電工與電子技術(shù)第9章 集成運算放大器及其應(yīng)用

1、1第第9章章 集成運算放大器及其應(yīng)用集成運算放大器及其應(yīng)用分立電路：由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路分立電路：由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路集成電路：把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同集成電路：把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體。時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體。優(yōu)點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格便宜優(yōu)點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格便宜分類：集分類：集 成成 度度SSISSI（小規(guī)模（小規(guī)模) )、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI 導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型雙極型、單極型、兼容型雙極型、單極型

2、、兼容型 功功 能能數(shù)字、模擬、混合數(shù)字、模擬、混合模擬模擬集成集成電路電路集成運算放大器集成運算放大器集成功率放大器集成功率放大器集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源集成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路集成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 2 在制造工藝上，集成運放很難制造電感、電容在制造工藝上，集成運放很難制造電感、電容大電阻元件，需要時一般都采取外接的方法。大電阻元件，需要時一般都采取外接的方法。 由于制造晶體管最容易，一般采用晶體管恒流由于制造晶體管最容易，一般采用晶體管恒流源代替電阻；把源代替電阻；把晶體管晶體管的三極適當(dāng)組配作二極管用。的三極適當(dāng)組配作二極管用。 運放各級之間均采用運放各級之間均采用直接耦合直接耦合的方式。的方式。集

3、成電集成電路中的各個晶體管是通過同一工藝過程制作在同一路中的各個晶體管是通過同一工藝過程制作在同一硅片上的，溫度性能基本保持一致，因此易制成溫硅片上的，溫度性能基本保持一致，因此易制成溫度漂移很小的差動放大器。度漂移很小的差動放大器。9.1.1 集成運算放大器的特點集成運算放大器的特點9.1 簡介簡介3集成運算放大器由輸入級、中間級、輸出級和集成運算放大器由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個部分組成。偏置電路四個部分組成。 輸入級輸入級中間級中間級偏置電路偏置電路輸出級輸出級輸輸入入端端輸輸出出端端輸入級：輸入級：由差放構(gòu)成由差放構(gòu)成。減小零漂和抑制干擾。減小零漂和抑制干擾。中間級：中間級：

4、共射放大電路共射放大電路。用于電壓放大。用于電壓放大。輸出級：輸出級：互補對稱電路互補對稱電路。 降低輸出電阻，提高帶載能力。降低輸出電阻，提高帶載能力。偏置電路：由偏置電路：由恒流源電路恒流源電路構(gòu)成。構(gòu)成。 確定運放各級的靜態(tài)工作點。確定運放各級的靜態(tài)工作點。9.1.2 電路的簡單說明電路的簡單說明4運放舉例：運放舉例：F007F007 F007 1 2 3 48 7 6 5 F0077614325822反相輸入端反相輸入端66輸出端輸出端33同相輸入端同相輸入端44正電源端正電源端77負(fù)電源端負(fù)電源端88閑置端（閑置端（NCNC）1 1、55接調(diào)零電位器接調(diào)零電位器9.1.2 電路的簡單

5、說明電路的簡單說明反相輸入端：反相輸入端：由此端接輸入信號，則輸入輸出由此端接輸入信號，則輸入輸出信號反相。信號反相。同相輸入端：同相輸入端：由此端接輸入信號，則輸入輸出由此端接輸入信號，則輸入輸出信號同相。信號同相。5為了合理的選用和正確的使用運算放大器，必須了解為了合理的選用和正確的使用運算放大器，必須了解集成運算放大器的各主要參數(shù)的意義。集成運算放大器的各主要參數(shù)的意義。1最大輸出電壓最大輸出電壓Uopp能使輸出電壓與輸入電壓保持不失真關(guān)系的最能使輸出電壓與輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。大輸出電壓。F007的的Uopp約為約為1213V。2開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)AUO在

6、沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)。在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)。 AUO越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高，越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高，一般約為一般約為104 107。9.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)63開環(huán)（差模）輸入電阻開環(huán)（差模）輸入電阻rid運算放大器開環(huán)時，從兩輸入端看進(jìn)去的等效動態(tài)電阻運算放大器開環(huán)時，從兩輸入端看進(jìn)去的等效動態(tài)電阻稱為開環(huán)輸入電阻。稱為開環(huán)輸入電阻。rid越大說明集成運算放大器由差模越大說明集成運算放大器由差模信號源輸入的電流就越小，信號源輸入的電流就越小，F(xiàn)007的的rid約為約為12M。4 4輸入失調(diào)電壓輸入失

7、調(diào)電壓UIO理想的運算放大器，當(dāng)輸入電壓為零時，即理想的運算放大器，當(dāng)輸入電壓為零時，即u ui1i1= =u ui2i2=0=0，輸出電壓輸出電壓u uo o=0=0。但在實際的運算放大器中，由于制造中。但在實際的運算放大器中，由于制造中也很難做到參數(shù)完全對稱，因此當(dāng)輸入電壓為零時，也很難做到參數(shù)完全對稱，因此當(dāng)輸入電壓為零時， uo0 。反過來說，如果要，必須在輸入端加一個很小的。反過來說，如果要，必須在輸入端加一個很小的補償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。補償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。 UIO一般為幾毫伏，一般為幾毫伏，顯然它越小越好。顯然它越小越好。9.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)75 5輸入失

8、調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差，即極電流之差，即IIO =IB1-IB2， IIO一般在零點零幾微一般在零點零幾微安級，其值越小越好。安級，其值越小越好。6 6輸入偏置電流輸入偏置電流IIB輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，即即IIB =（IB1+IB2）/2 。這個電流也是越小越好，一般在。這個電流也是越小越好，一般在零點幾微安級。零點幾微安級。7.最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓UICM集成運放對共模信號具有抑制作用，但這種抑制作

9、用要集成運放對共模信號具有抑制作用，但這種抑制作用要在規(guī)定的共模輸入電壓范圍內(nèi)才起作用。在規(guī)定的共模輸入電壓范圍內(nèi)才起作用。9.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)88共模抑制比共模抑制比KCMRF007型晶體管的型晶體管的KCMR約為約為80dB，目前有的晶體管的，目前有的晶體管的KCMR已高達(dá)已高達(dá)160dB，KCMR越大，說明集成運算放大器的越大，說明集成運算放大器的共模抑制性能越好共模抑制性能越好集成運算放大器的其它參數(shù)的意義是可以理解的，就不集成運算放大器的其它參數(shù)的意義是可以理解的，就不一一說明了?？傊?，集成運算放大器具有開環(huán)電壓放大一一說明了?？傊?，集成運算放大器具有開環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入

10、電阻高（約幾兆歐）、輸出電阻低（約幾倍數(shù)高、輸入電阻高（約幾兆歐）、輸出電阻低（約幾百歐）、零點漂移小、體積小、可靠性高等優(yōu)點，因此百歐）、零點漂移小、體積小、可靠性高等優(yōu)點，因此它被廣泛地應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域，已成為一種通用器件。它被廣泛地應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域，已成為一種通用器件。9.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 理想運算放大器理想運算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sa

11、t) u+ 0 ui = Ui 1AF1。A1A111f FAF，|1+AF|1+AF|稱為反饋深度，其值越大，負(fù)反饋作用越強，放大倍稱為反饋深度，其值越大，負(fù)反饋作用越強，放大倍數(shù)越小。引入深度負(fù)反饋后，閉環(huán)放大倍數(shù)只取決于反饋電數(shù)越小。引入深度負(fù)反饋后，閉環(huán)放大倍數(shù)只取決于反饋電路，而與基本放大電路幾乎無關(guān)。路，而與基本放大電路幾乎無關(guān)。fXdXoXiX+439.4.2 9.4.2 反饋性質(zhì)與類型的判別反饋性質(zhì)與類型的判別負(fù)反饋與正反饋的判別，常采用的方法為負(fù)反饋與正反饋的判別，常采用的方法為瞬時瞬時極性法極性法。以。以分壓式偏置放大電路分壓式偏置放大電路 為例：為例：瞬時極性為正，瞬時極

12、性為正， 用用 表示；表示；瞬時極性為負(fù)，瞬時極性為負(fù)， 用用 表示表示分壓式偏置放大電路分壓式偏置放大電路 RB1+UCCRCC1C2RB2RERL+ui+uo44設(shè)設(shè)ui瞬時極性為正瞬時極性為正三極管三極管B極極三極管三極管E極極三極管三極管C極極反饋電壓反饋電壓 eEfiRu 同同相相和和fbeiuu,ufibeuuu 凈凈輸輸入入信信號號：交流負(fù)反饋交流負(fù)反饋icRBRERL+ui+uo+uf+ubeibie分壓式偏置放大電路分壓式偏置放大電路 交流通路交流通路 45電路中既存在電路中既存在交流交流負(fù)負(fù)反饋，也存在反饋，也存在直流直流負(fù)負(fù)反饋，這種直流負(fù)反反饋，這種直流負(fù)反饋的作用是用

13、來饋的作用是用來穩(wěn)定穩(wěn)定靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點的的 CBBEEEECIIU)IR(UIT直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點 過程：過程：RB1+UCCRCC1C2RB2RERL+ui+uo46反相比例運算電路反相比例運算電路 設(shè)輸入電壓設(shè)輸入電壓 ui為正為正 反相輸入端電反相輸入端電位的位的 瞬時極性為瞬時極性為 輸出端電位的瞬時輸出端電位的瞬時 極性為極性為 FoFofRuRuui 反反饋饋電電流流：fidiii 凈凈輸輸入入電電流流：凈輸入電流減小了，故為負(fù)反饋。凈輸入電流減小了，故為負(fù)反饋。 為正為正 if+uo +uiR2R1RFiiidRL47設(shè)輸入電壓設(shè)輸入電壓 ui

14、為正為正 反相輸入端電反相輸入端電位的位的 瞬時極性為瞬時極性為 輸出端電位的瞬時輸出端電位的瞬時 極性為極性為 22foFRuuRR反反饋饋電電壓壓：-difuu u凈凈輸輸入入電電壓壓：凈輸入電壓增大了，故為正反饋。凈輸入電壓增大了，故為正反饋。 +uo +uiR2R1RF滯回比較器基本電路滯回比較器基本電路 +ud+uf-為負(fù)為負(fù) 489.4.3 9.4.3 負(fù)反饋的四種基本形式負(fù)反饋的四種基本形式 1串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋 ofuu 反反饋饋電電壓壓：反饋電壓取自輸出電壓，反饋電壓取自輸出電壓，故為故為電壓反饋電壓反饋 fiduuu :凈凈輸輸入入電電壓壓反饋信號與輸入信號在輸入

15、端以電壓形式比較，兩反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓形式比較，兩者串聯(lián)，故為者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋 +ui+uo=ufR2-ud+RL凈輸入電壓減小了，故為負(fù)反饋。凈輸入電壓減小了，故為負(fù)反饋。 492 2并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋 if+uoFoFofRuRuui 反反饋饋電電流流：反饋電流取自反饋電流取自輸出電壓輸出電壓，并與之成正比，故為，并與之成正比，故為電壓電壓反饋反饋 , difdiiii 凈凈輸輸入入電電流流：減減小小反饋信號與輸入信號在輸入端以電流形式比較，反饋信號與輸入信號在輸入端以電流形式比較，ii i、id d和和if f“并聯(lián)并聯(lián)”，故為，故為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋

16、+uiR2R1RFiiidRL, ,故為負(fù)反饋故為負(fù)反饋 為正為正 503 3串聯(lián)電流負(fù)反饋串聯(lián)電流負(fù)反饋 ofRiu 反饋電壓取自輸出電流反饋電壓取自輸出電流io o，并與之成正比，故，并與之成正比，故為為電流反饋。電流反饋。 fiduuu 反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓形式比較，兩者反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓形式比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋 +ui+uoR2-ud+RL+ufRio凈輸入電壓減小了，為負(fù)反饋。凈輸入電壓減小了，為負(fù)反饋。 514 4并聯(lián)電流負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋 +uiR2RLRioR1iiidiRoFfiRRRi 反反饋饋電電流流：反饋電流取自輸出

17、電流反饋電流取自輸出電流io o ，并與之成正比，故為并與之成正比，故為電流電流反饋反饋 反饋信號與輸入信號在輸入端以電流形式比較，反饋信號與輸入信號在輸入端以電流形式比較，ii i、id d和和if f“并聯(lián)并聯(lián)”，故為，故為并聯(lián)負(fù)反饋并聯(lián)負(fù)反饋 ifRF為正為正 , difdiiii 凈凈輸輸入入電電流流：減減小小52總結(jié)：反饋的判斷方法總結(jié)：反饋的判斷方法（1）輸入信號和反饋信號加在）輸入信號和反饋信號加在同一輸入端同一輸入端上的，上的，是是并聯(lián)并聯(lián)反饋；分別加在兩個輸入端的，是反饋；分別加在兩個輸入端的，是串聯(lián)串聯(lián)反饋。反饋。 （2）反饋電路）反饋電路直接直接從輸出端引出的，是從輸出端

18、引出的，是電壓電壓反饋；反饋；從負(fù)載電阻的靠近從負(fù)載電阻的靠近“地地”端引出的，是端引出的，是電流電流反饋。反饋。 （3 3）反饋信號使凈輸入信號減少的，是）反饋信號使凈輸入信號減少的，是負(fù)反饋負(fù)反饋。反饋。反饋信號使凈輸入信號增大的是信號使凈輸入信號增大的是正反饋正反饋53例例9.4.1 試判別圖示集成運算放大電路中試判別圖示集成運算放大電路中RF的反饋類的反饋類型。型。 解解:根據(jù)瞬時極性法根據(jù)瞬時極性法負(fù)反饋負(fù)反饋反饋電流反饋電流if f和輸入電流和輸入電流ii i加在加在A1的同一個輸入端，故的同一個輸入端，故為為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋 .反饋電路從反饋電路從RL L的靠近的靠近“地地”端引

19、出，故為端引出，故為電流反饋電流反饋. . +uiRFRLR1 R1uouo1idifiiaRA1A2電流并聯(lián)電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋 549.4.4 9.4.4 負(fù)反饋對放大電路性能的影響負(fù)反饋對放大電路性能的影響 1 1降低放大倍數(shù)降低放大倍數(shù) AoxdxixFfxAFXXXXXXXXXAiof 1A/1 ofodfdo閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)引入負(fù)反饋后放大倍數(shù)降低到無反饋時引入負(fù)反饋后放大倍數(shù)降低到無反饋時 AF 11如果如果AF 1 FAFAAf11 深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋552 2提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 221111(1)(1)1ffdAAAFdAAFAFAFAFA求求

20、導(dǎo)導(dǎo)對對AFAf 1AAdAAFAdAff 11閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化只是開環(huán)放大倍數(shù)的相對閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化只是開環(huán)放大倍數(shù)的相對變化的變化的 AF 11當(dāng)當(dāng)1+AF=1001+AF=1001001AdAAdAff有反饋有反饋的放大倍數(shù)的的放大倍數(shù)的相對變化相對變化是是無反饋無反饋的百分之一。的百分之一。56注：不能消除失真注：不能消除失真標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)失真失真小小大大略大略大略小略小略小略小略小略小略大略大略大略大AdX0XiXfXF負(fù)反饋利用已失真的波負(fù)反饋利用已失真的波形改善失真，只能減小形改善失真，只能減小失真，不能消除失真。失真，不能消除失真。3 3改善波形失真改善波形失真 引入負(fù)反饋后可將輸出端的失真信號反送到輸入端引入負(fù)反饋后可將輸出端的失真信號反送到輸入端，經(jīng)過經(jīng)過放大后，即可使輸出信號的失真得到一定程度的補償放大后，即可使輸出信號的失真得到一定程度的補償. . 574 4展寬通頻帶展寬通頻帶 ufAAfA210無反饋無反饋有負(fù)反饋有負(fù)反饋fAA21f2f 2引入負(fù)反饋后，在引入負(fù)反饋后，在中頻段中頻段的開環(huán)放大