《模擬電子技術基礎教程》課件第五章 集成運算放大電路

第六章集成功率放大電路第五章集成運算放大電路5.15.2集成運算放大電路概述集成運算放大器在信號運算方面的運用01集成運算放大電路概述一、集成運算放大器簡介

集成運放是模擬集成電路中應用最為廣泛的一種，它實際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大器。第一代集成運放以μA709（我國的FC3）為代表，性能指標比一般的分立元件要提高。主要缺點是內(nèi)部缺乏過電流保護，輸出短路容易損壞。第二代集成運放以二十世紀六十年代的μA741型高增益運放為代表，在不增加放大級的情況下可獲得很高的開環(huán)增益。電路中還有過流保護措施。但是輸入失調參數(shù)和共模抑制比指標不理想。

第三代集成運放代以二十世紀七十年代的AD508為代表，其特點使輸入級采用了“超β管”，且工作電流很低。從而使輸入失調電流和溫漂等項參數(shù)值大大下降。第四代集成運放以二十世紀八十年代的HA2900為代表，它的特點是制造工藝達到大規(guī)模集成電路的水平。二、模擬集成電路的特點1.采用有源器件

由于制造工藝的原因，在集成電路中制造有源器件比制造大電阻容易實現(xiàn)。因此大電阻多用有源器件構成的恒流源電路代替，以獲得穩(wěn)定的偏置電流。BJT比二極管更易制作，一般用集電極—基極短路的BJT代替二極管。2.采用直接耦合作為級間耦合方式

由于集成工藝不易制造大電容，集成電路中電容量一般不超過100pF，至于電感，只能限于極小的數(shù)值（1

H以下）。因此，在集成電路中，級間不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管復合或組合電路

集成電路制造工藝的特點是晶體管特別是BJT或FET最容易制作，而復合和組合結構的電路性能較好，因此，在集成電路中多采用復合管（一般為兩管復合）和組合（共射—共基、共集—共基組合等）電路。三、集成運放的基本組成1.輸入級：主要由差動放大電路構成，以減小運放的零漂和其他方面的性能。2.中間級：要提供高的電壓增益，故稱為中間放大級。中間級的電路形式多為帶有源負載的高增益放大器。3.輸出級：由NPN和PNP兩種極性的晶體管或復合管組成，其主要作用是獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流，提供足夠的功率，滿足負載的需要。4.偏置電流源：偏置電流源的作用是給上述各電路提供合適的偏置電流，以穩(wěn)定靜態(tài)工作點。四、集成運算放大器的主要參數(shù)1.開環(huán)差模電壓增益Aod

一般運放的Aod為60～120dB，性能較好的運放Aod＞140dB。一般希望Aod越大越好，實際的Aod與工作頻率有關，當頻率大于一定值后，Aod隨頻率升高而迅速下降。2.溫度漂移

在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調電壓的變化量

UIO與引起UIO變化的溫度變化量

T之比，稱為輸入失調電壓/溫度系數(shù)

UIO/

T。

UIO/

T越小越好，一般為±(10～20)

V/℃。3.最大差模輸入電壓Uid,max4.最大共模輸入電壓Uic,max5.單位增益帶寬fT

這是指集成運放的兩個輸入端之間所允許的最大輸入電壓值。若輸入電壓超過該值，則可能使運放輸入級BJT的其中一個發(fā)射結產(chǎn)生反向擊穿。顯然這是不允許的。Uid,max大一些好，一般為幾到幾十伏。

這是指運放輸入端所允許的最大共模輸入電壓。若共模輸入電壓超過該值，則可能造成運放工作不正常，其共模抑制比KCMR將明顯下降。顯然，Uic,max大一些好，高質量運放最大共模輸入電壓可達十幾伏。fT是指使運放開環(huán)差模電壓增益Aod下降到0dB（即Aod=1）時的信號頻率，它與三極管的特征頻率fT相類似，是集成運放的重要參數(shù)。6.開環(huán)帶寬fH7.轉換速率SRfH是指使運放開環(huán)差模電壓增益Aod下降為直流增益的倍（相當于-3dB）時的信號頻率。由于運放的增益很高，因此fH一般較低，約幾赫茲至幾百赫茲左右（寬帶高速運放除外）。

這是指運放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（如矩形波信號等）時，其輸出電壓對時間的最大變化速率，即

轉換速率SR反映運放對高速變化的輸入信號的響應情況，主要與補償電容、運放內(nèi)部各管的極間電容、雜散電容等因素有關。SR大一些好，SR越大，則說明運放的高頻性能越好。一般運放SR小于1V/

s，高速運放可達65V/

s以上。8.最大輸出電壓Uo,max五、集成運算放大器符號圖5.3常見集成電路的封裝形式圖5.2集成運放的電路符號六、理想運算放大器的特點1.理想運算放大器的條件①開環(huán)電壓增益Aod→∞；②差模輸入電阻rid→∞；③輸出電阻rod=0；④共模抑制比KCMR→∞，即沒有溫度漂移；⑤開環(huán)帶寬fH→∞；⑥轉換速率SR→∞；⑦輸入端的偏置電流IBN=IBP=0；⑧干擾和噪聲均不存在。2.理想運算放大器的特性（1）虛短（2）虛斷

虛短是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛短路，簡稱虛短。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是（u–-u+）的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。“虛斷”是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛開路，簡稱虛斷，顯然不能將兩輸入端真正斷路。i–=i+→0：相當于運放兩輸入端“虛斷路”。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度。圖5.4理想運算放大器的特性說明示意圖02集成運算放大器在信號運算方面的運用一、比例運算電路1.反相輸入比例運算（1）電路組成（2）電路分析由“虛斷”的概念i+=i–=0，可知i1=if，則因虛短，所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點。輸出電壓為：該電路的電壓增益為：輸出電壓uo與輸入電壓ui之間成比例（負值）關系。（3）結論

①Auf為負值，即uo與ui極性相反，因為ui加在反相輸入端；

②Auf

只與外部電阻R1、RF有關，與運放本身參數(shù)無關；

③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1；

④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”；

⑤電壓并聯(lián)負反饋，輸入、輸出電阻低，Ri=R1，共模輸入電壓低。2.同相輸入比例運算（1）電路組成（2）電路分析由“虛斷”的概念i+=i–=0，可知i1=if，則因虛短，所以u–=u+=ui，則輸出電壓為：該電路的電壓增益為：（3）結論①Auf為正值，即uo與ui極性相同，因為ui加在同相輸入端；②Auf只與外部電阻R1、Rf有關，與運放本身參數(shù)無關；③Auf≥1，不能小于1；④u–=u+≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象；⑤電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。例5.1：R1=10k

，Rf=20k

，ui=-1V。求：uo、Ri。說明R0的作用，R0應為多大？解：

R0為平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。例5.2：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k

。求：（1）Auf、R2；（2）若R1不變，要求Auf為-10，則RF、R2應為多少？解：（1）

（2）因為所以

二、加法運算電路1.反相加法運算電路（1）電路組成電路要求：平衡電阻R2=Ri1//Ri2//Rf。（2）電路分析因虛斷，i–=0，所以i1+i2=if，得到

因虛短，u–=u+=0，則

輸出電壓為：（3）反相加法運算電路的特點①多個信號從反相端輸入，同相端接地；②輸入電阻低；③共模電壓低；④當改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響。2.同相加法運算電路

（1）電路組成電路要求：平衡電阻R1//Rf=R2//R3

//R4。（2）電路分析由“虛斷”的概念i–=0，可知i1=if，得到由“虛斷”的概念i+=0，可知i2+i3=i4，得到因虛短，u–=u+，所以因為電路要求平衡電阻滿足R1//Rf=R2//R3

//R4所以（3）同相加法運算電路的特點

①多個信號從同向端輸入，反向端接地；

②輸入電阻高；

③共模電壓高；

④當改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響。三、減法運算電路（1）電路組成該電路是反相輸入和同相輸入相結合的放大電路。（2）電路分析根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知并可得下列方程式：利用，并聯(lián)解上式可得在上式中，若滿足R2//R3=R1//Rf，如果取R1=R2，R3=Rf，則該式可簡化為當R1=R2=R3=Rf，有uo=ui2

ui1

四、積分運算電路（1）電路組成

在電子電路中，常用積分運算電路和微分運算電路作為調節(jié)環(huán)節(jié)，此外，積分運算電路還用于延時、定時和非正弦波發(fā)生電路中。（2）電路分析

根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念有：i1=if電流if對Cf進行充電，且為恒流充電（充電電流與電容Cf及電容上電壓無關）。假設電容Cf的初始電壓為uC(t0)時，則有當電容Cf初始電壓為0，則五、微分運算電路微分是積分的逆運算。將積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構成微分電路，微分電路如上圖所示。微分電路選取相對較小的時間常數(shù)RfC1。（1）電路組成同樣根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念有：i1=if

設t=0時，電容C上的初始電壓為0，則接入信號電壓ui時有：

（2）電路分析上式表明，輸出電壓與輸入電壓的關系滿足微分運算