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1、第16章 集成运算放大器,定义:在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的器件制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。,分类：集成度:小规模、中规模、大规模和超大规模(即SSI，MSI，LSI 和 VLSI)。技术指标:通用型、高速型、高阻型、低功耗型、成功率型、高精度型等 每一集成片中运算放大器的数目:单运放、双运放和四运放 导电类型:双极型、单极型(场效晶体管)和两者兼容的 功 能:数字集成电路、模拟集成电路，而后者又有 集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳 压电源和集成数模和模数转换器等许多种。本章所讲主要是集成运算放大器。,（1）级间采用直接耦合方式；（2）采用复合结构
2、的电路；（3）用有源器件代替无源器件；（4）电路结构与元件参数具有对称性（输入级采 用差分放大电路）；（5）电路中使用的二极管都采用晶体管构 成，多用作温度补偿元件或电位移动电路。,16.1 简单的集成电路运算放大器,16.1.1 集成运算放大器的特点,16.1.2 电路的简单说明,集成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，一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路部分组成。,（1）输入级一般是差分式放大电路，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
3、输入端。,（2）中间级主要进行电压放大，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）输出级与负载相接，一般由射极输出器或互补功率放大器所组成，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，一般由恒流源电路构成。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。,(a)外形,(b)管脚,(c)符号图,集成运算放大器的外形、管脚和符号如下图所示。它有双列直插式图(a)和圆壳式图(b)两种封装。,正电源端,负电源端,空脚,简单的运算放大器,简单运算放大器的原理电路如图所示。,（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出
4、级可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压vid=vi1-vi2为零时，输出电压vO=0的目的。（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压。（5）运算放大器有两个输入端,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用“-”号表示，同相输入端用“+”表示。,（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。,1.输入失调电压UIO 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级很难做到完全对称。在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为
5、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UIO。即,16.1.3 集成运算放大器的主要参数,UIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。UIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为（110）mV。,2.输入偏置电流IIB,集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输入电压为零时，两个输入端静态电流的平均值。当ui=0 时，偏置电流为,3.最大输出电压UOPP,能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。F007集成运算放大器的最大输出电压约为13v。,
6、4.输入失调电流IIO,由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1 nA0.1A。,集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即,*7.最大差模输入电压Uidmax：集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。,6.共模输入电压范围UICM：这是指运放所能承受的最大共模输入电压。,*8.最大输出电流Iomax：是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。,5.开环电压放大倍数Auo：是指集成运放工作
7、在线性区，接入规定的负载，无反馈情况下所测出的差模电压放大倍数。,*9.温度漂移,放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用两种方式表示：,(2)输入失调电流温漂IIO/T：这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。,(1)输入失调电压温漂VIO/T：这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。VIO/T不能用外接调零装置的办法来补偿。,*10开环带宽BW（fH）,开环带宽BW又称为3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。741型集成运放的频率响应AVO（f）。由于电路
8、中补偿电容C的作用，它的fH约为7Hz。,*11单位增益带宽BWG（fT）,对应于开环电压增益AVO频率响应曲线上其增益下降到AVO=1时的频率，即AVO为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的AVO=2105时，它的。,集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高(几兆欧以上)、输出电阻低(约几百欧)、漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，所以它已成为一种通用器件，广泛而灵活地应用于各个技术领域中。在选用集成运算放大器时，就像选用其他电路元件一样，要根据它们的参数说明，确定适用的型号。,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,理想化的条件主要是：开环电压放大倍数
9、AUO 差模输人电阻 rid 开环输出电阻 ro 0 共模抑制比 KCMRR,运算放大器的图形符号,运算放大器的传输特性,表示输出电压与输人电压之间关系的特性曲线称为传输特性，从运算放大器的传输特性(上图)看，可分为线性区和饱和区。运算放大器可工作在线性区，也可工作在饱和区，但分析方法不一样。(1)工作在线性区 当运算放大器工作在线性区时，uo和(u+-u-)是线性关系，即 uoAuo(u+-u-)(16.1.1)运算放大器是一个线性放大元件。所以，要使运算放大器工作在线性区，通常引入深度电压负反馈。运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：,由于运算放大器的差模输人电阻rid，故可认为两个输
10、入端的输入电流为零。,由于运算放大器的开环电压放大倍数AUO，而输出电压是一个有限的数值，故从式(16.1.1)可知，,即,如果反相端有输人时，同相端接“地”，即U+0，由上式可见，U-0。这就是说反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的“地”电位端，通常称为“虚地”。(2)工作在饱和区 运算放大器工作在饱和区时式(16.1.1)不能满足，这时输出电压uo只有两种可能，或等于+Uo(sat)或等于-Uo(sat)，而U+与U-不一定相等：当U+U-时，uo+Uo(sat)当U+U-时，uo-Uo(sat)此外，运算放大器工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也等于零。,1.高输入阻
11、抗型,该类型集成运放的差模输入电阻rid(1091012)W，输入偏置电流IIB为几皮安几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。,*16.1.5 专用型集成运算放大器简介,2.高精度、低漂移型,这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。,3.高速型,对这种类型的运放，要求转换速率SR30V/ms，单位增益带宽BWG10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环
12、、精密比较器和视频放大器中。,4.低功耗型,要求在电源电压15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.54）V时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能。在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻，以保证降低静态偏置电流和总功耗，使电路处于最佳工作状态，以获得良好的电气性能。,5.高压型,为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决BJT的耐压、动态工作范围等问题。为此在电路结构上利用BJT的cb结和横向BJT（PNP型）的耐高压性能，或用单管的串接方式来提高耐压，或用FET作为输入级，耐压指标可提高到300V左右。此外，为使运放工作在高电压
13、和大电流（或大功率）的情况下，电路中加入一些特殊保护电路。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,运算放大器能完成比例、加减、积分与微分、对数与反对数以及乘除等运算。,16.2.1 比例运算,1.反相输入,如果输人信号是从反相输入端引入的运算，便是反相运算。如图所示是反相比例运算电路。,反相比例运算电路,平衡电阻,反馈电阻,闭环电压放大倍数为：,反相器,当时得：,例 16.2.1,.同相输入,如果输人信号是从同相输入端引入的运算，便是同相运算。如图所示是同相比例运算电路。,同相比例运算电路,uo与ui间的比例关系可认为与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。当R1(断开)或RF=
14、0时，则,电压跟随器,例 16.2.2,例 16.2.3,16.2.2 加法运算,如果在反相输入端增加若干输入电路，则构成反相加法运算电路，如图所示。,反相加法运算电路,当 R1时，上式为,当时，则,由上三式可见，加法运算电路也与运算放大器本身的参数无关只要电阻阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。平衡电阻,16.2.3 减法运算,如果两个输入端都有信号输入，则为差动输入。差动运算在测量和控制系统中应用很多，其运算电路如图所示。,差分减法运算电路,当 和时，上式为,当时，则,由上两式可见，输出电压UO与两个输入电压的差值成正比，所以可以进行减法运算。电压放大倍数,在上图中，如将3断开(
15、3)，原式变为,即为同相比例运算与反相比例运算输出电压之和。,例 16.2.6,16.2.4 积分运算,与反相比例运算电路比较，用电容CF代替RF作为反馈元件，就成为积分运算电路，如图所示。,积分运算电路,上式表明uo与ui的积分成比例，式中的负号表示两者反相。R1CF称为积分时间常数。,当ui为阶跃电压如图(a)时，则,其波形如图(b)所示，最后达到负饱和值-Uo(sat),积分运算电路的阶跃响应,例 16.2.7,16.2.5 微分运算,微分运算是积分运算的逆运算，只需将反相输入端的电阻和反馈电容调换位置，就成为微分运算电路，如图所示。,微分运算电路,微分运算电路的阶跃响应,即输出电压与输
16、入电压对时间的一次微分成正比。当ui为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压，如上图所示。,例 16.2.8,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,16.3.1 有源滤波器,16.3.2 采样保持电路,16.3.3 电压比较器,电压比较器的作用是用来比较输入电压和参考电压，图(a)是其中一种。因此，用作比较器时，运算放大器工作在饱和区，即非线性区。当uiUR时，uo=+Uo(sat)；当ui UR 时，uo=-Uo(sat)。图(b)是电压比较器的传输特性。可见，在比较器的输入端进行模拟信号大小的比较，在输出端则以高电平或低电平(即为数字信号1或0)来反映比较结果。,(a)电路,(b)传输特性,当U
17、R0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器，其电路和传输特性如下图所示。当ui为正弦波电压时，则uo为矩形波电压，如图所示。,电压比较器,(a)电路,(b)传输特性,过零比较器,如图所示过零比较器将正弦波电压变换为矩形波电压。,有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与“地”之间跨接一个双向稳压二极管DZ，作双向限幅用。稳压二极管的电压为Uz。电路和传输特性如图所示。u1与零电平比较，输出电压uo被限制在+Uz或-Uz。,上述的是用通用型运算放大器构成的比较器，输入的是模拟量，输出的不是高电平，就是低电平，即为数字量，以与数字电路配合。,(
18、a)电路,(b)传输特性,有限幅的过零比较器,例 16.3.1,16.使用运算放大器应注意的几个问题,16.5.1 选用元件,通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输入信号微弱，它的第一级应选用高输人电阻、高共模抑制比、高开环电压放大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。,16.5.2 消振,16.5.3 调零,由于运算放大器内部晶体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，在使用时要注意消振。通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否
19、已消振，对将输人端接“地”，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。,由于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，在使用时要外接调零电路。,16.5.4 保护,1.输入端保护,当输入端所加的差模式共模电比过高时会损坏输入级的晶体管。为此，在输入端接入反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。,输入端保护,2.输出端保护,输出端保护,为了防止输出电压过大，可利用稳压二极管来保护，如图所示，将两个稳压二极管反向串联，将输出电压限制在(UZ+UD)的范围内。UZ是稳压二极管的稳定电压，UD 是它的正向压降。,3.电源保护,输出端保护,为了防止正、负电源接反，可用二极管来保护，如图所示。,16.5.5 扩大输出电流,扩大输出电流,由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要的电流较大时，可在输出端加接一级互补对称电路，如图所示。,
