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1、第4章 集成运算放大器本讲稿第一页，共三十一页4.1 4.1 直接耦合放大电路中存在的主直接耦合放大电路中存在的主要问题要问题4.1.1 4.1.1 前后级的静态工作点相互影响前后级的静态工作点相互影响 由于采用了直接耦合，造成了级与级之间工作状态的相互由于采用了直接耦合，造成了级与级之间工作状态的相互影响。这一点可用影响。这一点可用图图4-14-1来说明。由于某种原因使得第一级静态来说明。由于某种原因使得第一级静态工作点工作点I IB1B1、I IC1C1和和U UCE1CE1发生变化时，则导致第二级的发生变化时，则导致第二级的I IB2B2、I IC2C2和和U UCE2CE2随之改变。显
2、然，第二级静态工作点的变化会导致第三级静态随之改变。显然，第二级静态工作点的变化会导致第三级静态 下一页下一页 返回返回本讲稿第二页，共三十一页图图4-14-1返回返回本讲稿第三页，共三十一页4.1 4.1 直接耦合放大电路中存在的主直接耦合放大电路中存在的主要问题要问题工作点的改变。可见由于某种原因使得第一级静态工作点发生工作点的改变。可见由于某种原因使得第一级静态工作点发生变化时，就会引起其他各级直流工作状态的改变，这对直接耦变化时，就会引起其他各级直流工作状态的改变，这对直接耦合放大电路的设计和调整带来很多不便。为此，我们希望一个合放大电路的设计和调整带来很多不便。为此，我们希望一个直流
3、放大器（往往是多级的）在输入信号为零时，其输出直流直流放大器（往往是多级的）在输入信号为零时，其输出直流电平也为零。这样，当多个直流放大器级联时，就不会造成直电平也为零。这样，当多个直流放大器级联时，就不会造成直流工作状态的相互影响。流工作状态的相互影响。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第四页，共三十一页4.1 4.1 直接耦合放大电路中存在的主直接耦合放大电路中存在的主要问题要问题4.1.2 4.1.2 零点漂移零点漂移 当把一只电压表（用直流毫伏档）接入一个输入为零的直当把一只电压表（用直流毫伏档）接入一个输入为零的直流放大器的输出端时，由于输入信号为零，从理论上讲，输出流放大器的输出端时
4、，由于输入信号为零，从理论上讲，输出端电表的指针应该一直停留在零点。但是实际上，它却离开零端电表的指针应该一直停留在零点。但是实际上，它却离开零点，出现忽大忽小、忽快忽慢的不规则摆动，这种现象称为零点，出现忽大忽小、忽快忽慢的不规则摆动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。点漂移，简称零漂。引起零漂的外界因素，主要有以下三种：引起零漂的外界因素，主要有以下三种：（1 1）时间漂移）时间漂移:这是由于晶体管和其他元器件参数本身的老化而这是由于晶体管和其他元器件参数本身的老化而上一页上一页 下一页下一页本讲稿第五页，共三十一页4.1 4.1 直接耦合放大电路中存在的主直接耦合放大电路中存在的主要问题要
5、问题 引起的一种零点漂移。引起的一种零点漂移。（2 2）温度漂移：这主要是由于晶体管的参数随着环境温度的变）温度漂移：这主要是由于晶体管的参数随着环境温度的变 化而变化所造成的零漂。化而变化所造成的零漂。（3 3）电源电压变化引起的漂移：这种漂移可认为是当电源电压变化时，电）电源电压变化引起的漂移：这种漂移可认为是当电源电压变化时，电流的直流电平配置受到某种破坏而导致输出零点的变动。温度变化是产流的直流电平配置受到某种破坏而导致输出零点的变动。温度变化是产生零点漂移的主要因素，也是最难克服的因素。一个高质量的直流放大生零点漂移的主要因素，也是最难克服的因素。一个高质量的直流放大电路应该具有高的
6、电压增益和小的零点漂移。电路应该具有高的电压增益和小的零点漂移。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第六页，共三十一页4.1 4.1 直接耦合放大电路中存在的主直接耦合放大电路中存在的主要问题要问题4.1.3 4.1.3 减小零点漂移的办法减小零点漂移的办法 在多级直接耦合放大电路中，由于各级电路的零点漂移逐级放在多级直接耦合放大电路中，由于各级电路的零点漂移逐级放大，第一级的零漂所产生的影响占主要地位，所以抑制零漂主要大，第一级的零漂所产生的影响占主要地位，所以抑制零漂主要是解决第一级放大管的参数受温度影响问题。一般采用如下方法：是解决第一级放大管的参数受温度影响问题。一般采用如下方法：1.1.
7、选用高质量的硅管选用高质量的硅管 2.2.利用二极管或热敏元件补偿利用二极管或热敏元件补偿3.3.采用差分式放大电路采用差分式放大电路 差分式放大就是采用两只型号相同、特性相同的晶体管进行温差分式放大就是采用两只型号相同、特性相同的晶体管进行温度补偿，同时放大两个输入信号之差。这种电路具有许多优点，度补偿，同时放大两个输入信号之差。这种电路具有许多优点，因而在直接耦合放大器中获得广泛应用，成为集成运算放大器的因而在直接耦合放大器中获得广泛应用，成为集成运算放大器的基本组成单元。基本组成单元。上一页上一页 返回返回本讲稿第七页，共三十一页4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路4.2.1 4.2
8、.1 基本差分放大电路基本差分放大电路 输入信号可以从两个输出端同时输入（称为双端输入），输入信号可以从两个输出端同时输入（称为双端输入），也可以从一个输入端输入，而将另一个输入端接地（称为单端也可以从一个输入端输入，而将另一个输入端接地（称为单端输入）。输出信号可以从两个管子集电极之间取出（称为双端输入）。输出信号可以从两个管子集电极之间取出（称为双端输出），也可以从一个输出端输出（称为单端输出），根据实输出），也可以从一个输出端输出（称为单端输出），根据实际需要，输入和输出方式可灵活选择。际需要，输入和输出方式可灵活选择。下一页下一页 返回返回本讲稿第八页，共三十一页4.2 4.2 差分放
9、大电路差分放大电路4.2.2 4.2.2 差分放大电路的静态分析差分放大电路的静态分析 静态时，输入信号静态时，输入信号u ui1i1=u=ui2i2=0=0。由于电路完全对称，两管的集电极电流。由于电路完全对称，两管的集电极电流和集电极电位均相等，即和集电极电位均相等，即I IC1C1=I=IC2C2，U UC1C1=U=UC2C2，此时输出电压，此时输出电压u uo o=U=UC1C1-U UC2C2=0,=0,这就是说，基本差分放大电路输入为零时，输出也为零。这就是说，基本差分放大电路输入为零时，输出也为零。当温度变化或电源电压波动时，两管集电极电位同时漂移，两边电当温度变化或电源电压波
10、动时，两管集电极电位同时漂移，两边电路的漂移在输出端互相抵消。在双端输出时，输出电压没有零点漂路的漂移在输出端互相抵消。在双端输出时，输出电压没有零点漂移，这是差分放大器的重要特点，也是差分放大器抑制零点漂移的移，这是差分放大器的重要特点，也是差分放大器抑制零点漂移的基本原理。基本原理。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第九页，共三十一页4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路4.2.3 4.2.3 信号放大原理及电压放大倍数信号放大原理及电压放大倍数1.1.共模信号输入共模信号输入 理想情况下，差分放大电路的共模电压放大倍数为零。如果电路的对称性理想情况下，差分放大电路的共模电压放大倍数为零。
11、如果电路的对称性不好，则在输出端会有输出电压，使共模电压放大倍数不为零。但此时，输不好，则在输出端会有输出电压，使共模电压放大倍数不为零。但此时，输出电压会很小，共模电压放大倍数很小。出电压会很小，共模电压放大倍数很小。差分放大电路的共模电压放大倍数越小，其抑制零点漂移差分放大电路的共模电压放大倍数越小，其抑制零点漂移的能力就越强。的能力就越强。2.2.差模信号输入差模信号输入 牺牲一根管子的放大作用来换取对零点漂移的抑制。牺牲一根管子的放大作用来换取对零点漂移的抑制。3.3.任意信号输入任意信号输入上一页上一页 下一页下一页本讲稿第十页，共三十一页4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路4.
12、2.4 4.2.4 差分放大器的其他指标差分放大器的其他指标1.1.共模抑制比共模抑制比 用共模抑制比来衡量差动放大器电路性能的优劣。用共模抑制比来衡量差动放大器电路性能的优劣。CMRR定义如定义如下下2.2.差模输入电阻差模输入电阻 差模输入电阻差模输入电阻r ridid为在差模输入信号的作用下，输入电压为在差模输入信号的作用下，输入电压U Uidid与流入与流入电流之比称为差模输入电阻电流之比称为差模输入电阻r ridid，即从两个输入端看进去的差模输入电阻。，即从两个输入端看进去的差模输入电阻。且且3.3.差模输出电阻差模输出电阻 从两管集电极输出的差模输出电阻从两管集电极输出的差模输出
13、电阻r rodod=2R=2Rc c。4.4.共模输出电阻共模输出电阻上一页上一页 返回返回本讲稿第十一页，共三十一页4.3 4.3 常见的几种改进型差分电路常见的几种改进型差分电路4.3.1 4.3.1 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 为了克服电路中可能存在的不完全对称引起的零点漂移，在基为了克服电路中可能存在的不完全对称引起的零点漂移，在基本差分放大电路中增加了发射极公共电阻本差分放大电路中增加了发射极公共电阻R Re e，则得到如，则得到如图图4-84-8所示的所示的长尾式差分电路。长尾式差分电路。下一页下一页 返回返回本讲稿第十二页，共三十一页4.3 4.3 常见的几种改进型差分
14、电路常见的几种改进型差分电路4.3.2 4.3.2 带恒流源的差分电路带恒流源的差分电路1.1.恒流源特性恒流源特性 长尾式差动放大电路，由于接入长尾式差动放大电路，由于接入R Re e,提高了共模信号的抑制提高了共模信号的抑制能力，且能力，且R Re e愈大，抑制能力愈强。但是愈大，抑制能力愈强。但是R Re e增大，则增大，则R Re e上的直流压上的直流压降增大，为保证管子正常工作必须提高降增大，为保证管子正常工作必须提高V Veeee值，这是不合算的。值，这是不合算的。为此希望有这样一种器件，交流电阻为此希望有这样一种器件，交流电阻r r大，而直流电阻大，而直流电阻R R小。恒小。恒流
15、源即有此特性。流源即有此特性。2.2.恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路3.3.差分放大电路四种接法的比较差分放大电路四种接法的比较 表表4-14-1列出了差分放大电路四种接法的性能比较。列出了差分放大电路四种接法的性能比较。上一页上一页 返回返回本讲稿第十三页，共三十一页表表4-14-1返回返回本讲稿第十四页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器4.4.1 4.4.1 集成运算放大器的分类集成运算放大器的分类1.1.通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器2.2.专用型集成运算放大器专用型集成运算放大器（1 1）低功耗或微功耗集成运算放大器）低功耗或微功耗集成运算放大器（
16、2 2）高速集成运算放大器）高速集成运算放大器（3 3）宽带集成运算放大器）宽带集成运算放大器（4 4）高精度集成运放）高精度集成运放 下一页下一页 返回返回本讲稿第十五页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器（5 5）高电压集成运算放大器）高电压集成运算放大器（6 6）功率型集成运算放大器）功率型集成运算放大器（7 7）高输入阻抗集成运算放大器）高输入阻抗集成运算放大器（8 8）电流型集成运算放大器）电流型集成运算放大器（9 9）跨导型集成运算放大器）跨导型集成运算放大器（1010）程控型集成运算放大器）程控型集成运算放大器（1111）低噪声型集成运算放大器）低噪声型集成运
17、算放大器（1212）集成电压跟随器）集成电压跟随器上一页上一页 下一页下一页本讲稿第十六页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器4.4.2 4.4.2 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成1.1.集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成1 1）输入级）输入级 输入级是提高运算放大器质量的关键部分输入级是提高运算放大器质量的关键部分.要求其输入电阻高要求其输入电阻高.为了为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号。能减小零点漂移和抑制共模干扰信号。2 2）中间级）中间级中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数.故常称为电故常称为电压放大
18、级压放大级3 3）输出级）输出级输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要4 4）偏置电路）偏置电路 偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流。偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流。2.2.典型通用集成运算放大器典型通用集成运算放大器F007F007内部电路简介内部电路简介1 1）F007F007的内部电路的内部电路 图图4-134-13所示为所示为F007F007的内部电路。的内部电路。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第十七页，共三十一页图图4-134-13返回返回本讲稿第十八页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器
19、2 2）输入级）输入级3 3）中间放大级）中间放大级3.3.集成运算放大器的识读集成运算放大器的识读4.4.集成运算放大器在电路中的符号集成运算放大器在电路中的符号 集成运算放大器在实际电路中的符号如集成运算放大器在实际电路中的符号如图图4-144-14所示，其中所示，其中图图4-144-14（a a）是国际标准符号，是国际标准符号，图图4-144-14（b b）是曾用符号，是曾用符号，图图4-144-14（a a）中中“”“”表示信号的传输方向，表示信号的传输方向，“”“”表示放大倍表示放大倍数为理想条件。两个输入端中，数为理想条件。两个输入端中，“-”-”号表示反向输入端，号表示反向输入端
20、，“+”+”号表示同相输入端。号表示同相输入端。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第十九页，共三十一页图图4-144-14返回返回本讲稿第二十页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器4.4.3 4.4.3 集成运算放大器的传输特性集成运算放大器的传输特性1.1.传输特性传输特性 集成运算放大器是一种多端器件，与二极管、三极管相集成运算放大器是一种多端器件，与二极管、三极管相似，使用者对其认识也应从其特性曲线开始。集成运放的传输似，使用者对其认识也应从其特性曲线开始。集成运放的传输特性是指输出电压与差模输入电压之间的关系曲线，如特性是指输出电压与差模输入电压之间的关系曲线，如图图
21、4-154-15所示。所示。2.2.线性区的特点线性区的特点上一页上一页 下一页下一页本讲稿第二十一页，共三十一页图图4-154-15返回返回本讲稿第二十二页，共三十一页4.4 4.4 集成运算放大器集成运算放大器 工作在线性状态时，集成运放有以下两个特点：工作在线性状态时，集成运放有以下两个特点：由于运算放大器的差模输入电阻非常大（由于运算放大器的差模输入电阻非常大（r ridid ），故可认），故可认为两个输入端的输入电流为零，像断开一样，称为为两个输入端的输入电流为零，像断开一样，称为“虚断虚断”。由于运算放大器的开环差模输入电压放大倍数非常大（由于运算放大器的开环差模输入电压放大倍数非
22、常大（A Auouo 0 0）。而输出电压）。而输出电压U Uo o是一个有限值，由式是一个有限值，由式U U+-U-U-=U=Uo o/A/Auouo00可见，可见，U U+UU-，表示同相端和反相端电位相等，称为，表示同相端和反相端电位相等，称为“虚短虚短”。3.3.非线性区（饱和区）的特点非线性区（饱和区）的特点上一页上一页 返回返回本讲稿第二十三页，共三十一页4.5 4.5 理想集成运算放大器与实际集理想集成运算放大器与实际集成运算放大器成运算放大器4.5.1 4.5.1 理想运算放大器及其性能指标理想运算放大器及其性能指标 下一页下一页 返回返回本讲稿第二十四页，共三十一页4.5 4
23、.5 理想集成运算放大器与实际集理想集成运算放大器与实际集成运算放大器成运算放大器4.5.2 4.5.2 理想运放与实际运放理想运放与实际运放 实际上并不存在理想运放。但目前，集成运放的性能指标实际上并不存在理想运放。但目前，集成运放的性能指标已经做得很高，在分析他们组成的电路时，把他们看做是理想已经做得很高，在分析他们组成的电路时，把他们看做是理想运放，所得到的分析结果与实际情况以较接近，一般以能满足运放，所得到的分析结果与实际情况以较接近，一般以能满足工程的需要。但也应切记，按理想运放所得到的分析结果是有工程的需要。但也应切记，按理想运放所得到的分析结果是有误差的。分析运放参数与这一误差之
24、间的关系，可以找出提高误差的。分析运放参数与这一误差之间的关系，可以找出提高集成运放电路性能的途径。集成运放电路性能的途径。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第二十五页，共三十一页4.5 4.5 理想集成运算放大器与实际集理想集成运算放大器与实际集成运算放大器成运算放大器4.5.3 4.5.3 集成运放的三种基本输入形式集成运放的三种基本输入形式 集成运放按其信号输入方式的不同有同相输入、反相输入集成运放按其信号输入方式的不同有同相输入、反相输入和差模输入。和差模输入。1.1.反相输入反相输入 由于反相输入端与同相输入端是由于反相输入端与同相输入端是“虚短路虚短路”，而同相输入，而同相输入端又接
25、地，因此可以把反相输入端看成是地电位，我们把这种端又接地，因此可以把反相输入端看成是地电位，我们把这种在电路中并没有真正接地，而具有地电位的点称为在电路中并没有真正接地，而具有地电位的点称为“虚地虚地”点。点。2.2.同相输入同相输入3.3.差模输入差模输入上一页上一页 返回返回本讲稿第二十六页，共三十一页4.6 4.6 集成运算放大器在实际中的应集成运算放大器在实际中的应用用4.6.1 4.6.1 集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用1.1.加法运算电路加法运算电路 能实现输出电压与几个输入电压之和成比例的电路，称为能实现输出电压与几个输入电压之和成比例的电路，称为加法运
26、算电路。按输入信号都从反相端或都从同相端输入来划加法运算电路。按输入信号都从反相端或都从同相端输入来划分。可分为反相加法电路和同相加法电路。分。可分为反相加法电路和同相加法电路。2.2.减法运算电路减法运算电路1 1）电路组成）电路组成 该电路输出电压与两输入电压之差成比例，实现减法运该电路输出电压与两输入电压之差成比例，实现减法运 下一页下一页 返回返回本讲稿第二十七页，共三十一页4.6 4.6 集成运算放大器在实际中的应集成运算放大器在实际中的应用用算，称为差动输入式减法运算电路。算，称为差动输入式减法运算电路。2 2）电路分析及减法运算条件）电路分析及减法运算条件 该电路是对差模输入电压
27、进行放大，因此又称该电路是对差模输入电压进行放大，因此又称“差分放大差分放大器器”。3.3.微分电路微分电路4.4.积分运算电路积分运算电路 积分电路的输出电压不可能随时间无限增长下去，而是受积分电路的输出电压不可能随时间无限增长下去，而是受到运放最大输出电压的限制。当达到后就不再增长了。此后，到运放最大输出电压的限制。当达到后就不再增长了。此后，运放将进入非线性区。运放将进入非线性区。上一页上一页 下一页下一页本讲稿第二十八页，共三十一页4.6 4.6 集成运算放大器在实际中的应集成运算放大器在实际中的应用用4.6.2 4.6.2 集成运放在信号处理方面的应用集成运放在信号处理方面的应用1.
28、1.电压比较器电压比较器 电压比较器是将输入电压接入运放的一个输入端而将另一个电压比较器是将输入电压接入运放的一个输入端而将另一个输入端接参考电压，将两个电压进行幅度比较，由输出状态反映输入端接参考电压，将两个电压进行幅度比较，由输出状态反映所比较的结果。所比较的结果。1 1）过零比较器）过零比较器2 2）迟滞比较器）迟滞比较器2.2.波形发生器波形发生器1 1）矩形波发生器）矩形波发生器上一页上一页 下一页下一页本讲稿第二十九页，共三十一页4.6 4.6 集成运算放大器在实际中的应集成运算放大器在实际中的应用用2 2）三角波发生器）三角波发生器3 3）锯齿波发生器）锯齿波发生器3.3.测量放大器测量放大器4.4.有源滤波器有源滤波器1 1）低通滤波器）低通滤波器2 2）高通滤波器）高通滤波器5.5.可编程增益放大器可编程增益放大器上一页上一页 返回返回本讲稿第三十页，共三十一页图图4-8 返回本讲稿第三十一页，共三十一页