第 4 章 集成运算放大器及其基本应用电路

第 4 章 集成运算放大器及其基本应用电路4.1 基本概念1 ．什么是集成运放 Operation Amplifier (OPA)• 多级、直接耦合、高增益集成电路。

+-v N

v Pv 0

vo= AVD( VP - VN )

-AVD( VN - VP )

AVD : 开环差模增益 AVD > 0

＋：同相输入端－：反相输入端

2. 理想运算放大器(1) 高增益 AV = ∞(2) 失调小 Ri = ∞(3) 恒压输出 RO= 0(4) 频带宽 BW = ∞(5) 零输入零输出 VP=VN 时 VO=0 (6) 没有温度漂移 KCMR = ∞3. 输入级的选择(1) 直接耦合(2) 零点漂移问题(3) 差动输入级的优点 :

– 抑制零点漂移 ;– 输入失调小 ;– 输入阻抗高。

4 ． OPA 的组成中间放大级 输出级

直流偏置

vo vN

vP 差分输入级

集成运放的典型组成框图(1) 差动输入级 （组合电路）(2) 中间级 （提供高增益， CE ）(3) 输出级 （互补输出）(4) 附加电路 ( 直流偏置、相位补偿、调零电路等）

5. 传输特性（差放特性） v 0

v 0 H

0 v P £ v N

v 0 L

线 性 区

正 向 饱 和 区

负 向 饱 和 区

VOL/AVD<VID<VOH/AVD

线性应用(3) 限幅区vo=

VOH 正向饱和 VOL 负向饱和 非线性应用

(1) 静态 vID=0 ； vO=0 零入零出(2) 放大区 （线性区）窄！

由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件

oA

ir

0or

)uu(Au oo 虚短路 uu0iI

放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。

虚开路

运放工作在线性区的特点

附 : 在分析信号运算电路时对运放的处理

0 uu

i1= i2

21 Ru

Ru oi

1

2

1 RR

uuA o

u

uo_

+

+

R2

R1

RP

ui

i1

i2

1. 放大倍数虚短路虚开路

一、反相比例运算电路虚开路

2. 电路的输入电阻 ri=R1

平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。

RP =R1 // R2

uo_

+

+

R2

R1

RP

ui

i1

i2

为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大 R2 ，

4. 共模电压0

2

uu

电位为 0，虚地输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。

_

+

+

R2

R1

RP

ui

i1

i2

3. 反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！

反相比例电路的特点：1. 共模输入电压为 0 ，因此对运放的共模抑制比要求低。2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是 0 ，因此带负载能力强。3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。

二、同相比例运算电路

_

+

+

R2

R1

RP

ui

uo

u-= u+= ui

12 Ru

Ruu iio

io uRRu )1(

1

2

反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。1

2

1

1RR

uuA o

u

虚短路

虚开路

结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。

虚开路

同相比例电路的特点：

3. 共模输入电压为 ui ，因此对运放的共模抑制比要求高。

1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是 0 ，因此带负载能力强。2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。

io uuuu

此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。

三、电压跟随器 结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。_

+

+

ui

uo

一、反相求和运算R12 _

++

R2R11

ui2 uo

RP

ui1

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。

FP R//R//RR 1211

0 uu

Fiii 1211

)( 212

21

11

2iio u

RRu

RRu

i12

iF

i11 R12 _

++

R2R11

ui2 uo

RP

ui1

调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。

二、同相求和运算

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。22211 R//RR//R F

-

R1 RF

++ui1

uoR21

R22ui2

此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为： u

RRu F

o )1(1

-

R1 RF

++ui1

uoR21

R22ui2

u+ 与 ui1 和 ui2

的关系如何？

))(1( 21211

111

1211

12

1ii

Fo u

RRRu

RRR

RRu

注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。

流入运放输入端的电流为 0 （虚开路）2

2221

211

2221

22ii u

RRRu

RRRu

-

R1 RF

++ui1

uoR21

R22ui2

R´

左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？

提示：1. 虚开路：流入同相端的电流为 0 。2. 节点电位法求 u+ 。

三、单运放的加减运算电路

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。

R2 _

++

R5R1

ui2 uo

ui1

R4ui4

ui3

R3

R6643521 R//R//RR//R//R

_

+

+

R2

R1

R1

ui2

uo

R2

ui1

uu

1

1

2 Ruu

Ruu io

21

2

Ru

Ruui

)( 121

2iio uu

RRu

解出：

单运放的加减运算电路的特例：差动放大器

_

+

+

R2

R1

R1

ui2

uo

R2

ui1

差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（ =2R1 ） , 这是由于反相输入造成的。

三运放电路

uo2

++

A

–+

A

R

R

RW

ui1

ui2

uo1

a

b

+

R1

R1

–+

A

R2

R2

uo

+

1ia uu 2ib uu

W

ba

W

oo

Ruu

RRuu

221

W

ii

Ruu 21

12 oo uu

)(212 ii

W

W uuR

RR

uo2

++

A

–+

A

R

R

RW

ui1

ui2

uo1

a

b

+

虚短路：

虚开路：

)(212

1

2ii

W

Wo uu

RRR

RRu

• 三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。• 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。

)( 121

2ooo uu

RRu uo2

uo1

R1

R1

–+

A

R2

R2

uo

+

例：由三运放放大器组成的温度测量电路。

uo

R1

R1

++

A3

R2

R2

++

A1

_+

A2

R

R

RW

+

E=+5V

R

R

R

Rt

ui

Rt ：热敏电阻 集成化 :仪表放大器

Rt=f (T°C)

uo

R1

R1

++

A3

R2

R2

++

A1

_+

A2

R

R

RW

+

E=+5V

R

R

R

Rt

ui

ERR

RREERR

Rut

t

t

ti )(22

ERR

RRR

RRRRu

RRR

RRu

t

t

W

Wi

W

Wo )(2

22

1

2

1

2

u–= u+= 0Ru

i oF

tu

Ci i

dd

1

Fii 1

tu

RCu io d

d

ui

t0

t0

uo

u i–

+ + uo

R

R2

i1

iF

C

tui sin若输入：则：

)90sin(

cos

tRC

tRCuo

一、微分运算

i1

iF

t

ui

0

Rui i1

tu

Ci oF d

d

tuRC

u io d1

t

uo

0

输入方波，输出是三角波。

ui-

++

R

R2

C

uo

二、积分运算

应用举例 1 ：

4.2 集成运放 (OPA) 的主要参数五类： 输入失调参数 开环差模参数

开环共模参数 大信号特性参数 电源特性参数

1 ．输入失调参数• 是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。

(1) 输入失调电压 VIO 与温漂 dVIO/dT

VIO-----

dVIO/dT-----

(2) 输入失调电流 IIO 与温漂 dIIO/dT

IIO =IBP － IBN

dIIO/dT-----

(3) 输入偏置电流 IIB

IIB ＝ （ IBN＋ IBP〕 / 2

2. 差模特性参数 AvD( 开环 ) 、 Rid 、 fH 、 VIDM 、 BWG( 单位增益带宽 )

3. 共模特性参数 KCMR 、 Ric 、 VICM

4. 大信号特性参数(1) 转换速率 SR （摆率）定义 : 是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。

(2) 全功率带宽 BWP定义 : 是在额定负载和全功率输出（ Vom ）时最大不失真频率。

max)(

dttdv

S OR

omO Vωdt

tdvmax

)(Rom SVω omR VSω /

om

R

VπS

2PBW

4.1.1 集成运放的主要直流和低频参数 (自学 )

4.1.1.1 输入失调电压 VIO

集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压称为输入失调电压 VIO

4.1.1.2 输入失调电压的温度系数 aVIO

一定温度范围内，失调电压的变化和温度变化的比值定义为 aVIO ，习惯称为温度漂移

12

12 )()(TT

TVTVTV IOIOI

VIO

12

minmax

TTVV IOIO

VIO

4.1.1.3 输入偏置电流 IIB

运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流。)(

21

21 BBIB III

4.1.1.4 输入失调电流 IIO 及其温度系数 aIIO

21 BBIO III 4.1.1.5 差模开环电压增益 Avd

运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的差值定义为输入失调电流

在标称电源电压及规定负载下，运放工作在线性区时，其输出电压变化与输入电压变化量之比定义为 Avd运放的 Avd 在 60～ 180dB之间

4.1.1.6 共模抑制比 KCMR

dc

dd

Ic

IcCMR A

AvvK

用 dB 表示： )(lg20lg20 dBAA

vvK

dc

dd

Ic

IcCMR

运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率定义为电源电压抑制比

11

Svd

OSA

VSVR VA

VVKvd

O

4.1.1.7 电源电压抑制比 KSVR

4.1.1.8 最大差模输入电压 VIdm

是运放两输入端允许加的最大电压差，超过 Vidm ，运放的输入级对管减被反向击穿，甚至损坏。4.1.1.9 最大共模输入电压 VIcm

是运放共模抑制特性明显恶化时的共模输入电压值可定义为，在标称电源电压下，将运放接成电压跟随器时输出产生 1％的跟随误差的输入电压值；或定义为 KCMR下降 6dB 时所加的共模输入电压值

4.1.1.10 输出峰－峰电压 Vop － p

在标称电源电压及指定负载下，运放输出的低频交流电压负峰－正峰的值，有时称为输出摆幅。

4.1.2 集成运放的主要交流参数 (自学 )

4.1.2.1 开环带宽 BW

在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从直流增益下降 3dB 所对应的信号频率定义为 BW

4.1.2.2 单位增益带宽 BWG

运放的低频闭环增益为 1 及正弦小信号激励下，闭环增益随频率从 1下降到 0.707 所对应的频率定义为 BWG

4.1.2.3 转换速率 SR （有时称为压摆率）

4.1.2.4 全功率带宽 BWP

在运放闭环电压增益为 1 ，输入正弦大信号，指定负载和指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时的信号频率，定义为 BWP ， BWP简称功率带宽。 BWP受SR 的限制，它们之间的关系可近似表示为：

om

RP V

SBW2

式中： Vom 是运放输出电压幅度最大值

4.1.2.5 建立时间 tset

在运放闭环电压增益为 1 ，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为 tset

4.1.2.6 等效输入噪声电压 en 和电流 in

屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换算到输入端时简称为等效输入噪声电压 en 或等效输入噪声电流 in

4.2.1.2 典型集成运放电路 741 p179

双极型运放 通用 F007 （ μA741 ）

3

5

2

7

6

4

1

调 零

T 1T 2

T 3 T 4

T 7

T 5 T 6

T 8 T 9

T 1 0 T 11

T 1 2

T 13 T 14

T 1 5

T 16 T 1 7

T 18

T 19

T 24T 2 0

T 2 1

T 2 2T 2 3

R 1R 2 R 3 R 4

R 5

R 6 R 7

R 8

R 9

R 1 0

C C

(+ ) (-)I 0

I R

(+ 1 5 V )

Ê ä ³ö

V C C

-V E E

(-1 5 V )

AB

输 入 级 偏 置 电 路 中 间 级 输 出 级

1 ．组成(1) 输入级1 ．组成(2) 中间级1 ．组成(3) 输出级2 ．直流偏置

(1) 主偏置电路2 ．直流偏置(2) 输入级2 ．直流偏置(3) 中间级2 ．直流偏置(4) 输出级

(1)AV 高；

3

5

2

7

6

4

1

调 零

T 1T 2

T 3 T 4

T 7

T 5 T 6

T 8 T 9

T 1 0 T 11

T 12

T 1 3 T 1 4

T 1 5

T 16 T 17

T 18

T 19

T 2 4T 20

T 2 1

T 2 2T 2 3

R 1R 2 R 3 R 4

R 5

R 6 R 7

R 8

R 9

R 1 0

C C

(+ ) (-)I0

I R

(+ 1 5 V )

Ê ä ³ö

V C C

-V E E

(-1 5 V )

AB

输 入 级 偏 置 电 路 中 间 级 输 出 级

特点(2)Rid 大； (3)fH 低； (4)VIDM, VICM 大

(5)过流保护；（正半周；负半周） (6) 动态范围大(7)内部有 CC （相位补偿）；(8) 调零端① 、⑤

4.6 集成运放的等效模型及运算特性4.6.1 理想集成运放及其等效模型

理想集成运放具有以下主要特征（ 1 ）输入失调电压 VIO ，及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零（ 2 ）输入偏置电流 IIB ，失调电流 IIO 及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零（ 3 ）等效输入噪声电压及其噪声电流为零（ 4 ）输出电阻 Ro＝ 0（ 5 ）开环差模电压增益为无限大（ 6 ）开环差模输入电阻为无限大（ 7 ）共模输入电阻及共模抑制比为无限大（ 8 ）（－ 3dB) 带宽为无限大（ 9 ）转换速率 SR 为无限大

理想集成运放的等效模型

理想集成运放构成的反相电路

理想集成运放构成的同相电路

4.6.2 实际集成运放的等效模型及运算特性

例题：电路如图所示，试求：（ 1 ）输入电阻； （ 2 ）比例系数。

本章要求 1 ．掌握 OPA 的主要指标（含义、数值（量级））；2 ．掌握 OPA 线性、非线性两种应用的条件、特点，会用两点结论分析应用电路。3 ．掌握理想运放的条件4. 掌握模拟运算电路（电路形式、分析方法、函数关系、特点）；

第四章 补充作业