8集成运算放大器

8.1 集成运算放大器集成运算放大器 8.2 集成运放的线性应用电路集成运放的线性应用电路 8.3集成运放的非线性应用电路集成运放的非线性应用电路第第8章章 集成运算放大器及其应用电路集成运算放大器及其应用电路 1了了解解集集成成运运算算放放大大器器的的一一般般概概况况；了了解解集集成成运运算算放放大大器器的的组组成成及及图图形形符符号号；了了解解集集成成运运算算放放大大器器的的主主要要特特点点及及主主要要技技术术指指标标；掌掌握握集集成成运运算算放放大大器器在在线线性性和和非非线线性性应应用用方方面面基基本本电电路路的的工工作作原原理理及及分分析析方方法。法。28.1 集成运算放大器集成运算放大器一、概述一、概述集成运算放大器集成运算放大器简称集成运放，是集成电路的一种。简称集成运放，是集成电路的一种。集成电集成电路：路：采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块单晶硅上，形成具有特电路元件及其电路连线制作在一小块单晶硅上，形成具有特定电路功能的单元电路。定电路功能的单元电路。集成电路特点：集成电路特点：电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好，很容易制造出对称性较好的电路。度均一性好，很容易制造出对称性较好的电路。电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到2020千欧，精度低。千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。集成电路中的电容是利用集成电路中的电容是利用PNPN结的结电容或用二氧化硅层作结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。集成运放电路多采用直接耦合的形式。3二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。通常将基极和集电极短接构成的二极管，在电路中起到温度通常将基极和集电极短接构成的二极管，在电路中起到温度补偿作用。发射结正向压降随温度升高而降低，这个三极管补偿作用。发射结正向压降随温度升高而降低，这个三极管的材料和类型，与放大器的材料和类型相同，其温度系数接的材料和类型，与放大器的材料和类型相同，其温度系数接近一致，能较好地进行温度补偿，以维持集成电路的工作稳近一致，能较好地进行温度补偿，以维持集成电路的工作稳定性。定性。集成运算放大器：集成运算放大器：是一种具有高放大倍数、高输入电阻、低是一种具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合的集成放大器，简称集成运放。与输出电阻的多级直接耦合的集成放大器，简称集成运放。与分立元件构成的多级放大电路相比，具有抗干扰性强、成本分立元件构成的多级放大电路相比，具有抗干扰性强、成本低、电路面积小、连线少等优点。是发展最早、应用最广泛低、电路面积小、连线少等优点。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。在早期模拟计算机里用作运算电路，的一种模拟集成电路。在早期模拟计算机里用作运算电路，现在则广泛用来作为通用的高倍放大组件。现在则广泛用来作为通用的高倍放大组件。4uo+u+u u u：反相输入端；：反相输入端；u u+：同相输入端；：同相输入端；u uo o：输出端：输出端集成运放的种类和型号比较多（课本集成运放的种类和型号比较多（课本P153P153表表8-18-1），我们以），我们以通用型（通用型（应用最为广泛的应用最为广泛的）集成运放集成运放A741为例，介绍它的为例，介绍它的引脚功能和内部结构。引脚功能和内部结构。A741是上世纪是上世纪 60年代末期，由美国年代末期，由美国仙童半导体公司设计，至今仍是应用最广泛的通用运算放大仙童半导体公司设计，至今仍是应用最广泛的通用运算放大器。器。国家标准符号国家标准符号 惯用符号惯用符号uu+uo电路符号电路符号5A741是一个是一个8引脚芯片，实物图和引脚排列图如下图。紧靠引脚芯片，实物图和引脚排列图如下图。紧靠凹口下方的管脚编号为凹口下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，8。引脚引脚1 1和引脚和引脚5:5:外接调零端，由于电路参数和晶体管特性不外接调零端，由于电路参数和晶体管特性不可能完全对称，所以在实际应用中，输入信号为零时，输出信可能完全对称，所以在实际应用中，输入信号为零时，输出信号可能不为零，在引脚号可能不为零，在引脚1 1和引脚和引脚5 5之间接一个电位计，调节电位之间接一个电位计，调节电位计，直到输入为零时输出也为零。计，直到输入为零时输出也为零。引脚引脚2:2:反相输入端；反相输入端；引脚引脚3:3:同相输入端同相输入端引脚引脚4:4:负电源端负电源端引脚引脚6:输出端输出端引脚引脚7:7:正电源端正电源端引脚引脚8:空脚，使用空脚，使用时可悬空。时可悬空。A741引脚图引脚图12348765+UCC-UCCIN+IN-OA2OA1OUT空空6A741A741的构成：的构成：通常由差动放通常由差动放大电路构成，大电路构成，目的是为了减目的是为了减小放大电路的小放大电路的零点漂移、提零点漂移、提高输入阻抗。高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。为了提为了获得较高的电压放大倍数。为了提高电压放大倍数，中间级经常采用恒流高电压放大倍数，中间级经常采用恒流源作为集电极的有源负载。源作为集电极的有源负载。通常由互补对通常由互补对称电路构成，称电路构成，目的是为了减目的是为了减小输出电阻，小输出电阻，提高电路的带提高电路的带负载能力。负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。态工作点。7输入级输入级中间级中间级输出级输出级-U-UCCCC+U+UCCCC u uu uo o u u反相端反相端同相端同相端V V3 3V V4 4V V5 5V V1 1V V2 2基本原基本原理框图理框图8尽量减小零点漂移，尽量提高尽量减小零点漂移，尽量提高K KCMRCMR，输入阻抗，输入阻抗 r ri i尽可能大。尽可能大。输入级输入级中间级中间级输出级输出级-U-UCCCC+U+UCCCC u uu uo o u u反相端反相端同相端同相端V V3 3V V4 4V V5 5V V1 1V V2 29足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数输入级输入级中间级中间级输出级输出级-U-UCCCC+U+UCCCC u uu uo o u u反相端反相端同相端同相端V V3 3V V4 4V V5 5V V1 1V V2 210主要提高带负载能力，给出足够的输出电流主要提高带负载能力，给出足够的输出电流i io o，输出阻抗，输出阻抗 r ro o小。小。输入级输入级中间级中间级输出级输出级-U-UCCCC+U+UCCCC u uu uo o u u反相端反相端同相端同相端V V3 3V V4 4V V5 5V V1 1V V2 211二、集成运算放大器的主要技术指标二、集成运算放大器的主要技术指标（1 1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数A AOdOd开环电压放大倍数开环电压放大倍数A AOdOd是指集成运放无外加反馈时输出电压与输是指集成运放无外加反馈时输出电压与输入差模电压之比，即入差模电压之比，即它是决定运放运算精度的重要因素。目前高放大倍数的集成运它是决定运放运算精度的重要因素。目前高放大倍数的集成运放放A AOdOd达到达到10107 7以上。开环电压放大倍数常用分贝的形式表示：以上。开环电压放大倍数常用分贝的形式表示：（2 2）差模输入电阻）差模输入电阻r ridid：差模输入电阻是指运算放大器开环时，：差模输入电阻是指运算放大器开环时，输入电压的变化与由它引起的输入电流的变化之比，即从运放输入电压的变化与由它引起的输入电流的变化之比，即从运放输入端看集成运放的动态电阻。输入端看集成运放的动态电阻。r ridid一般可以达到几十千欧到几一般可以达到几十千欧到几十兆欧。十兆欧。（3 3）开环输出电阻）开环输出电阻r ro o ：开环输出电阻是指运算放大器开环时：开环输出电阻是指运算放大器开环时的动态输出电阻。的动态输出电阻。r ro o越小，运放带负载的能力越强。大多数运越小，运放带负载的能力越强。大多数运放的放的r ro o在几十欧到几百欧之间。在几十欧到几百欧之间。12（4 4）共模抑制比）共模抑制比K KCMRCMR：共模抑制比：共模抑制比K KCMRCMR是指差模电压放大倍数与是指差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。共模电压放大倍数之比的绝对值。K KCMRCMR越高，说明电路抑制噪声越高，说明电路抑制噪声的能力越强。高质量的集成运放的的能力越强。高质量的集成运放的K KCMRCMR可达可达160dB160dB以上。以上。三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性可以表示为集成运放的电压传输特性可以表示为 ，即输，即输出电压是输入的差模电压的函数出电压是输入的差模电压的函数。图中的斜线部分为线性放大。图中的斜线部分为线性放大区，此时的电压放大倍数为开环电压放大倍数区，此时的电压放大倍数为开环电压放大倍数AOd，因此线性放，因此线性放大区的输出电压为大区的输出电压为 。通常集成运放的。通常集成运放的AOd很大，因此线性放大区非常窄，不能在开环工作时直接作为很大，因此线性放大区非常窄，不能在开环工作时直接作为线性放大器使用。下图中线性区之外的部分为非线性区，输出电线性放大器使用。下图中线性区之外的部分为非线性区，输出电压为正限幅值压为正限幅值+UOM和负限幅值和负限幅值-UOM。+UOM-UOMOu)()(-+IIuu13为便于分析，经常将集成运放理想化，满足下列参数指标的运为便于分析，经常将集成运放理想化，满足下列参数指标的运放即为理想运放放即为理想运放:开环电压放大倍数开环电压放大倍数A AOdOd=；差模输入电阻差模输入电阻r ridid=；开环输出电阻开环输出电阻r ro o=0=0；共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR=。只要应用中没有使运放的技术指标明显下降，均可将实际运放只要应用中没有使运放的技术指标明显下降，均可将实际运放视为理想运放。视为理想运放。+UOM-UOMOu14四、理想运放的两条重要结论四、理想运放的两条重要结论（1 1）虚短）虚短根据理想运放的条件根据理想运放的条件A Aodod=，则，则 即即 ，运，运放的两个输入端电位相等，称为放的两个输入端电位相等，称为“虚短虚短”。虚短并不是真正的。虚短并不是真正的短路。当实际运放工作在线性放大区时，由于短路。当实际运放工作在线性放大区时，由于A Aodod很大，而为了很大，而为了使输出电压不超出线性范围，必然要求同相输入端电位使输出电压不超出线性范围，必然要求同相输入端电位u u+和反和反相输入端电位相输入端电位u u-非常接近。非常接近。（2 2）虚断）虚断根据理想运放的条件根据理想运放的条件r ridid=，可以认为流入运放两个输入端的，可以认为流入运放两个输入端的电流为零，即电流为零，即i i+=i i-=0=0。集成运放输入电流为零称为。集成运放输入电流为零称为“虚断虚断”。虚断并不是输入端真正的断开。实际运放的输入电流十分微小，虚断并不是输入端真正的断开。实际运放的输入电流十分微小，比外电路的电流小几个数量级，因此可以忽略不计。比外电路的电流小几个数量级，因此可以忽略不计。15当集成运放通过外部电路引入负反馈时，集成运放形成闭环当集成运放通过外部电路引入负反馈时，集成运放形成闭环状态，并且工作在线性区。常用的集成运放的线性应用电路有状态，并且工作在线性区。常用的集成运放的线性应用电路有比例运算电路、加法电路、减法电路、微分电路、积分电路等比例运算电路、加法电路、减法电路、微分电路、积分电路等各种运算电路。运放的线性应用电路可以使用各种运算电路。运放的线性应用电路可以使用“虚短虚短”和和“虚虚断断”来分析与计算。来分析与计算。8.2 集成运放的线性应用电路集成运放的线性应用电路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路Rfuoi+uI_i-i1u+ifR1Rb+_Rb称为输入平衡电阻，选择参数时，应使称为输入平衡电阻，选择参数时，应使Rb=R1/Rf，使集成运放两个输入端的外接电，使集成运放两个输入端的外接电阻相等，确保其处于平衡对称的工作状态阻相等，确保其处于平衡对称的工作状态电电压压并并联联负负反反馈馈电电路路，根根据据虚虚断断的的结结论论，i i=i i+=0=0，得得u u+=0=0，根根据据虚虚断断的的结结论论，得得u u-=u u+=0=0，即即反反相相端端电电位位为为零零，这这种种没没有有接接地地，却却有有零零电电位位的的现现象象称称为为“虚虚地地”。不不能能简简单单的的理理解解为为反反相相端端与与地地短短路路，如如果果那那样样，信信号就不能号就不能输输入到运放中去了。入到运放中去了。16负负号号表表示示相相位位相相反反，大大小小成成一一定定比比例例关关系系，因因此此称称反反相相比比例例运运算算电电路路。电电压压放放大大倍倍数数由由Rf和和R1共共同同决决定定，与与运运放放本本身身的的参参数数无无关关。如如果果Rf=R1，则则输输出出电电压压与与输输入入电电压压相相位位相相反反，大大小相等，电路的功能只是反相运算，称为反相器。小相等，电路的功能只是反相运算，称为反相器。Rfuoi+uI_i-i1u+ifR1Rb+_17二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路电压串联负反馈电路，电压串联负反馈电路，Rb=R1/Rf，根据虚断的结论，根据虚断的结论，i-=i+=0，得，得u+=uI，再根据虚短，再根据虚短，u-=u+=uI。根据根据i1=if得：得：+_+R1RfRbuI_+_uoi-i+if电压放大倍数为：电压放大倍数为：18_+uouI_+即输出电压与输入电压相位相同，大小成一定的比例关系即输出电压与输入电压相位相同，大小成一定的比例关系同相比例运算电路，同相比例运算电路，Auf1，且由，且由Rf和和R1决定，与运放本身决定，与运放本身参数无关。若参数无关。若Rf=0，R1=，则，则Auf=1，即输出电压与输入，即输出电压与输入电压大小相等、相位相同，称为电压跟随器，如下图。它具电压大小相等、相位相同，称为电压跟随器，如下图。它具有很大的输入电阻和很小的输出电阻（电压负反馈可稳定输有很大的输入电阻和很小的输出电阻（电压负反馈可稳定输出电压，电路近似恒压源，因而使输出电阻降低），在电路出电压，电路近似恒压源，因而使输出电阻降低），在电路中可以作为缓冲级和隔离级。中可以作为缓冲级和隔离级。19三、加法电路三、加法电路电压并联负反馈电路，平衡电阻电压并联负反馈电路，平衡电阻Rb=R1/R2/R3/Rf。根据虚短。根据虚短和虚断，和虚断，u-=u+=0，i-=0。得：。得：if=i1+i2+i3，即，即uoR3i1i2uI3i3uI1uI2RfR1R2i-Rbif_+即输出电压是对各输入即输出电压是对各输入电压按照不同比例求和，电压按照不同比例求和，因此称为加法电路。若因此称为加法电路。若R1=R2=R3=Rf，则则若，若，Rf=R，则，则20四、减法电路四、减法电路根据虚短和虚断，根据虚短和虚断，i-=i+=0，即输出电压是对各输入电压按即输出电压是对各输入电压按照不同比例求差，因此称为照不同比例求差，因此称为减减法电路。法电路。若若R1=R3,，R2=R4，则则即输出电压与两个输入电压的即输出电压与两个输入电压的差值差值uId=uI1uI2成正比，电路成正比，电路实现了信号的放大，因此也称实现了信号的放大，因此也称为差动运算放大器。为差动运算放大器。uI2uI1uoi1i-ifR2R1R4R3_+i2i+u-u+21电电容容两两端端的的电电压压和和电电容容中中流流过的电流之间的关系为：过的电流之间的关系为：uIiCRuoRbC_+iR即即输输出出电电压压是是输输入入电电压压对对时时间间的的积积分分，因因此此称称为为积积分分电电路路，RC称为积分时间常数。称为积分时间常数。五、积分电路五、积分电路电压并联负反馈电路，根据虚短和虚断，电压并联负反馈电路，根据虚短和虚断，u-=u+=0，i-=i+=0，则，则22六、微分电路六、微分电路积分电路中积分电路中R1与与C的位置互换，就组成微分电路。根据虚短和的位置互换，就组成微分电路。根据虚短和虚断，虚断，u-=u+=0，i-=i+=0，则，则uoCuIRRb_+u-iRiC即输出电压是输入电压的微分，因此称即输出电压是输入电压的微分，因此称为微分电路，为微分电路，RC称为微分时间常数。如称为微分时间常数。如果输入信号为阶跃信号，由于信号源存果输入信号为阶跃信号，由于信号源存在内阻，输出信号在内阻，输出信号uo的幅值在的幅值在t=0时为有时为有限值。随后由于电容限值。随后由于电容C被充电，输出电被充电，输出电压压uo按指数规律衰减到零。按指数规律衰减到零。tuI0tuo023 在波形变换中，微分电路可以用来将方波变换成尖脉冲。当在波形变换中，微分电路可以用来将方波变换成尖脉冲。当微分电路输入高频信号时，电容微分电路输入高频信号时，电容C的容抗减小，高频放大倍数增的容抗减小，高频放大倍数增加，因此对输入信号中的高频干扰非常敏感，电路的抗干扰性加，因此对输入信号中的高频干扰非常敏感，电路的抗干扰性能差。而且，高频信号容易形成正反馈，引起能差。而且，高频信号容易形成正反馈，引起自激振荡自激振荡。在实。在实际应用中通常采取一定的补偿措施。际应用中通常采取一定的补偿措施。一种改进型的微分电路右下图所示。其中一种改进型的微分电路右下图所示。其中R1起限流作用，起限流作用，R和和C2并联起相位补偿作用。并联起相位补偿作用。uoCuIRRb_+u-iRiCuoC1uIRRb_+u-iRiCR1C224例：下图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形例：下图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形u ui i-+u uo oR Rf fR R2 2i i1 1i if fC C1 1t tu ui i0 0t tu uo o0 0258.3集成运放的非线性应用电路集成运放的非线性应用电路 当集成运放工作在开环或正反馈状态时，电路属于运放的非当集成运放工作在开环或正反馈状态时，电路属于运放的非线性应用电路，此时运放处于非线性区。运放在非线性应用时，线性应用电路，此时运放处于非线性区。运放在非线性应用时，“虚短虚短”的结论不再成立的结论不再成立，即，即 。当。当 时，输出正限时，输出正限幅值幅值+UOM；否则输出负限幅值；否则输出负限幅值-UOM。但是由于运放的输入电阻。但是由于运放的输入电阻很大，输入端的电流可视为零，因此很大，输入端的电流可视为零，因此“虚断虚断”的结论仍然成立的结论仍然成立。常用的集成运放非线性应用电路有电压比较器和各种波形发生常用的集成运放非线性应用电路有电压比较器和各种波形发生电路。电路。一、电压比较器一、电压比较器电压比较器是能够对输入的电压信号进行比较的电路。它能够电压比较器是能够对输入的电压信号进行比较的电路。它能够根据输入电压是大于还是小于参考电压而决定电路的输出状态，根据输入电压是大于还是小于参考电压而决定电路的输出状态，是信号处理和波形发生电路中常用的基本单元。电压比较器可是信号处理和波形发生电路中常用的基本单元。电压比较器可以分为单门限电压比较器和滞回电压比较器。以分为单门限电压比较器和滞回电压比较器。261.单门限电压比较器单门限电压比较器单单门门限限电电压压比比较较器器利利用用集集成成运运放放工工作作在在开开环环状状态态时时的的电电压压传传输输特特性性进进行行电电压压的的比比较较。其其电电路路如如下下图图所所示示，uI为为输输入入信信号号，UR为为门门限限电电压压，也也称称为为阈阈值值电电压压。当当uIUR时时，UO=-UOm；当当uI U UB1B1，才才能能使使u uO O由由+U UZ Z翻翻转转为为-U-UZ Z；如如果果u uO O=-U-UZ Z，u uI I由由正正向向负负变变化化时时，因因为为这这时时u uO O为为负负，须须u uI I U UB2B2时时，才才能能使使u uO O由由-U UZ Z翻翻转转为为+U UZ Z。于于是是产产生生左左图图示示的的滞回特性。滞回特性。U UB1B1、U UB2B2称为门限电压。称为门限电压。U U=U UB1B1U UB2B2称为回差。称为回差。小小于于回回差差的的干干扰扰不不会会引引起起翻翻转转，滞滞回回电压比较器抗干扰能力大大加强。电压比较器抗干扰能力大大加强。电电路路中中引引入入了了正正反反馈馈，加加快快了了集集成成运运放在高、低电平之间的转换速度。放在高、低电平之间的转换速度。u uO Ou uI IO OU UB2B2U UB1B1+U+UZ Z-U-UZ Z电压传输特性电压传输特性32电电路路在在翻翻转转过过程程中中通通过过R R2 2和和R R3 3实实现现正正反反馈馈。例例如如，假假设设输输出出的的起起始始状状态态为为u uO O=+=+U UZ Z，u uI I增增加加到到略略大大于于U UB1B1，u uO O便便要要下下降降，这时就发生下面的正反馈过程：这时就发生下面的正反馈过程：uO的的下下降降导导致致UB下下降降，而而UB的的下下降降又又使使得得uO进进一一步步下下降降，反反馈馈的的结结果果使使uO迅迅速速变变为为-UZ。这这样样，正正反反馈馈加加速速了了翻翻转转过过程程，使使传传输输特特性性高高低低电电位位转转换换部部分分的的陡陡度度加加大大，从从而而获获得较为理想的电压传输特性。得较为理想的电压传输特性。u uO O U UB Bu uO O33二、方波发生器二、方波发生器方波发生器是在滞回电压比较器的基础上，增加一条方波发生器是在滞回电压比较器的基础上，增加一条RCRC反馈支反馈支路，如下图。输出端为限幅电路，使路，如下图。输出端为限幅电路，使uO=UZ。RfC支路利用电支路利用电容容C的充放电电压的充放电电压uC代替滞回比较器的外加输入信号代替滞回比较器的外加输入信号uI送人反相送人反相输入端。输入端。R2R3，构成的正反馈支路，为同相输入端提供基准电压，构成的正反馈支路，为同相输入端提供基准电压UB。集成运放接成滞回电压比较器，将反馈电压。集成运放接成滞回电压比较器，将反馈电压uC与基准电压与基准电压UB相比较，并根据比较结果决定输出电压相比较，并根据比较结果决定输出电压uO。UZ+_VSR1R5uOuCR2R3R4uB+_RfC34电路接通电源的瞬间，假设开始时输出电压电路接通电源的瞬间，假设开始时输出电压uO为正值，为正值，uO=+UZ，则同相输入端门限电压，则同相输入端门限电压输出电压输出电压uO经经Rf向电容向电容C充电，充电电路方向如图中实线箭头所充电，充电电路方向如图中实线箭头所示，示，uC按指数规律增大，当按指数规律增大，当uC上升到略高于上升到略高于UB1时，输出时，输出uO翻转翻转为为-UZ。这时同相输入端的门限电压变为。这时同相输入端的门限电压变为电容器电容器C经经Rf放电放电(如图中虚线箭头所示如图中虚线箭头所示)，uC按指数规律下降。按指数规律下降。utOUB2UB1+UZ-UZuCuOt1t2UZ+_VSR1R5uOuCR2R3R4uB+_RfC当当uC降到略低降到略低于于UB2时，输出时，输出电压再次翻转。电压再次翻转。uO=+UZ 如此周而复始，如此周而复始，便在输出端得便在输出端得到了方波电压到了方波电压。35作业：P161二（2）36