使用三极管作为有源
4、单元。三极管占据单元面积小且成本低廉，所以在集成电路内部用量最多。,三极管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或作为二极管、稳压管使用。,（2）按所用器件分类。双极型集成电路：用NPN管或PNP管组成。单极型集成电路：用单极型器件（MOS管）组成，它又可分为三种：用N沟道MOS管组成的，称为NMOS型；用P沟道MOS管组成的，称为PMOS型；同时采用P沟道、N沟道互补的，称为CMOS型。 用双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路、数字集成电路等等。,3.1.2 集成运算放大器的外形和符号集成运算放大器是一个多端元件，主要采用圆壳式和 双列直插式两种封装外形。,集成电路
5、的外形封装,（a）双列直插封装,（b）单列直插封装,（c）表面安装器件,集成运算放大器是模拟集成电路中品种最多、应用最广泛的一类组件，集成运放实际上是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。最初是用于数的计算，所以称为运算放大器。,集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能，但后来发展成为像三极管一样的通用器件，被称为“万能放大器件”。具有差动输入级的集成运放的主要特点表现为开环增益非常高（高达1万倍至百万倍）、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等，并且在使用上具有很大的通用性。,集成运放：是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,输出级主要提高带负载能力，给出 足够的输出电
6、流io ，输出阻抗 ro小。,中间级应有足够大的电压放大倍数,尽量减小零点漂移, 输入阻抗 ri尽可能大,图3.1 运算放大器的外形 （a）金属圆壳封装；（b）塑料双列直插式封装,画电路图时集成运放的电路符号如图3.2所示。图（a）是国家新标准规定的符号；图（b）是旧符号。通常只画出输入和输出端，其余各端可不画出,反相输入端,同相输入端,输出端,运算放大器的特点包括：输入电阻非常高（10k1000M），输出电阻很小（50500），电压放大倍数很大（104106），零点漂移很小，能放大交流信号，也能放大直流信号等。根据运放的这些特点，可将实际运放理想化：电压增益Au ；输入电阻Ri ；输出电阻R
7、o0。此外，可认为其通频带为无限宽，没有失调现象，即：当输入电压为零时，输出电压也为零。,3.1.3 理想运算放大器,图3.3 理想运放符号,理想运放的符号如图3.3所示，表示信号传输方向，表示理想条件。,运放的工作区分为线性区和非线性区（饱和区）。 1. 集成运放工作在线性区的特点运放线性应用的必要条件是：集成运放必须引入深度负反馈。,集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性。,3.1.4 集成运放的特点,线性区很窄,所以运放在线性区工作,通常引入深度电压负反馈,斜率=Au,负反馈的概念,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，
8、就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。 若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。,反馈电路的三个环节：,放大：,反馈：,迭加：,（1）虚短。在线性区，输出电压与输入电压成简单的线性关系， 即： uo = Ao ( u+ - u- )因为理想运放的Ao，而uo为有限值（绝对值小于电源电压值），所以 即： u+ = u 于是反相端与同相端之间可视为短路。但事实上Ao不可能无限大，两输入端又不可能短接，所以不是真正短路，而是“虚假短路”，简称虚短。,（2）虚断。由
9、于理想运放的Ri ，故认为反相输入端与同相输入端的输入电流均趋于零，即有实际上Ri不可能无限大，u+ 和u也不可能完全相等，i+ 与i只能是近似为零，称为“虚假断路”，简称虚断。虚短和虚断是两个十分重要的结论，运用这两个结论，将大大简化运放电路的分析。,线性区,非线性区,非线性区,+Uom,-Uom,uo与ui是线性关系，即,“虚短”,“虚断”,uo只有两种可能，即+Uom和-Uom,“虚短”不成立,“虚断”仍成立,2. 集成运放工作在非线性区的特点运放非线性应用的必要条件是：集成运放处于开环状态或引入正反馈。（1）输出电压为正向或负向饱和电压。 在非线性区，只要运放输入很小的电压变化量，输出
10、电压就只有两种可能：正最大输出电压+Uom或负最大输出电压-Uom 。,这两个电压的绝对值可能不相等，可通过在输出端加双向稳压管来获得等值反向的输出电压。 即有:当u+ u- 时，uo = + Uom当u+ u- 时，uo = - Uom（2）运放的输入电流等于零。由于运放的输入电阻Ri ，因此两个输入端的输入电流仍然为零。,线性应用：,电路引入了负反馈，,非线性应用：,电路开环或引入了正反馈，,集成运放工作在线性区。,集成运放工作在非线性区。,（1）判断集成运放的工作区域。 （2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行分析。,分析集成运放应用电路的基本步骤是：,例3.1 已知运算
11、放大器的正、负电源电压为15V，电压放大倍数Au=2105，输出最大电压（即Uom）为13V，在图3.4所示中分别加下列输入电压，求输出电压及其极性。（1）u+=15V，u- = -10V；（2）u+= -5V，u- = +10V；（3）u+=0V，u- = +5mV；（4）u+=5mV，u- = 0V。,解：由式（3-1）：可见，只要两个输入端之间的电压绝对值|u+-u|超过65V，输出电压就达到正或负的饱和值。 （1）因|u+-u|=|15+10|=25V，所以uo = Au (u+-u) = 21052510-6= +5V （2）因|u+-u|=|-5-10|= |-15|=15V，所以
12、uo = Au (u+-u) = 2105（-1510-6）=-3V （3）因|u+-u|=|0-5|=|-5|=5mV，所以uo =-Uom =-13V （4）因|u+-u|=|5-0|= 5mV，所以uo = + Uom =+13V,集成运放的应用可分为线性应用和非线性应用两大类。线性应用：运算电路、测量放大器等；非线性应用：电压比较器等。 运放在线性应用时，要使运放工作在线性状态，并引入深度反馈。 否则由于运放的开环增益很高，很小的输入电压或运放本身的失调都可使它超出线性范围。 分析运放的线性应用时，经常用到“虚短”和“虚断”的概念。,3.2 集成运放的线性应用,一、分析集成运放线性电路
13、的两个重要原则1虚短 虚短是指运放的两个输入端电位相等。,2虚断 虚断是指运放两个输入端的输入电流为零。,实现输出信号与输入信号按一定比例运算的电路称为比例运算电路比例运算电路包括：反相比例运算电路同相比例运算电路,3.2.1 比例运算电路,1. 反相比例运算电路,反相比例运算电路由一个集成运放和三个电阻组成， 结构比较简单。输入电压经过一个输入电阻R1 加在反相输入端，同相输入端经过一个电阻R2 接地。输出端与运放的反相输入端由一个电阻Rf 相连，保证集成运放工作在线性区。电阻 R2 平衡电阻电阻 Rf 反馈电阻,工作原理：输入信号ui 经 R1加到反相输入端上，同相输入端经R2 接地，输出
14、信号uo 经过Rf接回反相端，形成深度并联电压负反馈，电路工作在线性区。R2为平衡电阻，其作用是为了与电阻R1和Rf保持直流平衡，以提高输入级差放电路的对称性，通常取R2 = R1Rf。,工作原理：根据“虚短”和“虚断”的概念有电路中，因为i+= 0，R2中没有电流，u+ = 0又因为 u+ = u ，故说明反相输入端是一个不接地的“接地”端，称为“虚假接地”，简称“虚地”。虚地是虚短的特例，是反相输入放大器的重要特性。,“虚地”,特点：,1.为深度电压并联负反馈，,Auf = Rf / R 1,u+ = u-= 0,“虚地”,2.,反相输入信号时，,反相比例运算放大电路,“虚短”,“虚断”,
15、由图3.5可得而所以得,上式表明：输出电压u0与输入电压ui 成正比，并且由于输入电压ui 加在运放的反相输入端，输出与输入反相，故称为反相比例运算电路。比例系数为 。同时亦可知反相比例运算电路的电压放大倍数为,当 R1 = Rf 时，,Auf = -1,反相器,特殊地：,反相器,2 . 同相比例运算电路,同相输入比例运算电路也是由一个集成运放和三个输入 电阻组成。但与反相比例运算电路不同的是：输入电压ui 通过输入电阻R2 加在同相输入端，反相输入端通过电阻R1 接地，电路的输出端与反相输入端由反馈电阻Rf相连，引回一个负反馈。,R2为平衡电阻，R2 = R1Rf,根据理想集成运放“虚断”和“虚短”的特点，由图中可得,上式表明：输出电压uo与输入电压ui成正比，并且由于ui加在同相输入端，输出与输入同相，故称为同相比例运算电路。比例系数为 。同时得到同相比例运算电路的电压放大倍数为,当 R1 = ，Rf = 0 时，,Auf = 1,电压跟随器,特殊地：,同相器,当 时，（a）,对于集成运放有一定的限流保护作用。,跟随精度高,当 ， 且 时，（b）,图3.5 反相比例运算电路 图3.6 同相比例运算电路,加法运算电路是实现若干个输入信号求和功能的电路。在反相比例运算电路中增加若干个输入端，就构成了反相加法运算电路。,
