多级放大电路和集成运算放大器-2
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。
第二章_集成运算放大器
集成运算放大器
由图2-7可得：
i1
ui
u R1
ui R1
if
u uo RF
uo RF
由此得出：uo
RF R1
ui
该电路的闭环电压放大倍
数为：
Auf
uo ui
RF R1
图2-7 反相比例运算电路
集成运算放大器
电阻。如采用恒流源代替Rc,一般的中间放大级的电压增益
可达到60dB以上。
第三部分为输出级。其主要任务是输出足够大的电流， 能提高带负载能力。所以该级应具有很低的输出电阻和很高 的输入电阻，一般采用射极输出器的方式。
集成运算放大器
2.2 外形与符号 集成运放的外形有圆形、扁平形和双列直插式三种，如
开环是指运放未加反馈回路时的状态，开环状态下的差
模电压增益叫开环差模电压增益Aud。Aud＝uod/uid。用分贝表 示 则 是 2 0 lg｜Aud｜(dB)。 高 增 益 的 运 算 放 大 器 的 Aud 可 达 140dB以上，即一千万倍以上。理想运放的Ａud为无穷大。
集成运算放大器
4. 差模输入电阻rid
数为1，这时就成了电压跟随器，如图2-9所示。其输入电阻 为无穷大，对信号源几乎无任何影响。输出电阻为零，为一 理想恒压源，所以带负载能力特别强。它比射极输出器的跟 随效果好得多，可以作为各种电路的输入级、中间级和缓冲 级等。
该电路的反馈类型为串联电压负反馈。
集成运算放大器
同相输入比例运算放大电路主要工作特点：
uo Au 0
0
集成运算放大器
即
u u
由于集成开环放大倍数为无穷大，与其放大时的输出电
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
集成运算放大器
第7章 集成运算放大器教学提示：本章首先介绍基本运算放大电路的构成、特点及分析方法；然后重点讨论了集成运算放大电路在基本运算、信号测量、信号处理和波形产生方面的应用；最后介绍了有关集成运放在使用时需注意的问题。
教学要求：通过本章学习，应能掌握集成运算放大电路的主要特点及基本分析和计算方法，并对集成运算放大电路在使用时需注意的问题有一定的了解。
7.1 集成运放简介运算放大器(简称运放)是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。
早期的运放是由分立器件(晶体管和电阻等)构成的，其价格昂贵，体积也很大。
在20世纪60年代中期，第一块集成运算放大器问世，其是将相当多的晶体管和电阻集中在一块硅片上而成的。
它的出现标志着电子电路设计进入了一个新时代。
由于集成运算放大器具有十分理想的特性，它不但可以作为基本运算单元完成加减、乘除、微分、积分等数学运算。
还在信号处理及产生等方面都有广泛的应用。
电子工程师们在电子电路设计时需要应用大量的集成运算放大器，这使得各种高性能、低价格的运放应运而生。
7.1.1 运算放大器的端子从处理信号的观点出发，运算放大器有三个端子，即反相输入端(用符号“-”表示)、同相输入端(用符号“+”表示)和输出端，如图7.1所示。
考虑到放大器要有直流电源才能工作，大多数集成运放需要两个直流电源供电，如图7.2所示。
图7.2中7，4两个端子由运放内部引出，分别连接到正电源+CC U 和负电源-EE U 。
运放的参考地点就是两个电源公共端——地。
图7.1 理想运算放大器 图7.2 理想运放的供电方式第7章 集成运算放大器 ·145··145·除了三个信号端和两个电源供给端以外，运算放大器还可能有几个供专门用途的其他端子，如频率补偿端和调零端等，这些端子的功能请读者自行分析。
7.1.2 理想运算放大器为了建立运算放大器的基本概念，下面先来介绍理想运算放大器。
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
集成运算放大器基本运算电路
集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
当外部接入不同的线性或非线性元器件组成负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。
在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。
基本运算电路（1)反相比例运算电路电路如图1所示，对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为uO＝-ui图1 反相比例运算电路为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1||RF。
(2)同相比例运算电路图2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为)ui当R1→∞时，uO=ui，即得到如图3所示的电压跟随器。
图中R2=RF，用以减小漂移和起保护作用。
一般RF取10KΩ，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。
图2 同相比例运算电路图3 电压跟随器(3)反相加法电路电路如图4所示。
图4 反相加法运算电路输出电压与输入电压之间的关系为uO=()R3=R1||R2||RF (4) 减法运算电路对于图5所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式uO=(ui2-ui1)图5 减法运算电路(5)积分运算电路反相积分电路如图6所示。
在理想化条件下，输出电压uo等于uo(t)= —式中“—”号表示输出信号与输入信号反相。
uc(o)是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值。
图6 积分运算电路如果ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设uc(o)=0，则—即输出电压uo(t)随时间增长而线性下降。
显然时间常数R1C的数值大，达到给定的uo值所需的时间就长。
积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限制。
在进行积分运算之前，首先应对运放调零。
为了便于调节，将图中K1闭合，通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。
但在完成调零后，应将K1打开，以免因R2的接入造成积分误差。
K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压uc(o)=0。
第9章 集成运算放大器
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。 图9-2所示为 LM 741集成运算放大器的外形和管脚图。 它有8个管脚，各管脚的用途如下: (1)输入端和输出端
第二级为反相电路，则有 R21= RF =100 kΩ 平衡电阻为 Rb2= RF∥R21 =100∥100=50 kΩ
三、减法运算电路
如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。差 分运算在测量和控制系统中应用很多，其放大电路如图 9-12所示。 根据叠加原理可知，uo为ui1和ui2分别单独在反相 比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和， 即
四、微分运算电路和积分运算电路
1.微分运算电路 微分运算电路如图9-13（ a）所示。依据 u u ≈0，可得 iR=iC 所以
d(ui u ) u uo C dt，因此称为微分运算电路。 在自动控制电路中，微分运算电路不仅可实现数学 微分运算，还可用于延时、定时以及波形变换。如图913（ b）所示，当ui为矩形脉冲时，则uo为尖脉冲。
（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）因为理想集成运算放大器的 rid→∞，所以由同相输入端和反相输入端流入集成运算 放 大器的信号电流为零，即 i i ≈0
u u
图9-3 理想集成运算放大器 的符号
图9-4 集成运算放大器的电 压传输特性
运算放大器 参数详解
运算放大器参数详解技术2010-12-19 22:05:36 阅读80 评论0 字号：大中小订阅运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。
在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。
运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。
随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。
现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。
历史直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。
如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。
因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。
因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。
能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。
运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。
目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。
第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。
直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
原理运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
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+24V
+
Ui
–
RB1 1M
C1
+
T1
RE1 27k
RB 1 82k
RC2 10k
+C3
+C2
RE1
RB 2 43k
RE2 7.5k
T2
510 +CE
+
.
Uo
–
VB 2
UCC RB 1 RB 2
RB2
24 43V 82 43
8.26V
IC2
UB 2－UB E2 RE2 RE 2
8 .26 0 .6 mA
模 拟电子技术
例2 下图是一个输入短路的两级直接耦合放大电路，计算
IBQ1、ICQ1、UCEQ1和IBQ2、ICQ2、UCEQ2的值。设VT1、VT2的β
值分别是β1=50， β2=35，稳压管的稳定电压UZ=4V，
UBEQ1=UBEQ2=0.7V。
+VCC
ICQ2
(+12V)
I1
I3
RC2
RB 95kΩ
模 拟电子技术
Ib1
Ic1
Ib2
Ic2
+
rbe1
Ui
RB1
+
.
_
RE1 U_o1
+ rbe2
RB 1 RB 2
RC2
RE 2
.
Uo
_
r rbe2
200
(1
)
26 IE
200
i2
51
26
0 .96
Ω
1 .58kΩ
ri2 RB 1 // RB 2 // rbe2 (1 )RE 2 14 kΩ
ICQ1 1I BQ1 50 0.02mA 1mA
U CEQ1 U BEQ2 U Z 4.7V
模 拟电子技术
I3
VCC
U CEQ1 RC1
12 4.7 6.8 103
mA
1.07mA
IBQ2 I3 ICQ1 1.07mA 1mA 0.07mA
ICQ2 2IBQ2 35 0.07mA 2.45mA
_
+ RG3
ui
RG1 -
+ ugs -
RG2
+
gmugs
RD
ui2
-
I·b rbe RB1 RB2
RE1
βI·b RC
+ RL uo
-
RL 1
RE1
//
ri2
27 14 27 14
kΩ
9
.22 kΩ
模 拟电子技术
Ib1
Ic1
Ib2
Ic2
+
rbe1
Ui
RB1
+
.
_
RE1 U_o1
+ rbe2
RB 1 RB 2
RC2
RE 2
.
Uo
_
rbe1
200 (1 β 1) 26
IE1
200 (1 50) 26 0 .49
ro
模 拟电
RB1
RC1
子技术
+VCC
RC2
+
+
VT1
VT2
+
Ui
RA2
Uo
Ui
-
-
-
+VCC
RB1
RC1
VT1
RC2 R
+
VT2
Uo
VDZ -
2）产生零点漂移的原因
温度变化导致电阻，管子参数的变化，直流电源波动， 元器件老化。如果采用高精度电阻并经过老化处理和采用 高稳定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生 零点漂移的主要原因。
RL1 = R3 // Ri2
Au1
1RL1 rbe1 (1 1 )R4
60 1.3 2 61 0.1
9.6
Au2
2 RL
rbe2
100
(4.7 // 5.1) 2.2
111
AU=AU1•AU2
Ri = Ri1= R1 // R2 // [rbe1 + (1+ 1)R4]
Ro = R8 = 4.7 k
3 kΩ
ro 2
ri ri1 RB1 // rbe1 (1 )RL1 320 kΩ
ro ro2 RC2 10 kΩ
模 拟电子技术
例 3: 1 = 60, 2 = 100; rbe1= 2 k, rbe2 = 2.2 k。
求 Au, Ri, Ro。
模 拟电子技术
[解] Ri2 = R6 // R7 // rbe2
模 拟电子技术
4.1.3其他多级放大电路
RG1 200kΩ
0.33μF
i
RG2
200kΩ
_
RD 10kΩ
RS 5.1kΩ
RB1 60kΩ 10μF
+ VT1
RC 3kΩ
VT2
+VCC (+15V)
+
10μF
+
RB2
RE1
RL 3kΩ
uo
100Ω
20kΩ
+50μF
RE2 2kΩ
+ 50μF
UOQ VCC ICQ2RC2 (12 2.45 2)V 7.1V
模 拟电子技术
2. 动态性能分析
（1）放大倍数的计算
ii
RS us
ui
Au1 uo1
第一级
ui2
Au2
第二级
uo2 uin
Aun
末级
RL uo
Au
uo ui
uo1 uo2 uo3 ... uo ui ui2 ui3 uin
= Au1·Au2 ···Aun
Au (dB) = Au1 (dB) + Au2 (dB) + ···+ Aun (dB)
考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大 倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!!!
模 拟电子技术
（2）输入和输出电阻的计算
多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输 入电阻。 Ri Ri1
RC2
RE 2
.
Uo
_
A第Uu–+1i一 级CrRb1e+1B放(11大(121M7R电kE11路)RT1为)1LR1射L+1C极2 输38423(出RR1kk(B B器121 5710.550R)kR R 0kC)E E2912T.95221.202++2CC3EU.0+–o+.2949V4
模 拟电子技术
计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);
+24V
+
Ui
–
RB1
C1 +
1M T1
RE1 27k
RB 1
82k
RC2 10k
+C3
+C2
RB 2
43k
T2
+
RE1
RE2
7.5k
510
.
Uo
+
CE –
模 拟电子技术
解: 两级放大电路的静态值可分别计算。
+24V
+
Ui
–
RB1 1M
C1
+
T1
RE1 27k
注意：为什么只对直接耦合多级放大电路 提出这一问题呢？原来温度的变化和零点 漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电 路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化 的信号不会逐级传递和放大，问题不会很 严重。但是，对直接耦合多级放大电路来 说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输 出端造成严重的影响。特别是当温度变化 较大，放大电路级数多时，造成的影响尤 为严重。
1、静态工作点的分析 变压器耦合 同第二章单级放大电路 阻容耦合 光电耦合 直接耦合
思路：根据电路的约束条件和管子的IB、IC和IE的 相互关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点， 则应以此为突破口，简化求解过程。
模 拟电子技术
例1 如图所示的两级电压放大电路，
已知β1= β2 =50, T1和T2均为3DG8D。
模 拟电子技术
(2) 计算 r i和 r 0 微变等效电路
Ib1
Ic1
+
rbe1
Ui
RB1
+
.
_
RE1 U_o1
ri ri1
Ib2
Ic2
+ rbe2
RB 1 RB 2
RC2
RE 2
.
Uo
_
ri 2
模 拟电子技术
由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等 于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，它 的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即 是第二级输入电阻 ri2。
c.采用直流负反馈稳定静态工作点。
d.各级之间采用阻容耦合。
模 拟电子技术
5）零点漂移大小的衡量 △uIdr= △uOdr/Au △T △uOdr是输出端的漂移电压； △T是温度的变化； Au是电路的电压放大倍数； △uIdr就是温度每变化1℃折合到放大电路输入端的漂移电压。
模 拟电子技术
4.1.2多级放大电路的分析方法
Ib1
Ic1
Ib2
Ic2
+
rbe1
Ui
RB1
+
.
_
RE1 U_o1
+ rbe2
RB 1 RB 2
RC2
RE 2