集成运算放大器

功 率 放 大 电 路功率放大电路在多级放大电路的输出级，通常在大信号下工作，向负载提供尽可能大的功率，来推动负载工作。

功率放大电路的特点1. 在负载允许的失真限度内尽可能的提供最大输出功率2. 转换效率（直流电源供给功率）负载获得的功率VO P P )(=η高。

3. 非线性失真尽可能小。

4. 散热好功率放大电路的工作状态按三极管静态工作点Q 在输出特性曲线上所处位置的不同，功率放大电路分为甲类、甲乙类、乙类三种工作状态。

甲类当Q 点选择在交流负载线的中点时，信号整个周期内都有静态电流流过，这种工作状态称为甲类。

在甲类状态下，无论有无信号，电源提供的功率为C CC I U P =。

无输入信号，即静态时，电源提供的功率全部消耗在管子和电阻上。

有输入信号时，电源提供的功率一部分转化为有用的输出功率，信号越大，输出功率越大。

由于电流有较大的直流分量C I ，可以证明，甲类功率放大电路的效率理论上最高只能达到50%甲乙类为了提高效率，在电源电压C U 一定的条件下，可使Q 点沿交流负载线下移，使C I 减小，可得到如图所示的甲乙类工作状态。

若Q 下移到0≈C I ，此时静态管耗为最小，这种状态称为乙类。

功率放大电路工作在甲乙类和乙类，虽然降低了静态时的功耗，提高了效率，但却产生严重的波形失真。

乙类为了减小波形失真，在电路形式上一般可采用互补对称射极输出器的输出方式。

乙类互补对称功率放大电路如下图为乙类互补对称功率放大电路的原理图，图中T1为NPN 型晶体管，T2为PNP 型晶体管，它们的特性、参数对称。

电路为正、负电源供电，信号从基极输入，从发射极输出，为一对射极输出器。

静态时0=i u ，两管均处于截止状态，有021==B B I I ，021==C C I I ，所以发射极电位021==E E U U ，输出电压0=o u 。

动态时，在输入正弦交流电压i u 的正半周期T1导通，T2截止，流过负载电阻L R 的电流约为1C L i i =；在i u 的负半周期T1截止，T2导通，流过L R 的电流约为2C L i i =。

所以当正弦交流电压i u 输入时，两管轮流导通，负载L R 上获得一个完整的正弦波形。

乙类互补对称功率放大电路如下图为负载L R 上获得一个完整的正弦波形的示意图已知乙类互补对称功率放大电路静态电流0=B I ，0=C I 。

动态时由于晶体管死区电压的存在，在i u 的值小于死区电压时，晶体管不导通，即0=C i 。

只有i u 的值大于死区电压时晶体管才导通。

所以在正、负半周的交接处引起失真，称为交越失真。

如下图为交越失真的示意图甲乙类互补对称功率放大电路为了消除交越失真，可将静态工作点稍微提高一点，让晶体管工作在甲乙类放大状态。

如下图为甲乙类互补对称功率放大OCL(output capacitorless)电路电路中1R ，1VD ，2VD 和2R 组成分压式偏置电路，给晶体管T1，T2的发射结提供正向偏置电压，使T1，T2工作在微导通的甲乙类状态。

这样在0=i u 附近，实现了T1，T2在正弦输入信号的正、负半周交替工作，消除了交越失真。

集成运算放大器集成电路是利用半导体的制作工艺，把三极管、电阻、连接导线等整个电路集成在一块半导体芯片上，形成不可分割的固定块。

集成运放的类型很多，基本结构通常都是有输入级、中间级和输出级三部分组成。

集成运放的基本组成输入级要求输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，所以输入级都采用差动放大电路。

中间级需提供足够大的电压放大倍数，通常有共发射极电路组成。

输出级与负载相连接，要求输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流。

一般由互补对称功率放大电路组成。

另外，集成运放通常还有恒流源偏置电路等辅助电路。

如下图为集成运放的电路符号图中只画出了两个输入端和一个输出端。

同相输入端：当输入电压从同相端输入，即从“+”端与地之间输入时，输出电压与输入电压同相。

反相输入端：当输入电压从反相端输入，即从“—”端与地之间输入时，输出电压与输入电压反相。

图中分别用+u ，-u 和o u 表示集成运放的同相输入端、反相输入端和输出端对地的电压。

如下图为双列直插式集成运放741的外部引脚排列图图中“2”为反相输入端，“3”为同相输入端，“6”输出端。

“7”为正电源端，“4”为负电源端。

“1”，“5”，“4”为外接调零电位器的端子，“8”为空脚。

集成运放的主要参数：开环电压放大倍数o A ：输出和输入之间无任何反馈元件时的差模电压放大倍数-+-=u u u A oo 。

o A 一般为7410~10。

最大输出电压opp U ：集成运放在线性区的最大不失真输出电压。

输入失调电压Io U ：由于电路元件的不对称性，当输入电压为零时，为使输出电压为零而需在输入端所加的补偿电压。

实际上常表示为输入电压为零时0=I U ，输出电压o U 折合到输入端的电压的负值0==I U oo Io A U U 。

Io U 一般为几毫伏，其值越小越好。

输入失调电流Io I ：当输入电压为零时，两个输入端的静态电流之差，即21B B Io I I I -=，Io I 一般为零点零几微安，其值越小越好。

输入偏置电流B I ：输入电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，即)(2121B B B I I I +=，B I 一般为零点几微安，其值越小越好。

最大差模输入电压idM U ：集成运放两个输入端之间所能承受的最大差值电压。

最大共模输入电压icM U ：集成运放两个输入端之间所能承受的最大共模输入电压。

集成运放还有输入电阻、输出电阻和共模抑制比等参数。

集成运放的电压传输特性：如图为表示输出与输入电压关系的特性曲线，称为电压传输特性。

当输入电压i u 在AB 之间时，集成运放工作在线性区，在AB 之外时处于非线性区。

集成运放工作在线性区时，输出电压与输出电压有关系ioo u u A =。

由于集成运放电压放大倍数o A 很大，所以线性区很窄。

要使集成运放在较大的输入电压下也能工作在线性区，必须在电路中引入深度负反馈。

集成运放工作在非线性区时，输出只有两种饱和状态oM U ±。

电压饱和值oM U ±略低于正负电源电压。

理想运算放大器 理想运算放大器的条件在分析集成运放的应用电路时，为了简化电路分析，常将集成运放理想化。

理想化的条件是： 开环差模电压放大倍数：∞==-=-+io o o u uu u u A 开环差模输入电阻：∞=id r 开环输出电阻：0=o r 共模抑制比：∞=CMR K实际运算放大器的上述指标接近理想化的条件，因此借助理想运放进行分析所引起的误差很小，工程上是允许的，而分析过程简化很多。

如下图为理想运放的电路符号：理想运算放大器的特点：当集成运放工作在线性区时有：-+-+-+-+=⇒=-⇒⎪⎭⎪⎬⎫∞==-=⇒=-=u u u u u A A u u u u u u u u u A o o o o i i o o o 0为有限值，理想运放 两个输入端电位相等，好像短接在一起一样，但并非真的短路，所以称为虚短路，简称“虚短”。

由理想运放的电路可知：0==⇒⎪⎭⎪⎬⎫∞=-==+-+-+-i i r r u u i i id id 理想运放两个输入端之间输入电阻无穷大，好像断路一样，但并非真的断路，所以称为虚断路，简称“虚断”。

当集成运放工作在非线性区时，由集成运放的电压传输特性可知：oM o U u u u +=⇒>-+， oM o U u u u -=⇒<-+集成运算放大器的线性应用 比例运算电路： 1. 反相比例运算电路输入电压i u 通过电阻1R 作用于集成运放的反相输入端，所以输出电压o u 与i u 反相。

反馈电阻F R 跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入的是电压并联负反馈。

同相输入端经电阻2R 接地。

根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念可得：00==⇒⎭⎬⎫==⇒+-++-u u u u u 虚短Foi F R u u R u u i i i i -=-⇒=⇒==⇒--+-110虚断 联立以上两式可得：i F oF o i F i u R R u R u R u R u u R u u u u 11010-=⇒-=⇒⎪⎭⎪⎬⎫-=-==--+- 上式表明o u 与i u 是反相比例关系，且比例关系只取决于F R 与1R 的比值，而与集成运放本身的参数无关。

若F R R =1，则有i o u u -=，该电路称为反相器。

由反相比例运算电路可得其输入电阻为：11R i u r iif ==虽然理想运放的输入电阻为无穷大，引入并联负反馈后，反相比例运算电路的输入电阻并不大。

电路中F R R R //12=为平衡电阻，其作用是使集成电路的两个输入端在静态时对地有相同的等效电阻。

2. 同相比例运算电路输入电压i u 通过电阻2R 作用于集成运放的同相输入端，所以输出电压o u 与i u 同相。

反馈电阻F R 跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入的是电压串联负反馈。

反相输入端经电阻1R 接地。

平衡电阻F R R R //12=。

Fo F R u u R u i i i i --+--=⇒=⇒==⇒110虚断 i i u u u u u u u ==⇒⎭⎬⎫==⇒+-++-虚短联立以上两式可得：i F o i F i o F o i u R Ru R u R u u R u R u u u u u )1(111+=⇒=-⇒⎪⎭⎪⎬⎫=-==--+- 上式表明o u 与i u 是同相比例关系，且比例关系只取决于F R 与1R 的阻值，而与集成运放本身的参数无关。

若0=F R ，∞=1R ，则有i o u u =，该电路称为电压跟随器。

电压跟随器由同相比例运算电路可得其输入电阻为∞==+i u r iif ，实际集成运放电路中if r 可达Ω910。

反相加法运算电路如图为对三个输入电压1i u 、2i u 、3i u 做反相加法运算的电路。

平衡电阻F R R R R R //////1312112=00==⇒⎭⎬⎫==⇒+-++-u u u u u 虚短F i i i i i i =++⇒==⇒+-3210虚断联立以上两式可得：)(0313212111133122111321i F i F i F o F o i i i F u R R u R R u R R u R u R u R u R u i i i i u u ++-=⇒-=++⇒⎭⎬⎫=++==+- 由上式可知输出电压与输入电压反相，而且按不同的比例将各输入电压相加。

若R R R R ===131211，反相加法运算的电路则有)(321i i i Fo u u u RR u ++-=，实现了对三个输入电压的反相比例加法运算。