第6章集成運算放大器

第6章集成運算放大器

（1）級間采用直接耦合方式,盡量避免使用電容器，必須使用電容的場合大多采用外接；（2）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路；（3）容易制成溫度漂移很小的運算放大器；（4）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性（輸入級采用差分放大電路）；（5）電路中使用的二極管都采用晶體管構(gòu)成，多用作溫度補償元件或電位移動電路。

6.1簡單的集成電路運算放大器

一、集成運算放大器的特點

二、

電路的簡單說明

集成運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路部分組成。輸入端輸出端運算放大器的方框圖運算放大器方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路輸入級采用差分放大電路，有同相和反相兩個輸入端，要求應(yīng)盡量減小零點漂移，靜態(tài)電流小，差模放大倍數(shù)高，輸入電阻盡可能大。中間級輸入級輸出級偏置電路中間級主要完成電壓放大，所以應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)，一般采用多級共射放大電路組成。輸出級與負載相接要求輸出電阻小，帶負載能力強，能輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補功放或射級輸出器構(gòu)成。中間級輸入級輸出級偏置電路偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。中間級輸入級輸出級偏置電路F00712345678(a)外形(b)管腳(c)符號圖

集成運算放大器的外形、管腳和符號如下圖所示。它有雙列直插式圖(a)和圓殼式圖(b)兩種封裝。正電源端負電源端空腳外接調(diào)零電位器三、外形圖及符號圖圖形符號：2反相輸入端。由此端接輸入信號，則輸出信號和輸入信號是反相的（或兩者極性相反）。3同相輸入端。由此端接輸入信號，則輸出信號和輸入信號是同相的（或兩者極性相同）。4負電源端。接-15V穩(wěn)壓電源。7正電源端。接+15V穩(wěn)壓電源。6輸出端。1和5外接調(diào)零電位器的兩個端子。8空腳。1.輸入失調(diào)電壓UIO(補償電壓)

理想的集成運放，當輸入電壓為零時，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實際上它的制造元件參數(shù)很難做到完全對稱。在室溫（25℃）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓UIO。即

四、集成運算放大器的主要參數(shù)

UIO的大小反應(yīng)了運放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。UIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為

（1~10）mV。2.輸入偏置電流IIB

集成運放的兩個輸入端是差分對管的基極，因此兩個輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運放輸入電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值。當ui=0時，偏置電流為3.最大輸出電壓UOPP

能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為運算放大器的最大輸出電壓。F007集成運算放大器的最大輸出電壓約為±13v。4.

輸入失調(diào)電流IIO

由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級有效差分對管的不對稱程度，一般約為1nA～0.1μA。

集成電路運放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即*7.最大差模輸入電壓Uidmax

：集成運放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。6.共模輸入電壓范圍UICM

：這是指運放所能承受的最大共模輸入電壓。*8.最大輸出電流Iomax：是指運放所能輸出的正向或負向的峰值電流。通常給出輸出端短路的電流。

5.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

：是指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負載，無反饋情況下所測出的差模電壓放大倍數(shù)。

集成運算放大器具有開環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高(幾兆歐以上)、輸出電阻低(約幾百歐)、漂移小、可靠性高、體積小等主要特點，所以它已成為一種通用器件，廣泛而靈活地應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域中。在選用集成運算放大器時，就像選用其他電路元件一樣，要根據(jù)它們的參數(shù)說明，確定適用的型號。

五、理想運算放大器及其分析依據(jù)

1、理想化的條件主要是：

開環(huán)電壓放大倍數(shù)

AUO→∞

差模輸人電阻rid

→∞

開環(huán)輸出電阻

ro

→0

共模抑制比

KCMRR→∞

運算放大器的圖形符號

表示輸出電壓與輸人電壓之間關(guān)系的特性曲線稱為傳輸特性，從運算放大器的傳輸特性(上圖)看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)。運算放大器可工作在線性區(qū)，也可工作在飽和區(qū)。

(1)工作在線性區(qū)當運算放大器工作在線性區(qū)時，uo和(u+-u-)是線性關(guān)系，即

uo＝Auo(u+-u-)

（式1）運算放大器是一個線性放大元件。所以，要使運算放大器工作在線性區(qū)，通常引入深度電壓負反饋。

傳輸特性曲線的分析運算放大器的傳輸特性②由于運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)AUO→∞，而輸出電壓是一個有限的數(shù)值，故從式1可知，即

如果反相端有輸人時，同相端接“地”，即U+＝0，由上式可見，U-≈0。這就是說反相輸入端的電位接近于“地”電位，它是一個不接“地”的“地”電位端，通常稱為“虛地”。

①由于運算放大器的差模輸人電阻rid→∞，故可認為兩個輸入端的輸入電流為零。

運算放大器工作在線性區(qū)時，分析依據(jù)有兩條：(2)工作在飽和區(qū)

運算放大器工作在飽和區(qū)時，上式1不能滿足，這時輸出電壓uo只有兩種可能，或等于+Uo(sat)或等于-Uo(sat)

，而U+與U-不一定相等：

當U+＞U-時，

uo

＝+Uo(sat)

當U+＜U-時，

uo

＝-Uo(sat)

此外，運算放大器工作在飽和區(qū)時，兩個輸入端的輸入電流也等于零。運算放大器的傳輸特性六、運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用

運算放大器能完成比例、加減、積分與微分、對數(shù)與反對數(shù)以及乘除等運算。1、比例運算

（1）.反相輸入（R2接地）

如果輸人信號是從反相輸入端引入的運算，便是反相運算。如圖所示是反相比例運算電路。反相比例運算電路平衡電阻反饋電阻

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

反相器當ＲＦ＝Ｒ１時得：根據(jù)運算放大器工作在線性區(qū)時的兩條分析依據(jù)可知：反相比例運算電路（２）同相輸入（R1接地）如果輸人信號是從同相輸入端引入的運算，便是同相運算。如圖所示是同相比例運算電路。同相比例運算電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

uo與ui間的比例關(guān)系可認為與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)，其精度和穩(wěn)定性都很高。

當R1＝∞(斷開)或RF=0時，則電壓跟隨器2、加法運算

如果在反相輸入端增加若干輸入電路，則構(gòu)成反相加法運算電路，如圖所示。反相加法運算電路當Ｒ１１＝Ｒ１２＝Ｒ１３＝R1時，上式為當Ｒ１＝ＲＦ時，則由上三式可見，加法運算電路也與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)．只要電阻阻值足夠精確，就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。平衡電阻Ｒ２＝Ｒ１１∥Ｒ１２∥Ｒ１３∥ＲＦ

3、減法運算

如果兩個輸入端都有信號輸入，則為差動輸入。差動運算在測量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用很多，其運算電路如圖所示。差分減法運算電路當Ｒ１＝Ｒ２和ＲＦ＝Ｒ３時，上式為當ＲＦ＝Ｒ１時，則

由上兩式可見，輸出電壓UO與兩個輸入電壓的差值成正比，所以可以進行減法運算。電壓放大倍數(shù)在上圖中，如將Ｒ3斷開(Ｒ3＝∞)，原式變?yōu)榧礊橥啾壤\算與反相比例運算輸出電壓之和。4、積分運算

與反相比例運算電路比較，用電容CF代替RF作為反饋元件，就成為積分運算電路，如圖所示。積分運算電路

上式表明uo與ui的積分成比例，式中的負號表示兩者反相。R1CF稱為積分時間常數(shù)。

當ui為階躍電壓如圖(a)時，則

其波形如圖(b)所示，最后達到負飽和值-Uo(sat)積分運算電路的階躍響應(yīng)16.2.5微分運算

微分運算是積分運算的逆運算，只需將反相輸入端的電阻和反饋電容調(diào)換位置，就成為微分運算電路，如圖所示。微分運算電路微分運算電路的階躍響應(yīng)

即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。當ui為階躍電壓時，uo為尖脈沖電壓，如上圖所示。七、運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用

?1有源濾波器

?2采樣保持電路

3電壓比較器

電壓比較器的作用是用來比較輸入電壓和參考電壓，圖(a)是其中一種。因此，用作比較器時，運算放大器工作在飽和區(qū)，即非線性區(qū)。當ui＜UR時，uo=+Uo(sat)；當ui

＞UR

時，uo=-Uo(sat)

。圖(b)是電壓比較器的傳輸特性。可見，在比較器的輸入端進行模擬信號大小的比較，在輸出端則以高電平或低電平(即為數(shù)字信號1或0)來反映比較結(jié)果。(a)電路(b)傳輸特性

當UR＝0時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器，其電路和傳輸特性如下圖所示。當ui為正弦波電壓時，則uo為矩形波電壓，如圖所示。電壓比較器(a)電路(b)傳輸特性過零比較器如圖所示過零比較器將正弦波電壓變換為矩形波電壓。有時為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出端的數(shù)字電路的電平配合，可在比較器的輸出端與“地”之間跨接一個雙向穩(wěn)壓二極管DZ，作雙向限幅用。穩(wěn)壓二極管的電壓為Uz。電路和傳輸特性如圖所示。u1與零電平比較，輸出電壓uo被限制在+Uz或-Uz。上述的是用通用型運算放大器構(gòu)成的比較器，輸入的是模擬量，輸出的不是高電平，就是低電平，即為數(shù)字量，以與數(shù)字電路配合。(a)電路(b)傳輸特性有限幅的過零比較器例16.3.1

16.５使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題

16.5.1選用元件

通常是根據(jù)實際要求來選用運算放大器。如測量放大器的輸入信號微弱，它的第一級應(yīng)選用高輸人電阻、高共模抑制比、高開環(huán)電壓放大倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號圖聯(lián)接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、消振電路及調(diào)零電路等。16.5.2消振

16.5.3調(diào)零

由于運算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響，很容易產(chǎn)生自激振蕩，破壞正常工作。為此，在使用時要注意消振。通常是外接RC消振電路或消振電容，用它來破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。是否已消振，對將輸人端接“地”，用示波器觀察輸出端有無自激振蕩。目前由于集成工藝水平的提高，運算放大器內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振。

由于運算放大器的內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱，以致當輸入信號為零時，仍有輸出信號。為此，在使用時要外接調(diào)零電路。16.5.4保護

1.輸入端保護

當輸入端所加的差模式共模電比過高時會損壞輸入級的晶體管。為此，在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，如圖所示