第2章

運(yùn)算放大器在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。簡(jiǎn)單來說，集成電路是把元器件和連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而成的電路。集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等。1模擬集成電路的特點(diǎn)：電阻值不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至幾十千歐。需要大電阻時(shí)，通常用恒流源替代；

電容利用PN結(jié)結(jié)電容，一般不超過幾十pF。需要大電容時(shí)，通常在集成電路外部連接。級(jí)與級(jí)之間用直接耦合；

二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。如由NPN型三極管短路其中一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。2運(yùn)算放大器外形圖32.1 集成運(yùn)放概述集成電路——把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有某種特定功能的電子電路。1.集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖特點(diǎn)：電路對(duì)稱性，提高整個(gè)電路的性能若干級(jí)電壓放大帶負(fù)載能力強(qiáng)，電流放大4運(yùn)算放大器方框圖輸入級(jí)：均采用差動(dòng)放大電路組成，可減小溫度漂移的影響，提高整個(gè)電路共模抑制比。2.

中間級(jí)：多采用有源負(fù)載的共射極放大電路，有源負(fù)載及復(fù)合管可提高電壓增益。3.

輸出級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱功放。4.

偏置電路：用以供給各級(jí)直流偏置電流，由各種電流源電路組成。5(a)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)(b)是國(guó)內(nèi)外常用的符號(hào)＋－v－v+vo－＋＋v－v+voAvo運(yùn)放既然是個(gè)器件，當(dāng)然有符號(hào)，下面是運(yùn)算放大器的符號(hào)，里面畫個(gè)三角，表示這是運(yùn)算放大器；有反向輸入端、同相輸入端、還有輸出端，同相輸入端和輸出端是相位相同，所以都寫了一個(gè)加號(hào)（＋），反向輸入端和輸出端相位相反，寫了一個(gè)減號(hào)（－），Avo表示他的放大倍數(shù)；有時(shí)候在一些工程類的書上，也看到右邊的符號(hào)，一個(gè)大的三角，輸出vo,負(fù)的（v－)反向輸入端，正的(v+)同相輸入端.集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)?表示信號(hào)從左(輸入端)向右(輸出端)傳輸?shù)姆较颉?同相輸入端反相輸入端輸出端–+特點(diǎn)：兩個(gè)輸入端（同相+、反相—），一個(gè)輸出端，單向傳輸7

理想運(yùn)算放大電路具有無窮大的電壓增益、無窮大的輸入電阻（開路），所以不取用信號(hào)源電流。它的輸出電阻為零。如圖所示。輸入電壓Vid加在兩個(gè)輸入端之間。輸出電壓為AodVid，用內(nèi)電壓源符號(hào)表示.-＋＋＋＋－－－－－＋供電電源2.運(yùn)算放大器的電路模型Vidrid=∞r(nóng)o=0VOAod=∞+-8圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型通常（實(shí)際）：開環(huán)電壓增益Avo的≥105（很高）輸入電阻ri≥106Ω（很大）輸出電阻ro≤100Ω（很?。?/p>

vO＝Avo(vP－vN)，當(dāng)（V－＜vO＜V＋）

92.運(yùn)算放大器的電路模型當(dāng)Avo(vP－vN)≥V＋時(shí)

vO＝

V＋

當(dāng)Avo(vP－vN)≤

V-時(shí)

vO＝

V-電壓傳輸特性

vO＝

f

(vP－vN)線性范圍內(nèi)vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率end非線性（飽和）范圍內(nèi)？

10通過測(cè)試得到，他的輸入和輸出滿足這么一個(gè)曲線的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系曲線叫做傳輸特性曲線，這個(gè)曲線分為兩個(gè)區(qū)，橫坐標(biāo)是vi，縱坐標(biāo)是vo。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)vi＋－vNvPvo這是一個(gè)運(yùn)算放大器，他的輸入和輸出到底有什么樣的關(guān)系？11vi＋－vNvPvo注意vi是什么？

vi是同相輸入端減去反向輸入端，就是差模信號(hào)。vi＝vP－vNN(negative)型P(positive)型12如果vi很小的化，由于放大倍數(shù)很大，vo和vi是什么關(guān)系？線性關(guān)系，在這里把這個(gè)區(qū)域叫做線性區(qū)，當(dāng)vi達(dá)到一定值的時(shí)候，輸出就飽和了，把這個(gè)區(qū)域叫做飽和區(qū)。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)13飽和的電壓是什么？

飽和的電壓就是電源電壓;為什么會(huì)飽和？

因?yàn)殡妷捍蟮揭欢ㄖ档臅r(shí)候，放大倍數(shù)很大，輸出不會(huì)再隨著輸入繼續(xù)增加，就達(dá)到了正負(fù)飽和電壓，+VOM和-VOM,在這里稱作正負(fù)飽和電壓.vi＋－vNvPvovivo+VOM-VOM飽和區(qū)14旁邊兩個(gè)區(qū)叫飽和區(qū)，中間叫線性區(qū).正負(fù)飽和電壓能達(dá)到什么值？輸出的正負(fù)飽和電壓最大等于電源電壓，不會(huì)超過電源電壓。這個(gè)特性曲線是傳輸特性曲線，傳輸?shù)氖莢i與vo之間的關(guān)系。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)飽和區(qū)15這么兩個(gè)區(qū)就使得運(yùn)放具有不同的作用，運(yùn)放工作在線性區(qū)有線性區(qū)的作用；工作在飽和區(qū)有飽和區(qū)的作用；

線性區(qū)是指的輸出是隨著輸入的變化而變化;

飽和區(qū)是指的輸入信號(hào)達(dá)到一定值以后輸出電壓飽和在某個(gè)值上；這就是傳輸特性曲線，傳輸特性曲線是指的vo與vi之間的關(guān)系。16負(fù)飽和電路模型中的輸出電壓不可能超越正負(fù)電源電壓值：設(shè)：若：則ab線性區(qū)正飽和017Avo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。例：若VOM=12V，Avo=106，則|vi|<12V時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū),否則就處于飽和區(qū)。vivo+VOM-VOM線性放大區(qū)飽和區(qū)解：18例：電路如圖所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益輸入電阻，電源電壓

（1）試求當(dāng)時(shí)輸入電壓的最小幅值（2）輸入電流畫出傳輸特性曲線。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。＋＋＋＋－－－－－＋電源19解：（1）輸入電壓的最小幅值當(dāng)時(shí)，（2）輸入電流畫傳輸特性曲線連接a、b兩點(diǎn)得ab線段，其斜率時(shí)，電路工作在線性區(qū)；，則運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放得電壓傳輸特性如圖所示20ab021由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開路運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)222.2理想運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器在工程上應(yīng)用是非常廣的，就是應(yīng)為他有各種各樣的特性，可以完成各種各樣的功能。這些功能是在測(cè)試系統(tǒng)中不可缺少的功能，所以他的應(yīng)用非常廣，我們分為幾類去進(jìn)行介紹運(yùn)算放大器的應(yīng)用。運(yùn)算放大器既然是運(yùn)算，他可以完成加減乘除運(yùn)算，乘除都是通過加減來的，還可以完成對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)的運(yùn)算，還可以完成積分和微分運(yùn)算，我們只介紹加減，比例放大，還有微分和積分運(yùn)算等23

如果運(yùn)放用于信號(hào)運(yùn)算，我們主要是指的運(yùn)放工作在線性區(qū)，利用虛擬短路和虛擬斷路的分析依據(jù)，這兩條一定要記住。如何讓他工作在線性區(qū)，加入負(fù)反饋，他的應(yīng)用范圍一個(gè)就是信號(hào)運(yùn)算，一個(gè)還可以作為濾波器。241.輸出電壓的飽和極限等于運(yùn)放的電源電壓，即和2.運(yùn)放的開環(huán)電壓增益很高，以至差分輸入電壓的值盡管很小，仍可驅(qū)使運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū)。即:若則將趨于正飽和極限即:若則將趨于負(fù)飽和極限3.若未達(dá)到飽和極限，則差分輸入電壓必趨近于0值。當(dāng)處于與之間，則運(yùn)放必將工作在線性區(qū)。非線性區(qū)限幅區(qū)254.內(nèi)部的輸入電阻的阻值很高，因而可近似認(rèn)為無限大；由此可以假定，流入或流出同相和反相端的電流為零。5.內(nèi)部的輸出電阻的阻值很低乃至可近似認(rèn)為它為零。＋＋＋＋－－－－－＋電源26＋＋－－將上述近似理想的運(yùn)放的性能參數(shù)理想化，便可得到如圖所示的理想運(yùn)放的電路模型。它表示輸入電阻是開路的，即輸出端的電阻輸出電壓27運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)理想運(yùn)放的條件虛短路虛開路放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析＋－＋運(yùn)放線性應(yīng)用信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路28

由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻髙，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其為理想運(yùn)放。29前面講了一下理想運(yùn)算放大器的一些特點(diǎn)，在分析電路的時(shí)候我們可以用兩個(gè)重要的特點(diǎn)：一個(gè)是虛斷（虛假的開路）一個(gè)是虛短（虛假的短路）利用理想放大器的特性，分析一下各種運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例運(yùn)算電路。2.3基本線性運(yùn)放電路線性運(yùn)放電路：運(yùn)放一定工作在線性范圍（狀態(tài)），電路通過接入負(fù)反饋來保證。30什么是比例運(yùn)算電路？

比例運(yùn)算電路是將信號(hào)按比例進(jìn)行放大；例如：輸入信號(hào)是5V，按2倍的比例進(jìn)行放大，輸出就是10V，這就是同相的比例放大；如果是負(fù)2倍的放大，輸出就是負(fù)10V，這就叫做反相比例放大；

比例運(yùn)算電路分為兩類：

同相比例放大、反相比例放大。比例運(yùn)算電路需要引入負(fù)反饋，他主要引入的是電壓負(fù)反饋，引入的負(fù)反饋還是深度負(fù)反饋，如果是深度負(fù)反饋和開環(huán)的放大倍數(shù)無關(guān)，只和反饋系數(shù)有關(guān)。31比例運(yùn)算電路作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。322.3.1同相運(yùn)算放大器1.基本電路+--(+)同相放大電路

vo通過電阻R2有反饋，它接到運(yùn)放的反向輸入端，這是一個(gè)負(fù)反饋，既然是負(fù)反饋，就滿足虛短和虛斷。輸入是從同相端輸入＋－(+)(+)＋－如果是負(fù)反饋，那么

v+=v-=？輸入的電流為零，Rp上沒有電流，那么：v+=vi，這叫虛短路，

v+=v-=vi，這叫虛短路。33虛短輸入信號(hào)看里面的值是正值，那么vo和vi的相位應(yīng)該是相同的。再看反相輸入端，反相輸入端參考兩個(gè)電流，這兩個(gè)電流應(yīng)該相等.這時(shí)候vo和vi的關(guān)系是：則：同相放大電路+--(+)＋－(+)(+)＋－342.負(fù)反饋的基本概念開環(huán)閉環(huán)正、負(fù)反饋判斷方法：瞬時(shí)極性法瞬時(shí)電位變化極性——某時(shí)刻電位的斜率電路有vo

＝Avo(vp－vn)引入反饋后vn0，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓使輸出減小了，增益Av＝vo/vi下降了，這時(shí)的反饋稱為負(fù)反饋。反饋：將放大電路輸出量，通過某種方式送回到輸入回路的過程。反饋概念反饋的分類：正、負(fù)反饋

35此時(shí)引入的反饋是負(fù)反饋。負(fù)反饋的的作用是利用輸出電壓通過反饋元件對(duì)放大電路起自動(dòng)調(diào)整作用，從而牽制了的變化，最后達(dá)到輸出穩(wěn)定平衡。-＋－(+)(+)＋－＋－(+)(+)＋－363.虛假短路

圖中輸出通過負(fù)反饋的作用，使vn自動(dòng)地跟蹤vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。

由于運(yùn)放的輸入電阻ri很大，所以，運(yùn)放兩輸入端之間的ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。

由運(yùn)放引入負(fù)反饋而得到的虛短和虛斷兩個(gè)重要概念，是分析由運(yùn)放組成的各種線性應(yīng)用電路的利器，必須熟練掌握。37+--(+)同相放大電路反饋電壓虛短虛開路＋－(+)(+)＋－384.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作為公式直接使用，注意問題）討論：電壓增益Av與運(yùn)放無關(guān)，僅有外電路元件參數(shù)決定。vo,vi同相，電壓增益Av大于或等于1394.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（2）輸入電阻Ri

輸入電阻定義根據(jù)虛短和虛斷有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以討論：優(yōu)點(diǎn)？40(2)輸出電阻信號(hào)源置零+--(+)＋－(+)(+)＋－討論：優(yōu)點(diǎn)？415.電壓跟隨器＋－＋vo和vi之間的關(guān)系：

這里用一根反饋線作為反饋網(wǎng)絡(luò);什么反饋？負(fù)反饋.既然是負(fù)反饋，vp=vn，vp=vn=vi，vo=vi;這里輸入和輸出是相同的，這是同相比例運(yùn)放的一個(gè)特例，這種電路的特性比較穩(wěn)定.42結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入此電路輸入電阻大，輸出電阻小，雖然電壓跟隨器的電壓增益等于1電壓跟隨性能好＋－＋43如將電壓跟隨器接在髙內(nèi)阻的信號(hào)源與負(fù)載之間。＋－＋+-信號(hào)源負(fù)載該電路幾乎不從信號(hào)源吸取電流，因此，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幾乎不變，從而消除了負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響44＋＋--信號(hào)源負(fù)載例如：當(dāng)具有內(nèi)阻為的信號(hào)源直接驅(qū)動(dòng)的負(fù)載時(shí)，如圖所示。它的輸出電壓為電壓跟隨器的作用45無電壓跟隨器時(shí)負(fù)載上得到的電壓電壓跟隨器時(shí)ip≈0，vp＝vs根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs46結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：信號(hào)通過從反相輸入端輸入，負(fù)反饋引到反相輸入端，同相端接地。2.3.2反相放大電路1.基本電路反相比例放大電路引入的是什么樣的負(fù)反饋？R2是一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)；它直接取到的是輸出端，就是電壓負(fù)反饋；R2又和輸入端接的是同一跟線，這是并聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。電位為0，虛地vo_++R2R1RPvii1i247＋－虛短＋－電位為0，虛地計(jì)算vo和vi的關(guān)系要用到虛擬短路和虛擬斷路，還要用到基爾霍夫定律.虛斷是指的輸入運(yùn)放的電流為零；反向輸入端有一個(gè)電流ii，同相輸入端也有一個(gè)電流ii，既然輸入的電流為零，同相輸入的電阻RP流過的電流應(yīng)該是零。RP兩端等電位點(diǎn)，RP左端的電位是零，RP右邊也應(yīng)等于零，同相輸入端的電位也就是零。vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，這是虛短48根據(jù)虛斷→ii=0→vn=0→根據(jù)虛短→

Vp=0電壓增益：＋－虛短＋－電位為0，虛地vo_++R2R1RPvii1i2v+=v-＝0，這是虛短49由理想運(yùn)放組成的放大器的放大倍數(shù)和理想運(yùn)放本身的放大倍數(shù)有關(guān)系嗎？沒有關(guān)系。和它外加的器件有關(guān)系，完全由外部電路器件決定它的放大倍數(shù)。這是一個(gè)反向輸入，當(dāng)然這是一個(gè)反向比例放大。502.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益虛開路虛短路虛開路vo_++R2R1RPvii1i2＋－虛短＋－（可作為公式直接使用）512.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（2）輸入電阻和輸出電阻由于電壓負(fù)反饋得作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。＋－虛短＋－52平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP=R1

//R2在反相比例放大電路的RP稱作平衡電阻，主要是保證輸入的對(duì)稱性，這個(gè)電阻如何的取值？vo_++R2R1RPvii1i253反饋方式這是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋既然是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸出電阻很