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1、第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器3.1 集成运算放大器的基本单元电路n集成运算放大器是一种通用性较强的多功能器件，最初用于模拟计算机中，配合适当的反馈网络可实现加、减、乘、除、积分、微分、对数、反对数等各种运算功能，并由此得名。n现在集成运放已作为通用器件广泛用于模拟电子线路的各个领域。一、集成运放的组成及电路符号n集成运放实际上是一个高放大倍数的多级直流耦合放大器，有两个输入端和一个输出端。n反相输入端以“”标注，表示输出电压vo与该端的输入电压相位相反。n同相输入端以“”标注，表示输出电压vo与该端的输入电压相位相同。nAv0为不加外部反馈电路时 的差模电压放大倍数，称为 开环差
2、模电压放大倍数。集成运放大体上可分为四个部分n输入级：采用差分放大电路实现信号引入。n中间级：一至两级直接耦合共射放大电路，提供足够大的AV。n输出级：单端或互补射极跟随电路，提高负载能力。n偏置电路：由恒流源组成，为各器件提供合适的静态工作点及有源负载。3.2 集成运放的典型电路和参数集成运放的典型电路和参数u第一代运放 在数字集成电路工艺基础上添加少量的如横向PNP管等特殊元件。uA709、F003、5G23u第二代运放 普遍使用有源负载。uA741、LM741、5G24、F007u第三代运放 差分输入级采用超管。AAD508、MC1556、F030u第四代运放 采用斩波稳零式放大电路，无
3、须调零。HA2900、5G7650双端输入、单端输出双端输入、单端输出差分放大电路差分放大电路共射放大电路共射放大电路消除交越失真的消除交越失真的互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路二、集成运放的主要参数n开环差模电压放大倍数AV0 无外接反馈电路时测得的差模电压放大倍数。目前通用型运放的AV0值约为1e41e7，即80140dB。n最大差模输入电压VIDM 运放两输入端所能承受的最大差模输入电压。 超过此值，运放输入级晶体管的发射结将出现反向击穿。n最大输出电压VOPP 输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。n最大共模输入电压VICM 运放两输入端所能承受的最大共模输入电压
4、。 超过此值，运放共模抑制比明显下降，甚至造成运放损坏。n输入失调电压VI0输入为0时的输出电压称为输出失调电压。将输出失调电压换算到输入端，即除以开环放大倍数，即输入失调电压。输入失调电压VI0反映了运放中电路的对称程度和电平的匹配情况。n输入偏置电流IIB当输入信号为0时，两个输入端的静态基极电流IIB1和IIB2的算数平均值定义为输入偏置电流。输入偏置电流的大小，取决于差分输入级的集电极静态电流和晶体管的。增大和减小集电极静态电流都可减小IIB。IIB越小，由它的温度特性引起的漂移越小。故希望小的IIB。n输入失调电流II0当输入电路不完全对称时，两输入端的静态基极电流就不等。此两电流之
5、差称为输入失调电流。II0会造成输入端输入电压的差，导致运放输出电压不为0。II0同样越小越好。3.3 集成运放的基本电路集成运放的基本电路一、理想运放的特性理想运放有以下主要特性：n开环电压放大倍数AV0=n差模输入电阻Rid=n共模输入电阻Ric=n输出电阻Ro=0n共模抑制比KCMR=n输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为0 利用运放的理想参数，可导出以下两个重要结论：n理想运放的输入电流i=0，又称虚断。因为其输入电阻无穷大，不从信号源取电流。n理想运放的差模输入电压 ，又称虚短。当理想运放工作在线性区时， ，由于AV0=，vo有限，则差模输入电压为0。二、运算放大器组成的基本
6、电路 运算放大器有三种输入方式：反相输入方式、同相输入方式、差模输入方式。这三种方式构成最基本的运放电路。1、反相放大器n信号从反相端输入nR1和R2构成反馈网络n反馈信号加至反相端n电压并联负反馈nRp为补偿(平衡)电阻， 保证同相端和反相端外接电阻相同，运放工作于对称状态 RP=R1/R2n根据理想运放不取输入电流的虚断特点，i1=i2。根据虚短的特点，vp=vn=0，即反相端与同相端均与地等电位，且i1=i2电流不流入地。因此将反相端称为虚地。n虚地现象是反相放大器特有的重要特征。由于i1=i2，有n闭环放大倍数与运放的参数无关，由外部电阻R1和R2决定。反相放大器的特点n运放的反相输入
7、端为虚地，共模输入电压可视为零，因此电路对运放的共模抑制比要求不高。n并联负反馈使输入电阻较小。n电压负反馈使输出电阻较小，负载能力较强。n由于基本反向放大器的 ，若要求较大 的放大倍数和输入电阻，则R2将达到不可接受。如200k输入电阻，100倍放大倍数，R2将达到20M。n采用T型反馈网络因反相端虚地，有提高R21/R23或R22/R23比值即可！（R21,R23,R22分压）2、同相放大器n信号从同相端输入nRF和R1构成反馈网络n反馈信号加至反相端n电压串联负反馈nRP=R2/R1n闭环电压放大倍数为n两个特殊的同相放大器(R1为无穷大，放大倍数为1) Vo直接反馈回Vi，Vo=Vi。
8、称为电压跟随器。同相放大器的特点nvn=vp=vi，相当于输入端有共模信号，因此电路对运放的共模抑制比要求较高。n串联负反馈使输入电阻较大，可高达100M以上。n电压负反馈使输出电阻较小，负载能力较强。3、差分输入放大器n信号从同相端和反相端差分输入nR2构成反馈网络n反馈信号加至反相端n电压并联负反馈nRP=R2差分输入放大器的特点n差分输入放大器的差模输入电阻Rid=2R1。n差模输入电阻不大，电路的共模抑制能力较差。n以上三种基本输入方式，放大倍数均与运放无关，而取决于外部反馈网络的元件，这是深度负反馈的结果。n以上三种基本输入方式，输出电阻都很小，输出特性接近恒压源。n反相输入放大器和
9、差分输入放大器的输入电阻较小，同相放大器和电压跟随器的输入电阻很大。3.4 信号运算电路信号运算电路一、加、减法运算电路1、加法电路图示的反相加法电路是在反相输入放大器的基础上增加若干输入回路，以便实现多信号代数相加。补偿电阻RP=R1/R2/R3/R4n根据理想运放vn=vp和i=0的特点，有如取R1=R2=R3，则有实现信号的相加。n同相输入放大器也可组成加法电路，但其参数较难匹配，故很少采用。2、减法电路 差分输入放大电路和同相输入电路均可实现减法运算，下面重点介绍后者。A1组成同相放大器，有A2组成差分输入放大器，利用vp=vn=vi2和i=0有当 有实现两信号的相减。为使运放的外电路
10、平衡，RP1=R21/R1，RP2=R22/R2二、积分和微分运算电路1、积分电路基本积分电路为反相输入结构，反馈元件为电容C。因反相端虚地，有输出电压(电容端压)为或输出电压和输入的积分成比例，相位相反。补偿电阻Rp=R1。n基本积分电路利用了理想运放虚地的概念，但实际运放由于失调信号和漂移作用，使反向端偏离虚地，则积分电容对失调及漂移结果不断积分，使输出电压随时间变化，产生积分漂移现象。n应选用失调小和漂移低的运放构建积分电路。2、微分电路u基本微分电路将基本积分电路中输入回路电阻和反馈回路电容交换位置，构成基本微分电路。为微分电路时间常数。RP=R。基本微分电路存在以下问题：a、输出电压与输入电压的变化率成正比，电路对高频干扰很敏感；b、R和C组成的反馈网络对反馈电压有滞后作用，它和运放内部滞后作用的总效果，易引起自激振荡。c、输入阻抗Zi=1/(jC)很小，尤其对高频信号。
