第07章集成運算放大電路

1、第第7 7章章 集成運算放大電路集成運算放大電路7.1 7.1 集成運算放大器簡介集成運算放大器簡介n集成電路是利用半導體的制造工藝，把管子、電阻集成電路是利用半導體的制造工藝，把管子、電阻、電容、電路和連線等做在一個半導體基片上，形、電容、電路和連線等做在一個半導體基片上，形成不可分割的固體塊。集成電路中，元件密度高、成不可分割的固體塊。集成電路中，元件密度高、連線短、焊點少、外部引線少，因此大大提高了電連線短、焊點少、外部引線少，因此大大提高了電子線路及電子設備的靈活性和可靠性。它具有通用子線路及電子設備的靈活性和可靠性。它具有通用性強、可靠性高、體積小、重量輕、功耗小及性能性強、可靠性高

2、、體積小、重量輕、功耗小及性能優(yōu)越等特點，而且外部接線很少，調試極為方便，優(yōu)越等特點，而且外部接線很少，調試極為方便，現在已經廣泛應用于自動測試、自動控制、信息處現在已經廣泛應用于自動測試、自動控制、信息處理以及通信工程等各個電子技術領域。理以及通信工程等各個電子技術領域。n集成電路按制造工藝不同分為半導體集成電路，薄集成電路按制造工藝不同分為半導體集成電路，薄膜、厚膜集成電路和混合集成電路；按有源元件類膜、厚膜集成電路和混合集成電路；按有源元件類型不同分為單極型、雙極型集成電路；按功能不同型不同分為單極型、雙極型集成電路；按功能不同又可分為數字集成電路和模擬集成電路。又可分為數字集成電路和模

3、擬集成電路。n模擬集成電路是以電壓或電流為變量對模擬量進行模擬集成電路是以電壓或電流為變量對模擬量進行放大、轉換、調制的集成電路，它可分為線性集成放大、轉換、調制的集成電路，它可分為線性集成電路和非線性集成電路。線性集成電路是指輸入信電路和非線性集成電路。線性集成電路是指輸入信號和輸出信號的變化成線性關系的電路，如集成運號和輸出信號的變化成線性關系的電路，如集成運算放大器。非線性集成電路是指輸入、輸出信號的算放大器。非線性集成電路是指輸入、輸出信號的變化成非線性關系的集成電路，如集成穩(wěn)壓器。變化成非線性關系的集成電路，如集成穩(wěn)壓器。7.1 7.1 集成運算放大器簡介集成運算放大器簡介n線性集成

4、電路總結起來有如下特點。線性集成電路總結起來有如下特點。n(1) (1) 集成電路中一般都采用直接耦合的電路結構，而集成電路中一般都采用直接耦合的電路結構，而不采用阻容耦合結構。不采用阻容耦合結構。n(2) (2) 集成電路的輸入級采用差動放大電路，其目的是集成電路的輸入級采用差動放大電路，其目的是為了克服直接耦合電路的零漂。為了克服直接耦合電路的零漂。n(3) NPN(3) NPN管和管和PNPPNP管配合使用，從而改進單管的性能。管配合使用，從而改進單管的性能。n(4) (4) 大量采用恒流源來設置靜態(tài)工作點或作有源負載大量采用恒流源來設置靜態(tài)工作點或作有源負載，用以提高電路性能。，用以提

5、高電路性能。7.1 7.1 集成運算放大器簡介集成運算放大器簡介n7.1.1.1 7.1.1.1 集成運算放大器的電路符號集成運算放大器的電路符號n集成運算放大器的電路符號如圖集成運算放大器的電路符號如圖7-17-1所示。它有兩個所示。它有兩個輸入端，一個反相輸入端和一個同相輸入端。分別輸入端，一個反相輸入端和一個同相輸入端。分別用用“- -”“”“+ +”表示。有一個輸出端，輸出電壓表示。有一個輸出端，輸出電壓 與反與反相輸入端輸入電壓相輸入端輸入電壓 的相位相反，而與同相輸入端輸的相位相反，而與同相輸入端輸入電壓入電壓 的相位相同。的相位相同。n集成放大器滿足下列關系式集成放大器滿足下列關

6、系式n (7-1) (7-1) n式中，式中， 為集成運算放大器開環(huán)電壓放大倍數。為集成運算放大器開環(huán)電壓放大倍數。ououAuu7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成圖圖7-1 運算放大器的電路符號運算放大器的電路符號7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n7.1.1.2 7.1.1.2 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n集成運算放大器的類型很多，電路也各不相同，但集成運算放大器的類型很多，電路也各不相同，但從電路的總體結構上看，它們都具

7、有許多共同之處從電路的總體結構上看，它們都具有許多共同之處，通常都是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路，通常都是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路組成。如圖組成。如圖7-27-2所示電路為集成運算放大器所示電路為集成運算放大器F741F741的的簡化原理圖。簡化原理圖。圖圖7-2 集成運算放大器集成運算放大器F74l的簡化原理圖的簡化原理圖 7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n1. 1. 輸入級輸入級n輸入級是集成運算放大器性能保證的關鍵。為了減輸入級是集成運算放大器性能保證的關鍵。為

8、了減少零點漂移和抑制共模干擾信號，要求輸入級溫漂少零點漂移和抑制共模干擾信號，要求輸入級溫漂小，共模抑制比高，有極高的輸入阻抗，一般采用小，共模抑制比高，有極高的輸入阻抗，一般采用具有恒流源的差動放大電路。電路中具有恒流源的差動放大電路。電路中V V1 1、V V2 2、V V3 3和和V V4 4組成差動放大電路。組成差動放大電路。5 5、V V6 6及及V V7 7組成恒流源電路，組成恒流源電路，作為差動輸入級的有源負載。這一級不但能有效地作為差動輸入級的有源負載。這一級不但能有效地抑制零漂，且具有較高的輸入阻抗，對輸入信號也抑制零漂，且具有較高的輸入阻抗，對輸入信號也具有一定的放大能力。

9、具有一定的放大能力。7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n2. 2. 中間級中間級n運算放大器的放大倍數主要是由中間級提供的，因運算放大器的放大倍數主要是由中間級提供的，因此要求中間級有較高的電壓放大倍數。一般放大倍此要求中間級有較高的電壓放大倍數。一般放大倍數可達幾萬甚至幾十萬以上，通常由多級放大電路數可達幾萬甚至幾十萬以上，通常由多級放大電路組成。如圖組成。如圖7-27-2所示，所示，V V8 8、V V9 9分別組成共集、共射放分別組成共集、共射放大電路，并有恒流源大電路，并有恒流源I ICBCB作負載，因而使該級可獲得作負載，因而使該級可獲得很高的電

10、壓增益，很高的電壓增益，V V1414作為射級跟隨器，起隔離作用作為射級跟隨器，起隔離作用，并可進一步提高電壓放大倍數。，并可進一步提高電壓放大倍數。7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n3. 3. 輸出級輸出級n該級的作用是提供一定幅度的電流和電壓輸出，用該級的作用是提供一定幅度的電流和電壓輸出，用以驅動負載工作。對輸出級的要求是輸入阻抗高、以驅動負載工作。對輸出級的要求是輸入阻抗高、輸出阻抗低。輸出阻抗低是為了提高帶負載能力；輸出阻抗低。輸出阻抗低是為了提高帶負載能力；輸入阻抗高是為了實現中間級與輸出級的隔離。所輸入阻抗高是為了實現中間級與輸出級的隔離。

11、所以輸出級常采用互補對稱或準互補對稱功率放大電以輸出級常采用互補對稱或準互補對稱功率放大電路，如圖路，如圖7-27-2所示，輸出級采用了甲乙類互補對稱功所示，輸出級采用了甲乙類互補對稱功率放大電路，率放大電路，V V1010、V V1111工作在二極管狀態(tài)，為工作在二極管狀態(tài)，為V V1212、V V1313提供靜態(tài)偏置電壓提供靜態(tài)偏置電壓( (約為約為1.4V)1.4V)，從而消除了交越失，從而消除了交越失真。真。7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n4. 4. 偏置電路偏置電路n偏置電路是為整個電路提供偏置電流、設置合適靜偏置電路是為整個電路提供偏置電流

12、、設置合適靜態(tài)工作點的。偏置電路大多由各種恒流源電路組成態(tài)工作點的。偏置電路大多由各種恒流源電路組成。它們一般也作為放大器的有源負載和差動放大器。它們一般也作為放大器的有源負載和差動放大器的發(fā)射極電阻。的發(fā)射極電阻。n集成運算放大器除上述四部分外，還要有一些輔助集成運算放大器除上述四部分外，還要有一些輔助電路，如過電流、過電壓、過熱保護電路等，圖中電路，如過電流、過電壓、過熱保護電路等，圖中略。略。7.1.1 7.1.1 集成運算放大器的基本組成集成運算放大器的基本組成n7.1.1.3 7.1.1.3 集成運算放大器的內部電路框圖集成運算放大器的內部電路框圖n集成運算放大器的內部電路框圖如圖集

13、成運算放大器的內部電路框圖如圖7-37-3所示。所示。圖圖7-3 集成運放原理框圖集成運放原理框圖n運算放大器的好壞常用一些參數表征。為了合理地運算放大器的好壞常用一些參數表征。為了合理地選用和正確地使用運放，必須了解其各主要參數的選用和正確地使用運放，必須了解其各主要參數的意義。下面介紹集成運放的一些主要參數。意義。下面介紹集成運放的一些主要參數。n7.1.2.1 7.1.2.1 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益A Ad dnA Ad d 是集成運放在開環(huán)狀態(tài)、輸出不接負載時的直流是集成運放在開環(huán)狀態(tài)、輸出不接負載時的直流差模電壓增益。它是決定運算放大器運算精度的主差模電壓增益。它是決定運算

14、放大器運算精度的主要因素。要因素。A Ad d 越大，說明性能越好，目前運放的越大，說明性能越好，目前運放的A Ad d可可以達到以達到10105 510108.58.5或或(100170dB)(100170dB)，理想運放的，理想運放的A Ad d值為值為無窮大。值得注意的是，無窮大。值得注意的是，A Ad d 是頻率的函數，隨著信是頻率的函數，隨著信號頻率號頻率( (一般超過幾兆赫一般超過幾兆赫) )的增高，的增高，A Ad d 將下降。將下降。7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n

15、7.1.2.2 7.1.2.2 輸入失調電壓輸入失調電壓U UOSOS及溫漂電壓及溫漂電壓d dU UOSOS / /d dT Tn如果集成運放差動輸入級非常對稱，當輸入電壓為如果集成運放差動輸入級非常對稱，當輸入電壓為零時，輸出電壓也應為零零時，輸出電壓也應為零( (不加調零裝置不加調零裝置) )。但實際。但實際上它的差動輸入級很難達到對稱，通常在室溫上它的差動輸入級很難達到對稱，通常在室溫2525o oC C以以下，為了使輸入電壓為零時輸出電壓為零，在輸入下，為了使輸入電壓為零時輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做輸入失調電壓端加的補償電壓叫做輸入失調電壓U UOSOS。它的大小反。它的

16、大小反映了當輸入信號為零時，運算放大器的輸出電壓應映了當輸入信號為零時，運算放大器的輸出電壓應為零。但實際上由于制造工藝等多方面原因，它的為零。但實際上由于制造工藝等多方面原因，它的差動輸入級很難做到完全對稱，故當輸入為零時，差動輸入級很難做到完全對稱，故當輸入為零時，輸出并不為零，這一輸出電壓折合到輸入端的值就輸出并不為零，這一輸出電壓折合到輸入端的值就稱為輸入失調電壓，即稱為輸入失調電壓，即oosdUUA7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n也可以反過來說，若要使輸出電壓為零，則必須在也可以反過來說，若要使輸出電壓為零，則必須在輸入端加一個很小的補償電壓

17、，這個電壓就是輸入輸入端加一個很小的補償電壓，這個電壓就是輸入失調電壓。它反映了線性組件內部制造的對稱程度失調電壓。它反映了線性組件內部制造的對稱程度。一般。一般U Uosos為毫伏數量級，其值越小越好，理想運為毫伏數量級，其值越小越好，理想運放的放的U Uosos為零。為零。n輸入失調電壓的大小還隨溫度、電源電壓的變化而輸入失調電壓的大小還隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常輸入失調電壓對溫度的變化率稱之為輸變化。通常輸入失調電壓對溫度的變化率稱之為輸入電壓溫度漂移入電壓溫度漂移( (簡稱輸入失調電壓溫漂簡稱輸入失調電壓溫漂) )，用，用d dU UOSOS/d/dT T表示，一般為表示，一般

18、為(1020)V/(1020)V/7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n7.1.2.3 7.1.2.3 輸入失調電流輸入失調電流I Iosos及其溫漂及其溫漂d dI IOSOS/d/dT Tn在常溫下，當輸入信號為零時，放大器的兩個輸入在常溫下，當輸入信號為零時，放大器的兩個輸入端的基極靜態(tài)電流之差稱為輸入失調電流，用端的基極靜態(tài)電流之差稱為輸入失調電流，用I Iosos表表示，一般為微安數量級，反應了輸入級兩管輸入電示，一般為微安數量級，反應了輸入級兩管輸入電流的不對稱情況，其值越小越好。理想運放的流的不對稱情況，其值越小越好。理想運放的I Iosos為

19、為零。零。nI Iosos隨溫度變化而變化，隨溫度變化而變化，I Iosos隨溫度的變化率稱為輸入隨溫度的變化率稱為輸入失調電流溫漂，用失調電流溫漂，用 表示，單位為表示，單位為nAnA/ /. .OSd/ dIT7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n7.1.2.4 7.1.2.4 輸入偏置電流輸入偏置電流I IB Bn當輸入信號為零時，輸入級兩個差動管靜態(tài)基極電流的當輸入信號為零時，輸入級兩個差動管靜態(tài)基極電流的平均值稱為輸入偏置電流，它的大小反映了運放輸入電平均值稱為輸入偏置電流，它的大小反映了運放輸入電阻的高低。它的典型值是幾百納安，其值越小越好。阻的

20、高低。它的典型值是幾百納安，其值越小越好。n7.1.2.5 7.1.2.5 差模輸入電阻差模輸入電阻R Ridid和輸出電阻和輸出電阻R Ro on差模輸入電阻是指集成運放的兩個輸入端之間的動態(tài)電差模輸入電阻是指集成運放的兩個輸入端之間的動態(tài)電阻，反映輸入端向差動信號源索取電流的能力，即阻，反映輸入端向差動信號源索取電流的能力，即R Ridid= =U Uidid/ /I Iidid ，如圖，如圖7-47-4所示，它反映了運算放大器所示，它反映了運算放大器對信號源的影響程度，對信號源的影響程度，R Ridid越大，對輸入信號影響越小。越大，對輸入信號影響越小。它的典型值為它的典型值為lMlM

21、，國產高輸入阻抗的運放，其值可達，國產高輸入阻抗的運放，其值可達到到10101212 。7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n輸出電阻輸出電阻R Ro o是指元件在開環(huán)狀態(tài)下，輸出端電壓變化是指元件在開環(huán)狀態(tài)下，輸出端電壓變化量與輸出電流變化量的比值。它的數值大小反映元量與輸出電流變化量的比值。它的數值大小反映元件帶負載能力的強弱。件帶負載能力的強弱。R Ro o的數值一般是幾十歐姆到幾的數值一般是幾十歐姆到幾百歐姆，其值越小越好。百歐姆，其值越小越好。圖圖7-4 差模輸入電阻的計算差模輸入電阻的計算7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放

22、大器的主要參數n7.1.2.6 7.1.2.6 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓U UidMidMn最大差模輸入電壓是指集成運放兩個輸入端所允許最大差模輸入電壓是指集成運放兩個輸入端所允許加的最大差模電壓，超過此電壓，集成運放輸入級加的最大差模電壓，超過此電壓，集成運放輸入級某一側三極管將會出現發(fā)射結反向擊穿，使運放不某一側三極管將會出現發(fā)射結反向擊穿，使運放不能正常工作。目前運放的能正常工作。目前運放的U UidMidM可以達到十幾伏至三十可以達到十幾伏至三十幾伏。幾伏。n7.1.2.7 7.1.2.7 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓U UicMicMn集成運算放大器經常工作在共模輸入的情

23、況下，集成運算放大器經常工作在共模輸入的情況下，U UicMicM是指允許加在運放兩個輸入端的最大共模輸入電壓是指允許加在運放兩個輸入端的最大共模輸入電壓。當實際的共模信號大于。當實際的共模信號大于U UicMicM時，將使輸入級工作不時，將使輸入級工作不正常，共模抑制比顯著下降。一般集成運放的正常，共模抑制比顯著下降。一般集成運放的U UicMicM值值為幾伏至二十幾伏。為幾伏至二十幾伏。7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n7.1.2.8 7.1.2.8 共模抑制比共模抑制比n共模抑制比為共模抑制比為CMRRCMRR= =A Ad d / /A AC C

24、表示集成運放對共模信號表示集成運放對共模信號的抑制能力，其值越大越好。一般為的抑制能力，其值越大越好。一般為6060130dB130dB。n集成運算放大器還有其他一些參數，此處從略。幾集成運算放大器還有其他一些參數，此處從略。幾種通用型集成運放的參數見表種通用型集成運放的參數見表7-17-1。CMRRkBWfkHzosd/ dV /UTosd/ dnA /ITCCEEVVV型型 號號 / / / / / / / / / / /國國外外國國產產A741F74120.020.081069021037-18LM528F52810.020.0210085-1.5LM324F32425nA45nA100

25、70-710PA/oCos/ mVUosIABIAdAdBdBidR表表7-1 通用型集成運放參數通用型集成運放參數7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數CMRRkBWfkHzosd/ dV /UTosd/ dnA /ITCCEEVVV型型 號號 / / / / / / / / / / /國國外外國國產產os/ mVUosIABIAdAdBdBidRLM158CF15850.030.15160100-4MHz3-LM101CF1010.71.5nA30nA160964103-3-LM747F7471.00.020.08948021037-LM709CF7092

26、.0100nA300nA939080-續(xù)表續(xù)表 7.1.2 7.1.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數n1. 1. 理想運算放大器的條件理想運算放大器的條件n在討論模擬信號的運算電路時，為了使問題分析簡在討論模擬信號的運算電路時，為了使問題分析簡化，通常把集成運放看成理想器件。理想運放應滿化，通常把集成運放看成理想器件。理想運放應滿足如下幾個條件。足如下幾個條件。n(1) (1) 開環(huán)差模電壓增益無窮大，即開環(huán)差模電壓增益無窮大，即 。n(2) (2) 開環(huán)差模輸入電阻無窮大，即開環(huán)差模輸入電阻無窮大，即 。n(3) (3) 開環(huán)輸出電阻為零，即開環(huán)輸出電阻為零，即 。n(4

27、) (4) 輸入失調電壓輸入失調電壓 和輸入失調電流和輸入失調電流 為零等。為零等。dA iR oR osI7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n目前用戶能買到的許多集成運放都很接近理想運目前用戶能買到的許多集成運放都很接近理想運放，因此，在分析集成運放的應用電路時將它視放，因此，在分析集成運放的應用電路時將它視為理想運放是符合實際的，會給電路分析帶來較為理想運放是符合實際的，會給電路分析帶來較大的方便，雖然會產生一些誤差，但往往都是在大的方便，雖然會產生一些誤差，但往往

28、都是在工程允許范圍之內的。工程允許范圍之內的。7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n2. 2. 運算放大器的電壓傳輸特性與基本工作方式運算放大器的電壓傳輸特性與基本工作方式n如圖如圖7-5(a)7-5(a)所示是集成運放開環(huán)運用時的示意圖，圖中所示是集成運放開環(huán)運用時的示意圖，圖中 u u+ +、u u- -是相應輸入端電壓，是相應輸入端電壓，u uo o為輸出電壓，其電壓傳輸為輸出電壓，其電壓傳輸特性如圖特性如圖7-5(b)7-5(b)所示，從圖所示，從圖7-5(b)7-5(b)可以看出，集成運放可以看出，集成運放有兩個工作區(qū)，當輸入電壓有兩個工作

29、區(qū)，當輸入電壓u ui i在在ABAB之間時，運放處于線之間時，運放處于線性工作區(qū)，在性工作區(qū)，在ABAB段以外時則處于非線性工作區(qū)。段以外時則處于非線性工作區(qū)。(a) (b) 圖圖7-5 集成運算放大器的電壓傳輸特性集成運算放大器的電壓傳輸特性7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n運放在線性區(qū)時，輸入輸出之間滿足式運放在線性區(qū)時，輸入輸出之間滿足式(7-1)(7-1)。由于。由于A Ad d很大，所以，運放開環(huán)工作時線性區(qū)很窄，很大，所以，運放開環(huán)工作時線性區(qū)很窄，u ui i僅為僅為幾毫伏甚至更小，為擴大外部線性工作范圍，必須幾毫伏甚至更小，為擴

30、大外部線性工作范圍，必須對運放施加足夠深的負反饋，以便壓低運放的差模對運放施加足夠深的負反饋，以便壓低運放的差模輸入信號，保證運放處于線性工作區(qū)，所以運放的輸入信號，保證運放處于線性工作區(qū)，所以運放的線性應用電路均為負反饋電路。線性應用電路均為負反饋電路。n運算放大器工作在非線性區(qū)時，輸入輸出之間無線運算放大器工作在非線性區(qū)時，輸入輸出之間無線性關系，輸出只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，一是正向飽和值性關系，輸出只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，一是正向飽和值U UOMOM，一是負向飽和值，一是負向飽和值- -U UOM OM ，U UOMOM是運算放大器所能達是運算放大器所能達到的最大輸出值，約比電源電壓低到的最大輸出值

31、，約比電源電壓低2V2V。運算放大器。運算放大器的輸入信號過大或工作在開環(huán)狀態(tài)或加正反饋時，的輸入信號過大或工作在開環(huán)狀態(tài)或加正反饋時，運放均可進入非線性區(qū)。運放均可進入非線性區(qū)。7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n3. 3. 理想運放的兩個重要結論理想運放的兩個重要結論n(1) (1) 虛短虛短 即即u u+ += =u u由式由式(7-1)(7-1)可知，在線性范圍內集可知，在線性范圍內集成運放的差動輸入信號電壓為成運放的差動輸入信號電壓為n由于理想運放的由于理想運放的 ，而輸出電壓，而輸出電壓u uo o又是一個有又是一個有限值，因此有限值，

32、因此有n 即即 (7-2)(7-2)n此為虛短，即兩個輸入端電位相等，好像短接在一此為虛短，即兩個輸入端電位相等，好像短接在一起一樣，但實際上又不是短接在一起，所以稱虛短起一樣，但實際上又不是短接在一起，所以稱虛短。理想運算放大器工作在線性區(qū)時，虛短現象總是。理想運算放大器工作在線性區(qū)時，虛短現象總是存在的存在的。oduuuA-dA 0uuuu7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n(2) (2) 虛斷虛斷 即即i i+ +=i=i=0(=0(見圖見圖7-5(a)7-5(a)n而理想運放的而理想運放的 ，且，且 又是有限值，所又是有限值，所以有以有n即

33、即 i i= =i i=0=0 (7-3)(7-3)ididuui RuuiRidR uuid0uuiiR7.1.3 7.1.3 集成運算放大器的基本分析方法集成運算放大器的基本分析方法n此為虛斷，即從輸入端流入或流出的電流為零，好此為虛斷，即從輸入端流入或流出的電流為零，好象輸入端與運放器件斷開一樣，但實際上不是斷開象輸入端與運放器件斷開一樣，但實際上不是斷開，所以稱虛斷。理想運算放大器工作在線性區(qū)和非，所以稱虛斷。理想運算放大器工作在線性區(qū)和非線性區(qū)時，虛斷現象總是存在的。線性區(qū)時，虛斷現象總是存在的。n正確運用上述兩個結論，可以使集成運放應用電路正確運用上述兩個結論，可以使集成運放應用電

34、路的分析過程大大簡化。的分析過程大大簡化。n1. 1. 集成運算放大器的線性應用集成運算放大器的線性應用n(1) (1) 比例運算電路比例運算電路 1) 1) 反相輸入比例運算電路反相輸入比例運算電路n如圖如圖7-67-6所示的電路就是由集成運放組成的反相輸入所示的電路就是由集成運放組成的反相輸入比例運算電路，輸入信號從反相輸入端加入，又叫比例運算電路，輸入信號從反相輸入端加入，又叫反相放大器。反饋電阻反相放大器。反饋電阻 跨接在輸出端與反相輸入跨接在輸出端與反相輸入端之間，使電路工作在閉環(huán)工作狀態(tài)。圖中端之間，使電路工作在閉環(huán)工作狀態(tài)。圖中 稱為稱為平衡電阻，由于集成運放的輸入級為差動放大器

35、，平衡電阻，由于集成運放的輸入級為差動放大器，為減少失調參數的影響，故要求輸入回路兩端對稱為減少失調參數的影響，故要求輸入回路兩端對稱，即要求集成運放兩個外部入端電阻相等。圖中反，即要求集成運放兩個外部入端電阻相等。圖中反相輸入端的入端等效電阻為相輸入端的入端等效電阻為 / / ，因此取，因此取 / / FRR1RFR1RR FR7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用圖圖7-6 反向輸入比例運算電路反向輸入比例運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n把圖中運放視為理想運放

36、，則根據虛斷和虛短的概把圖中運放視為理想運放，則根據虛斷和虛短的概念可得念可得i i= =i i=0=0u u+ +- -u u=0=0i i1 1= =i iF Fnn (7-4) (7-4)i11uuiR-oF0uuiRFoi1RuuR -7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n由式由式(7-4)(7-4)可得如下結論：可得如下結論：n 輸出電壓與輸入電壓成正比例關系，比例系數為輸出電壓與輸入電壓成正比例關系，比例系數為R RF F/ /R R1 1，若取，若取R RF F= =R R1 1，則電路成為反相器或倒相器。，則電路成為反相器或倒相器。n 式中負號表明輸

37、出電壓與輸入電壓反相位，這也式中負號表明輸出電壓與輸入電壓反相位，這也是反相比例運算電路名稱的由來。是反相比例運算電路名稱的由來。n 比例系數的大小僅與運放外電路參數比例系數的大小僅與運放外電路參數R RF F與與R R1 1的取的取值有關，因此選取阻值穩(wěn)定、精度高的電阻器值有關，因此選取阻值穩(wěn)定、精度高的電阻器R RF F與與R R1 1是提高電路運算精度的關鍵。一般地，是提高電路運算精度的關鍵。一般地，R RF F與與R R1 1的取值的取值約為約為1k1k 1M1M 。7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n2) 2) 同相輸入比例運算電路同相輸入比例運算電路n

38、如圖如圖7-77-7所示電路為同相輸入比例運算電路，也稱同所示電路為同相輸入比例運算電路，也稱同相放大器，它是同相比例運算電路中最基本的形式相放大器，它是同相比例運算電路中最基本的形式。輸入信號。輸入信號u ui i通過通過R R2 2加到集成運算放大器的同相輸入加到集成運算放大器的同相輸入端，負反饋電阻端，負反饋電阻R RF F跨接在輸出端與反相輸入端之間，跨接在輸出端與反相輸入端之間，平衡電阻平衡電阻R R2 2= =R R3 3 /R RF F。n根據虛短與虛斷的概念可得根據虛短與虛斷的概念可得u u+ +- -u u= =u ui ii i1 1= =i iF FoFFuuiR圖圖7-

39、7 同相輸入比例運算電路同相輸入比例運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n聯立上述四式得聯立上述四式得n (7-5)(7-5)n式式(7-5)(7-5)表明，輸出電壓表明，輸出電壓u uo o與輸入電壓與輸入電壓u ui i成正比例關成正比例關系，比例系數是系，比例系數是(1+(1+R RF F/ /R R1 1) )，而且，而且u uo o與與u ui i同相位。當同相位。當R RF F=0=0時，電路稱為同號器或電壓跟隨器，時，電路稱為同號器或電壓跟隨器，u uo o與與u ui i的關的關

40、系為系為u uo o= =u ui i，如圖，如圖7-87-8所示。所示。Foi11RuuR圖圖7-8 電壓跟隨器電壓跟隨器7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n同相輸入比例運算電路還有一種形式如圖同相輸入比例運算電路還有一種形式如圖7-97-9所示，所示，u uo o與與u ui i的關系應為的關系應為n (7-6) (7-6)n式式(7-6)(7-6)的推導讀者可以自己完成。的推導讀者可以自己完成。3Foi1231RRuuRRR圖圖7-9 接接R3的同相輸入的同相輸入比例比例運算電路運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n3)

41、3) 差動輸入比例運算電路差動輸入比例運算電路n當集成運算放大器的同相輸入端和反相輸入端都接有當集成運算放大器的同相輸入端和反相輸入端都接有輸入信號時，稱為差動輸入比例運算電路，它的基本輸入信號時，稱為差動輸入比例運算電路，它的基本電路形式如圖電路形式如圖7-107-10所示，所示，4 4個外接電阻應滿足個外接電阻應滿足R R1 1 / / R RF F= =R R2 2/R R3 3。輸入與輸出關系的推導可采用兩種方法。輸入與輸出關系的推導可采用兩種方法。圖圖7-10 差動輸入比例差動輸入比例運算電路運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n 仍用虛短與虛斷的

42、概念，可得仍用虛短與虛斷的概念，可得n聯立上述聯立上述4 4式求解得式求解得n (7-7)(7-7)i2323u RuuRRi111uuiRoFFuuiR1Fii3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n 使用疊加原理使用疊加原理n運算放大器作線性應用時，均可使用疊加原理。如運算放大器作線性應用時，均可使用疊加原理。如圖圖7-107-10所示電路，令所示電路，令u ui1i1單獨作用，單獨作用，u ui2i2端視為接地，端視為接地，輸出為輸出為 ，此時電路變?yōu)榉聪啾壤\算電路，根據，此時電路變?yōu)榉聪啾壤\算電路，根據式式

43、(7-4)(7-4)可直接寫出可直接寫出n令令u ui2i2單獨作用，單獨作用，u ui1i1端視為接地，輸出為端視為接地，輸出為 。此時電路。此時電路變?yōu)橥啾壤\算電路，同樣可根據式（變?yōu)橥啾壤\算電路，同樣可根據式（7-67-6）直接）直接寫出寫出nFoi11RuuR 3Foi2123(1)RRuuRRR7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n電路總的電壓輸出為電路總的電壓輸出為u uo o為為n即即ooouuu3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n上式顯然與式上式顯然與式(7-7)

44、(7-7)相同，這說明使用疊加原理，相同，這說明使用疊加原理，可借用前面推導過的基本反相、同相比例運算電路可借用前面推導過的基本反相、同相比例運算電路的結果，直接寫出式的結果，直接寫出式(7-7)(7-7)。若取。若取R R1 1= =R R2 2，R RF F= =R R3 3，則，則式式(7-7)(7-7)可簡化為可簡化為n (7-8)(7-8)n若取若取R R1 1= =R RF F，則上式可簡化為，則上式可簡化為n (7-9)(7-9)n由此可知，差動輸入放大電路可視為一個減法運算由此可知，差動輸入放大電路可視為一個減法運算電路。電路。Foi2i11()RuuuRoi2i1uuu7.1

45、.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n【例例7.17.1】 如圖如圖7-117-11所示是由集成運放構成的兩級所示是由集成運放構成的兩級放大電路，圖中放大電路，圖中R R1 1=10k=10k ，R RF F=50k=50k ，R R3 3= =R R4 4=20k=20k ，E=0.5VE=0.5V，試求，試求u uo o= =？并計算？并計算R R2 2與與R R5 5。圖圖7-11 例題例題7.1圖圖7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n解：設第一級運放的輸出為解：設第一級運放的輸出為u uo1o1。兩級電路均為基本。兩級電路均為基本反相

46、比例運算電路，所以可直接寫出反相比例運算電路，所以可直接寫出nu uo1o1則作為第二級電路的輸入，則第二級運放對地輸則作為第二級電路的輸入，則第二級運放對地輸出出 為為Fo11500.52.5V10RuER 44Foo133120500.52.5V2010RR RuuERR R 7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n所求輸出電壓為所求輸出電壓為n取取 R R2 2=8.2k=8.2k n R R5 5=10k=10k ooo12.52.55Vuuu21F10 508.33kRRR53420 2010kRRR7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器

47、的運用n(2)(2) 算數求和運算電路算數求和運算電路n1) 1) 反相求和運算電路反相求和運算電路n在反相比例運算電路的基礎上再增加幾個輸入支路在反相比例運算電路的基礎上再增加幾個輸入支路，就可實現對多個輸入信號的求和運算。，就可實現對多個輸入信號的求和運算。n如圖如圖7-127-12所示電路是具有三個輸入信號的反相求和所示電路是具有三個輸入信號的反相求和運算電路，圖中平衡電阻運算電路，圖中平衡電阻R R4 4= =R RF F / / R R1 1/ / R R2 2 / / R R3 3。n根據圖根據圖7-127-12，應用疊加原理，結合式，應用疊加原理，結合式(7-4)(7-4)可得電

48、路可得電路輸出為輸出為nn (7-10) (7-10)i3i1i2oF123uuuuRRRR 圖圖7-12 反相求和運算電路反相求和運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n由式由式(7-10)(7-10)可看出，輸出電壓不僅與輸入電壓反相可看出，輸出電壓不僅與輸入電壓反相，而且按不同的比例反映各輸入信號的作用，完成，而且按不同的比例反映各輸入信號的作用，完成了了Y Y=-(=-(axax+ +byby+ +czcz) )的運算，因此稱為反相比例求和。的運算，因此稱為反相比例求和。n若取若取R RF

49、 F= =R R1 1= =R R2 2 = =R R3 3，則，則nn (7-11) (7-11)n如果在電路的輸出端接一個反相器，則可完成常規(guī)如果在電路的輸出端接一個反相器，則可完成常規(guī)的算術運算。的算術運算。oi1i2i3()uuuu 7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n2) 2) 同相求和運算電路同相求和運算電路n如圖如圖7-137-13所示是一個典型的同相求和運算電路，三所示是一個典型的同相求和運算電路，三個輸入信號均加于同相輸入端，為做到電路對稱，個輸入信號均加于同相輸入端，為做到電路對稱，各電阻應滿足各電阻應滿足R R2 2/R R3 3= =R R

50、1 1/R RF F。n應用疊加原理可方便地寫出輸入與輸出之間的關系應用疊加原理可方便地寫出輸入與輸出之間的關系nn (7-12) (7-12)n若取若取R R2 2= =R R3 3，上式可以簡化為，上式可以簡化為u uo o= =u ui1i1+ +u ui2i2。請讀者自己。請讀者自己寫出簡化式。寫出簡化式。3F2oi1i2123321RRRuuuRRRRR圖圖7-13 同相求和運算用路同相求和運算用路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n(3) (3) 積分和微分運算電路積分和微分運算電路n1)

51、 1) 基本積分運算電路基本積分運算電路n把反相輸入比例運算電路中的反饋電阻把反相輸入比例運算電路中的反饋電阻R RF F換成電容換成電容C C，則構成基本積分運算電路，如圖，則構成基本積分運算電路，如圖7-147-14所示。根據所示。根據虛短與虛斷的概念可以得到。虛短與虛斷的概念可以得到。n以上兩式聯立解得以上兩式聯立解得n (7-13)(7-13)i11uiRo1CdduiiCt oi11duutR C 圖圖7-14 基本積分運算電路基本積分運算電路7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n式式(7-1

52、3)(7-13)說明輸出電壓說明輸出電壓 是輸入電壓是輸入電壓 對時間的積對時間的積分，式中負號表明輸出與輸入反相位。若設分，式中負號表明輸出與輸入反相位。若設t t= =t t0 0時，時，輸出電壓初值為輸出電壓初值為 ，則，則 到到t t時間內，時間內， 值可寫為值可寫為nn (7-14)(7-14)n如果輸入為直流信號時，且如果輸入為直流信號時，且t=tt=t0 0時刻，電容電壓為時刻，電容電壓為U U( (t t0 0) )，則，則nn (7-15) (7-15)ouiu0( )U t0tou oi0011d()tututU tR C o00i11( )uUttU tR C 7.1.4

53、 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n上式說明輸入為直流信號時，輸出上式說明輸入為直流信號時，輸出 將隨時間線性增將隨時間線性增長，但是注意，不可能無限增長下去，當達到集成長，但是注意，不可能無限增長下去，當達到集成運放的輸出飽和值時，就停止了積分。積分運算電運放的輸出飽和值時，就停止了積分。積分運算電路的階躍響應如圖路的階躍響應如圖7-157-15所示。所示。(a) (b) 圖圖7-15 積分電路的輸入與輸出曲線積分電路的輸入與輸出曲線 7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n2) 2) 積分求和運算電路積分求和運算電路n在基本積分電路的輸入端再增

54、加輸入回路就構成了在基本積分電路的輸入端再增加輸入回路就構成了積分求和運算電路。如圖積分求和運算電路。如圖7-167-16所示電路是具有兩個所示電路是具有兩個輸入信號的積分求和電路，應用疊加原理和式輸入信號的積分求和電路，應用疊加原理和式(7-(7-13)13)可以寫出電路輸入與輸出的關系式可以寫出電路輸入與輸出的關系式nn (7-16) (7-16)n當取當取R R1 1= =R R2 2= =R R時時nn (7-17) (7-17) i1i200o1211ddttutututCRCR i1i20o1)dt（tuutuCR 圖圖7-16 積分求和運算電路積分求和運算電路7.1.4 7.1.

55、4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n上面討論的積分運算電路在自動控制系統(tǒng)中經常用上面討論的積分運算電路在自動控制系統(tǒng)中經常用到。例如，在自動化儀表中，輸入信號到。例如，在自動化儀表中，輸入信號u ui i通常是幾個通常是幾個 信號綜合比較后的偏差電壓，其值一般很微小，利用信號綜合比較后的偏差電壓，其值一般很微小，利用一般放大器還不能使執(zhí)行機構動作，因此，可采用一般放大器還不能使執(zhí)行機構動作，因此，可采用積分運算電路將微小的偏差電壓積累起來，經過一積分運算電路將微小的偏差電壓積累起來，經過一段時間后，可使輸出電壓達到較大值

56、，從而能夠推段時間后，可使輸出電壓達到較大值，從而能夠推動執(zhí)行機構動作，把系統(tǒng)置于合理的工作狀態(tài)，達動執(zhí)行機構動作，把系統(tǒng)置于合理的工作狀態(tài)，達到自動控制的目的。到自動控制的目的。7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n3) 3) 基本微分運算電路基本微分運算電路n微分運算是積分運算的逆運算，將基本積分電路中微分運算是積分運算的逆運算，將基本積分電路中的的R R1 1和和C C對調位置就構成了微分運算電路。對調位置就構成了微分運算電路。n如圖如圖7-17(a)7-17(a)所示電路為基本微分運算電路。根據理所示電路為基本微分運算電路。根據理想運放虛短與虛斷的概念可得想

57、運放虛短與虛斷的概念可得i i1 1= =i if fu u+ += =u u=0=0n整理得整理得n (7-18)(7-18)i1dduiCtoFFui R iFodduR Cut 7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n上式表明，輸出電壓上式表明，輸出電壓u uo o與輸入電壓對時間的微分成正與輸入電壓對時間的微分成正比。如果在比。如果在t t=0=0時刻有時刻有u ui i= =E E突然加入，而在突然加入，而在t t= =t t1 1時刻時刻又突然撤除，如圖又突然撤除，如圖7-19(b)7-19(b)上部所示，則微分電路的上部所示，則微分電路的輸出信號對應波形

58、如圖輸出信號對應波形如圖7-19(b)7-19(b)下部所示?？梢娫谳斚虏克尽？梢娫谳斎胄盘柾蛔儠r，輸出響應為一尖脈沖，脈沖幅度受入信號突變時，輸出響應為一尖脈沖，脈沖幅度受集成運放輸出飽和值的限制。集成運放輸出飽和值的限制。 (a) (b) 圖圖7-17 基本微分運算電路及其響應基本微分運算電路及其響應7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n由上述討論可知，微分電路對突變信號反應非常靈由上述討論可知，微分電路對突變信號反應非常靈敏，因此在自動控制系統(tǒng)中，常用微分電路來改善敏，因此在自動控制系統(tǒng)中，常用微分電路來改善系統(tǒng)的靈敏度。系統(tǒng)的靈敏度。n2. 2. 集成運算

59、放大器的非線性應用集成運算放大器的非線性應用n集成運放有線性和非線性兩種工作狀態(tài)。前面所討集成運放有線性和非線性兩種工作狀態(tài)。前面所討論的各種運算與應用電路，均是通過外接反饋網絡論的各種運算與應用電路，均是通過外接反饋網絡使集成運放處于深度負反饋狀態(tài)，此時的集成運放使集成運放處于深度負反饋狀態(tài)，此時的集成運放是工作在線性區(qū)，電路的輸入輸出關系幾乎與集成是工作在線性區(qū)，電路的輸入輸出關系幾乎與集成運放本身的特性無關，而主要由外接網絡的參數所運放本身的特性無關，而主要由外接網絡的參數所決定。決定。7.1.4 7.1.4 集成運算放大器的運用集成運算放大器的運用n集成運放的另一種工作狀態(tài)是非線性工作

60、狀態(tài)，這集成運放的另一種工作狀態(tài)是非線性工作狀態(tài)，這一狀態(tài)下電路的構成特點是運放開環(huán)或接正反饋，一狀態(tài)下電路的構成特點是運放開環(huán)或接正反饋，在開環(huán)工作或加正反饋時，由于集成運放的放大倍在開環(huán)工作或加正反饋時，由于集成運放的放大倍數很高，輸入信號即使很小也足以使運放工作在非數很高，輸入信號即使很小也足以使運放工作在非線性工作狀態(tài)，而使集成運放的輸出不是偏向于正線性工作狀態(tài)，而使集成運放的輸出不是偏向于正飽和值飽和值( (U Uomom) )就是偏向于負飽和值就是偏向于負飽和值(-(-U Uomom) )，輸入與輸出，輸入與輸出不再有線性關系。集成運放處于非線性工作狀態(tài)時不再有線性關系。集成運放處