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1、1,第4章 集成运算放大器,在通信设备，电子仪器及自动控制系统中，所要放大的信号并不都是变化较快的交流信号，有很多是变化极为缓慢的信号。缓慢变化的信号叫做直流信号。如许多传感器（温度、压力）的输出信号都是微弱的直流信号，高保真扩音机信号中的低频成分也是相对缓慢变化的信号。要放大缓慢变化的信号，只能采用直接耦合的方法。,2,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路（Integrated Circuits，简称ICS）。它的体积小，性能却好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，只不过四十年时间，但它已深入到一切产业的每种产品中。在
2、导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。,1904年出现的电真空器件、1948年出现的半导体器件和1959年出现的集成电路，都对当时的科学技术的进步产生了重大的影响。本世纪初开始进入电子时代。,3,集成度,小规模,中规模,大规模,超大规模,导电类型,双极型（即BJT型）,单极型（即MOS型）,模拟集成电路,数字集成电路,线性集成电路,非线性集成电路,功能,逻辑门存储器PLD数模和模数接口,4,（a）为圆壳式,（b）为双列直插式,（c）为扁平式,（d）为单列直插式,（e）为
3、菱形式,5,4.1 直接耦合放大电路,两级直接耦合放大电路如图4-1所示,图4 1 两级直接耦合放大器电路,6,4.1.1 直接耦合放大器和组成及其零点漂移现象,图-直接耦合放大电路的零点漂移,1零点漂移现象,当输入电压为0时，由于温度等原因，输出电压uo0。并且随温度的变化而变化。输入信号为0，而输出信号不为0的现象称为零点漂移简称零漂(zero drift)。,7,.产生零点漂移的原因,产生零点漂移的原因很多，如温度的变化（包括环境温度的变化及三级管工作时由于管耗引起的结温变化），电源电压的波动以及电路元件以及电路元件参数的变化等，都会引起放大电路的零点漂移。其中又以温度的变化使三级管参数
4、随之变化引起的漂移最为严重。当温度上升时，将引起ICBO及增大，Ube减小。从而使静态工作点Q上移，集电极电流IC增加，产生零点漂移现象。,8,3抑制零点漂移的方法,（1）在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路（见图2-8）中Re所起的作用。（2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。（3）采用特性相同的管子，使它们的温漂互相抵消，例如“差分放大电路”。,9,4.1.2 差分放大电路,1基本差分式放大电路 基本差分式放大电路如图4-3所示。,图4-3 基本差分式放大电路,它是由两个特性相同的三极管T1、T2分别组成的对称电路，有两个输入端和两个输出端。,它们的静态工
5、作点和电压放大倍数等均相同。,10,（）工作原理 静态分析 UO=UC1-UC2=0 动态分析 ui1=ui2=ui/2,（2）抑制零点漂移的原理,由于差分放大电路与普通的单端输入、单端输出的放大电路不同，其输入、输出都可能是双端，为了更好的分析差分放大电路的特性，我们定义差分放大电路的输入信号为两种形式：差模信号和共模信号。,11,所谓差模信号，是指两个输入信号之差，用uId表示,它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等、相位相反的一对信号，即uI1=-uI2,所谓共模信号，是指两个输入信号的算术平均值，用uIC表示,它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等，相位相同的一对信号。
6、即uI1=uI2。当输入共模信号时：uI1=uI2，理想双端输出时差分放大电路的输出电压uOC=Au（uI1-uI2）=0。可见，差分放大电路能抑制共模信号输出。,12,在差分式放大电路中，无论是温度变化还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流及相应的基电极电压相同的变化其效果相当于在两个输入端加了共模信号，由于电路的对称性，和发射极电阻Re对共模信号的负反馈作用。在理想情况下，可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。,13,（）主要技术指标的计算,差模电压放大倍数,双端输入，双端输出的差模电压放大倍数在图4-3所示的电路的交流通路如图4-4所示。,图4-4 基本差分式放大电路的交流通路,14,
7、当集电极C1、C2两点间接入负载电阻RL时,双端输入，单端输出的差模电压放大倍数,如输出电压取自其中一管的集电极（uo1或uo2），则称为有单端输出，此时由于只取一管的集电极电压变化量，所以这时的电压放大倍数只有双端输出时的一半，即,其中,15,差模输入电阻和输出电阻,根据输入、输出电阻的定义，从图4-4可以看出,单端输出时，差模输出电阻为,共模抑制比,共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，即,差模电压放大倍数越大，共模电压放大倍数越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望KCMR值越大越好。共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示：,16,4.2 集成运
8、算放大电路概述,1集成运放电路的组成及各部分的作用,集成运算放大器实质上是一种双端输入、单端输出，具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的多极直接耦合放大电路。当给他施加不同的反馈网络时，就能实现模拟信号的多种数学运算功能（如比例、求和、求差、积分、微分），故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。,（）集成运放内部电路的组成集成运放内部组成框图如图4-8所示。,图4-8 集成运放内部组成框图,17,输入级输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。中间级中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有
9、较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。输出级输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输出电路。,18,偏置电路 偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。集成运放的电路符号如图4-10所示。图(a)为国外常用符号，图(b)为我国常用符号。,图4-10 集成运放的符号,19,2.集成运放的主要参数,(1
10、)传输特性参数,开环差模增益Aud 在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模增益。共模抑制比KCMR 共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，差模输入电阻Rid 集成运放在输入差模信号时的输入电阻。输出电阻Ro 集成运放开环状态下的输出电阻。,20,(2)直流参数,输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用UIO表示。输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT集成运放在常温下，当输出
11、电压为零时，两输入端的静态电流之差，称为输入失调电流，用IIO表示，,(3)输出信号的响应参数 在书的69页，不再列出。,21,4.3 集成运算放大电路的应用,1.集成运放的分析方法,(1)集成运放的理想化参数是：开环差模增益（放大倍数）Aud=；差模输入电阻Rid=；输出电阻Ro=0；共模抑制比KCMR=；,(2)两条重要结论,理想集成运放两输入端的净输入电压等于零。即,理想集成运放的两输入端电流均为零。即,通常称为“虚短路”,通常称为“虚断路”,22,图4-12 集成运放引入反馈,为了 保证集成运放工作在线性区，需要在电路中引入负反馈。如图4-12所示。,23,2.基本运算电路,（1）比例
12、运算电路,反相比例运算电路 反相比例运算电路如图4-13所示。,图4-13反相比例运算NN电路,根据两条重要结论，分析可得：,整理得：,24,因为电路引入了深度电压负反馈，所以输出电阻很小（Ro0），电路带负载后运算关系不变。,uo与uI成比例关系，比例系数为-Rf/R，负号表示uo与uI反相，比例系数的数值可以是大于，等于或小于1的任何值,因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以输入电阻 Rif=R1,25,同相比例运算电路,同相比例运算电路如图4-15所示，输入信号由同相端输入，反相端经电阻R1接地，在输出端与反相端间有反馈电阻Rf，引入电压串联负
13、反馈。,图4-15同相比例运算电路,根据理想集成运放的两条重要结论，利用“虚短路”和“虚断路”的概念，有：,将uN=up=uI 代入上式：,26,在图4-15电路中，若Rf=0，R1=（断开R1）则有uO=uI，这说明电路起到了电压跟随的作用，故称为电压跟随器，如图4-16所示,图4-16 电压跟随器,27,(2)加法运算电路,反相加法运算电路 反相加法运算电路如图4-17 所示。两个输入信号均作用于集成运放的反相输入端。,根据分析电路的两条重要结论，并利于“虚短”和“虚断”的概念，有,式中负号是因为在反相端输入所引起的。若R1=R2=Rf，则输出电压的表达式变为 uo=-(uI1+uI2),
14、图4-17 反相加法运算电路,28,同相加法电路 同相加法电路图4-18所示电路即为。两个信号uI1、uI2同时加到同相输入端，反相输入端外接电阻R接地，电阻Rf引回电压串联负反馈。,图4-18 同相加法运算电路,运用叠加原理，根据两条重要结论，可求得,整理得,29,【例4-1】电路如图4-19所示。设A为理想集成运放，R1=10k，Rf=100k。试求：输出电压uO与输入电压uI之间的关系，并说明该电路实现了什么运算功能。,图4-19 例7-1的图,解 根据理想集成运放的两条结论，利用“虚短”和“虚断”的概念，有：uN=up=uI，iI=0,则,由此可知该电路实现了同相比例运算功能。,30,
15、该电路实现了同相比例加法运算功能。,【例4-2】电路如图4-20所示，已知A1、A2均为理想集成运放，R1=20k，R2=10k，R3=50k，Rf1=Rf2100k。试求输出电压uO与输入电压uI1、uI2之间的关系，并说明该电路实现了什么运算功能。,图4-20 例 7-2的图,解 A1构成一个反相加法电路，其输出电压uO与两输入电压uI1，uI2的反相和成正比。即,而A2构成一反相比例运算电路，则uO与,故有,31,（3）减法运算电路,利用差分电路以实现减法运算,图4-21所示电路为一减法运算电路。两个输入信号分别加到集成运放的反相输入端和同相输入端，相当于差分输入方式。,图4-21 减法
16、运算电路,利用“虚短路”和“虚断路”的概念，有：,因为：uN=uP 整理得：,如果选取电阻值满足Rf/R1=R3/R2的关系，输出电压可简化为：,当R1=R2时，则有：,即输出电压u0与两输入电压uI之差（uI2-uI1）成比例，故称减法电路,32,（2）利用差分电路以实现减法运算,这是一个双端输入的电路。根据叠加原理可以是输入电压uS1、uS2 分别单独作用时在输出端产生的输出电压uO1、uO2的叠加。,设：uS1单独作用时的输出电压为uO1另一端的输入电压uS2为0V。画出等效电路为：,反相端则有：,（1）,求出输出电压uO1：,33,设：uS2单独作用时的输出电压为uO2另一端的输入电压
17、uS1为0V。画出等效电路为：,令 uS1=0,反相端则有：,根据虚短有：uN=uP 解分压值 uP 得：,（3）,（2）,uN是未知数,将（3）代入（2）求出输出电压uO2得：,34,将（4）与（1）求和得uO：,如果满足Rf/R1=R3/R2的关系,差动电路求解需分5步1、求出反相端作用的uo12、求出同相端非解的uo23、求出同相端作用的uP4、求出同相端作用的uo25、求出两端同时作用的uo,35,利用反相信号求和以实现减法运算,图4-22 用加法电路构成减法电路,电路如图4-22所示。第一级为反相比例运算电路，第二级为反相加法电路。,若：Rf1=R1，则uO1=-uI；第二级为反相加
18、法电路，可导出,若 R2=Rf2 时，则：,反相输入结构的减法电路，由于出现“虚地”，放大电路没有共模信号，故允许uI1、uI2的共模电压范围较大，但输入阻抗较低。,36,【例4-3】设计一个运算电路，要求输出电压和输入电压的运算关系式为uO=5uI210uI1。解 根据已知的运算关系式可以知道，当采用单个集成运放构成电路时，uI2应接同相输入端，而uI1应接反相输入端，如图4-23所示。,图4-23 例4-3图,具体参数计算如下：,选取Rf=100k，若,R2/R3=R1/Rf，,所以：,又因为,故：R2=20k；,故：R1=10k,37,上式表明，输出电压uO为输入电压uI对时间的积分，所
19、以称为积分电路。负号表示它们在相位上是相反的。,利用“虚地”和“虚断”的概念：uN=0，iI=0，因此有i1=i2，电容C就以电流i2=uI/R进行充电。假设电容C初始电压为零，则：,或,积分电路如图4-24所示。,图4-24 积分电路,（4）积分电路,38,（5）微分电路,将图4-24积分电路中的电阻和电容元件对换位置，并选取比较小的时间常数RC，便得图4-26所示的微分电路。,图4-26微分电路,在这个电路中，同样存在“虚地”即uN=0；“虚断”，即iI=0，故i1=i2。设t=0时，电容器C的初始电压uC=0，当接入信号电压uI后，便有:,从而得：,上式表明，输出电压uO与输入电压uI的微分成正比，该电路实现了对输入信号求微分的运算，故称之为微分电路。,
