第5章集成運(yùn)算放大器引言5.1集成運(yùn)算放大器的構(gòu)成5.2集成運(yùn)算放大器5.3集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路5.4集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用

集成電路是一種將“管”和“路”緊密結(jié)合的器件，它以半導(dǎo)體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、二極管、電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。模擬集成電路的種類很多，有集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)，集成功率放大器，集成模擬乘法器，集成鎖相環(huán)，集成穩(wěn)壓器等。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器是最為重要、用途最廣的一種，

這里主要介紹集成運(yùn)放的內(nèi)部電路、工作原理、性能指標(biāo)及常用等效模型。集成電路體積小、重量輕、耗電少、可靠性高，已成為現(xiàn)代電子器件的主體。集成電路分?jǐn)?shù)字與模擬兩大類。引言集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)，根據(jù)集成工藝不同有雙極性和單極性之分。運(yùn)算放大器外形圖5.1集成運(yùn)算放大器構(gòu)成

集成運(yùn)放的組成方框圖簡(jiǎn)單的集成運(yùn)放原理電路輸入級(jí)：差分電路，大大減少溫漂。中間級(jí)：采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。為提高放大倍數(shù)，常用復(fù)合管。輸出級(jí)：

具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻?。?/p>

帶負(fù)載能力強(qiáng)），非線性失真小。OCL電路。偏置電路：鏡像電流源，微電流源。5.1.1

差分(動(dòng))式放大電路集成電路運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。當(dāng)多級(jí)直接耦合放大電路的輸入端短路(ui＝0)，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。抑制零點(diǎn)漂移要著重于第一級(jí)。有效的措施之一是采用差動(dòng)放大電路，因而差動(dòng)放大電路成為集成運(yùn)放的主要組成單元。

基本差分(動(dòng))放大電路圖中所示是一個(gè)基本差動(dòng)放大電路，又稱為長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：對(duì)稱，即

Rs1=Rs2=Rs，

Rc1=Rc2=Rc，

β1=β2=β，UBEl=UBE2=UBE

兩個(gè)輸入端ui1和ui2兩個(gè)輸出端uo1和uo2∵對(duì)稱∴IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC

對(duì)輸入電路

RsIB+UBE+2ReIE1=UEE

有UE=2IE1Re-UEE≈2ICRe-UEEIB＝IC/βUC=UCC–RcICuO=UC1-UC2=0

抑制零點(diǎn)漂移的作用

1）電路的對(duì)稱性有效抑制了零點(diǎn)漂移；2）RE

引入的電流負(fù)反饋，穩(wěn)定電路工作點(diǎn)，抑制單個(gè)管子的零點(diǎn)漂移。3）電源（-UEE）的作用是：

a）對(duì)三極管T1、T2

提供基極電流；

b）補(bǔ)償IE在RE

上產(chǎn)生的直流壓降，使UE=0，則UCE=UC，輸出電壓有較大的變化范圍。5.1.2差分(動(dòng))式放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析

差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)可以分為兩種類型：共模信號(hào)和差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入端的信號(hào)為ui1＝-ui2＝uid/2時(shí)，輸入方式稱為差模輸入。uid＝ui1-ui2稱為差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)為ui1＝ui2＝uic，

uic稱為共模信號(hào)，其輸入方式稱為共模輸入。uic的作用與溫度影響相似，所以常常用對(duì)共模信號(hào)的抑制能力來反映電路對(duì)零漂的抑制能力。當(dāng)兩個(gè)輸入端各加一個(gè)任意的信號(hào)電壓ui1和ui2，這兩個(gè)輸入信號(hào)可以分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)，uid＝ui1-ui2

uic=(ui1+ui2)/2兩個(gè)輸入電壓可用共模和差模信號(hào)表示， ui1＝uic+uid/2ui2=uic-uid/2在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，對(duì)于線性放大電路來說，可利用疊加原理來求出總的輸出電壓。

uo=Auduid+Aucuic

Aud=uod／uid為差模電壓放大倍數(shù)Auc=uoc／uic為共模電壓放大倍數(shù)。共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。5.1.3偏置電路恒流源電路使用電阻較多，且作為恒流源的管子，它的UBE還要受溫度的影響，因此抑制零漂不夠理想。在電子電路特別是模擬集成電路中，廣泛使用的另一種單元電路是電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作放大電路的有源負(fù)載。利用晶體管輸出特性具有恒流的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)妮o助電路可以使其恒流特性更接近于理想情況。1.鏡像電流源T1、T2特性完全相同，有β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，IEl＝IE2。RL是后級(jí)電路的等效電阻，R稱作限流電阻。對(duì)整個(gè)T1管應(yīng)用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+β/2)IC2當(dāng)β>>2，IR≈Io=IC2而IR=(UCC-UBE)/R所以，當(dāng)R確定后，IR就確定了，Io也隨之而定，Io就如同IR在鏡子中的影像一樣，故稱該電路為鏡像電流源，IR稱作電流源的基準(zhǔn)電流。在UCC>>UBE的條件下，Io≈UCC/R與晶體管的參數(shù)無關(guān)，具有很好的溫度穩(wěn)定性和較好的恒流特性。5.多路電流源

用一個(gè)基準(zhǔn)電流去控制多個(gè)輸出電流，就構(gòu)成了多路電流源

當(dāng)β較大時(shí)，有IE≈IC≈IR

由于各管的β、UBE相同，則IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3≈IRRe

所以IC1≈IE1=IRRe/Re1

，IC2≈IE2=IRRe/Re2

，IC3≈IE3=IRRe/Re3

當(dāng)IR確定后，改變各Rei

，可獲得不同的輸出電流。

5.1.4

功率放大電路

放大電路(集成運(yùn)放)的最后一級(jí)常常要求能帶一定的負(fù)載，例如推動(dòng)揚(yáng)聲器使之發(fā)出聲音，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)等，即要輸出一定的信號(hào)功率。這種以輸出功率為主要目的的放大級(jí)稱為功率放大電路。功率放大電路的特點(diǎn)(1)輸出功率盡可能大問題，管子工作在接近極限參數(shù)。(2)消耗的功率大，存在效率問題。所謂效率，就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。(3)功率放大器在大信號(hào)下工作，難免產(chǎn)生非線性失真。而且輸出功率越大，失真往往越嚴(yán)重。(4)由于流過功放管的電流較大，有相當(dāng)大的功率消耗在管子上。因此，要有散熱和保護(hù)保護(hù)措施。(5)由于功放管是在大信號(hào)下工作，一般只能采用圖解分析法。功率放大電路的要求

就本質(zhì)而言，功率放大電路和電壓放大電路并沒有什么區(qū)別。但它們要完成的任務(wù)不同，因而對(duì)它們的要求也不同。電壓放大電路通常是在小信號(hào)下工作，主要任務(wù)是在信號(hào)不失真的條件輸出足夠大的電壓。要求電壓放大倍數(shù)Au足夠大；輸入電阻ri大，以便從前級(jí)得到足夠大的電壓；輸出電阻ro小，以便將更多的電壓傳給下一級(jí)。功率放大器則不同，它通常作為放大電路的最后一級(jí)，工作于大信號(hào)下，要求不失真地輸出足夠大的功率PO且效率要高。功率放大電路的三種工作方式⑴甲類工作方式：

Q點(diǎn)設(shè)置在負(fù)載線的中點(diǎn)，在輸入信號(hào)的正負(fù)半周，晶體管都在工作，管子的導(dǎo)通角為360°，輸出波形失真小，但靜態(tài)管子功耗大，效率低。⑵乙類工作方式：

Q點(diǎn)在負(fù)載線的最低點(diǎn)，由于靜態(tài)時(shí)電流為零，無功耗，效率最高。但此時(shí)放大電路只在輸入信號(hào)的正半周工作，負(fù)半周時(shí)晶體管截止，管子的導(dǎo)通角為180°，輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。⑶甲乙類工作方式：

Q點(diǎn)略高于乙類時(shí)，靜態(tài)電流很小，靜態(tài)消耗約為零，效率也很高。晶體的導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，管子的導(dǎo)通角大于180°，此時(shí)輸出波形仍失真嚴(yán)重。三種工作方式對(duì)應(yīng)的Q點(diǎn)和輸出波形甲類工作方式效率低不適合功率放大。乙類和甲乙類工作方式雖然失真嚴(yán)重，不能直接使用，但由于效率高，只要合理的設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，使兩只管子輪流工作便可得到很好的功率放大效果。因此功率放大電路通常選擇乙類或甲乙類工作方式。甲類乙類甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.工作原理靜態(tài)時(shí)，基極回路沒有偏流，T1、T2截止，uo為0。ui正半周，T1導(dǎo)通，T2截止，等效電路如圖（b）所示，電流ic（=iL）從上至下流過負(fù)載RL

，uo＞0；ui負(fù)半周，T1截止，T2導(dǎo)通，等效電路如圖（c）所示，電流ic（=iL）從下至上流過負(fù)載RL，uo＜0，在ui的一個(gè)周期中，T1、T2輪流導(dǎo)通，在負(fù)載RL上合成一個(gè)完整的波形。＋－u-－u+uo5.2.1集成運(yùn)算放大器符號(hào)國(guó)際符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小同相輸入端反相輸入端輸出端5.2集成運(yùn)算放大器

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。5.2.2集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

2.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。

5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

6.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。

7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。

11.－3dB帶寬

fH

：

運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為

等效電路u+—同相端輸入電壓u-

—反相端輸入電壓uid

—差模輸入電壓uid

=u–

u+Aud

—開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

uo=Aud(u+–u)5.2.3理想運(yùn)算放大器的特性u(píng)ouidu–i+u+uoRidAud

uidRoi–1)

Aud

6)UIO0，IIO01.理想運(yùn)放的條件4)

KCMR5)BW2)

Rid3)Ro

0uouidu–i+u+uoRidAud

uidRoi–2.理想運(yùn)放的電壓傳輸特性理想運(yùn)放OuiduoUomax–Uomaxuouidu–i+u+uoRidAud

uidRoi–線性區(qū)OuidUomax–Uomax實(shí)際運(yùn)放3.理想運(yùn)放的特性理想運(yùn)放的兩個(gè)重要特性:“虛短”、“虛斷”1)u+u–(虛短)uo=Aud

uiduid

=u+–u–=uo/Aud

0即u+

u–2)i+i–0(虛斷)i+=uid

/Rid

0同理i

–

0即i+

i

–

0uouidu–i+u+uoRidAud

uidRoi–5.3集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路5.3.1求和運(yùn)算電路5.3.2減法運(yùn)算電路5.3.3微分電路和積分電路5.3.4對(duì)數(shù)電路和指數(shù)電路5.3.0比例運(yùn)算電路1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成

R2=R1//RF

稱為平衡電阻（2）電壓放大倍數(shù)因虛斷，i+=i–

=0，所以i1if

因虛短,

所以u(píng)–=u+=0稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i

加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。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”。例：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(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算（1）電路組成

R2=R1//RF（2）電壓放大倍數(shù)因虛斷，所以u(píng)+=ui

因虛短，所以

u–=ui

（反相輸入端不“虛地”）

uoRFuiR2R1++––++–u+u–結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當(dāng)R1=且RF=0時(shí)，

uo=ui

，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoui++––++–例在如圖3.12所示的同相比例運(yùn)算電路中，已知R1=200kΩ，Rf=200kΩ，ui=1V，求開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf和輸出電壓uo，該電路的R2阻值應(yīng)選多大？解：開環(huán)電壓放大倍數(shù)為

Auf=1+Rf/R1=1+200/200=2輸出電壓uo為

uo=Auf×ui=2×1V=2VR2的阻值應(yīng)選為

R2=R1∥Rf=200∥200=100(kΩ)5.3.1求和運(yùn)算電路1.反相輸入求和電路R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf

=R1=R2

則uO

=

(uI1+uI2)

R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO

=uI1+uI2

Rf

=2R1

2.同相輸入求和電路法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R1；Rf

=RfuO

=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf

/R1(uI2

uI1)減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路5.3.2減法運(yùn)算電路1.積分電路

積分運(yùn)算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運(yùn)算電路如圖5.39所示。圖5.39反相積分電路5.3.3積分電路和微分電路當(dāng)輸入信號(hào)是階躍直流電壓VI時(shí)，即例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。(a)階躍輸入信號(hào)(b)方波輸入信號(hào)這里要注意當(dāng)輸入信號(hào)在某一個(gè)時(shí)間段等于零時(shí)，積分器的輸出是不變的，保持前一個(gè)時(shí)間段的最終數(shù)值。因?yàn)樘摰氐脑?，積分電阻R

兩端無電位差，因此

C不能放電，故輸出電壓保持不變。2.微分電路微分運(yùn)算電路如下圖所示。微分電路1.對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路見圖。由圖可知*5.3.4對(duì)數(shù)電路和指數(shù)電路2.指數(shù)電路

指數(shù)運(yùn)算電路如圖所示。指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。指數(shù)運(yùn)算電路1.過零比較器3.滯回比較器4.窗口比較器5.4集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用2.單限比較器5.4.1電壓比較器(Comparer)功能：類型基本比較器簡(jiǎn)單比較器(單門限)窗口比較器(雙門限)滯回比較器(施密特觸發(fā)器)比較電壓信號(hào)(被測(cè)試信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))大小構(gòu)成：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。1.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。

虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）

注意：此時(shí)不能用虛短！uoui0+UOM-UOMOuIuO1.過零電壓比較器uI

<0uI

>0UOmax-UOmaxUOHUOLuOuI電壓比較器基本特性1）高電平和低電平

UoH=3.4，UoL=0.42）鑒別靈敏度Aud越大，鑒別靈敏度越高3）轉(zhuǎn)換速率與壓擺率SR有關(guān)OuIuO2.單限比較器UZUREFuI

<UREF-UZuI

>UREF門限電壓UT特點(diǎn):1)工作在非線性區(qū)2)不存在虛短

(除了uI=UREF

時(shí))

3)存在虛斷門限電壓UT=UREF1)電路和門限電壓3.滯回比較器1.反相型滯回比較器正反饋當(dāng)uI

>uP

時(shí)，uO

=-UZ當(dāng)uI

<uP

時(shí)，uO

=+UZ當(dāng)uI=uP

時(shí)，狀態(tài)翻轉(zhuǎn)uIRR1UREFR2R3UZPuO例：R1=30k，R2=15k,

UZ=6V,UREF=0,求UT。特點(diǎn)：2)傳輸特性RR1uIUREFR2R3UZPuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ當(dāng)uI

逐漸增大時(shí)

只要uI<UT+，則uO=UZ一旦uI>UT+，則uO=-UZ當(dāng)uI

逐漸減小時(shí)只要uI>UT-，則uO