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1、教学提示：集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种电路，按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路，本章主要阐述模拟集成运算放大器的基本原理，其典型电路包括比例运算电路、加法运算电路、减法运算电路、积分运算电路、微分运算电路等等。同时本章结合实际，列举一些典型题例，说明集成运算放大器在实际生产中的应用。第第3章章集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用教学要求：本章让学生了解集成放大器的基本组成、工作原理;掌握各种典型电路的分析和求解。集成电路是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等集成工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体基片上，构成一个完整的电路。按功能可分为模拟集成电路和
2、数字集成电路两大类，其中集成电路运算放大器（线性集成电路，以下简称集成运放）是模拟集成电路中应用最广泛的，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。集成电路具有如下特点：1电路结构和元器件的性能参数比较一致，对称性好。2高阻值电阻在集成电路中常用三级管组成的恒流源替代。3大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合方式。4.在集成电路中，二极管常用三极管的发射结代替。3.1集成运放的电路基础集成运放的电路基础3.1.1集成运放的组成和主要性能集成运放的组成和主要性能1.集成运放的组成集成运算放大器通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个局部组成。其内部电路结构框如图3-1所示。图3-1
3、集成运算放大器组成输入级一般是由BJT或MOSFET组成的恒流源差动放大电路，以减少整个电路和零点漂移，提高共模抑制比，减少噪声和失真。同时，尽可能提高差模输入电阻。中间级的主要作用是提高电压增益，一般是由复合管组成的有源负载电压放大电路或组合放大电路，而且通常是多级放大的电路。输出级一般是有源负载射极输出器或互补对称输出电路，以减少输出电阻，提高带负载能力，并尽可能扩大动态范围，增大输出电压幅度，提高输出功率。偏置电路的作用是为各级电路提供适宜和稳定的偏置电流，一般是由各种类型的电流源电路组成。图3-2为集成运算放大器的电路符号图的两种典型表示。图中标出了两个差动输入端和一个输出端。标“+”
4、号的端口为同相输入端，信号从该端输入时，输出信号电压与输入信号电压相位相同；标“”号的端口为反相输入端，输出信号电压与端的输入信号电压相位相反。图3-2集成运算放大器的电路符号图2.集成运放的性能指标集成运算放大器的性能指标和技术参数很多，这里介绍其主要性能参数。2.1输入失调电压及其温漂.对于理想运放，输入电压为0时，输出电压也应为0，但实际运放的输出一般不为0，为了使集成运放输出直流电压为零，在两输入端之间需加的补偿电压定义为输入失调电压，越小越好，一般量级之间。的温度系数称为温漂，定义为2.2输入偏置电流集成运放输出直流电压为零时,两输入端偏置电流的平均值定义为,即3-2一般而言,越小越
5、好。通常运放的在几个量级；输入级运放的在量级；输入级运放的在量级。2.3输入失调电流及其温漂.集成运放输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值定义为输入失调电流，即在规定温度范围内，的温度系数又称为温漂，定义为3-32.4开环差模电压增益在标称电源电压及规定负载条件下，集成运放工作在线性区，且无反响时，其差模输出电压与差模输入电压之比定义为。集成运放的一般在之间。2.5差模输入电阻与输出电阻集成运放的定义为其差放输入级的差模输入电阻，为其输出级的输出电阻。通常，越大，越小，则性能越好。2.6共模抑制比集成运放的与差动放大电路相同。同样地，越大，对共模干扰信号的抑制能力越强。集成运放的一般为。
6、2.7最大差模输入电压是指集成运放两输入端之间所允许加的了大电压差，超过，运放输入级差动对管将被反向击穿。2.8最大共模输入电压是指集成运放允许的最大共模输入电压。超过运放的共模抑制比将显著下降。此外，还有其他一些指标参数，这里不一一赘述，读者可查阅相关IC手册。3.1.2理想运放和理想运放和“虚短虚短”、“虚断虚断”的概念的概念1.1理想运放的条件在分析集成运放应用电路时，往往把集成运放看成是一个理想运放器件，以简化应用电路的分析过程中。理想运放的主要条件是：（1）差模开环电压增益；（2）差模办入电阻；（3）输出电阻；（4）共模模抑制比；实际的集成运放不可能到达上述理想化条件，因此在分析估算
7、集成运放应用电路时，将实际运放视为理想运放必然会存在一些误差。一般情况下，这种误差比较小，在工程上是允许的。1.2理想运放线性工作状态特性分析理想运放处于各种不同工作状态时会呈现不同的特性。这些特性是分析集成运放应用电路的重要依据。如图3-3所示，运放的输出电压和输入电流分别为图3-3理想运放特性分析因为理想运放的，所以由上述两式可得式（3-6）说明工作于线性状态的理想运放两输入端的电压相等，即，如同两输入端短路一样，这种特性称为“虚短”特性。式（3-7）说明，理想运放两输入端的电流都为零，如同两输入端断开一样，这种特性称为“虚断”特性。“虚短”和“虚断”是理想运放线性工作状态的两个重要特性。
8、反响是一种重要的电路技术，本节将介绍反响的基本概念、反响的基本组态、负反响的作用及其分析方法。3.2放大器中的负反响放大器中的负反响3.2.1负反响的基本概念负反响的基本概念1.什么是反响在电子电路中，将放大电路中的输出量的一局部或全部按一定的方式并通过一定的电路（即反响网络或反响支路）方式送回到输入回路以影响输入量（电压或电流），这种电量的反送过程称之为反响。反响放大电路分为基本放大电路和反响网络（或支路）两局部，组成框图如图3-4所示。图中，代表基本放大电路，代表反响网络，为输出量，为输入量，为反响量，为净输入量。的大小不仅取决于输入量，而且还与反响量有关。图3-4反响的基本结构2.正反响
9、与负反响根据引入反响的极性，反响可分为正反响和负反响。假设引入反响后，放大电路的净输入量增大，这种反响形式称为正反响；假设引入反响后，放大电路的净输入量减少，这种馈形式称为负反响。1.负反响的基本类型反响的基本类型有电压串联、电压并联和电流串联、电流并联反响四种方式。下面分别具体介绍这种形式的负反响电路。1.1电压串联负反响电压串联负反响电路如图3-5所示3.2.2负反响的分类与判断负反响的分类与判断图3-5电压串联负反响其中输入信号加于同相输入端，反相输入端通过电阻接地，负载上为输出电压。电阻跨接在输出端和反相输入端上。（1）电路有无反响的判断主要看是否联系输出与输入的通路（也称支路或网络）
10、。观察图3-5可知，和组成的电路联系输入和输出的公共通路。所以电路中存在反响支路，电路存在反响。（2）电压反响与电流反响的判断假设在电路的输出端对输出电压取样，通过反响网络得到反响信号，然后送回以输入端与输入信号进行比较，这种反响方式称为电压反响。电压反响中反响量与放大电路的输出电压成正比。假设电路中输出端的取样对象为输出电流，反响量与输出电流成正比，这种反响方式称为电流反响。判断是电压反响还是电流反响时，可假设负反响放大电路的输出电压为零，假设反响量也变为零，则说明电路中引入的是电压反响；或令输出电压为零后，其反响量依然存在，则说明电路中引入的是电流反响。这种方法也称为输出短路法。3）串联反
11、响与并联反响的判断串、并联反响主要看放大电路的输入回路和反响网络的连接方式。当反响网络输出的反响信号与输入信号在同一结点引入时，是并联反响；当反响信号与输入信号不在同一结点引入时，为串联反响。在图3-5所示电路中，加于集成运放的同相输入端，反响电压引回到集成运放的反相输入端，两者不在同一结点上，故为串联反响。（4）反响极性(正、负反响)的判断按反响对净输人信号的影响，可分为正反响和负反响。通常采用瞬时极性来进行判断。判断的方法是：先假设在放大电路的输入端参加一个在某一瞬时对地为正或负的输入信号；然后按放大电路的基本组态逐级判断电路中各相关点的电流流向或各点的电位极性，直至输出信号的极性。由输出
12、信号的极性再确定反响信号的极性，最后比较反响信号与输入信号的极性，确定对净输入信号的影响。假设使净输入信号减小，则为负反响；反之，假设使净输入信号增大，则为正反响。这种方法通常也称为瞬时极性法。图3-5所示电路中的净输入差模电压，是负反响。（5）直流反响与交流反响的判断如果反响量只含有直流量，则为直流反响说明反响网络元件上并联有电容，反响元件上只能通过直流量，是直流反响。如果反响量只含有交流量，则为交流反响，说明反响支路上串联有电容，反响支路上只能通过交流量，是交流反响。如果反响网络或支路上既没有串联电容又没有并联电容，可以同时通过直流和交流，就为交直流反响。直流负反响可以稳定电路的静态工作点
13、，交流负反响可以改善放大电路的动态性能。图3-5所示电路为交直流反响。综上3-5所示电路为交、直流电压串联负反响的组态。2.电流串联负反响电流串联负反响电路如图3-6所示。输入信号加在同相输人端，在输出端从电阻两端取得输出电压。图3-6电流串联负反响电路（1）找反响网络（支路）在图3-6所示电路中，为联系输入和输出交流信号的公共支路。因此电路中存在反响支路，也就有反响存在。（2）电压、电流反响的判断令时，仍有电流流动，反响信号，故为电流反响。（3）串联、并联反响的判断电路的反响信号与输入信号不在同一结点引入，故为串联反响。（4）正、负反响的判断假设在输入端参加一个对地为正的瞬时交流信号，按瞬时
14、极性法判断各点电位的极性，净输入信号将减少，电路为负反响。因此图3-6所示电路为电流串联负反响组态。3.电压并联负反响电压并联负反响电路如图3-7所示。为两个电路中联系输入与输出的公共支路，因此存在反响。由于反响支路在输出端是直接连接到端的，故为电压反响。由图可知，电路的输入量与反响量在输入端都在同一结点上，即输入量和反响量都在运放的反相输入端进行比较，因此属于并联反响。图3-7电压并联负反响电路按瞬时极性法可知，交流反响信号在上自反相输入端流向输出端，运放反相输入端的净输入电流，由于的存在，净输入电流减少，故属于负反响。此电路中，反响支路上无电容存在，可以通过直流和交流信号，故属于交直流反响
15、。因此，图3-7所示的电路属于交直流电压并联负反响的组态。4.电流并联负反响图3-8所示为电流并联负反响电路。它们的反响类型（组态）分析如下。图中，联系输入与输出的反响支路是和。因此存在反响。由输出短路法可知，假设假设对地短路后，图中的也仍然存在，所以属于电流反响。从反响支路在输入端的联接方式可知，输入信号和反响信号同一结点上引入，故这两个电路都属于并联反响。图3-8电流并联负反响用瞬时极性法判断可知，由于的存在，净输入信号减少，属于负反响。在反响支路上既没有并联电容，也没有串联电容，可以在反响支路上通过直流和交流，属于交直流反响。因此，图3-8所示的电路属于交直流电流并联负反响的组态。3.2
16、.3负反响对放大器性能的影响负反响对放大器性能的影响1.负反响对放大电路性能的影响负反响虽然使放大电路的增益下降，但是可改善放大电路的性能，现分析如下：1.提高放大增益的稳定性设未引入负反响时，开环放大倍数是A，变化是为dA，则其相对变化量为，引入负反响后，闭环放大倍数为，变化量为，则相对变化量为。又，对其进行微分，可得所以上式说明引入负反响后，放大倍数虽然减小（），但稳定性提高了（）倍。稳定性得到大大提高。2.扩展频带n放大电路的幅频特性如图3-9所示。其中无反响放大电路中频放大倍数为，对应的下限截止频率为，上限截止频率为，则无反响时的通频带宽。引入负反响后，闭环电压放大倍数下降，中频放大倍
17、数比无反响的下降了很多，对应的下限截止频率为，上限截止频率为，则引入负反响后的通频带宽，通频带得到了展宽。可以推算出：n比无反响时的通频带展宽了倍。3.减小非线性失真由于放大电路中存在晶体管的非线性元件，当工作点选择不适宜或输入信号或输入信号过大时，都会引起信号波形失真。如果电路引入负反响后，刚开始输入正弦波信号时，通过基本放大电路放大后产生了失真的输出信号（为下大上小的波形），通过反响网络（如电阻网络）后，为下大上小的反响信号。在输入端叠加后，使净输入信号变成了上小下大的波形。再通过基本放大电路放大后，其输出信号接近于正弦波，使波形基本上不失真了。图3-10负反响减小非线性失真4.负反响对输
18、入电阻和输出电阻的影响当放大电路的输出端引入电压负反响或电流负反响时，将影响输出电阻。当放大电路的输入端引入串联负反响或并联负反响时，将影响输入电阻。（1）串联负反响对输入电阻的影响图3-11串联负反响放大电路的方框图n图3-11中，是基本放大电路的净输入电压，无反响时基本放大电路的输入电阻为。引入串联负反响手，反响放大电路的输入电阻为，则式3-9说明，引入串联负反响后，放大电路输入电阻比无反响时增大了倍（2）并联负反响对输入电阻的影响并联负反响放大电路的方框图如图3-12所示。无反响时基本放大电路的输入电阻为。引入并联反反响后，反响放大电路的输入电阻为，则（3）负反响电路对输出电阻的影响放大
19、电路输出端引入电压负反响后，能稳定输出电压，因此可以把输出电压稳定的电压负反响放大电路看和一个恒压源作用的电路，其输出电阻（恒压源内阻）必然很小，说明电压负反响电路输出电阻减小,同样可以把输出电流稳定的电流负反响电路当作一个恒流源作用电路，则输出电阻（恒流源内阻）必然很大，输出电流才能稳定，说明电流负反响输出电阻增大。3.3集成运放的应用集成运放的应用n3.3.1信号运算电路n1.比例运算电路n1.1同相比例运算理想运算放大器组成的同相比例运算电路如图3-13所示。图3-13同相比例运算电路n同相比例运算电路的电压增益等于1时相当于跟随器，如图3-14所示。同相比例运算电路的输入电阻非常大，一
20、般情况下可视为无穷大。当输入信号从放大器负端引入时，可构成反向比例运算电路图3-14同相跟随器1.2差动比例运算理想运算放大器组成的差动比例运算放大电路如图3-15所示。图3-15差动比例运算电路2.加法、减法运算电路2.1同相加法运算电路图3-16同相加法运算电路输出电压值等于各个输入电压值相加之和，实现同相求和。当输入信号从放大器负端引入时，可构成反向加法运算电路2.2差动输入方式实现减法运算电路图3-17差动减法电路输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能2.3反相求和电路实现减法运算由图3-18可知运放A1构成反相比例运算电路，运放A2构成反相比例相加电路图3-18反相求和减法
21、电路输出电压值等于两输入电压值之差，实现相减功能3.积分运算电路图3-19积分运算电路4.微分运算电路图3-20微分运算电路3.3.2信号处理电路集成运放不仅能构成各种运算电路，还能构成各种处理电路。它广泛地用于自动检测和自动操作技术领域，以及用于实现转换，组成各种非正弦信号的产生和变换电路等等，其中电压比较电路是一种能比较两模拟输入信号电压的大小，并以输出端的高电平或低电平来表征比较结果的电路。常用的电压比较电路类型有：过零比较电路和单门限比较电路、迟滞比较电路等。1.过零比较器和单门限比较器1.1过零比较器图3-21过零比较电路1.2单门限比较器在实际的检测和操作电路中，如需要净输入信号与
22、任意非零电平进行比较时，可以在运放的同相输入端或反相输入端设置一直流电压，构成任意单电平比较电路，如图3-30所示。图3-30单门限比较器图3-31单门限比较器传输特性单门限比较电路具有电路简单，比较灵敏度高的优点，但抗于扰能力较差，如果输入信号电压受到干扰或噪声影响，在基准电压电平附近反复变化时，将导致单门限比较电路的输出在高、低两种电平之间反复跳变，此时电路不能稳定地工作。迟滞比较电路可以提高抗干扰能力。2.迟滞比较器图3-32所示为反相输入迟滞比较电路。图3-32迟滞比较电路图3-33迟滞比较电路传输特性迟滞比较电路具有较强的抗干扰能力。3.4.1选用集成运放的原则选用集成运放的原则3.
23、4集成运放的使用集成运放的使用集成运算放大器品种繁多，性能各异，可适用于不同的场合。实际使用时，应根据系统对电路的功能和性能的要求来确定集成运放的种类。除特殊情况下要选用高精度、低漂移、低功耗、高压、高速、大功率等有突出性能的专用集成电路外，一般应选用售价较低、性能稳定，又容易购置到的通用型集成电路。需要指出的是，并非愈高档集成电路所组成的运放电路，其性能质量就愈好。其原因在于集成电路的某些指标是互相矛盾而又互相制约的。例如，要求高速度，就要有一定的电流，这与要求低功耗必然有矛盾;此外，要注意手册中给定指标所附加的条件。另外要对当前主要集成运放有所了解。目前来说，集成运算放大器可分为如下几类。
24、1通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF35
25、5、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动操作仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放
26、有LM318、mA715等。5低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。6高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在一般的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。假设要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压
27、大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。1集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。（1）对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E）与负电源（-E）分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。3.4.2使用集成运放的本卷须知（2）单电源供电方式单电源供电是将运放的-VEE管
28、脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有适宜的静态工作点,在运放输入端一定要参加一直流电位,此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。2集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。3集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反响条件下,很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作,就需外加一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。图3-34是一种消除运放自激振荡的常用电路。图3-34
29、运算放大器的自激消除4集成运放的保护问题集成运放的平安保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。（1）电源保护。电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变，对于性能较差的电源,在电源接通和断开瞬间,往往出现电压过冲现象，一般采取稳压管钳位的方式进行保护。（2）输入保护。集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高（超出该集成运放的极限参数范围）,集成运放也会损坏。图3-35所示是典型的输入保护电路。图3-35集成运放输入保护电路（3）输出保护。当集成运放过载或输出端短路时,假设没有保护电路,该运放就会损坏。一般来讲，集成运放内部都设置了限流保护或短路保护,使用这些器件就不需再加输出保护。对于
30、内部没有限流或短路保护的集成运放,要注意外加输出保护电路。1.集成电路运算放大器是用集成工艺制成的，具有高增益的直接藕合多级放大电路。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个局部组成。差分放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，通常做输入级，能够很好地消除零点漂移;分析这种电路时，耍着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体指标的计算与共射的单级电路一致。2.电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级Q点的偏置电路。3.6小结小结3.在放大电路中，把输出回路的电压或电流馈送到输入回路的过
31、程称为反响。在分析反响的极性时常采用瞬时极性法。在集成运算放大电路中引人负反响，可以提高增益的稳定性、减少线性失真、扩展频带和操作输人电阻与输出电阻，这些性能的改善与反响深度有关，一般，反响愈深，改善的程度愈好。4.模拟运算电路是由集成运放接成负反响的电路形式，可实现加、减、积分、微分等多种数学运算，此时运放是工作在线性工作区域内。分析这类电路可用虚短和虚断两个重要的概念，以求出输出与输人之间的函数关系。5.运算放大器可通过改变外接反响电路的形式和数值，实现不同的运算关系和进行信号检测、放大、比较等，此时运放通常工作在非线性工作区域内。谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH