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1、第五章第五章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 5.1 5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介5.2 5.2 差分式放大电路差分式放大电路5.3 5.3 集成运算放大器的基本特性集成运算放大器的基本特性5.4 5.4 基本运算放大电路基本运算放大电路5.5 5.5 集成运算放大器的应用电路集成运算放大器的应用电路5.6 5.6 集成运放大器的应用知识集成运放大器的应用知识 5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 1集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合
2、放大电路，它的类型很多，电路也低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。（2）电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。 （4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。 2集成运算放大器的符号集成运算放大器的
3、符号 u-u+uo符号的含义：输入端输出端+u-u+uo 3集成运放的主要技术参数集成运放的主要技术参数(1)输入失调电压输入失调电压Vos 一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电一个理想的集成运放，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，输出电级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，输出电压不为零。为了使集成运放的输出电压为零，在输入端压不为零。为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压加的补偿电压叫做失调电压Vos。(2)输入失调电流输入失调
4、电流Ios 是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态是指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，即基极电流之差，即 Ios= |IB1 IB2|1) 静态参数静态参数(3)输入偏置电流输入偏置电流IB 指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流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。当的平均值。当 时，偏置电流为即时，偏置电流为即 IB=1/2(IB1 +IB2)(4)最大差模输入电压最大差模输入电压Vidm 指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最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。大电压值。(5)最大共模输入电压最大共模输入电压Vic
5、m 指运放所能承受的最大共模输入电压。超过指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，值，它的共模抑制比将显著下降。它的共模抑制比将显著下降。(1)开环差模电压增益开环差模电压增益Aod 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负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。反馈情况下的直流差模电压增益。Aod与输出电压与输出电压V o的大的大小有关。小有关。(2)差模输入电阻差模输入电阻rid 是指输入差模信号时运放的输入电阻。是指输入差模信号时运放的输入电阻。(3)最大输出电压最大输出电压Uom 指运放工作在放大状态时，运放能够输出的最大电指运放工作
6、在放大状态时，运放能够输出的最大电压幅度。压幅度。2) 动态参数动态参数 5.2 差分式放大电路差分式放大电路 5.2.1 差模信号和共模信号的概念差模信号和共模信号的概念 1.概念概念 差分式放大电路差分式放大电路是一个双口网络，每个端口有两个端是一个双口网络，每个端口有两个端子，可以输入两个信号，输出两个信号。其端口结构子，可以输入两个信号，输出两个信号。其端口结构示意图如图示意图如图1所示。所示。 普通放大电路也可以看成是一个双口网络，但每个端口都有一个端子接地。因此，只能输入一个信号，输出一个信号。 当差分放大电路的两个输入端子接入的输入信号分别为当差分放大电路的两个输入端子接入的输入
7、信号分别为vi1和和vi2时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号。均值称为共模信号。 即差模信号即差模信号 共模信号共模信号 根据以上两式可以得到根据以上两式可以得到 可以看出，两个输入端的信号均可分解为差模信号和可以看出，两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分。共模信号两部分。 2.两种信号的特点两种信号的特点 差模分量：大小相等，相位相反；差模分量：大小相等，相位相反； 共模分量：大小相等，相位相同；共模分量：大小相等，相位相同； 3.增益增益 差模电压增益差模电压增益 共模电压增益共模电压增益 总输出电压总
8、输出电压 其中，其中， 表示由差模信表示由差模信 号产生的输出。号产生的输出。 4.共模抑制比共模抑制比 共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移能力的重要指共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移能力的重要指 标。标。 5.2.2基本差分式放大电路基本差分式放大电路 1.电路组成及特点电路组成及特点 由两个共射级电路组成由两个共射级电路组成,如图所示：如图所示： 特点：特点： 电路对称，射级电阻共用，电路对称，射级电阻共用，或射级直接接电流源（大的或射级直接接电流源（大的电阻和电流源的作用是一样电阻和电流源的作用是一样的）有两个输入端，有两个的）有两个输入端，有两个输出端输出端 2.工作方式工作方式
9、 双端输入双端输入 双端输出双端输出 双端输入双端输入 单端输出单端输出单端输入单端输入 双端输出双端输出 单端输入单端输入 单端输出单端输出3.工作原理工作原理 (1)静态分析静态分析 这是因为在静态时，Vi=0即V短路静态时Vc1=Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。即输入为0时，输出也为0。 (2)动态分析动态分析 当电路的两个输入端各加入一个大小相等极性相反的差模信号当电路的两个输入端各加入一个大小相等极性相反的差模信号时，时，Vi1=Vi2=Vid/2一管电流将增加，另一管电流减小，输出电压为一管电流将增加，另一管电流减小，输出电压为: Vo=Vc1-Vc20即差模信号输入时，两管
10、之间有差模信号输出。即差模信号输入时，两管之间有差模信号输出。 2. 抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理 （1）零点漂移）零点漂移 如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移零点漂移，简称零漂。，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。零漂实际上就是静态工作点的漂移。 （2）零漂产生的主要原因）零漂产生的主要原因 a
11、)温度的变化。温度的变化最终都将导致温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流的集电极电流IC的的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。有时也称为温漂。 b)电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。无论是温度变化还是电源波动，都的波动，而产生零点漂移。无论是温度变化还是电源波动，都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。因此，当共模信号
12、作用于电路时，必须分析电路的共模信号。因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。零漂情况。 （3）差动放大电路对零漂的抑制）差动放大电路对零漂的抑制 a) 双端输出时双端输出时-靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。温度变化温度变化 两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同的变化的变化 在电路完全对称的情况下，双端输出（两集电极间）在电路完全对称的情况下，双端输出（两集电极间）的电压可以始终保持为零（或静态值）的电压可以始终保持为零（或静态值） 抑制了零点漂移抑制了零点漂移 b)单端输出时由于电路中单端输
13、出时由于电路中Re的存在，将对电路产生如下影的存在，将对电路产生如下影响：响： 以上过程类似于以上过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程分压式射极偏置电路的温度稳定过程。由于。由于Re的存在，使的存在，使Ic得到了稳定，所以在双端输出的情况下，两管得到了稳定，所以在双端输出的情况下，两管的输出会稳定在的输出会稳定在0（静态）值。抑制了零点漂移。（静态）值。抑制了零点漂移。Re越大，抑越大，抑制零漂的作用越强。制零漂的作用越强。 即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 但由于但由于Re上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射
14、极偏上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更强。置电路更强。 3差模输入时主要技术指标的计算差模输入时主要技术指标的计算 （1）双端输入双端输出）双端输入双端输出 交流通路和差模等效电路交流通路和差模等效电路 c注意：注意： (a)差模输入时，差模输入时，vi1=-vi2=vid/2, 当一管电流当一管电流ic1增加时，增加时， 另一管的电流另一管的电流ic2必然减必然减小。由于电路对称，小。由于电路对称，ic1 的增加量必然等于的增加量必然等于ic2的减少量。所以流过恒流源（或的减少量。所以流过恒流源（或Re）的电流不变，）的电流不变，ve=0. 故如图所示的交流通路中故如图所
15、示的交流通路中Re为为0（短路）。（短路）。 (b)差模输入时，差模输入时，vi1=-vi2=vid/2, 每一管上的电压仅为总的输入电压每一管上的电压仅为总的输入电压vid 的的1/2。故。故虽然电路由两管组成，但总的电压放大倍数仅与单管的相同。即虽然电路由两管组成，但总的电压放大倍数仅与单管的相同。即Av=-BRc/rbe (c)如果在输出端接有负载电阻如果在输出端接有负载电阻RL, 由于负载两端的电位变化量相等，变化方向相由于负载两端的电位变化量相等，变化方向相反，故负载的中点处于交流地电位。因此，如图所示的交流通路中每一管的负载反，故负载的中点处于交流地电位。因此，如图所示的交流通路中
16、每一管的负载为为RL/2。此时，总的电压放大倍数与单管的相同。即。此时，总的电压放大倍数与单管的相同。即Av=-BRL/rbe. (d)由于双端输入，故输入电阻为两管输入电阻的串联，即由于双端输入，故输入电阻为两管输入电阻的串联，即Rid=2rbe (e) 由于双端输出，故输出电阻为两管输出电阻的串联，即由于双端输出，故输出电阻为两管输出电阻的串联，即Ro=2Rc 动态指标计算结果如下：动态指标计算结果如下： （2）双端输入单端输出）双端输入单端输出 电路和差模等效电路电路和差模等效电路 c（a）由于单端输出时负载上输出的只是一个管子的变化量，而输入情况与双端输出时完全一样。故放大倍数是双端输
17、出的一半。(b) 单端输出时，输出电阻是一个管子的输出电阻。故输出电阻为双端输出的一半。动态指标计算结果：动态指标计算结果： (3)单端输入单端输入应用：有时要求放大电路的输入端有一端接地，就要使用这种放大应用：有时要求放大电路的输入端有一端接地，就要使用这种放大器单端输入时的交流通路如图所示。器单端输入时的交流通路如图所示。 （1）图中的ro很大（Re或者电流源的等效电阻），满足rore(发射结电阻)，故ro可视为开路。（2）Ro开路后，可认为Vi均分在两管的输入回路上。即每管的输入电压为Vi/2.（3）于是，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。各指标也近似相同。 双入双出时的差模
18、指标：双入双出时的差模指标： (1)电压放大倍数电压放大倍数Av和输出电阻和输出电阻Ro只与输出端的方式有关；单端输只与输出端的方式有关；单端输出时为双端输出的一半；出时为双端输出的一半； (2)输入电阻输入电阻Ri只与输入端的方式有关；单端输入时为双端输入的只与输入端的方式有关；单端输入时为双端输入的一半；一半； 4共模输入时技术指标及共模抑制比共模输入时技术指标及共模抑制比 （1）双端输出）双端输出交流通路如图交流通路如图 共模电压增益：共模电压增益： 双端输出时的共模电压增益是指电路的双端输出电压与共模输双端输出时的共模电压增益是指电路的双端输出电压与共模输入电压之比。在电路完全对称的情
19、况下，入电压之比。在电路完全对称的情况下，vo1=vo2, vo=vo1-vo2=0共共模增益为模增益为输入电阻输入电阻,共模情况下，两输入端是并联的，因此共模情况下，两输入端是并联的，因此 (2)单端输出单端输出 单端输出时的共模等效电路如图所示。它等效于一个射级电阻为单端输出时的共模等效电路如图所示。它等效于一个射级电阻为2ro的共射放大电路。的共射放大电路。 共模增益为：共模增益为： 一般情况下，一般情况下，2rorbe, 1,则有则有 ： （3）共模抑制比共模抑制比 共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即 或或 （dB） 电路的共摸抑制比电
20、路的共摸抑制比KCMR显示电路对零漂的抑制能力的大小。显示电路对零漂的抑制能力的大小。 因此因此希望希望KCMR越大越好。双端输出时，电路完全对称的理想情况下，由越大越好。双端输出时，电路完全对称的理想情况下，由于共模增益于共模增益Aoc = 0 ，所以，所以KCMR = 。单端输出时，。单端输出时， 若用电流源替换若用电流源替换Re ，则共模抑制比为，则共模抑制比为 5.3 集成运算放大器的基本特性集成运算放大器的基本特性一、理想运放的特性理想运放的特性1、开环电压增益Aod=2、差模输入电阻rid=3、输入偏置电流IB1=IB2=04、输出电阻r0=05、共模抑制比CMRR=6、频带宽度B
21、W=7、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零+二、两条重要的法则二、两条重要的法则1、理想运放的两输入端之间的电压差为零两输入端短路2、理想运放的两输入端不取电流两输入端之间开路Ui=0，而ri=即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过。1、线性区在线性区，它的输出信号和输入信号满足如下的关系Uo=Aod（U+-U-）通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。特点:（1）运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，即U+=U-。（2）理想运放的输入电流等于零。三
22、、集成运放的工作区分为线性区和非线性区三、集成运放的工作区分为线性区和非线性区2、非线性区输出电压与输入电压之间UoAod（U+-U-）特点（1）输出电压只有两种可能的状态：U+或U-，而U+不一定等于U-。当U+U-时Uo=U+U+U-时Uo=U+（2）运放的输入电流等于零。5.4 运放基本运算放大电路运放基本运算放大电路 加法电路加法电路 微分电路微分电路 积分电路积分电路 减法电路减法电路说明：1、对模拟量进行运算时，要求输出信号反映输入信号的某种运算结果。2、集成运放必须工作在线性区。一、反相输入求和电路二、同相输入求和电路三、双端输入求和电路四、加减法运算器 加减法电路加减法电路一、
23、一、 反相输入求和电路反相输入求和电路 在在 反相比例运算电路的基础上，增加一个反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图。输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图。此时两个输入信号电压产生的电流都流向此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。所以输出是两输入信号的比例和。反相求和运算电路二、二、 同相输入求和电路同相输入求和电路在同相比例运算电路的基础上，增加在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。路，如图所示。同相求和运算电路 因因运运放放具具有有虚
24、虚断断的的特特性性，对对运运放放同同相相输输入入端端的的电电位位可可用用叠叠加加原原理理求求得得:RRRRRRvRRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRRvRRv+=+=f12i212221i1211f12i2121i12o) /() /() /() /() /() /() /() /(RvRvRRRRRRRRvRRvRRv+=+=2i21i1fnpfffi22pi11po)()(由此可得出/ /fn21pRRRRRRR=式中+-=vv+=RRRvRRRRRvRRv) /() /() /() /(12i2121i12-+=vRRRvof而 ,i2i1of21npvvvRRRRR+=时当，
25、三、三、 双端输入求和电路双端输入求和电路 双端输入也称差动输入，双端输入求双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图所示。其输出电压表达式和运算电路如图所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似的推导方法与同相输入运算电路相似。双端输入求和运算电路当vi1=vi2=0时，用叠加原理分别求出vi3=0和vi4=0时的输出电压vop。当vi3=vi4=0时，分别求出vi1=0，和vi2=0时的von。先求式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf再求于是于是四、加减法运算器四、加减法运算器 工作原理：特点：它由差动输入放大器演变而来。U+U-I1IfI2I3UoUi4Ui3Ui2Ui1RRRRRRI4若有更多的相加量或相减量，可以增加或减少电路的相应的输入端。由I0，有I1+I2=IfI3+I4=Ip由一、一、 积分运算电路积分运算电路二、二、 微分运算电路微分运算电路 积分和微分运算电路积分和微分运算电路一、积分电路一、积分电路 uouiRPRCiiC工作原理其中：UCO是电容两端电压的初始值uituot二、微分电路二、微分电路 iiR工作原理因输入端存在“虚地”，故而i为也流过R，故uouiRPRC
