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1、,第四章 集成运算放大器及其应用 4.1 集成运算放大器的组成和主要参数 4.1.1 集成运放的组成和符号 集成运算放大器简称集成运放，是利用半导体制造工艺将二极管三极管电阻电容等元件及之间连线集成在一块半导体芯片上，完成一定功能的完整电路。集成运放实际上是一种放大倍数很高的直接耦合放大电路，具有性能完备元件密集度高体积小重量轻、工作可靠价格低等特点，在信号处理、波形转换、自动控制等领域有着广泛的应用。其内部组成原理框图如图4.1所示,它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成。,图4.1集成运放的组成框图,1、输入级 输入级是提高运算放大器质量的关键部分, 要求其输入电阻高。为了能减小
2、零点漂移和抑制共模干扰信号, 输入级都采用具有恒流源的差动放大电路, 也称差动输入级。 2、中间级 中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数, 故而也称电压放大级。 要求中间级本身具有较高的电压增益。 3、输出级 输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻, 以起到将放大级和负载隔离的作用。 4、偏置电路 偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流, 一般由各种恒流源电路组成。,集成运放的符号如图4.2所示，标“”号的端子称反相输入端，用u-表示，从该端输入信号时，输出信号的相位与输入信号的相位相反；标“+”号的端子称同相输入端，用u+表示，由
3、该端输入信号时，输出信号的相位与输入信号的相位 相同；输出端用uo表示。 表示信号传输方向，表示理想运放。,图4.2 集成运放的符号,4.1.2 集成运放的主要参数 集成运算放大器(简称运放)的特性参数是评价运放性能优劣的依据。 1、极限参数 1）供电电压范围(+UCC、-UEE, 或+Us, -Us): 加到运放上最小和最大允许的安全工作电源电压, 称为运放的供电电压范围。 2）功耗PD: 运放在规定的温度范围工作时, 可以安全耗散的功率。 3）工作温度范围: 能保证运放在额定的参数范围内工作的温度称为它的工作温度范围。 4）最大差模输入电压Uidmax: 能安全地加在运放的两输入端之间的最
4、大差模电压称为最大差模输入电压。 5） 最大共模输入电压Uicmax: 能安全地加在运放的两个输入端的短接点与运放地线之间的最大电压称为最大共模输入电压 。,2、电气参数 1） 输入特性 (1) 差模输入电阻rid：rid是指集成运放对差模输入信号所呈现的电阻，即运放两输入端之间的电阻。rid一般在20k2M之间，理想运放可看为。 (2) 输入偏置电流IIB与输入失调电流IIO ：理想集成运放差动输入级的两个输入端电流完全相同，但实际集成运放的输出电压为零时（uo=0），流入两个输入端的电流IB1和IB2不等。IB1与IB2之差称为输入失调电流IIO=IB1IB2，反映集成运放输入级电流不对称
5、程度，值愈小愈好。 (3) 输入失调电压UIO：理想的集成运放在输入电压为零时（ui=0）输出为零（uo=0）。但实际上运放的差动输入级元件参数很难做到完全对称，所以当输入电压为零时，输出电压uo0，因此，需要在输入端加一定的补偿电压才能使输出电压为零。这个补偿电压就称为输入失调电压UIO。UIO愈小，表明电路匹配愈好。,2） 输出特性 (1) 最大输出电压Uom：输出开路时集成运放能输出的最大不失真电压峰值。 (2) 最大输出电流Iom：集成运放在不失真条件下的最大输出电流。 (3) 输出电阻rod：rod是指运放本身输出级的开环输出电阻，rod愈小说明带负载能力愈强，理想运放可看为0。 3
6、） 增益特性 (1) 差模电压放大倍数Aud：集成运放差模输入时的电压放大倍数。 (2) 共模电压放大倍数Auc：集成运放共模输入时的电压放大倍数。 (3) 共模抑制比KCMR：集成运放差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值称共模抑制比。,KCMR表示了集成运放对共模信号的抑制能力，值愈大愈好，理想值为无穷大。,（4）开环电压放大倍数Aod：它是指运放在没有外接反馈电路时测出的差模电压放大倍数。 Aod=Uod/Uid Aod越大，运算精度越高，理想值为无穷大。 理想集成运放的性能指标是：开环电压放大倍数Aod，输入电阻rid，输出电阻rod0，KCMR，此外没有失调、温漂等，理想运放并不存
7、在，但实际运放各项指标都接近理想值，因此分析时可视为理想运放。,4.1.3集成运算放大器的分类 集成运算放大器有四种分类方法。 1、 按其用途分类 集成运算放大器按其用途分为两大类： 1）通用型集成运算放大器； 2）专用型集成运算放大器。 2、 按其供电电源分类 集成运算放大器按其供电电源分类，可分为两类： 1) 双电源集成运算放大器； 2) 单电源集成运算放大器。 3、按其制作工艺分类 集成运算放大器按其制作工艺分类， 可分为三类： 1）双极型集成运算放大器； 2）单极型集成运算放大器； 3）双极单极兼容型集成运算放大器。 4、按运放级数分类 按单片封装中的运放级数分类，集成运放可分为四类：
8、 1) 单运放；2) 双运放；3) 三运放；4) 四运放。,4.2 负反馈放大电路 4.2.1 反馈的概念 将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或是全部，通过一定的方式送回到输入端，来影响原输入量（电压或电流）的过程称为反馈。带有反馈的放大电路称闭环放大电路，没有反馈的放大电路称开环放大电路。,有反馈的放大电路称反馈放大电路，组成框图如图4.3(a)所示。图中A代表没有反馈的放大电路，F代表反馈网络，符号 代表信号的比较环节。xi、xf、xid和xo分别表示电路的输入量、反馈量、净输入量和输出量。图4.3（b）是一个具体的反馈放大电路。图中除了基本放大电路外,还有一条由Rf和R1组成的电路
9、接在输入端和输出端之间,由于它将输出量反送到放大器输入端,因此称为反馈元件,或称反馈网络。ui、uf、uid和uo分别表示电路的输入电压、反馈电压、净输入电压和输出电压。,图4.3反馈放大电路组成 （a）反馈放大电路组成框图;（b）反馈放大电路,4.2.2 反馈的类型 1、正反馈和负反馈 反馈使净输入量得到增强的是正反馈；反馈使净输入量减弱的是负反馈。通常采用“瞬时极性法”判定。方法是： （1）假定输入信号某一瞬时极性； （2）根据输入与输出信号的相位关系，确定输出信号和反馈信号的瞬时极性； （3）根据反馈信号和输入信号的连接情况，分析净输入量的变化，如果反馈信号使净输入量增强，为正反馈，减小
10、则为负反馈。 【例4.1】 判断如图4.4所示电路反馈的极性。 图4.4（a）中设ui瞬时极性为，信号从同相输入端输入，u+为，输出端uo也为，uo经R3、R4分压后得反馈电压uf也为，将uf引回到输入电路，可看出uf使净输入量增强，故为正反馈。 在图4.4（b）所示电路中，设ui瞬时极性为，从反相输入端输入，因此u为，uo为 ，由于反相输入端的电位高于输出端的电位，所以反馈电流If的方向如图所示，根据基尔霍夫电流定律，可得净输入信号id=iiif，反馈信号if增大，使得净输入信号id减小，故为负反馈。,图4.4 反馈极性的判断,在图4.4（c）所示电路中，设输入信号ui瞬时极性为，即三极管基
11、极瞬时极性为，共射极电路输出电压与输入电压相位相反，所以集电极的瞬时极性为 ，发射极的瞬时极性为，因此在Rf上产生的电流if如图所示，净输入信号id=iiif，反馈结果使净输入信号减小，说明电路引入了负反馈。 可见对于单级集成运放，若反馈支路接在反相输入端时为负反馈；若接在同相输入端时为正反馈。,2、直流反馈和交流反馈 放大电路中存在直流分量和交流分量，那么反馈回来的信号是直流量则为直流反馈；是交流量则为交流反馈。 如图4.5（a）所示电路中，反馈支路是Re，由于Re两端并联了Ce，而电容对交流信号视为短路，所以在Re上产生的反馈电压只有直流成分，故为直流反馈。如果将旁路电容Ce去掉，在Re上
12、产生的电压既有直流成分也有交流成分，此时为交直流反馈。在图4.5（b）所示电路中，Cf将直流量隔离，只能通过交流成分，故电路引入的是交流反馈。 直流负反馈的作用是稳定放大电路的静态工作点；而交流负反馈用以改善放大电路的动态性能。,图4.5 直流反馈和交流反馈的判断,3、电压反馈和电流反馈 反馈是将输出量送回放大器输入端，因此反馈是从输出端取样，如果反馈支路的取样对象是输出电压，则为电压反馈；如果反馈支路的取样对象是输出电流，则为电流反馈。如图4.5（a）电路中，去掉旁路电容Ce，在Re上反馈电压等于输出回路的电流在Re上产生的电压，即Uf =IeRe，反馈电路的取样对象是输出电流，故为电流反馈
13、。在图4.5（b）电路中，其 反馈电压等于输出电压Rf和R1上的分压，即， 可见反馈支路的取样对象是输出电压，故为电压反馈。 判断电压反馈、电流反馈的简便方法是用负载短路法。具体表述为:假设将负载L短路,即uo=0,此时若反馈量为零,就是电压反馈,否则为电流反馈。,4、串联反馈和并联反馈 根据反馈在输入端的连接方式不同，把反馈分为串联反馈和并联反馈。反馈信号和输入信号是串联的为串联反馈；若反馈信号与输入信号是并联的为并联反馈。 在图4.5（a）、（b）所示电路中，反馈信号与输入信号之间是串联关系，因此是串联反馈。在图4.4（b）、（c）电路中反馈信号与输入信号之间是并联关系，因此是并联反馈。由
14、上述分析可以看出,若反馈信号与信号源接在不同的端子上,即为串联反馈。若接在同一个端子上,则为并联反馈。 综上所述可组合为四种反馈类型（组态），即，电流串联负反馈、电压串联负反馈、电流并联负反馈、电压并联负反馈。,4.2.3 负反馈对放大电路性能的影响 1、提高放大倍数的稳定性 负反馈放大器的放大倍数的稳定性的提高，是以减小放大倍数为代价的。如图4.3所示的负反馈放大器方框图中，在输入量xi一定情况下，若输出量xo有所增加，反馈量xf也相应增加，削弱了输入量，使放大器净输入量xid减小，则输出量xo将有所减小而趋于稳定。反之，若输入量xi有所减小，则反馈量xf也相应减小，使放大器净输入量xid增
15、大，输出量xo又将增大而趋于稳定。负反馈越深，放大倍数降低越多，放大器工作越稳定。 2、减小非线性失真 由于三极管是非线性器件，输入信号经放大后，常使输出信号波形产生非线性失真。引入负反馈可使非线性失真得到明显改善。如图4.6（a）所示，假设放大电路在无负反馈时输出波形正半周幅度大，负半周幅度小，引入负反馈后，如图4.6（b）所示，输出失真波形经过负反馈网络送回到输入回路，并与原输入信号相减。这样净输入信号xid正半周小，负半周大，和无反馈时的输出波形正好相反，从而使输出波形失真得到了补偿。,图4.6 利用负反馈改善非线性失真,3、扩展通频带 放大器要放大的信号往往不是单一频率的信号，而是一定
16、频段的信号，放大器对不同频率信号的放大效果称为放大器的频率响应，其中放大倍数和频率之间的关系称幅频特性。在图4.7所示的上下两条曲线是同一放大电路无负反馈和有负反馈时的幅频特性曲线。我们规定当放大倍数降低到0.707 Aum时所对应的两个频率为下限频率fL和上限频率fH，在这两个频率之间的频率范围称放大器的通频带，用BW表示，BW=fHfL。通频带愈宽，放大器工作的频率范围愈宽。 阻容电路中耦合电容随频率降低容抗增大，因此使信号在低频段受到衰减，放大倍数减小；高频段由于三极管结电容和电路分布电容在高频区容抗小，对信号分流作用增大，使放大倍数减小。因此阻容耦合放大电路中信号在低频区和高频区放大倍数均下降，而负反馈具有稳定放大倍数的作用，使低频区和高频区放大倍数下降的速度减慢，相当于通频带加宽。 负反馈放大器通频带的展宽，同样是以减小放大倍数为代价的。通常情况下，放大电路
