13集成運算放大器簡介

1、一、復(fù)習(xí)引入 集成運算放大器實質(zhì)上是一個高電壓增益、高輸入電阻及低輸出電阻的直接耦合多級放大電路，簡稱為集成運放。它的類型很多，為了方便通常將集成運算放大器分為通用型和專用型兩大類。前者的適用范圍廣，其特性和指標可以滿足一般應(yīng)用要求；后者是在前者的基礎(chǔ)上為適應(yīng)某些特殊要求而制作的。不同類型的集成運放，電路也各不相同，但是結(jié)構(gòu)具有共同之處。二、新授（一）集成運算放大器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示為集成運放內(nèi)部電路原理框圖。它由四部分組成：輸入級、中間級（電壓放大級）、輸出級和偏置電路。圖1 集成運算放大器組成框圖1.輸入級對于高增益的直接耦合放大電路，減小零點漂移的關(guān)鍵在第一級，因此集成運放的輸入級一般

2、是由具有恒流源的差分放大電路組成的。利用差分放大電路的對稱性，可以減小溫度漂移的影響，提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，并且通常工作在低電流狀態(tài)，以獲得較高的輸入阻抗。它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。2.中間級中間級（電壓放大級）的主要作用是提高電壓增益，大多采用由恒流源作為有源負載的共發(fā)射極放大電路，其放大倍數(shù)一般在幾千倍以上。3.輸出級輸出級應(yīng)具有較大的電壓輸出幅度、較高的輸出功率和較低的輸出電阻，一般采用電壓跟隨器或甲乙類互補對稱放大電路。4.偏置電路偏置電路提供給各級直流偏置電流，使之獲得合適的靜態(tài)工作點。它由各種電流源電路組成。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平

3、移動電路、過載保護電路以及高頻補償環(huán)節(jié)等。（二）理想運放的概念為簡化分析，人們常把集成運放理想化。理想運放電路符號如圖2所示，它與一般運放的區(qū)別是多了幾個“”符號。1.理想運放的主要條件為：（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) ;（2）開環(huán)差模輸入電阻rid;（3）共模抑制比KCMR; （4）輸入偏置電流; （5）開環(huán)輸出電阻ro=0;圖2 理想運放電路符號2、理想運放的特點工作在線性放大狀態(tài)的理想運放具有以下兩個重要特點：（1）虛短對于理想運放，由于，而輸出電壓uO總為有限值，根據(jù)Aod=uid/uO可知uid=0或u+=u-，也即理想運放兩輸入端電位相等，相當于兩輸入端短路，但又不是真正的短路，故稱

4、為“虛短”。（2）虛斷由于理想運放的rid ，流經(jīng)理想運放兩輸入端的電流i+=i-=0，相當于兩輸入端斷開，但又不是真正的斷開，幫稱為“虛斷”，僅表示運放兩輸入端不取電流?！疤摱獭薄ⅰ疤摂唷笔疽鈭D如圖3所示。 （a）運放的電壓與電流（b）“虛短”和“虛斷”圖3 “虛短”、“虛斷”示意圖（三）比例運算電路數(shù)學(xué)中y=kx（k為比例常數(shù)）稱為比例運算。在電路中則可通過uo=kui來模擬這種運算，比例常數(shù)k為電路的電壓放大系數(shù)Auf。1、反相比例運算電路反相比例運算電路如圖4所示圖中Rf是反饋電阻，引入了電壓并聯(lián)負反饋，R是計及信號源內(nèi)阻的輸入回路電阻。由Rf和R共同決定反饋的強弱。R為補償電阻。以保

5、證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性，其值為ui=0（即輸入端接地）時反相輸入端總等效電阻，即R=R/Rf。圖4 反相比例運算電路根據(jù)理想運放的特點有如下結(jié)論：u=u=0 i+=i=0 節(jié)點N的電流方程為iR=if+i-=0 =由于N點為虛地，整理得出： 即uo與ui成比例關(guān)系，比例系數(shù)為 Rf/R，負號表示uo與ui反相，比例系數(shù)的數(shù)值可以是大于、等于和小于1的任何值。若R/Rf,則構(gòu)成一個反相器。根據(jù)負反饋對放大器性能的影響不難得出Ro=0和Ri=R的結(jié)果。例1 由理想集成運算放大器所組成的放大電路如圖5所示，試求uo與ui之比值。圖5 例1電路圖解：根據(jù)理想運放工作在線性區(qū)的特點，N點為

6、虛地，側(cè)有： 即 而流過R3和Rs的電流為 i4=i2+i3輸出電壓u0=i2R2i4R4將各電流表達式代入上式，整理可得：圖5電路中R2、R3、R4構(gòu)成一T型網(wǎng)絡(luò)電路，可用來提高反相比例運算電路的輸入電阻即在R較大的情況下，保證有足夠大的比例系數(shù)，同時反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻也不需很大。2、同相比例運算電路同相比例運算電路如圖6所示。電路引入了電壓串聯(lián)負反饋。圖6 同相比例運算電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，我們有：u=u=ui 而iR=if 則有： 即 U0=（1+）U =（1+）U =（1+）Ui應(yīng)特別注意，同相比例運算電路中反相輸入端不是虛地點，由于U=U= Ui，即共模電壓等于輸入電壓，因此應(yīng)選擇共模抑制比高的集成運算放大器業(yè)構(gòu)成同相比例運算電路以減小運算誤差。不難看出，若將開路即時，只要f為有限值（包括零），則uoui。說明uo與ui大小相等，相位相同，這就構(gòu)成了電壓跟隨器。圖7所示便是電壓跟隨器的典型電路。由于集成運放性能優(yōu)良，用它構(gòu)成的電壓跟隨器不僅精度高，而且輸入電阻大、輸出電阻小。通常用作阻抗變換器和緩沖級。 （a） （b）圖7 電壓跟隨器 例2在圖8所示由理想集成運算放大器所構(gòu)成的電路中，若1=Rf、R2=R3求輸出電流iL與輸入電壓ui的關(guān)系。圖8 例2的電路解：利用節(jié)點P的電流方程則有： 代入得： 由此可見，負載中電流iL與輸入