電子技術（第5版） 課件 3 集成運算放大器及應用

2024-01-24第3章集成運算放大器及應用

內容提要本章首先介紹了集成運算放大器的結構、特性和主要參數(shù)，然后討論運放的線性應用和非線性應用，最后介紹了集成運放的使用常識。2024-01-243.1集成運放放大器3.2集成運放的線性應用3.3集成運放的非線性應用3.4集成運放的使用常識2024-01-24

3.1集成運算放大器集成運算放大器是用集成電路工藝制成的高增益放大器，簡稱運放。它的應用已超出早期的數(shù)學運算范疇，能夠實現(xiàn)各種不同功能的線性和非線性應用。運放的內部電路相當復雜，但作為使用者，只需要關注它的外部特性。目前運放已經(jīng)像三極管一樣成為一種通用性極強的基本單元器件。

3.1.1集成電路簡介集成電路是采用半導體制造工藝將組成電路的元器件和互連線集成在一小塊半導體基片上的微型電路系統(tǒng)。它是將元器件和電路融為一體的固態(tài)組件，因此，集成電路又稱為固體電路。它與分立元件電路相比具有體積小、重量輕、外部焊點少、安裝方便、工作可靠等優(yōu)點。2024-01-24

1.集成電路的特點（1）集成電路采用差動式直接耦合電路。因為集成電路元件的參數(shù)對稱性好，溫度特性一致，有利于減小零點漂移。（2）集成電路不用電感，少用電容和高阻值電阻。因為制造工藝表明，制造半導體二極管或三極管占用硅片面積小，且工藝簡單，成本低。而在集成電路內制造電感和電容有困難，尤其是制造容量大于400pF的電容和阻值大于300

的電阻不經(jīng)濟。因此，集成電路應盡量避免內接電容，并盡可能用阻值低的電阻或以三極管代替電阻。2024-01-24

2.集成電路的分類（1）按集成度分類。集成度是指一塊硅基片上所包含的元器件數(shù)目。①小規(guī)模集成電路（SSI）：元器件數(shù)目在102個以下。②中規(guī)模集成電路（MSI）：元器件數(shù)目在102～103個之間。③大規(guī)模集成電路（LSI）：元器件數(shù)目在103～105個之間。④超大規(guī)模集成電路（VLSI）：元器件數(shù)目在105個以上。2024-01-24

（2）按所用器件分類。①雙極型集成電路：用雙極型器件（NPN管或PNP管）組成。②單極型集成電路：用單極型器件（MOS管）組成，它又可分為三種：用N溝道MOS管組成的，稱為NMOS型；用P溝道MOS管組成的，稱為PMOS型；同時采用P溝道和N溝道MOS管互補應用的，稱為CMOS型。③用雙極型器件和單極型器件兼容組成的集成器件。此外，還有線性集成電路、數(shù)字集成電路等等。2024-01-24

3.1.2

集成運算放大器的外形和符號集成運算放大器是一個多端元件，主要采用圓殼式和雙列直插式兩種封裝外形。如圖3.1所示是CF741集成運算放大器，它通過7個管腳與外電路相接。各管腳的作用如下：

2為反相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是反相的。

3為同相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是同相的。

4為負電源端，接-10V穩(wěn)壓電源。

7為正電源端，接+10V穩(wěn)壓電源。

6為輸出端。

1和5為外接調零電位器（通常為10k

）的兩個端子。

8為空腳。2024-01-24圖3.1運算放大器的外形2024-01-24

不同類型運放的管腳排列規(guī)律是不同的，可查閱產品手冊來確定。畫電路圖時集成運放的電路符號如圖3.2所示。圖（a）是國家新標準規(guī)定的符號；圖（b）是舊符號。通常只畫出輸入和輸出端，其余各端可不畫出。圖3.2集成運放的電路符號2024-01-24

3.1.3理想運算放大器運算放大器的特點包括：輸入電阻非常高（10k

～1000M

），輸出電阻很?。?0～500

），電壓放大倍數(shù)很大（104～106），零點漂移很小，能放大交流信號，也能放大直流信號等。根據(jù)運放的這些特點，可將實際運放理想化：電壓增益Au

→∞；輸入電阻Ri→∞；輸出電阻Ro→0。此外，可認為其通頻帶為無限寬，沒有失調現(xiàn)象，即當輸入電壓為零時，輸出電壓也為零。2024-01-24

理想運放的符號如圖1.31所示，

表示信號傳輸方向，∞表示理想條件。

圖3.3理想運放符號

理想運放的符號如圖3.3所示，

表示信號傳輸方向，∞表示理想條件。

2024-01-24

3.1.4集成運算放大器的特點集成運算放大器的工作區(qū)分為線性區(qū)和非線性區(qū)（飽和區(qū)）。它可工作在線性區(qū)也可工作在非線性區(qū)，但分析方法不同。

1.集成運放工作在線性區(qū)的特點集成運放線性應用的必要條件是：集成運放必須引入深度負反饋。

2024-01-24（1）虛短。在線性區(qū)，輸出電壓與輸入電壓成簡單的線性關系，即

uo

=Auui=Au

(u+-

u

)（3-1）

因為理想運放的Ao→∞，而uo為有限值（絕對值小于電源電壓值），所以

即

u+=u－（3-2）于是反相端與同相端之間可視為短路。但事實上Ao不可能無限大，兩輸入端又不可能短接，所以不是真正短路，而是“虛假短路”，簡稱虛短。2024-01-24

（2）虛斷。由于理想運放的Ri→∞，故認為反相輸入端與同相輸入端的輸入電流均趨于零，即有（3-3）實際上Ri不可能無限大，u+和u－也不可能完全相等，i+與i－只能是近似為零，稱為“虛假斷路”，簡稱虛斷。虛短和虛斷是兩個十分重要的結論，運用這兩個結論，將大大簡化運放電路的分析。2024-01-24

2.集成運放工作在非線性區(qū)的特點集成運放非線性應用的必要條件是：集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。（1）輸出電壓為正向或負向飽和電壓。在非線性區(qū)，只要運放輸入很小的電壓變化量，輸出電壓就只有兩種可能：正最大輸出電壓+Uom或負最大輸出電壓-Uom。這兩個電壓的絕對值可能不相等，可通過在輸出端加雙向穩(wěn)壓管來獲得等值反向的輸出電壓。即有當u+>u-

時，uo=+Uom

當u+<u-

時，uo=-Uom

（2）運放的輸入電流等于零。由于運放的輸入電阻Ri→∞，因此兩個輸入端的輸入電流仍然為零。2024-01-24

3.集成運算放大器的傳輸特性

如圖3.4所示為運放的傳輸特性，即輸出電壓與輸入電壓之間的關系。A，B間是運放的線性運行區(qū)，其斜率與放大倍數(shù)Ao相等。A，B點以外的區(qū)域為非線性運行區(qū)，即正、負飽和區(qū)，uo=±Uom（最大輸出電壓）。圖3.4運放的傳輸特性

2024-01-24例3.1

已知運算放大器的正、負電源電壓為±15V，電壓放大倍數(shù)Au=2×105，輸出最大電壓（即±Uom）為13V，在圖3.4所示中分別加下列輸入電壓，求輸出電壓及其極性。（1）u+=15μV，u-=-10μV；（2）u+=-5μV，u-=+10μV；（3）u+=0V，u-=+5mV；（4）u+=5mV，u-=0V。2024-01-24解：由式（3-1）得：可見，只要兩個輸入端之間的電壓絕對值|u+-u

|超過65μV，輸出電壓就達到正或負的飽和值。（1）因|u+-u

|=|15+10|=25μV，所以uo

=Au

(u+-u

)=2×105×25×10-6=+5V（2）因|u+-u

|=|-5-10|=|-15|=15μV，所以uo

=Au

(u+-u

)

=2×105×（-15×10-6）=-3V（3）因|u+-u

|=|0-5|=|-5|=5mV，所以uo

=-Uom=-13V（4）因|u+-u

|=|5-0|=5mV，所以uo

=+Uom=+13V2024-01-24

*3.1.5運算放大器的主要參數(shù)（1）最大輸出電壓Uom。使輸出電壓和輸入電流保持不失真的最大輸出電壓。（2）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud。指沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)。Aud越高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，精度也越高。（3）輸入失調電壓UIO。當理想運放的輸入電壓為零時，為使輸出電壓也為零，需要在其輸入端施加的一個補償電壓。它反映了運放內部輸入級的不對稱程度。其值一般在幾個毫伏級，顯然越小越好。

（4）輸入失調電流IIO。輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。它反映了輸入級電流參數(shù)的不對稱程度，其值在零點幾微安級，越小越好。

（5）差模輸入電阻Rid。集成運放兩輸入端間對差模信號的動態(tài)電阻，其值為幾十千歐到幾兆歐。

（6）輸出電阻Ro。集成運放開環(huán)時，輸出端對地的電阻，其值為幾十到幾百歐。2024-01-242024-01-24

3.2集成運放的線性應用集成運算放大器（簡稱運放）的應用可分為線性應用和非線性應用兩大類。線性應用有：運算電路、測量放大器等；非線性應用有：電壓比較器等。運放在線性應用時，要使運放工作在線性狀態(tài)，并引入深度負反饋。否則由于運放的開環(huán)增益很高，很小的輸入電壓或運放本身的失調都可使它超出線性范圍。分析運放的線性應用時，經(jīng)常用到“虛短”和“虛斷”的概念。2024-01-24

3.1.1比例運算電路實現(xiàn)輸出信號與輸入信號按一定比例運算的電路稱為比例運算電路，比例運算電路包括反相比例運算電路和同相比例運算電路兩種。2024-01-24

1.反相比例運算電路圖3.5所示為反相比例運算電路。輸入信號ui經(jīng)外接電阻R1加到反相輸入端上，同相輸入端經(jīng)電阻R2接地，輸出信號uo經(jīng)過反饋電阻Rf接回反相端，形成深度并聯(lián)電壓負反饋，故該電路工作在線性區(qū)。圖中R2為平衡電阻，其作用是為了與電阻R1和Rf保持直流平衡，以提高輸入級差放電路的對稱性，通常取R2=R1∥Rf。運用“虛短”和“虛斷”的概念有反相比例運算電路中，因為i+=0，R2中沒有電流，所以u+=0，又因為u+=u－，故說明反相輸入端是一個不接地的“接地”端，稱為“虛假接地”，簡稱“虛地”。虛地是虛短的特例，是反相輸入放大器的重要特性。2024-01-24

由圖3.5可得而

（3-4）所以得（3-5）式（3-5）表明，輸出電壓uo與輸入電壓ui為比例運算關系，比例系數(shù)僅由Rf

和R1的比值確定，與集成運放的參數(shù)無關。式中負號表示uo與ui反相，該電路也稱為反相放大器。若Rf=R1時，有這時，如圖3.5所示的電路稱為反相器，這種運算稱為變號運算。2024-01-24

圖3.5反相比例運算電路圖3.6同相比例運算電路2024-01-24

2.同相比例運算電路圖3.6為同相比例運算電路，輸入信號ui經(jīng)R2加到同相輸入端上，反相輸入端經(jīng)R1接地，輸出信號uo經(jīng)過反饋電阻Rf接回反相端，形成深度串聯(lián)電壓負反饋，故該電路工作在線性區(qū)。R2為平衡電阻，R2=R1∥Rf。根據(jù)分析集成運放的兩個重要依據(jù)，有

由圖3.6可得

而2024-01-24

整理得

（3-6）式（3-6）表明，輸出電壓uo與輸入電壓ui為比例運算關系，比例系數(shù)僅由Rf

和R1的比值確定，與集成運放的參數(shù)無關。式中正號說明uo與ui同相，該電路也稱為同相放大器。當時，，可得如圖3.7（a）所示的電壓跟隨器；當，且時，可得如圖3.7（b）所示的電壓跟隨器。由于集成運放的Ao和Ri很大，所以用集成運放組成的電壓跟隨器比分立元件的射極跟隨器的跟隨精度更高。圖3.7中的兩個電壓跟隨器，若采用相同的集成運放，后者比前者的跟隨精度高，但前者對于集成運放有一定的限流保護作用。2024-01-24圖3.7電壓跟隨器2024-01-24

3.2.2加法運算電路

加法運算電路是實現(xiàn)若干個輸入信號求和功能的電路。在反相比例運算電路中增加若干個輸入端，就構成了反相加法運算電路。如圖3.8所示的為兩個輸入端的反相加法電路，圖中R3為平衡電阻，R3=R1∥R2∥Rf。運用虛地概念，有2024-01-24整理得（3-7）也可運用電工原理中的疊加原理計算得出：當R1=R2=Rf時，則有

（3-8）2024-01-24

圖3.8反相加法運算電路

2024-01-243.2.3其他運算電路其他運算電路的電路圖、uo與ui的關系式及應用情況見表3.1。

2024-01-24如果將比例運算、積分運算和微分運算三部分電路組合起來，在自動控制系統(tǒng)中叫做PID調節(jié)器，如圖3.9所示，比例（P）用于常規(guī)調節(jié)；積分（I）用于克服積累誤差；微分（D）用于反應變化的趨勢。圖3.9PID調節(jié)器2024-01-24

3.2.4測量放大器測量放大器又稱精密放大器或儀用放大器，用于對傳感器輸出的微弱信號在共模條件下精確地放大，因而要求放大電路具有高增益、高輸入電阻和高共模抑制比。如圖3.10所示為三運放測量放大器原理圖。圖中A1，A2為對稱性很好的集成運放，采用同相輸入，輸入電阻極高。A3接成減法運算電路，采用差動輸入，變雙端輸入為單端輸出，可以抑制共模信號。A1，A2構成第一級，A3為第二級，根據(jù)集成運放線性應用的特點推導出：

（3-9）2024-01-24

上式表明，測量放大器的放大倍數(shù)（即差模電壓放大倍數(shù)）為（3-10）2024-01-24

若ui1，ui2為共模信號，即，由式（3-9）可知，，即；若ui1，ui2為差模信號，能有效地放大，則差模放大倍數(shù)為。值得注意的是，A1，A2的對稱性要好，各電阻阻值的匹配精度要高，才能保證整個電路KCMR很大。有時為了調節(jié)方便，R1經(jīng)常采用可調電位器。測量放大器的應用非常廣泛，目前已有單片集成芯片產品。除了可調R1以外，所有元件都封裝在內部。如AD502，AMP-02，AMP-03，INA102，LH0036，LH0038等，增益調節(jié)范圍為1～1000，輸入電阻高達108數(shù)量級，共模抑制比為105。2024-01-24圖3.10三運放測量放大器原理圖2024-01-24

3.3集成運放的非線性應用

運放在非線性應用時，要使運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，使之工作在非線性區(qū)。分析運放的非線性應用時，“虛短”的概念已經(jīng)不適用，而運放的輸入電阻很高，“虛斷“仍然適用。

3.3.1電壓比較器電壓比較器簡稱比較器。它是一種把輸入電壓（被測信號）與另一電壓信號（參考電壓）進行比較的電路。比較器輸入的是連續(xù)的模擬信號，輸出的是以高、低電平為特征的數(shù)字信號，即“1”或“0”。因此，比較器可以作為模擬電路與數(shù)字電路的接口。2024-01-24

1.單限電壓比較器

（1）電路構成。開環(huán)工作的運算放大器是最基本的單限電壓比較器。根據(jù)輸入方式不同，分為反相輸入和同相輸入兩種。反相輸入單限電壓比較器電路如圖3.11（a）所示，輸入信號ui從反相端加入，同相端加參考電壓UR，輸出電壓為uo。

圖3.11電壓比較器電路2024-01-24

（2）工作原理在電路中，輸入信號ui與參考電壓UR進行比較，根據(jù)集成運放非線性區(qū)工作的特點，運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，只要有一微小的輸入電壓（ui–UR），輸出電壓uo便可達到正向飽和值+Uom或負向飽和值–Uom，即當時，；當時，；當時，發(fā)生跳變。輸出電壓與輸入電壓的關系，稱為傳輸特性，該電路的理想傳輸特性如圖3.11（b）所示。我們把電壓比較器輸出電壓發(fā)生跳變時所對應的輸入電壓值稱為閾值電壓或門檻電壓，用UTH表示，UTH值可以為正，也可以為負。此電路的UTH=UR，因為這種電路只有一個閾值電壓，故稱為單門限電壓比較器。2024-01-24

2.過零電壓比較器

參考電壓為0的比較器稱為過零比較器。根據(jù)輸入方式的不同又可分為反相輸入式和同相輸入式兩種。反相輸入式過零比較器的同相端接地，而同相輸入式過零比較器的反相端接地。圖3.12所示為反相輸入過零比較器及其傳輸特性。過零比較器的UTH=0。也就是說，每當輸入信號過零點時，輸出信號就跳變。在過零比較器的反相輸入端輸入正弦信號，可以將正弦波轉換成方波，其波形如圖3.13所示。

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圖3.12反相輸入過零比較器及其傳輸特性圖3.13過零比較器波形變換2024-01-24

3.滯回電壓比較器單限電壓比較器結構簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差。例如，當ui在門檻電壓UR附近受到干擾時，就有可能使uo產生連續(xù)的翻轉。在實際應用中，這種情況是不允許的，解決的方案是采用滯回電壓比較器。（1）電路組成。滯回電壓比較器又稱為施密特觸發(fā)器，其電路如圖3.14（a）所示，它是在過零比較器的基礎上加上正反饋構成的。2024-01-24

（2）工作原理。在電路中，輸入信號ui與同相端電壓u+進行比較。當ui

＜u+時，，此時同相輸入端的電位變?yōu)樯祥T限電壓（3-11）當ui增大到ui＞UTH1時，uo就由正向飽和電壓翻轉為負向飽和電壓，即。此時同相輸入端的電位變?yōu)橄麻T限電壓，即（3-12）2024-01-24

以后在ui由大逐漸減小的過程中，只要ui＜UTH2時，uo就由負向飽和電壓翻轉為正向飽和電壓。其電壓傳輸特性如圖3.14（b）所示。上門限電壓與下門限電壓之差稱為回差電壓，即

UTH=UTH1

UTH2=（3-13）回差電壓的存在，提高了電路的抗干擾能力，只要干擾信號的變化不超過兩個門限電壓值之差，其輸出電壓是不會出現(xiàn)反復變化的。改變R2和Rf的數(shù)值就可以改變UTH1、UTH2和

UTH。2024-01-24圖3.14滯回電壓比較器2024-01-24

例3.2

圖3.15所示為滯回電壓比較器，輸入信號ui的波形如圖3.16（a）所示，試畫出其電壓傳輸特性和輸出電壓uo的波形。解：圖中電阻R1和R為限流電阻，輸出uo受穩(wěn)壓管限幅，即Uom=

6V。（1）畫電壓傳輸特性。由式（3-11）得上門限電壓為：由式（3-12）得下門限電壓為：其電壓傳輸特性如圖3.17所示。2024-01-24圖3.15例3.2的電路圖

2024-01-24圖3.16例3.2的輸入輸出波形

2024-01-24圖3.17例3.2的電壓傳輸特性

2024-01-24

（2）畫uo的波形。①當t=0時，由于ui＜UTH2=

3V，所以uo=+Uom=6V，此時U+=UTH1=3V。②當t=t1時，ui≥UTH1=3V，電路翻轉為uo=

Uom=

6V。此后U+=UTH2=

3V，在t1至t2時段，ui＞UTH2=

3V，故uo保持

6V不變。③當t=t2時，ui≤UTH2=

3V，電路又翻轉回來，Uo由

6V變?yōu)?6V，U+由UTH2=

3V變?yōu)閁TH1=3V。④依此類推，可畫出uo的波形，如圖3.16（b）所示。由波形圖可見，雖然圖3.16（a）的輸入電壓波形因受干擾而不規(guī)則，但輸出的電壓波形已變成標準的矩形波，這種作用又叫“整形”。2024-01-24

4.集成電壓比較器簡介集成電壓比較器常用型號有LM710、LM311（SF31）、BG307等。其主要特點有：（1）輸出高電平UOH=3.3V，輸出低電平UOL=

0.4V，適應TTL數(shù)字電路要求（LM311型電壓范圍較寬，以便與CMOS電路匹配）。（2）有較大的上升速率SR，以適應開關電路對響應速度的要求。（3）適應非線性工作狀態(tài)，所以沒有相位補償（校正）引出腳。2024-01-24

3.3.2應用實例如需要對某一參數(shù)（如壓力、溫度、噪聲等）進行監(jiān)控，可將傳感器輸出的監(jiān)控信號ui送給比較器監(jiān)控報警，圖3.18所示的是利用比較器設計出的監(jiān)控報警電路。當時，比較器輸出負值，三極管VT截止，指示燈熄滅，表明工作正常。當時，被監(jiān)控的信號超過正常值，比較器輸出正值，三極管VT飽和導通，報警指示燈亮。電阻R決定于對三極管基極的驅動程度，其阻值應保證三極管進入飽和狀態(tài)。二極管VD起保護作用，當比較器輸出負值時，三極管發(fā)射結上反偏電壓較高，可能擊穿發(fā)射結，而VD能把發(fā)射結的反向電壓限制在0.7V，從而保護了三極管。2024-01-24圖3.18

監(jiān)控報警電路2024-01-24

3.4.1調零集成運放通常有零輸入-零輸出的要求。當輸入信號為零，而輸出不為零時，需要有調零措施。一般是將輸入