第三章 集成运算放大器及其应用

由集成运放构成的4种不同类型的负反馈放大电路如图 3.7 所示。
图3.7 4种负反馈放大电路



电压反馈和电流反馈的判别，可假想将放大电路的输出端 交流短路，即令uo=0，若反馈信号不复存在，则为电压反 馈，否则为电流反馈。 例如，在图3.7（a）所示的集成运放中，当输出端交流短 路时，反馈电阻Rf一端直接接地，反馈电压uf=0，即反馈 信号消失，所以为电压反馈；而在图3.7（c）所示的电路 中，当将其输出端交流短路时，虽然uo=0，但输出电流io 仍随输入信号而改变，在电阻 R上仍会产生反馈电压 uf， 所以可判定该电路引入的是电流反馈。 用同样方法可判定图 3.7（b）所示电路引入的是电压反馈， 而图3.7（d）所示电路引入的是电流反馈。

这样，净输入信号ud=ui-uf与没有反馈时相比增大了，即 反馈信号增强了输入信号的作用，所以可确定为正反馈。 用同样方法可判断图3.6（b）所示集成运放引入的是负反 馈。
图3.6 反馈极性判别举例
3.2.2 负反馈的基本类型及其判别

按反馈电路与放大电路输出端连接方式的不同，即根据反 馈信号是取自输出电压还是取自输出电流，可将反馈分为 电压反馈和电流反馈。
图3.2 集成运放的电路符号

其中u+端的输入电压与输出电压uo同相，称为同相输入端； u-端的输入电压与输出电压uo反相，称为反相输入端。

Aod是集成运放无外接反馈回路时的差模电压放大倍数， 称为开环差模电压放大倍数或开环差模电压增益。
2. 集成运放的主要参数
（1） 开环差模电压放大倍数Aod Aod是指集成运放在没有外接反馈回路时的差模电压放大 倍数，即Aod=uo/(u+-u-)。 它体现了集成运放的电压放大能力，常用分贝（ dB ）表 示，Aod（dB）=20lg|Aod|。 Aod值越大越稳定，相应的运算电路的运算精度越高。所 以，它是决定运算精度的主要因素。理想条件下，可以认 为Aod≈∞。


有反馈的放大倍数Af称为闭环放大倍数或闭环增益，它是 输出信号xo与输入信号xi之比，即 Af=xo/xi 这样，可以得出反馈放大电路中的闭环放大倍数Af与开环 放大倍数A、反馈系数F之间的基本关系式为 Af=xo/xi=xo/(xd+xf)=xo/(xd+Fxo) =(xo/xd)/(1+Fxo/xd)=A/(1+FA) （3-1) 1+FA|称为反馈深度。
（ 2 ）中间级。中间级的主要作用是进行电压放大，通常采 用共射（或共源）放大电路，其电压放大倍数可达千倍以 上。
（ 3 ）输出级。输出级一般采用互补对称功率放大电路，要 求其输出电阻小，带负载能力强。此外，输出级还带有保 护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。
（ 4 ）偏置电路。偏置电路的作用是为集成运放中各级电路 提供稳定、合适的偏置电流，确立各级的静态工作点，一 般由各种恒流源电路构成。 从外部作为一个整体来看，集成运放是一个双端输入、单 端输出、具有高输入电阻、低输出电阻、高差模放大倍数 和高共模抑制比的差分放大电路，其电路符号如图 3.2 所 示。
此外，对于理想运放，如果信号从反相输入端输入，而同 相输入端接地，即 u+=0，基于“虚短”的概念，必有 u-=0 ， 即反相输入端的电位为“地”电位，通常称之为“虚地”。 以上概念是分析理想运放线性应用时的基本依据。


例3.1 集成运放CF741的开环差模电压放大倍数Aod=105 ，即 Aod=100dB ，差模输入电阻 ri=2MΩ ，当工作在线性区 时，若输出电压 uo=10V ，求输入端应加的差模信号电压 的大小和输入电流。 解 (1) 输入电压ui=u+-u-=uo/Aod=0.1mV （2） 输入电流ii=ui/rid=0.05nA


电压反馈的反馈信号xf取自输出电压uo,xf与uo成正比； 电流反馈的反馈信号xf取自输出电流io，xf与io成正比。

按反馈电路与放大电路输入端连接方式的不同，可将反馈 分为串联反馈和并联反馈。 串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，即 ud=ui-uf，以得到放大电路的净输入电压ud。 并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，即 id=ii-if，以得到放大电路的净输入电流id。 根据以上分析，有 4 种类型的负反馈，即电压串联负反馈、 电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。
第3章 集成运算放大器及其应用
本章主要内容
(1)集成运算放大器的特点及参数 (2)放大器中的负反馈 (3)集成运放的线性应用 (4)集成运放的非线性应用
5.1 集成运算放大器

集成运算放大器是一种高电压放大倍数、高输入电阻和低 输出电阻的多级直接耦合放大电路。由于早期它主要用于 模拟量的某些数学运算，故名运算放大器，简称集成运放。
3.1.2 集成运放的组成及主要参数
1. 集成运放的组成

集成运放通常由 4部分组成，即输入级、中间级、输出级 及偏置电路，如图3.1所示。
图3.1 集成运放组成框图
（ 1 ）输入级。输入级是构成高质量集成运放的关键部分， 通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大电路 构成，其目的是为了抑制放大电路的零点漂移，提高输入 电阻。

② 因 Aod=∞ ，而 uo 为有限值，故有 u+-u-=0 ，即 u+=u- ， 即理想运放的两个输入端的电位相等，但又不是短路，故 称为“虚短”。

以上“虚断”和“虚短”的两个概念，看上去似乎是矛盾 的，其实不然，“虚断”是对理想运放的输入电阻无限大 而言，而“虚短”是对理想运放的开环电压增益无限大来 说的。


集成运放的电压传输特性如图 3.3 所示，它描述了输出电 压与输入电压之间的关系。
该传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。当集成运 放工作在线性区时，输出电压 uo 与输入电压 ui(=u+-u-) 是 一种线性关系，即 uo=Aod· ui=Aod(u+ - u-)

图3.3 集成运放的电压传输特性

正反馈的结果，导致输入信号增强，输出信号相应增大，亦 即使放大器的放大倍数增大。 正反馈常用在振荡电路中。但正反馈常使电路工作不稳定， 使放大器的性能变差。 负反馈的结果，使放大器的放大倍数减小，可以改善放大器 的性能，因此在放大电路中几乎都采用负反馈。



如图3.5所示是负反馈放大电路的组成框图。
图3.5负反馈放大电路框图

由图可见，它由基本放大电路、反馈网络和比较环节3部 分组成。 基本放大电路可以是单级或多级放大电路，实现信号从输 入端到输出端的正向传输，A是开环放大倍数； 反馈网络联系放大电路的输出和输入，一般由电阻元件组 成，实现信号从输出端到输入端的反向传输，F是反馈网 络的反馈系数。
（2） 输入失调电压UIO 在理想的集成运放中，当输入电压ui=0时，输出电压uo应 为零。但在实际电路中，ui=0时，输出uo并不为零。如果 要使uo=0，必须在输入端加入一个很小的电压来补偿。这 个电压就是输入失调电压，用UIO表示。 （3） 输入失调电流IIO 静态时，流入集成运放两个输入端的电流之差称为输入失 调电流，用IIO表示。它反映了集成运放两个静态输入电流 的不对称性。IIO的存在会产生输出失调，因而IIO的值越小 越好。理想条件下，可以认为IIO≈0。


xi、xo、xf和xd分别表示放大电路的外部输入信号、输出 信号、反馈信号和基本放大电路的净输入信号。它们既可 以是电压信号，也可以是电流信号。信号的传递方向如图 中箭头所示。 比较环节实现外部输入信号与反馈信号的叠加，以得到净 输入信号xd。
2. 反馈基本关系式



在图3.5中，基本放大电路的净输入为 xd=xi-xf 反馈系数F为反馈信号xf与输出信号xo的比值，即 F=xf/xo 无反馈的开环放大倍数或开环增益 A是输出信号 xo与净输 入信号xd的比值，即 A=xo/xd
3.1 集成运算放大器
3.1.1 集成运放的特点
① 所有元器件处于同一晶片上，由同一工艺做成，易做 到电气特性对称，温度特性一致，适于制造对称性高的电 路。因此 ，容易制成温度漂移很小的运算放大器。
② 在集成运放中常用晶体管恒流源代替电阻。必须用的高 阻值电阻，常采用外接方式。 ③ 集成运放各级之间的连接多采用直接耦合方式，基本上不 采用电容元件。必须使用电容器的场合，也常采用外接方 式。 ④ 集成电路中制作晶体管容易，二极管通常是用晶体管的基 极与集电极短接后的发射结来代替。
（6） 最大共模输入电压Uicmax 集成运放对共模信号有抑制能力，但当共模输入电压超过 一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。 共模输入电压的这一极限数值就是集成运放的最大共模输 入Uicmax。
3.1.3 集成运放的理想模型
在分析和计算集成运放的实际电路时，为了使问题的分析 简化，常将集成运放看作一个理想的运放，即把运放的各 项参数都理想化。 由于实际集成运放的性能参数与理想运放十分接近，所以 在分析计算时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不 大，在工程计算中是允许的，并且可以使问题的分析和计 算大为简化。 集成运放的理想参数主要有： ① 开环差模电压放大倍数Aod=∞； ② 差模输入电阻rid=∞； ③ 输出电阻ro=0； ④ 共模抑制比KCMR=∞。



反馈的正、负极性（正反馈、负反馈）通常可采用瞬时极 性法来判别。 采用这种方法判别反馈的正、负极性时，可先任意设定输 入信号的极性为正或为负，并以+或-来标记，然后沿反馈 环路逐步确定反馈信号的瞬时极性，最后根据对输入信号 的作用是增强还是消弱，即可确定反馈极性。 例如，对于图 3.6（a）所示的集成运放，设输入信号 ui为 正（标以+），则输出信号uo的瞬时极性为负（标以-）， 经电阻Rf返送到同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负 （标以-）。