第四章 集成运算放大器(36)

第四章集成运算放大器运算放大器简称运放，它是一种高增益直流放大器，因最初用于模拟计算机中进行各种数学运算而得名。

如果将整个运算放大器制在一小块硅片上，就成了集成运算放大器。

集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，在电子技术中的应用非常广泛。

§4-1 集成运放的组成与性能一、集成运算放大器的组成1.集成运放的基本组成及各组成部分的特点和作用a.集成运放的组成方框图如图4-1(a)所示。

b.各组成部分的特点和作用：(1)输入级一般采用差动放大电路，其特点是输入阻抗高、零漂小、抗共模干扰信号的能力强。

(2)中间级一般由共发射极放大电路构成，其主要作用是进行高增益的电压放大。

(3)输出级一般由互补对称电路或射极跟随器构成，其特点是输出阻抗低、带负载的能力强、能够输出足够大的电压与电流。

(4)偏臵电路一般由各种恒流源电路构成，其作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏臵电流，决定各级的静态工作点。

(5)为防止输入信号过大或输出端短路，在集成运放中还设臵有过电流保护电路。

2.集成运放的电路符号a.集成运放的电路符号如图4-1(b)所示。

箭头所指方向是信号的正向传输方向;“∞”表示放大倍数很大;它有两个输入端，一个是同相输入端、一个是反相输入端，输出端的电压相位与同相输入端的相同。

b.在集成运放的电路符号中，一般没有将正、负电源的连接端以及调零端、相位补偿端画出来。

但在实际电路中这些端子都是非常重要的。

c.在应用集成运放时，重要的是掌握它各个管脚的用途及它的主要性能指标，至于它内部电路的结构如何，可以不去关注。

3.集成运放的分类：常用的集成运放有通用型、低功耗型、高精度型、高输入阻抗型、高速型、宽带型和高压型等。

各种集成运放的性能详见教材的附录四。

二、集成运算放大器的主要性能指标为了正确挑选和使用集成运放，需对集成运放的主要性能指标有所了解。

1.输入失调电压U IO：a.理想集成运放无失调，实际集成运放存在失调现象（即输入的零时，输出不为零）。

b.输入失调电压U IO的定义：为了使集成运放的输出电压为零，而加在其输入端的直流补偿电压（输入这个直流补偿电压后，输出电压将为零），叫做集成运放的输入失调电压U IO。

（UIO＝U os/A ud，U os是输入电压为零时的输出电压，A ud为集成运放的电压增益。

）c. U IO的大小反映了差动输入级的对称程度，U IO越大，集成运放的对称性越差。

2.输入失调电流I IO：a. I IO就是无输入信号时，两个输入端的静态电流I＋与I－之差，即I IO＝I＋－I－。

b. I IO是由差动输入级两个晶体管的β值不一致而引起的。

3.开环电压增益A ud：a.定义：运放开环运用（无外接反馈电路）时。

b.运放的电压增益一般都很大。

4.差模输入电阻r id和开环输出电阻r o：a.差模输入电阻r id：(1)定义：r id是运放输入差模信号时，从两个输入端看进去的等效电阻，其值越大越好。

(2)双极型晶体管输入级的r id值为104～106Ω，单极型场效应管输入级的r id值可达109Ω以上。

b.开环输出电阻r o：r o是运放开环运用时，从输出端与地之间看进去的等效电阻，一般在几百欧姆之内。

5.共模抑制比K CMRRa.定义：K CMRR＝︱A ud/A uc︱. （开环时）b. K CMRR越大，抗共模干扰的能力越强。

6.其他性能指标：a.转换速率;b.静态功耗;c.最大共模输入电压;d.电源电压。

三、集成运放的理想模型1.集成运放的理想化条件：开环电压增益A ud→∞，差模输入电阻r id→∞，开环输出电阻r o→0，共模抑制比K CMRR→∞，运放无零漂且特性不随温度而变化。

将集成运放理想化，既可使电路的分析和计算大为简化，又能与实际比较贴近。

图4-2分别画出了理想运放和实际运放的传输特性，由图可知，运放有两个工作区——线性区和饱和区。

2.理想运放工作在线性区的两个重要特点——“虚短”与“虚断”a. 虚短的概念：(1)当运放工作在线性区时，其两个输入端的差模电压为 u+－u－＝u O /A ud∵ A ud →∞，而u o 是有限的 ∴ u+－u－≈0 即因此，运放的两个输入端可以认为是虚连接的，称为“虚短”。

(2)当运放的一个输入端接地时，另一个输入端的电位会近似为零，这称之为“虚地”。

b.虚断的概念：∵ 理想运放的差模输入电阻rid →∞∴即，从理想运放两个输入端流进、流出的电流近似为零，称为“虚断”。

3.理想运放工作在饱和区的主要特点a .理想运放工作在饱和区时，输出电压与输入电压之间不再满足线性关系，输出电压只能取两个饱和值：+U o(sat)或－U o(sat)。

当u +＞u －时，u O = +U o(sat)当u +＜u －时，u O =－U o(sat)b.因为理想运放的差模输入电阻rid →∞，所以理想运放工作i +＝i －≈0。

小结：理想运放工作在线性区时，虚短与虚断同时成立; 理想运放工作在饱和区时，虚短不成立，但虚断仍然成立。

“虚短”、“虚断”虽然是从理想运放的特性得出的，但也与实际情况比较符合。

因此，对于实际的集成运算放大器，也可以用理想模型来进行分析和计算，这样可使电路的分析大大地简化。

作业 P97：4-1，4-6（修改要求），4-9§4-2 基本运算放大器一、反相比例运算放大器 1.反相比例运算放大器a.电路结构如图4-3所示。

电路的特点是：输入电压u I 经电阻R 1从反相输入端输入;输出端经电阻R F 与反相输入端相连;运放的两个输入端是静态对称的，R 2＝R 1∥R F 。

b. 反相比例运算放大器的闭环电压放大倍数：根据虚短、虚断可得[因为电路引入了深度负反馈，运放工作在线性区，因此虚短、虚断同时成立。

所以有 i 1 = i f ＋i ≈i f ，u －≈u +≈0，又i 1＝(u I －u －)/R 1＝u I / R 1 ，i f ＝(u －－u O )/R F ＝－u O /R F]c.几点讨论：(1)A uF 只与外接电阻R 1、R F 有关，而与集成运放本身参数无关，只要电阻值足够精确，则u O 与u I 成高精度的比例关系。

(2)当R F ＝R 1时，u O ＝－u I ，电路成了反相器。

(3) 反相比例运算放大器是一种电压并联负反馈放大电路。

（判断反馈类型）(4)该反相比例运算放大器的输入电阻是R 1。

d.使用中的局限：(1)当信号源内阻R s 达到数千欧时，这个电路难以获得高增益（R 1、R F 的取值有一定的限制）。

(2)该电路的输入电阻较小（并联负反馈电路），不能应用于高内阻的信号源。

（因此，实际中多采用如下改进电路。

） 2.高增益反相放大器 a.电路如图4-4所示，反馈电压u F 从分压电阻R 3与R 4的连接点引出，该电路仍是一个电压并联负反馈电路。

b.闭环电压放大倍数： 若R F ＞＞ R 4（即流经R 3与R 4的电流近似相等），并由虚短、虚断可推得：（∵ R F ＞＞ R 4， i 1 = i f ＋i ≈i f ， u －≈u +≈0，∴O 434F u R R R u ⋅+= , F F1I 00R u R u -=- , II431F I F 443I O F u )1(u u R R R Ru u R R R u u A ⋅+⋅-=⋅+== ） 虽然R F 、R 1的取值有一定的限制，但R 3/R 4可以取得很大，因此这个电路可以获得很高的电压增益。

【例4-1】（自学）二、同相比例运算放大器1.电路如图4-5所示。

该电路与反相放大器的不同之处是：R 1端接地，输入电压经R 2从同相输入端输入。

2.闭环电压放大倍数：由虚短、虚断可推得[ ∵ i 1 = i f ， ∴FO10R u u R u -=--- ，又u －≈u +≈uI ， 故 F O I 1I R u u R u -=-，I 1F F O )11(u R R R u ⋅+=，1F I O 1R R u u += ]3.几点讨论 a. 放大器的特点：(1) A uF 只与外接电阻有关，故电路的稳定度和精度都很高。

A uF 为正，表示u O 与u I 同相，并且A uF ≥1（这一点与反相放大器不同，反相放大器的K F 可以小于1）。

(2)它是一个电压串联负反馈放大器，因此其输入电阻高、输出电阻低。

(3)由于u+＝u －≠0，共模输入信号大，故该电路的共模抑制比K CMRR 不太大。

b.电压跟随器：当R 1＝∞，R F ＝0时，A uF ＝1，电路成为电压跟随器。

【例题4-2】在如图4-6所示的运放电路中，当R F ＝2R 1，u I ＝－2V 时，试求输出电压u O ＝？【解】放大电路由A 1、A 2串行连接而成，其中A 1是电压跟随器，因此u O1＝u I ＝－2Vu O1就是A 2的输入电压，而A 2是反相比例运算放大器，因此u O ＝－(R F /R 1)〃u O1＝－(2R 1/R 1)〃(－2)＝4V 。

三、加、减运算放大器1.加、减运算放大器a.能够实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的电路统称为加、减运算放大器，其基本电路如图4-7所示。

（若所有输入信号均作用于运放的同一个输入端，则可实现加法运算。

若一部分输入信号作用于运旋的同相输入端，而另一部分输入信号作用于运旋的反相输入端，则可同时实现加、减法运算。

）b.输出、输入电压的关系：(1)由虚断可得：522I 11I R u R u u R u u i ++++=-+-= FO44I 33I R u u R u u R u u i -=-+-=---- (2)设R +＝R 1∥R 2∥R 5 ，R －＝R 3∥R 4∥R F ，则上述两式可整理为：22I 11I R u R u R u +=++ ，FO44I 33I R u R u R u R u ++=-- ， (3)调节R 5使R +＝R － ，又由于u －≈u +（虚短），因此由上面两式可得：( R + = R － )即输出电压等于各输入电压按不同的比例相加或相减。

c.几点讨论：(1)如果R 1、R 2、R 3、R 4取不同的值，则各输入电压按权重进行加、减。

(2)如果R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R F ＝R ，可以实现普通的加减运算：u o ＝(u I1 + u I2)－(u I3 + u I4)＊如果只从反相端并行输入信号，则u o ＝－(u I3 + u I4)＊如果只从同相端并行输入信号，则u o ＝(u I1 + u I2)＊输入端个数可以根据需要适当增减，剩余的输入端要接地。