集成运算放大器教案Word文档格式.docx

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知识点一、11.1集成运放的特点

（1）由于集成电路中的所有元件同处在一小块硅片上，相互距离非常近，制作时工艺条件相同，因而，同一片内的元件参数值具有相同方向的偏差，温度特性基本一致，容易制成两个特性相同的管子或两个阻值相等的电阻，故特别适宜制作差动放大器。

（2）在集成电路中，电阻值一般在几十Ω至几十kΩ的范围内。

大阻值电阻往往外接或用晶体管制成有源负载电阻代替。

（3）集成电路中的电容不能做得太大，大约几十pF,常用PN结电容构成。

这是因为制造一个10pF的电容所需的硅片面积，约等于10个晶体管所占的面积。

所需的大电容，需采用外接方式。

至于电感就更难制造。

（4）集成电路中的二极管都用三极管构成，常用形式是将基极与集电极短路和射极构成二极管。

正是由于上述这些特点，在集成运放中，级与级之间都是采用直接耦合的方式。

2.集成运算放大器的组成简介

集成运算放大器的类型很多，其内部电路大多为直接耦合多级放大器，一般由以下四部分电路组成，如图11.1所示。

1）输入级

2）中间级

3）输出级

4）偏置电路

图11.1集成运算放大器的组成

1.集成运算放大器的外形与符号

集成运算放大器的外观有的是扁平双列直插式，有的是圆壳封装，引出脚有8只（如F004，F007）、10只（如5G28）、12只（如BG305，8FC2）等多种，如图11.2所示。

运算放大器的符号如图11.3所示。

图11.2集成运算放大器的外形

（a）圆壳封装；

（b）双列直插封装

图11.3集成运算放大器的符号

（a）标准符号；

（b）简化符号

图11.3（a）中的表示放大器，Ad表示运放的开环电压增益；

右侧为输出端，uo是输出端对地的电压；

左侧的“-”端标志为反相输入端，表示当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号反相，这种输入方式称为反相输入；

图中左侧的“+”端为同相输入端，当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号同相，这种输入方式称为同相输入；

正、负电压源分别用+VCC和-VEE表示。

图11.3（b）为运放的简化符号。

输出端对地的电压uo与两个输入端对地电压u-和u+之间的关系为

uo=Ad（u+-u-）（11.1）

式中的Ad为集成运算放大器本身的电压放大倍数，也称开环电压放大倍数。

2.运算放大器的主要参数

1）输入失调电压Uos

2）输入偏置电流IIB

3）输入失调电流Ios

4）开环差模电压增益Ad

5）差模输入电阻Rid

6）输出电阻Ro

7）共模抑制比CMRR

理想运放的主要特点是：

（1）开环差模电压增益为无穷大，即Ad=∞。

（2）差模输入电阻为无穷大，即Rid=∞。

（3）输出电阻为0，即Ro=0。

（4）输入失调电压Uos和输入失调电流Ios都为0。

（5）共模抑制比为无穷大，即CMRR=∞。

（6）开环带宽为无穷大，即BW=∞。

根据这些特点，不难看出理想运放有两个重要特征：

第一，由于理想运放的电压增益Ad=∞，而输出电压uo有限，因而有

u+-u-=≈0

即u+=u-

这说明理想运放两个输入端的电位相等，同相与反相输入端之间的电压为0，相当于短路，常称为“虚短”。

第二，由于理想运放的输入电阻Rid=∞，因此反相端和同相端的输入电流等于0，即

i+=i-=0

这表明运放的两个输入端相当于开路，常称为“虚断”。

“虚短”与“虚断”的概念是分析理想运放电路的基本法则，利用此法则可大大简化电路的分析过程。

理想运放的符号如图11.3（b）所示。

1.电源极性接错和瞬间过压保护

利用二极管的单向导电性即可防止由于电源极性接反而造成的损坏。

方法是在电源回路中串入两只二极管，如图11.4所示。

图11.4运放电源极性接错保护措施

2.集成运放输入和输出的保护

当运放输入端的信号超过额定值时，可能会引起运放的损坏，即使没产生永久性的损坏，也会使运放各方面的指标下降。

常用的保护方法是利用二极管的正向导通电压对输入信号进行限幅，并在运放的两个输入端与信号源之间串入限流电阻，构成运放输入保护电路，如图11.5（a）所示。

图11.5集成运放的输入输出保护电路

（a）输入保护电路；

（b）输出保护电路

1.反馈的基本概念

1）反馈 

例如图11.6所示电路中，电阻R1和R2组成反馈网络，即可判断该电路存在反馈。

图11.6反馈网络示例

2）闭环系统框图

图11.7为带有反馈网络的闭环系统框图。

图11.7带有反馈网络的闭环系统框图

2.反馈形式的判断

1）正反馈与负反馈

现以图11.8所示电路为例进行判断。

图11.8用瞬时极性法判断反馈的性质

2）电压反馈与电流反馈

根据反馈采样方式的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。

若反馈信号是输出电压的一部分或全部，则称为电压反馈，如图11.9（a）所示；

若反馈信号取自输出电流，则称为电流反馈，如图11.9（b）所示。

图11.9电压反馈与电流反馈

（a）电压反馈；

（b）电流反馈

3）串联反馈与并联反馈

根据反馈信号与输入信号在输入端的不同叠加方式，可以分为串联反馈和并联反馈。

当反馈信号与输入信号在输入回路以电压形式叠加时为串联反馈，如图11.10（a）所示；

若反馈信号与输入信号在输入回路以电流形式叠加时为并联反馈，如图11.10（b）所示。

图11.10串联反馈与并联反馈

（a）串联反馈；

（b）并联反馈

3.负反馈放大电路的四种类型及特点

1）电压串联负反馈

电路如图11.9（a）所示，基本放大电路是一集成运放，反馈网络由电阻R和Rf组成。

通过对该电路反馈极性与类型的判断，可知是电压串联负反馈。

电压负反馈的重要特点是维持输出电压的基本恒定。

例如，当ui一定时，若负载电阻RL减小而使输出电压uo下降，则电路会有如下的自动调节过程：

RL↓→uo↓→uf↓→uid↑→uo↑

即电压负反馈的引入抑制了uo的下降，从而使uo基本维持稳定。

但应指出的是，对于串联负反馈，信号源内阻rS愈小，ui愈稳定，反馈效果愈好。

电压放大器的输入级或中间级常采用电压串联负反馈，其框图如图11.11（a）所示。

图11.11四种组态负反馈的框图

（a）电压串联负反馈;

（b）电压并联负反馈;

（c）电流串联负反馈;

（d）电流并联负反馈

2）电压并联负反馈

电路如图11.10（b）所示，显然电阻Rf是反馈元件。

对于并联反馈，信号源内阻愈大，ii愈稳定，反馈效果愈好。

所以电压并联负反馈电路常用于输入为高内阻的信号电流源、输出为低内阻的信号电压源的场合，也称为电流—电压变换器，用于放大电路的中间级。

电压并联负反馈的框图如图11.11（b）所示。

3）电流串联负反馈

电路如图11.10（a）所示，此电路与分压式偏置稳定工作点放大电路相似，只是这里用集成运放作为基本放大电路，反馈元件是电阻R。

电流负反馈的特点是使输出电流基本恒定。

例如，当uS一定时，若负载电阻RL增大，使得io减小，则电路会有如下的自动调整过程：

RL↑→io↓→uf↓→ui↑→uid↓→io↑

电流串联负反馈常用于电压-电流变换器及放大电路的输入级。

电流串联负反馈的框图如图11.11（c）所示。

4）电流并联负反馈

电路如图11.9（b）所示，反馈网络由电阻R和Rf构成。

电流负反馈的特点是维持输出电流基本恒定，常用在电流放大电路中。

电流并联负反馈的框图如图11.11（d）所示。

例11.1图11.12所示为一运算放大器，试求Rf形成的反馈类型。

图11.12例11.1电路

解首先用瞬时极性法判断反馈的性质：

ui↑→uo1↑→uo↓→uid=（ui-uf）↑

因反馈的作用使得电路的净输入信号增加，故为正反馈；

由于反馈电阻Rf直接与电路的输出端相连，故应为电压反馈；

又由于反馈信号是以电压的形式与输入电压相叠加，因此是串联反馈；

即Rf形成了电压串联正反馈。

4.负反馈放大电路增益的一般表达式

由图11.7可知，各信号量之间有如下的关系：

根据上面的关系式，经组合整理可得负反馈放大电路闭环增益的一般表达式为

当时，称为深度负反馈，放大电路的闭环增益可近似表示为

5.负反馈对放大器性能的影响

在放大电路引入负反馈后，虽然放大倍数有所下降，但从多方面改善了放大电路的性能。

1）提高放大倍数的稳定性

当放大电路为深度负反馈时，由式（11.5）可知。

这就是说，放大电路的增益近似取决于反馈网络，与基本放大电路几乎无关。

而反馈网络一般是由一些性能稳定的电阻、电容元件组成，反馈系数很稳定，使得亦稳定。

通过对式（11.4）中的求导数，可得

2）减小非线性失真

当输入信号的幅度过大时，使放大电路的输出信号与输入信号的波形不完全一样，称之为输出信号出现了非线性失真。

如图11.13（a）所示，正弦信号经放大后，出现正半周大、负半周小的现象。

3）扩展频带

4）改变输入电阻和输出电阻

图11.13负反馈减小非线性失真

（a）无负反馈时信号的波形;

（b）引入负反馈后信号的波形

1.比例运算电路

实现输出信号与输入信号成比例关系的电路，称为比例运算电路。

根据输入方式的不同，有反相和同相比例运算两种形式。

1）反相比例运算

电路如图11.14所示。

图11.14反相比例运算电路

由于电路存在“虚短”，u-=u+=0，即运放的两个输入端与地等电位，常称为虚地；

根据“虚断”的概念，i1=if，即

得到

2）同相比例运算

电路如图11.15所示，输入信号ui通过R2加到集成运放的同相输入端，输出信号通过Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈；

反相输入端经电阻R1接地。

根据“虚短”和“虚断”的概念，有

ii=if,u-=u+=ui

即

则输出电压为

当R1=∞或Rf=0时，uo=ui，称为电压跟随器，如图11.16所示。

图11.15同相比例运算电路

图11.16电压跟随器

2.加法与减法运算

加法运算电路是对多个输入信号进行和运算的电路，减法运算电路是对输入信号进行差运算的电路。

1）加法运算

电路如图11.17所示，由于

利用KCL：

i1+i2=if

即

图11.17反相加法运算电路

经整理后得到

当R1=R2=Rf时，则有

uo=-（ui1+ui2）（11.10）

即输出电压取决于各输入电压之和的负值。

若在图11.17的输出端再接一反号器，则可消除负号，实现加法运算，如图11.18所示。

图11.18双运放加法运算电路

其中

2）减法运算

减法运算又称为差动运算，其电路如图11.19所示。

图11.19减法运算电路

根据叠加定理，当ui1单独作用时，电路是反相比例运算，输出信号电压为

当ui2单独作用时，电路是同相比例运算，输出信号电压为 

当ui1和ui2共同作用时，输出信号电压为

uo=uo1+uo2=

若取R3/R2=Rf/R1，则有

即输出信号电压正比于两个输入信号电压之差。

特别地，当Rf=R1时，则

uo=ui2-ui1（11.14）

即输出信号电压等于两个输入电压信号之差。

减法运算也可以由双运放来实现，如图11.20所示。

第一级为反相比例运算电路，若Rf1=R1，则uo1=-ui1；

第二级为反相加法运算电路，输出为

取Rf2=R2，电路可实现常规的减法运算，即

uo=ui1-ui2

图11.20双运放减法运算电路

例11.2电路如图11.21所示，已知R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=R6=Rf2=10kΩ，ui=0.2V，ui2=0.3V，ui3=0.5V，求输出电压uo。

图11.21例11.2电路

解从电路图可知，运放的第一级为加法运算电路，第二级为减法运算电路。

=ui3-［-（ui1+ui2）］

=ui1+ui2+ui3

=0.2+0.3+0.5

=1V

3.积分与微分运算

1）积分运算

积分电路是控制和测量系统中的重要组成部分，利用它可以实现延时、定时、产生各种波形。

电路如图11.22所示，从图中可看出，积分电路是将反相比例运算电路中的反馈电阻Rf换成电容C。

图11.22积分运算电路

利用“虚短”和“虚断”的概念，可知电容电流为

iC=i1=

设电容C的初始电压为0，则 

2）微分运算

微分运算是积分运算的逆运算，将积分电路中的电阻与电容的位置互换就构成微分电路，如图11.23所示。

图11.23微分运算电路

由于

及iC=if

故

（11.16）

式（11.16）表明输出电压uo取决于输入电压ui对时间t的微分，即实现了微分运算。

运放的非线性应用最常见的就是“电压比较器”，如图11.27所示。

图11.27运放的开环状态

1.单门限电压比较器

简单的电压比较器如图11.28（a）所示。

图中运放的同相输入端接地，即参考电压UREF=0，反相输入端接比较输入电压ui。

由于运放工作在开环状态，具有很高的电压增益，因此当ui>

0时，输出为低电平UoL；

当ui<

0时，输出为高电平UoH。

单门限电压比较器的传输特性如图11.28（b）所示。

图11.28过零电压比较器

（a）过零电压比较电路；

（b）过零比较器传输特性

同相单门限电压比较器，如图11.29（a）所示。

其传输特性如图11.29（b）所示。

图11.29同相输入单门限电压比较器

（a）同相单门限电压比较器电路;

（b）同相单门限电压比较器传输特性

2.迟滞比较

单门限电压比较器在工作时，只有一个翻转电压，如果输入电压在门限电压附近受到干扰而有微小变化时，就会导致比较器输出状态的改变，发生错误翻转。

为了克服这个缺点，可将比较器的输出端与输入端之间引入由R1和R2构成的电压串联正反馈，使得运放同相输入端的电压随着输出电压而改变；

输入电压接在运放的反相输入端，参考电压经R2接在运放的同相输入端，构成迟滞比较器，电路如图11.30（a）所示。

图11.30迟滞比较器

（a）电路;

（b）传输特性

当输入电压很小时，比较器输出为高电平，即UoH=UZ。

利用叠加定理可求出同相输入端的电压

因u-=u+为输出电压的跳变条件，临界条件可用虚短和虚断的概念，所以ui=u和u+=u-时的ui即为阈值UthH，即

UthH=ui=u-=u+=

由于u+不变，当输入电压增大至ui>

u+时，比较器的输出端由高电平变为低电平，即UoL=-UZ，此时，同相输入端的电压变为

比较器输出才由低电平翻转为高电平，其传输特性如图11.30（b）所示。

图11.31例11.3电路图

例11.3求图11.31所示迟滞比较器的输出波形。

已知输出高、低电平值分别为±

5V，t=0时，uo=UoH，ui=4sinωtV。

解

（1）解题思路。

分析图11.30（b）迟滞比较器的输入—输出特性曲线可知，两个门限电平将输入电压划分为三个区域，高于上门限电平与低于下门限电压的输入电压都有惟一的输出电平，而介于两个门限电平之间的输入电压所对应的输出电平取决于前一时刻的输出电平。

因此，只要已知初始输出电平就不难得出输入电压所对应的输出电平。

解迟滞比较器这类习题，首先应求出决定输出状态翻转的两个门限电平，然后按照两个门限电平所划分的区域求出相应的输出电平。

（2）解题步骤。

第一步：

求两个门限电平。

由电路知：

ui=u-=u+

而

所以

第二步：

在输入信号波形图上画出两条门限电平线，反映输入信号与门限电平的比较,并标出ui>

UthH与ui<

UthL的时间区域，如图11.32（a）所示。

第三步：

在输出坐标轴上画出ui>

UthH与ui<

UthL所对应的时间区域的输出电压，如图11.32（b）所示。

第四步：

对于UthL<

ui<

UthH相应时间区域，可参照前一时刻画出输出波形。

由于t=0时，uo=UoH，因此在0～t1区域uo=UoH，如图11.32（c）所示。

将图11.32（c）中的输出电压的虚线画成实线即成为输出波形。

图11.32例11.3输出波形图