电工电子学_集成运算放大器

1、电工电子学1 集成电路是相对于分立元件而言的，就是把整个电路中的元器件以及各元件之间的联结制作在一块半导体基片上，构成具有特定功能的电子电路。集成电路按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路。集成运算放大器简称集成运放，是模拟集成电路中应用极为广泛的一种。 本章主要介绍集成运放的组成、性能指标、反馈方式以及集成运放在信号运算、信号处理和信号产生等方面的应用。29.1 集成运算放大器概述 运算放大器是一种具有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。随着半导体集成工艺的发展，出现了集成运算放大器。由于采用集成工艺，和分立元件组成的具有同样功能的电路相比，集成运放具有体积小、重量轻、成本低等优点，而

2、且实现了元件、电路和系统的统一，大大提高了设备的可靠性和稳定性。目前集成运放的品种除了通用型外，还出现了各种专用型，使得运算放大器的应用远远超出了数学运算范围，在信号产生、信号处理、信号检测、波形转换和自动控制等方面获得了广泛的应用。39.1.1 集成运放的基本组成 集成运算放大器有很多种类型，不同类型的集成运放用途不同，其内部电路也不一样。但不管内部结构如何，集成运放都是由四个基本部分组成：输入级、中间级、输出级和偏置电路。如图9.1.1所示。4u输入级是集成运放的关键部分，要求具有较高的输入电阻，能减小零点漂移和抑制干扰信号，常采用差动式放大电路。u中间级的主要作用是使集成运放获得高的电压

3、放大倍数，因此又称电压放大级。中间级常采用一级或多级共射放大电路。u输出级与负载相接，要求具有较低的输出电阻以提高带负载能力，一般由射级输出器或互补射级输出器(功放电路)组成。u偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流（偏置电流）。5 9.1.2 差动放大电路1. 电路组成图9.1.2所示是一个基本的差动放大电路，又称射极耦合差动放大电路（长尾式差动放大电路），图中两管通过射极电阻RE和UEE耦合。该电路由两个对称的单管共射放大电路组成，晶体管T1和T2的特性相同，电路结构对称，电路的参数也对称，即RB1=RB2 =RB，RC1=RC2=RC。6 2. 信号输入输入信号有两种类型：共模信号和差

4、模信号。（1）共模输入当差放电路的两个输入端对地输入信号ui1和ui2大小相等，极性相同时，即ui1 = ui2，称为共模输入。（2）差模输入当差放电路的两个输入端对地输入信号ui1和ui2大小相等，极性相反时，即 ，称为差模输入。通常两个输入端之间加入的信号之差称为差模输入信号。（3）比较输入如果两个输入端信号既非共模，又非差模时，称为比较输入。7 2. 抑制零点漂移的原理 在图9.1.2所示电路中，无论温度变化还是电源电压波动，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号uic。 8 在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1或c2对地输出（这种输出称

5、为单端输出），而这时漂移依然存在。实际上由于每管的零点漂移依然存在，电路不可能完全对称，即使采用双端输出方式，两个单管放大电路输出漂移不可能完全抵消，因此在差放电路中引入射极电阻RE以减小每个单管放大电路的输出漂移。它抑制零漂的原理如下。93. 输入和输出方式 差放电路有双端输入和单端输入两种输入方式。同样也有双端输出和单端输出两种输出方式。因此，差动放大电路共有四种输入输出方式。（1）双端输入双端输出（2）双端输入单端输出 （3）单端输入双端输出（4）单端输入单端输出 10 4. 共模抑制比 差动放大电路对差模信号和共模信号都有放大作用，但对差动放大电路来说，差模信号是有用信号，共模信号则是

6、需要抑制的。因此要求差放电路的差模放大倍数尽可能大，而共模放大倍数尽可能小。为了衡量差放电路放大差模信号和抑制共模干扰的能力，引入共模抑制比作为技术指标，用KCMR表示。其定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即 （9.1.11） 或用对数形式（单位为分贝，dB）表示： （9.1.12） 显然，KCMR值越大越好。KCMR值越大，表明差放电路分辨差模信号的能力越强，受共模信号的影响越小。 11ucudAAKCMRucuducudAlgAlgAAlgK202020CMR9.1.3 集成运放的工作原理 1. 电路结构和工作原理图9.1.8所示电路是一个三级直接耦合放大电路。122. 外形和

7、符号 集成运算放大器是一种集成器件，它的外形通常有三种形式：圆壳式、扁平式、双列直插式，如图9.1.9所示。目前常用的是第三、第四代的中大规模集成电路，外形为双列直插式。双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类，使用时可查阅有关手册，辨认管脚，以便正确连线。13 (a) 圆金属壳式 (b) 双列直插式 (c) 扁平式 图9.1.9 集成运放外形图9.1.4 集成运放的特性 在实际应用中，集成运放可视为高电压放大倍数、低漂移的放大器。为了合理使用集成运放，必须了解它的特性。下面介绍集成运放的主要参数、电压传输特性和理想特性。 1. 集成运放的主要参数（1）开环电压放大倍数Auo（2）最大

8、输出电压UOM（3）输入失调电压UIO（4）输入失调电流IIO（5）输入偏置电流IIB（6）共模抑制比KCMR（7）最大差模输入电压Uidmax（8）最大共模输入电压Uicmax14 集成运放的电压传输特性是指开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线。集成运放的电压传输特性如图9.1.12所示。从运放的电压传输特性可以看出，集成运放有两个工作区：线性区和饱和区。当运放工作在线性区时，输出信号和输入信号之间满足线性关系：uo= Auo（u+ -u-） （9.1.14） 3. 集成运放的理想特性159.2 放大电路中的负反馈 在电子电路中，反馈技术得到了极为广泛的应用。在放大电路中采用负反馈，可以改

9、善放大电路性能。因而实用的放大电路几乎都采用负反馈，故通常将实用的放大电路称作负反馈放大电路。本节将讨论负反馈的概念，负反馈放大电路的类型，负反馈对放大电路性能的影响，以及负反馈的分析方法。 9.2.1 反馈的基本概念1. 反馈的定义 图9.2.1 反馈放大电路框图电路中的反馈是指将电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号一同控制电路的输出。可用图9.2.1所示的方框图来表示。162. 反馈的分类 （1）正反馈和负反馈根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。（2）直流反馈和交流反馈根据反馈信号的交直流性质，可以将反馈分为直流反馈和交流反

10、馈。（3）电压反馈和电流反馈根据输出端反馈采样信息的不同，可以将反馈分为电压反馈和电流反馈。（4）串联反馈和并联反馈根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端联结方式的不同，可以将反馈分为串联反馈和并联反馈。17 3. 负反馈放大电路的一般表达式负反馈放大电路可用如图9.2.2所示的方框图表示。184. 放大电路中为何引入不同类型的负反馈放大电路工作时，由于多种因素影响，会使输出信号变化，为使输出信号保持稳定，放大电路都要引入某种类型的负反馈。负反馈放大电路的输入端要和信号源相联接，输出端要和负载相联接，因此放大电路引入负反馈时必须和信号源及负载匹配。9.2.2 负反馈放大电路的分析很多情况下，放

11、大电路中交、直流反馈同时存在。放大电路中引入负反馈是为了改善其动态性能，直流负反馈多为稳定工作点而设置，因此，这里主要讨论的是交流负反馈。（1）反馈极性的判别（2）反馈方式的判别19 1. 串联电压负反馈 图9.2.3（a）所示是一个由理想运放组成的放大电路，输入信号加在同相输入端。分析步骤如下： 图9.2.3 串联电压负反馈202. 串联电流负反馈 由理想运放组成的同相输入放大电路如图9.2.4（a）所示。 图9.2.4 串联电流负反馈213. 并联电压负反馈 由理想运放组成的反相输入放大电路如图9.2.6（a）所示，同相端经电阻R2接地。 图9.2.6 并联电压负反馈224并联电流负反馈

12、电路如图9.2.8（a）所示。输入信号由运放的反相端输入，同相端经电阻R2接地。 图9.2.8 并联电流负反馈23 9.2.3 负反馈对放大电路性能的影响放大电路中引入负反馈后，反馈信号削弱了输入信号，使得净输入信号减小，导致输出信号减小而使闭环放大倍数下降， 。但是放大电路的各种性能指标却得以改善，故它的应用十分广泛。 1提高放大倍数的稳定性 2. 扩展通频带通频带是放大电路的技术指标，某些放大电路要求有较宽的通频带。引入负反馈是展宽频带的有效措施之一。 3. 减小非线性失真 由于放大电路中含有非线性器件，会使输出波形产生非线性失真。 4. 对输入电阻和输出电阻的影响放大电路引入负反馈后，由

13、于反馈电路的接入，势必对放大电路的输入、输出电阻产生影响。反馈类型和反馈深度不同，影响程度也不相同。24ofAA9.3 集成运放在信号运算方面的应用 由于开环电压放大倍数Auo很高，集成运放开环工作时线性区很窄。因此，为了保证运放处于线性工作区，通常都要引入深度负反馈。集成运放引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间满足某种特定的函数关系，实现特定的模拟运算。当反馈电路为线性电路时，可以实现比例、加法、减法、积分、微分等运算。 1反相输入比例运算 反相输入比例运算电路如图9.3.1所示。输入信号经R1加到反相输入端，同相输入端通过R2接地。R2为平衡电阻，其作用是保持运放输入级电路的对称性，一般

14、取R2=R1/Rf。反馈电阻Rf跨接在输出端与反相输入端之间，形成深度并联电压负反馈。25 图9.3.1 反相比例运算电路 2同相输入比例运算同相输入比例运算电路如图9.3.2所示。输入信号经R2加到同相输入端，反相输入端通过R1接地。反馈电阻Rf仍然接在输出端与反相输入端之间，形成深度串联电压负反馈。与图9.3.1电路一样，R2为平衡电阻， 取R2=R1/Rf。269.3.3 减法运算在基本运算电路中，如果两个输入端都有信号输入，为差动输入，电路实现差动运算。差动运算被广泛地应用在测量和控制系统中。图9.3.7所示的是采用差动输入方式的减法运算电路。两输入信号ui1和ui2分别加到运放的反相

15、端和同相端，输出电压仍然由Rf送回到反相端。为了使两输入端平衡以提高共模抑制比，一般取R1=R2，Rf=R3。采用叠加原理进行分析。279.3.4 积分运算 图9.3.11所示为积分运算电路。与反相比例运算电路结构相似，只是用电容C代替电阻Rf作为反馈元件。28299.3.5 微分运算如果将积分电路中电容C与电阻R1位置对调，则得到如图9.3.14所示的微分运算电路。9.4 集成运放在信号处理方面的应用 在电路系统中，常需要对信号进行各种处理，如滤波、电压比较、采样保持等。本节介绍集成运放作为有源滤波器和电压比较器的应用。 9.4.1 有源滤波器滤波器是一种选频电路，它能使频率在选定范围内的信

16、号顺利通过，而超出此范围的信号则衰减很大，从而选出有用信号，抑制无用信号。在无线电通信、自动控制和各种测量系统中都有着重要的应用。301. 低通滤波器图9.4.1（a）是一个低通滤波电路。它由一阶RC低通滤波电路和同相输入的集成运放组成。设输入信号ui是频率为 的正弦电压，可用向量 表示。31Ui2. 高通滤波器将低通滤波电路中R和C的位置对调就变为高通滤波电路。图9.4.3（a）是一个一阶RC高通滤波电路。329.4.2 电压比较器 电压比较器的主要功能是对两个电压进行比较，并可判断出其大小。由于集成运放的开环电压放大倍数极高，两个输入端之间只要有微小电压，运放便进入非线性区，输出为饱和值。

17、当运放工作在饱和区时，当u+ u-时，输出电压uo为正饱和Uo+；当u+ u- 时，输出电压uo为负饱和Uo- 。因此，若将运放的两个输入端分别接输入电压和参考电压，并使其工作在开环状态，便构成电压比较器。电压比较器在测量、通信和波形变换等方面应用广泛。1基本电压比较器2过零比较器3有限幅的比较器339.5 集成运放在信号产生方面的应用 实际应用中有各种类型的信号产生电路，其中正弦波振荡器是应用十分广泛的一种信号产生电路。正弦波振荡电路是无需外加输入信号便能自动产生正弦交流信号的电路，通过调整振荡电路的参数，可改变正弦波信号的频率和幅值。它是无线电通信、广播系统的重要组成部分，也广泛应用在测量、遥控和自动控制等领域。 利用集成运放可以构成正弦波振荡器，其实质是放大器引入了正反馈。34 9.5.1 产生正弦波振荡的条件1. 自激振荡及其产生的条件所谓自激振荡是指在不外加信号的条件下，内部电路能