第九章直接耦合放大电路和集成运算放大器
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集成运算放大电路
1.1 集成运放的基本组成
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路
uN
输入级
uP
(差动放大）
中间级
(电压放大）
输出级
uo
(互补输出）
输入端:同相输入端, 反相输入端
偏置电路
输入级---主要由差动放大电路构成，以减小运放的零漂 和其他方面的性能
中间级---主要作用是获得高的电压增益
输出级---由电压跟随器组成，降低输出电阻，提高输出功 率 偏置电路---则是为各级提供合适的工作
vP
P
N vNiP
A
iN
反相输入端
V
u
vOO
i
O
+∞
A －
+
uo
V
输入与输出的关系： 当vi从反相输入端输入时，vo与vi反相； 当vi从同相输入端输入时，vo与vi同相；
uP=uN 称“虚短”
1. 2.
•集成运放输入级一般采用的电路是（ ） （A）差分放大电路 （B）射极输出电路
（C）共基极电路 （D）电流串联负反馈电路
•集成运放有（ ）。 （A）一个输入端、一个输出端 （B）一个输入端、二个输出端
（C）二个输入端、一个输出端 （D）二个输入端、二个输出端
vi从反相输入端输入时，vo与vi反相 vi从同相输入端输入时，vo与vi同相
各元件特点
• 电容——隔直通交 • 电感——通直阻交 • 二极管——单向导电 • 三极管——放大电流 • 集成——虚短，虚断
1.4 理想集成运放
ri≈∞
Avo→∞
使 iP≈ 0、iN≈ 0
uo/ui →∞
称“虚断”
Ui ≈ 0
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路
uN
输入级
uP
(差动放大）
中间级
(电压放大）
输出级
uo
(互补输出）
输入端:同相输入端, 反相输入端
偏置电路
输入级---主要由差动放大电路构成，以减小运放的零漂 和其他方面的性能
中间级---主要作用是获得高的电压增益
输出级---由电压跟随器组成，降低输出电阻，提高输出功 率 偏置电路---则是为各级提供合适的工作
vP
P
N vNiP
A
iN
反相输入端
V
u
vOO
i
O
+∞
A －
+
uo
V
输入与输出的关系： 当vi从反相输入端输入时，vo与vi反相； 当vi从同相输入端输入时，vo与vi同相；
uP=uN 称“虚短”
1. 2.
•集成运放输入级一般采用的电路是（ ） （A）差分放大电路 （B）射极输出电路
（C）共基极电路 （D）电流串联负反馈电路
•集成运放有（ ）。 （A）一个输入端、一个输出端 （B）一个输入端、二个输出端
（C）二个输入端、一个输出端 （D）二个输入端、二个输出端
vi从反相输入端输入时，vo与vi反相 vi从同相输入端输入时，vo与vi同相
各元件特点
• 电容——隔直通交 • 电感——通直阻交 • 二极管——单向导电 • 三极管——放大电流 • 集成——虚短，虚断
1.4 理想集成运放
ri≈∞
Avo→∞
使 iP≈ 0、iN≈ 0
uo/ui →∞
称“虚断”
Ui ≈ 0
集成运算放大电路
uA741 （单运放）是高增益运算放大器，用于军 事，工业和商业应用 .这类单片硅集成电路器件提 供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和 低失调电压调零能力与使用适当的电位。 uA741 芯片引脚和工作说明： 1和5 为偏置 (调零端) ，2 为正向输入端， 3为反向输入端，4 接地， 6为输出， 7接电源 8空脚
集成运放的输出电压与输入电压（即同相输入端与反相输入端之 间的差值电压）之间的关系曲线称为电压传输特性。对于正、负两 路电源供电的集成运放，其电压传输特性如图3 -4(a)所示。 曲线分线性区（图中斜线部分）和非线性区（图中斜线以外的部 分）。在线性区，输出电压随输入电压（Up - UN）的变化而变化； 但在非线性区，只有两种可能：或是正饱和，或是负饱和。
低输入偏置电流：100nA最大值（LM324A）
每个封装有4个放大器 内部补偿 共模范围扩展至负电源 行业标准的引脚分配 输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响器件工作 提供无铅封装
特性(Features):
· 内部频率补偿
· 直流电压增益高(约100dB) · 单位增益频带宽(约1MHz)
· 电源电压范围宽：单电源(3—30V)；
· 双电源(±1.5 一±15V) · 低功耗电流，适合于电池供电 · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽，包括接地 · 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 · 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)
由于外电路没有引入负反馈，集成运放的开环增益非常高，只要加 很微小的输入电压，输出电压就会达到最大值所以集成运放电压传 输特性中的线性区非常窄，如图3 -4(a)所示。理想运放传输特性无 线性区，只有正、负饱和区，如图3 -4(b)所示。
第3章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
+ u i1
Rid 2 Rb rbe －
（4）输出电阻
Ro 2Rc
+
ui2
_ReV
－
EE
2. 双端输入单端输出
(1)差模电压放大倍数
Aud
Rc 2Rb
//
RL rbe
+VCC
Rc
Rc
+
这种方式适用 于将差分信号转换
Rb T1 RL
uo1 －
T2 Rb
为单端输出的信号。 +
－
R3
R2 R1
流电阻并不大。
_
V EE
恒流源使共模放大倍数减小，而
不影响差模放大倍数，从而增加
共模抑制比。
3.2.4 差动放大电路的四种接法
差动放大器共有四种输入输出方式:
1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出）
用于衡量差分放大对管输入电流的大小。
IIB
1 2
IB1 IB2
4.开环差模电压放大倍数 Aod ：
无反馈时的差模电压增益。
一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。
Au = 10000
若输出有1 V的漂移
电压 。
+
ui
则等效输入有100 —
Rc1 Rb1
T1 Re1
Re2
+ VCC
+u o T2
- VEE
uV的漂移电压
等效 100 uV
漂移
3. 减小零漂的措施
第九章运算放大电路
作用：将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。
类型：同相求和和反相求和。
方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。
27
加法运算电路
1. 反相加法运算电路 ui2 ii2 R12 if RF
因虚断，i– = 0 所以 ii1+ ii2 = if
ro
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
8
四 电压传输特性 uo= f (ui)
uo 近似特性 U＋
-Uds
实际特性
O Uds up-un
-U-
分三个区域： ①线性工作区：
)u
ui1 u R21
ui2 u R22
i
0
ui1 ui2
u
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui 2
RF
R1
–
u+ + +
R21
+ uo –
R22 平衡电阻：
R21 // R22 = R1 // RF
uo
(1
RF R1
)( R22 R21 R22
ui1 ii1 R11
– +
+
+ R2
R2= R11 // R12 // RF
uo –
若 R11 = R12 = R1
则：uo
若 R1 =
类型：同相求和和反相求和。
方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。
27
加法运算电路
1. 反相加法运算电路 ui2 ii2 R12 if RF
因虚断，i– = 0 所以 ii1+ ii2 = if
ro
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
8
四 电压传输特性 uo= f (ui)
uo 近似特性 U＋
-Uds
实际特性
O Uds up-un
-U-
分三个区域： ①线性工作区：
)u
ui1 u R21
ui2 u R22
i
0
ui1 ui2
u
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui 2
RF
R1
–
u+ + +
R21
+ uo –
R22 平衡电阻：
R21 // R22 = R1 // RF
uo
(1
RF R1
)( R22 R21 R22
ui1 ii1 R11
– +
+
+ R2
R2= R11 // R12 // RF
uo –
若 R11 = R12 = R1
则：uo
若 R1 =
电工电子学_集成运算放大器
24
9.3 集成运放在信号运算方面的应用
由于开环电压放大倍数Auo很高，集成运放开环工作时线性区很 窄。因此，为了保证运放处于线性工作区，通常都要引入深度负反馈。 集成运放引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间满足某种特定的 函数关系，实现特定的模拟运算。当反馈电路为线性电路时，可以实 现比例、加法、减法、积分、微分等运算。
图9.2.1 反馈放大电路框图
电路中的反馈是指将电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部 通过一定的电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号一同控制 电路的输出。可用图9.2.1所示的方框图来表示。
16
2. 反馈的分类
（1）正反馈和负反馈 根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。 （2）直流反馈和交流反馈 根据反馈信号的交直流性质，可以将反馈分为直流反馈和交流反馈。 （3）电压反馈和电流反馈 根据输出端反馈采样信息的不同，可以将反馈分为电压反馈和电流反 馈。 （4）串联反馈和并联反馈 根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端联结方式的不同，可以将 反馈分为串联反馈和并联反馈。
9
3. 输入和输出方式
差放电路有双端输入和单端输入两种输入方式。同样也有双端 输出和单端输出两种输出方式。因此，差动放大电路共有四种输入输 出方式。 （1）双端输入双端输出 （2）双端输入单端输出 （3）单端输入双端输出 （4）单端输入单端输出
10
4. 共模抑制比
差动放大电路对差模信号和共模信号都有放大作用，但对差动 放大电路来说，差模信号是有用信号，共模信号则是需要抑制的。因 此要求差放电路的差模放大倍数尽可能大，而共模放大倍数尽可能小。 为了衡量差放电路放大差模信号和抑制共模干扰的能力，引入共模抑 制比作为技术指标，用KCMR表示。其定义为差模电压放大倍数与共 模电压放大倍数之比，即 A （9.1.11） K ud
电工 单元九 集成运放
实际特性
饱和区
（l）开环电压放大倍数为无穷大，A0→∞ （2）运算放大器差模输入电阻，rid→∞ （3）输出电阻为零，r0几乎为零
（1） 线性区的特点
理想运放工作在线性区时有两个重要的特点：“虚短”
和“虚断”。即 u+≈u－ i+= i－≈0 “虚短”表示集成运放的同相输入端与反相输入端的电 压近似相等，如同将该两点虚假短路一样。若运放其中一个 输入端接“地”，则有u+≈u－=0，这时称“虚地”。 “虚断”表示没有电流流入运放（因为理想运放的差模
集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。r0愈小， 集成运放带负载的能力就愈强。由于集成运放采用互补对称式 射极输出电路，其r0较低，一般为几十到几百欧。
（4）最大输出电压UOM
在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放 输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称 为集成运放的最大输出电压。一般为电源电压的70%左右
对于单级运放电路，反馈元件（例如Rf)接到同相输入端是正反馈，接到 反相输入端是负反馈。
反馈的其他分类
1.直流反馈和交流反馈——反馈的信号 直流反馈：反馈信号是直流分量的称为直流反馈，直流反馈 用于稳定静态工作点。 交流反馈：反馈信号是交流分量的称为交流反馈。 有时反馈信号中既含有直流分量又含有交流分量。
一、开环、闭环、反馈ห้องสมุดไป่ตู้概念
1、定义
集成运放有两个输入端，一个输出端。当输出端和输入端之间 不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为开环状态 当用一定形式的网络（如R、C等）在外部将它们连接起来，这称 为闭环状态，又称为反馈状态。
反馈在电和非电领域都得到了广泛的应用。通常自动控制和自动调节 系统都是基于反馈原理构成的；在放大电路中适当引入反馈、可以改善放 大电路的性能
集成运算放大器
A/D转换方法
– 计数法 速度慢 – 双积分式A/D转换器 精度高、干扰小 速度慢 – 逐次逼近式A/D转换器 原理同计数式相似，只是从最高位开始，通过试探值来计数。
例1：ADC0804 （8位,100us,转换精度 ±1LSB,内带可控三态门）。
例2：ADC570 (输入电压：0~10V 或 -5V~+5V）
例3. 8位以上A/D转换器和系统连接。 ADC1210：12位，100us，启动端SC，结束转换CC。
例4. ADC0809: 逐次逼近式8通道8位ADC。
同时有模拟电路和数字电路的系统中地 线的连接
模拟电路 ADC DAC 数字电路
模拟电路 AGND
数字电路 DGND
模拟地
公共接地点
if RF
R1 R2
R3 RP
－ ＋
u0
ui 1 ui 2 ui 3 uo R1 R2 R3 Rf 可得： uo R f ( ui 1 ui 2 ui 3 ) R1 R2 R3 若R1=R2=R3=R，则 u R f ( u u u ) o i1 i2 i3 R
集成运算放大器
1．集成运算放大器概述
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，一般由四部分组成：
输入级：一般是差动放大 器，利用其对称特性可以 提高整个电路的共模抑制 比和电路性能，输入级有 反相输入端“-”、同相 输入端“+”两个输入端； 中间级：的主要作用是
3、差动比例运算电路
R1=R2，R’=RF Uo=-RF/R1(Ui1-Ui2)
差动比例运算电路 又称减法运算电路
第9章直接耦合放大电路和集成运算放大器
图 9 –3 集成电路剖面结构示意图 (3) 电路元件间的绝缘采用反偏的 PN 结隔离槽或二氧化硅绝缘层。
在图 9 3 中，P 型衬底往往接在电路的最低电位，元件间的 P 型隔离 槽也接向这个低电位。这样无形中构成了许多反偏的 PN 结，呈现出高达几十兆 欧姆的电阻，巧妙地把各元件隔离起来。此外，也可用二氧化硅薄层作为绝缘层。 三 、集成电路的外形封装
在硅片上制成一个元件的成本与它在硅片上占据的面积成正比。电感元件、 较大阻值的电阻和高值电容都会占用较大面积的硅片，因此，在集成电路中尽量 较少使用电容元件，不用电感和高阻值电阻。
(2) 大量使用三极管作为有源单元。 三极管占据单元面积小且成本低廉，所以在集成电路内部用量最多。三极
管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或作为二极管、稳压管使用，如图 9 3 中的二极管 V1 和 V2 。
第 9 章 直接耦合放大电路和 集成运算放大器
9.1 直接耦合放大电路
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些变化缓慢的低频信号（频率为 几赫兹至几十赫兹，甚至接近于零）。采用阻容耦合或变压器耦合的放大电路是 不能放大这种信号的。 因为在阻容耦合电路中，电容对这些信号呈现的阻抗极 大， 信号被电容隔断，无法传输到下一级。而在变压器耦合的电路中, 信号将 被变压器原边线圈的低阻所短路，也无法耦合到副边去。因此，放大这类变化缓 慢的信号，只能用直接耦合放大电路。
集成运放的外部引出端子有输入端子、输出端子、连接正负电源的电源端子、 失调调整端子、相位校正用的相位补偿端子、公共接地端子和其他附加端子。图 9 6 给出了集成运放 F007 的外引线图，图中包括输入端子、输出端子、电 源端子和失调调整端子。对于不同的产品，其外部引出端子的排列可以从产品说 明书上查阅。 本书的附录Ⅵ示出了常用的一些国产集成运放的引线排列图，供 使用时参考。 二、集成运放的主要性能指标
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UCC
Rb
Rc VC1
uo1 uo2
uo
Rc VC 2
ui1
Rb
ui2
Re
U EE
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ui1 ui2
ui1 ui2
uo VC1 VC2 0 uo VC1 VC2 0
“有差能动”
差动放大电路输入信号分析
差动放大电路中输入信号 ui1 和 ui2有三种情况:
1) ui1 ui2 uic 这种信号输入方式称为共模输入, uic 称为 共模输入信号 。如果差动放大电路完全对称，则共模输入 产生的输出电压为零，完全对称的差动放大电路对共模信号 没有放大能力，亦即共模电压放大倍数为零。实际的差动放 大电路由于不可能完全对称，因此存在一定的共模输出电压。 在差动放大电路中，共模输入信号一般为噪声信号(比如零 漂信号)，必须尽可能加以抑制！
A1
•
1 2 U id
,Uo2
A1
• (
1 2 )Uid
U od U o1 U o2 A1 •U id
Ad
U od U id
A1
3）任意输入信号
在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和
极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共
模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分
2） ui1 12 uid , ui2 ( 12)uid , uid ui1 ui2 ，这种信号输 入方式称为差模输入， uid 称为差模输入信号。
差模信号输入
UCC
Rb Rc
VC1
uo
uo1
ui1
Rc
VC 2 uo 2
Rb
ui2
Re
U EE
设差动放大电路单侧的放大倍数为 A1，则有：
U o1
本章重点和难点
集成运算放大器工作的特点； 常用信号运算电路的分析。
9.1 直接耦合放大电路
问题 的 引出
在测量仪表和自动控制系统中，常常遇到一些 变化缓慢的低频信号（频率为几赫兹至几十赫 兹，甚至接近于零），这些低频信号在多级放 大电路中处理时，该怎样处理？
多级放大电路 耦合方式
阻容耦合：对于低频信号阻抗大，且电容 不能集成。
第 9 章 直接耦合放大电路和集成运算放大器
本章基本要求:
1、了解直接耦合放大电路的零点漂移问题； 2、了解差动放大电路的结构，掌握差动放大电路抑制零点 漂移的原理； 3、了解差动放大电路的输入信号； 4、了解集成运算放大器的组成和特点； 5、掌握集成运算放大器工作的特点； 6、掌握常用信号运算电路的分析。
解为差模信号uid 和共模信号uic两部分分别定义差模信号和 共模信号为：
uid
ui1 ui2 , uic
1 2
(ui1
ui 2
)
Ad
uod uid
Ac
uoc uic
uo Aduid Acuic
越大，电路差模放大能力越强
越小，电路抑制共模信号的能力越强
共模抑制比
uo Aduid Acuic
9.2.2 集成运放的主要性能指标
1. 输入失调电压UOS
当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端 之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS。它反映了差放输入 级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型 运放的UOS为毫伏数量级，好的可小于1mV，差的达10mV左 右。 2. 输入失调电流IOS
2. 集成运放内部的电路组成
输入端 输入级
中间级
偏置 电路
输出级
输出端
输入级是具有恒流源的差动放大电路， 用于消除零漂。 中间级一般由一级共射极放大电路（或共源极放大电路） 或组合放大电路组成， 用以提供高的电压放大倍数。 输出级大多为互补推挽电路， 并附有安全保护电路。降低 输出电阻，提高带载能力。 偏置电路采用恒流源电路， 为各级电路设置稳定的直流偏 置。
变压器耦合：原边阻抗小，对信号相当 于短路，无法将信号传递到副边，变压 器也不能集成。
直接耦合：对信号频率要求不高，适合用 于放大低频信号，且容易集成。
9.1.1 直接耦合放大电路的零点漂移问题
零点漂移：当输入信号为0，由于电源波动、温度变化等原因，
使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起始点做上下漂 动，成为零点漂移。
9.2 集成运算放大器的结构和指标
9.21 集成运放的结构特点
1. 集成运放的特点
集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能， 现在 成为一种通用器件。
高增益（高放大倍数）、高可靠性、低成本和小尺寸。 集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大 倍数的放大器，具有输入电阻大、输出电阻小的特点。
uo1 uo2
ui 0
零点漂移现象
如下图中，当 ΔUi 0 时，由于某种原因使 ΔUo1 0.1V ，设 Aui Au2 Au3 30 ，则 ΔUo3 9V 这种缓慢变化
的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。
Ui 0
Au1 ( 30 )
UO1 0.01v
Au 2 ( 30
)
U O 2
0.3v
Au 3 ( 30
)
U O 3
9v
结论：对于直接耦合的多级放大电路由于零漂的存在，容 易造成在电路里无法区分有用的信号电压和零漂电压。因 此，在直接耦合的多级放大电路中，解决零漂问题是非常 关键的， 解决零漂的办法：采用差动放大电路。
9 .1.2 差动放大电路
抑制零点漂移的原理： 当温度变化时，对两管 的影响是一致的，相当 给两管电路同时加入大 小相等、极性相同的输 入信号，因此，当电路 特性完全对称的情况下 ，两管的集电极电位始 终相同，不会出现普通 直接耦合放大器那样的 漂移电压，这就是为什 么差动放大电路能够抑 制零点漂移的原因。
KCMRR
Ad Ac
Ad 越大，Ac 越小，KCMRR 越大，差动放大电路的性能越好。
理想情况下，KCMRR 为 ∞。对实际差动电路，KCMRR 愈大愈 好。
结论
A、差动放大电路具有放大差模信号、 抑制共模信号的能力， 因此， 在普遍采用直接耦合的集成运算放大器中， 广泛采用 差动放大电路作为输入级，以起到抑制零点漂移的作用。 B、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大，但射极 电阻越大， 抑制共模的能力就越强，一般采用恒流源电路来替 代射极电阻， 以获得较好的共模抑制能力。
3. 集成运放的外部引出端子
F007金属封装
8
7
6
5
18 7
2
6
3 4
5
F007双列直插式封装 1
2
3
4
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
符号
OA1 ININ+ VOA2 OUT
V+ NC
功能说明 失调调整端 反相输入端 同相输入端 偏置负电源电压，负电源端 失调调整端 输出端 偏置正电源电压，正电源端 空闲