第9章 集成运算放大电路[11页]

第9章 集成运算放大器【重点】集成运放的主要参数，会应用集成运放；理想集成运放电路在线性工作区的特点及“虚断”、“虚短”的概念；几种基本运算电路的输入、输出关系。

【难点】理想集成运放电路在线性工作区的特点及“虚断”、“虚短”的概念9.1 差动放大电路差动放大电路又称差分放大电路，主要用作直流放大的输入级，具有很强的“零点漂移”抑制作用。

该电路由两个特性相同的三极管组成对称的电路，其参数也对称，且有两个输入端和两个输出端。

电路输入电压u i =u i1-u i2 电路输出电压u o =u o1-u o2温度变化时，两个单管放大电路的工作点都要发生变动，分别产生输出漂移Δu o1和Δu o2。

由于电路是对称的，所以Δu o1=Δu o2，差动放大电路的输出漂移Δu o =Δu o1-Δu o2 =0，消除了零点漂移。

当两输入端加的信号大小相等、极性相反时，输入信号为差模信号。

设因两侧电路对称，放大倍数相等，则输出电压为差模电压放大倍数为 可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。

差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零点漂移的抑制能力。

当两输入端加的信号大小相等、极性相同，输入信号为共模信号。

输出电压为ii121u u =ii221u u -=i1d o1u A u =i2d o2 u A u =id i2i1d o2o1o )(u A u u A u u u =-=-=iod u u A =ii2i1u u u ==iu o2o1u A u u ==0o2o1o =-=u u u 0io c ==u uA共模电压放大倍数共模抑制比共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。

9.2 集成运算放大器简介9.2.1 集成运算放大器的基本组成输入级一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大电路，其目的就是减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。

中间级的主要作用是电压放大，使整个集成运算放大器有足够的电压放大倍数。

输出级一般采用射极输出器，其目的是实现与负载的匹配，使电路有较大的功率输出和较强的带负载能力。

偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定合适的偏置电流，稳定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。

9.2.2 集成运算放大器的主要参数1.最大输出电压U OPP能使输出电压和输出电流保持不失真关系的最大输出电压称为集成运算放大器的最大输出电压。

2.开环电压放大倍数A uo在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，即为开环电压放大倍数。

越高，所构成的运算电路越稳定，精度也越高。

3.输入失调电压U IO在理想情况下，当输入信号为零时，输出电压u o=0。

实际上，当输入信号为零时，输出u o≠0，在输入端加上相应的补偿电压使其输出电压为零，该补偿电压称为输入失调电压U IO。

一般为毫伏级。

4.输入失调电流I IO当输入信号为零时，输入级两个差分端的静态电流之差称为输入失调电流I IO。

I IO的存在，将在输入回路电阻上产生一个附加电压，使输入信号为零时，输出电压u o≠0，所以I IO越小越好，其值一般为几十至几百纳安。

cdCMRlg20AAK5.开环差模输入电阻r i和输出电阻r o它反映了运放组件的差分输入端向差模输入信号源所取用电流的大小。

通常希望开环差模输入电阻尽可能大一些，一般为几百千欧到几兆欧。

输出电阻是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电阻，其值越小，说明集成运放带负载的能力越强。

6.共模抑制比K CMR共模抑制比是衡量输入级各参数对称程度的标志，它的大小反映了集成运算放大器抑制共模信号的能力，其定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值。

7.最大共模输入电压U iCM指集成运算放大器在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。

集成运放对共模信号具有抑制的性能，这个性能在规定的共模电压范围内才具备。

如果超出这个电压范围，集成运算放大器的共模抑制性能就大为下降，甚至损坏器件。

9.2.3 集成运算放大器的基本分析方法开环电压放大倍数A uo→∞。

开环差模输入电阻r i→∞。

开环差模输出电阻r o→0。

共模抑制比K CMR→∞。

由于实际集成运算放大器的参数接近理想集成运算放大器的条件，通常可以把集成运算放大器看成理想元件。

用分析理想集成运算放大器的方法分析和计算实际集成运算放大器，工作在线性区域的理想集成运算放大器有两个重要结论（1）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。

（2）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。

应用上述两个结论，可以使集成运算放大器应用电路的分析大大简化，因此这两个结论是分析具体集成运算放大器组成的电路的依据。

集成运算放大器工作在饱和区域时，输出电压只有两种可能，或等于+ U oM 或等于- U oM 。

而u +与u -不相等；当u +> u -时，u o =+U oM ；当u +< u -时，u o =- U oM 。

9.3集成运算放大器的基本运算电路9.3.1 比例运算电路1.反相比例运算电路比例系数即为电路的电压放大倍数。

改变R F 与R 1的比值，即可改变A u f 的值。

若取R F =R 1，则A u f =-1，这时输出电压与输入电压数值相等、相位相反，称此电路为反相器。

R 2 =R F //R 1。

2.同相比例运算电路当R 1=∞（断开）或R F =0时，则A u f =1，输出电压与输入电压始终相同，这时电路称为电压跟随器。

9.3.2 加法与减法运算电路1.加法运算电路0≈≈-+i i 0≈=-+u u f f i i i i i ≈+=-F 01i R u u R u u -=---Fo 1iR u R u -=1F i o uf R Ru u A -==iu u u =≈-+0≈≈-+i i f f i i i i i ≈+=-F10R u u R u -=---i F o u RR u ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=111F i o uf 1R R u u A +==131211f i i i i ++=0=≈+-u u ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=13F i212F i111F o R R u R R u R R u【例】一个测量系统的输出电压和一些待测量(经传感器变换为电压信号)的关系为若取R F =100kΩ，试用集成运放构成信号处理电路，求各电阻值。

分析输入信号为加法关系，因此第一级采用加法电路，输入信号与输出信号要求同相位，所以再加一级反相器。

R F =100kΩ R 11=50kΩ R 12=200kΩ R 13=25kΩ R b1 = R F ∥R 11∥R 12∥R 13=100∥50∥200∥25 =13k Ω R b2= R F ∥R 21=100∥100 =50 kΩ 2.减法运算电路i3i2i1o 45.02u u u u ++=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++-=13F i212F i111F o R R u R R u R R u i3i2i1o 45.02u u u u ++=1131211R R R R ===)(i3i2i11Fo u u u R R u ++-=9.3.3 微分运算电路和积分运算电路1.微分运算电路2.积分运算电路3.应用举例微分和积分运算电路应用很广，除了微积分运算外，还可用于延时、波形变换、波形发 生、模数转换以及移相等。

i11F 1F o o o 1u R R u R R u u u -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=''+'=+i11Fi23231F 1u R R u R R R R R -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=21R R =F3R R =)(i1i21Fo u u R R u -=F1R R =i2i1o u u u -=0≈=-+u u CR i i =tu u C R u u d )(d i o ---=-tuRC u d d io -=t i Ct i C u u d 1d 1R C c o ⎰⎰-=-==t u RC t R u C d 1d 1i i ⎰⎰-=-=【重点】集成运算放大电路的反馈分析；集成运算应用。

【难点】集成运算放大电路的反馈分析；集成运算应用。

9.4 集成运算放大电路的反馈分析9.4.1 电压串联负反馈电压串联负反馈电路的典型例子是同相比例运算电路。

电压负反馈的作用是稳定输出电压，串联反馈电路则有很高的输入电阻。

9.4.2 电压并联负反馈电压负反馈的作用是稳定输出电压，并联反馈电路则降低输入电阻。

9.4.3 电流串联负反馈这是一个电压控制电流源电路，也称电流转换器。

9.4.4 电流并联负反馈of11f u R R R u +=FoF o f R uR u u i -≈-=-fi d i i i -=Fo f R i u =9.5 集成运算放大器的应用9.5.1 集成运放的线性应用第一级的电压放大倍数为 如果测量放大器总的电压放大倍数为Fo F Rf R R i R u i -==fi d i i i -=i112o121u R R u ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=i212i213o22121u R R u R R u ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=i 12i2i112o2o121)(21u R R u u R R u u ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-12i o2o121R Ru u u +=-54R R =76R R =46o2o1o R R u u u -=-9.5.2 集成运放的非线性应用1.单值比较器反相输入过零限幅比较器同相输入过零限幅比较器2.滞回比较器⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=-⋅-==1246io2o1o2o1oiou21RRRRuuuuuuuuARiUu>RiUu<OMoUu-=OMoUu+=两个阈值电压，分别为9.5.3 集成运放应用的一些实际问题1.消振由于集成运算放大器内部三极管的极间电容和其他寄生参数的影响，很容易产生自激振荡，破坏正常工作。

为此，在使用时要注意消除自激振荡。

通常的方法是外接RC 消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。

2.电路的调零由于集成运算放大器的内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，仍有输出信号。

为此在使用时除了要求运放的同相和反相两输入端的外接直流通路等效电阻保持平衡之外，还要外接调零电路。

3.电源极性错接保护为了防止电源极性接反，引起器件损坏，可利用二极管的单向导电性，在电源连接线中串接二极管来实现保护。

4.输入保护当运放的差模或共模输入信号电压过大时，会引起运放输入级的损坏。

另外，当运放受到强的干扰信号或同相输入信号时，共模信号过大，可能使输出电压突然骤增到正电源或负电源电压值而且维持不变，即产生了所谓的自锁现象。