第四章集成運算放大器第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

運算放大器(operationalamplifier)簡稱為運放，是一種高增益直流放大器，最初因用在模擬計算機中進行各種數(shù)學運算而得名，如果將整個運算放大器制成在一個小硅片上，就成為集成運算放大器(integratedoperationalamplifier)。由于集成運放具有性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、體積小、重量輕、耗電量少等優(yōu)點得到了廣泛應用。可完成放大、振蕩、調(diào)制、解調(diào)及模擬信號的各種運算和脈沖信號的產(chǎn)生等。本章將介紹集成運放的基本知識、基本電路及其主要應用。

第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容第一節(jié)運算放大器的基本知識第二節(jié)運算放大器的基本電路第三節(jié)運算放大器的應用第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)運算放大器的基本知識一.集成運算放大器的組成集成運放通常由輸入放大級、中間電壓放大級、輸出級以及偏置電路等四部分組成。輸入級采用差動放大電路，要求輸入阻抗高、零點漂移小、抗共模干擾能力強；中間級一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，主要用于高增益的電壓放大；輸出級與負載相接，要求輸出阻抗低、帶負載能力強、能夠提供足夠大的電壓與電流；偏置電路一般由恒流源電路構(gòu)成，給上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。此外，電路還備有過流保護電路。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三集成運放的基本組成第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三右圖是運算放大器的電路符號。它有兩個輸入端和一個輸出端。反相輸入端標“-”號，同相輸入端標“+”號。輸出電壓與反相輸入電壓相位相反，與同相輸入電壓相位相同。此外還有兩個端分別接正、負電源，有些集成運放還有調(diào)零端和相位補償端。在電路中不畫出。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二.集成運算放大器的使用

1.調(diào)零實際運算放大器，當輸入為零時輸出并不為零，采用調(diào)零技術可使輸入為零時輸出也為零。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

2.消振集成運放是多級直接耦合的放大器，因存在著分布電容等分布參數(shù)，信號在傳輸過程中會產(chǎn)生相移。信號頻率變化時，相移也變化。當運放閉環(huán)(輸出端與輸入端經(jīng)過導線、元器件相連)后，會在某些頻率上產(chǎn)生自激振蕩。為了使放大器工作穩(wěn)定，通常外接RC消振電路或消振電容，用來破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

3.保護①輸入端保護是當輸入端所加的電壓過高時會損壞輸入級的晶體管。在輸入端處接入兩個反向并聯(lián)的二極管，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以下；第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三②輸出端保護是為了防止輸出電壓過大，可利用穩(wěn)壓管來保護，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，將輸出電壓限制在±(Uz+UD)的范圍內(nèi)，其中，Uz是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，UD是它的正向管壓降；第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三③電源保護是為了防止正、負電源接反，可用二極管進行保護。第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三.集成運放的主要性能指標

1.輸入失調(diào)電壓Uis：對于理想集成運放，當輸入電壓為零時，輸出電壓應該為零。但由于制造工藝等原因，實際的集成運放在輸入電壓為零時，輸出電壓常不為零。為了使輸出電壓為零，需在輸入端加一適當?shù)闹绷餮a償電壓，這個輸入電壓叫做輸入失調(diào)電壓Uis，其值等于輸入電壓為零時，輸出的電壓折算到輸入端的電壓值。Uis一般為毫伏級，它的大小反映了差動輸入級的對稱程度，失調(diào)電壓越大，集成運放的對稱性越差。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

2.輸入失調(diào)電流Iis：輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流I+與I-之差，一般為輸入靜態(tài)偏置電流的十分之一左右。Iis是由差動輸入級兩個晶體管的值不一致所引起的。

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3.開環(huán)電壓增益Kd：開環(huán)電壓增益是指集成運放在無外接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。也可用Kd的常用對數(shù)表示。一般運放的電壓增益都很大，為60~100dB，高增益運放可達140dB(即107)。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

(4)輸入阻抗ri和輸出阻抗ro：輸入阻抗ri是指運放開環(huán)運用時，從兩個輸入端看進去的動態(tài)阻抗，它等于兩個輸入端之間的電壓Ui變化與其引起的輸入電流Ii的變化之比，即ri=?Ui/?Ii，ri越大越好。雙極型晶體管輸入級的ri值為104-106Ω，單極型場效應管輸入級ri可達109以上。輸出阻抗ro是指運放開環(huán)運用時，從輸出端與地端看進去的動態(tài)阻抗。一般在幾百歐姆之內(nèi)。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

(5)共模抑制比CMRR：

共模抑制比是指集成運放開環(huán)運用時，差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比。CMRR值越大，抗共模干擾能力越強，一般集成運放的CMRR都可達到80dB，高質(zhì)量的集成運放可達l00dB以上。

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三運放還有很多其他指標：如轉(zhuǎn)換速率是指放大器在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入放大信號時，放大器輸出電壓對時間的最大變化速率。運放的靜態(tài)功耗是指沒有輸入信號時的功耗，通常約為數(shù)十毫瓦，有些低耗運放，靜態(tài)功耗可低到0.1mW以下，這個指標對于便攜式或植入式醫(yī)學儀器是很重要的。運放的最大共模輸入電壓是指運放共模抑制比明顯惡化時的共模輸入電壓值，通常約為幾伏到十幾伏。運放的電源電壓，一般從幾伏到幾十伏。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三四.集成運算放大器的理想模型

集成運放理想化的條件是：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Kd→∞，輸入阻抗ri→∞，輸出阻抗ro→0，共模抑制比CMRR→∞，輸入信號為零時，輸出電壓為0，且特性不隨溫度而變化。

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三由此理想運放在線性運用時有以下重要結(jié)論：⑴運放兩個輸入端的電壓近似相等，即U+≈U-：因為Kd→∞，則ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以u+=u-。這樣，兩個輸入端可以認為是虛連接，當其中一個輸入端接地時，另一個輸入端也為零電位，稱為“虛地”(imaginaryground)。第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

⑵兩個輸入端的輸入電流近似為零，即Ii≈0

因為ri→∞，所以Ii=（u+-u-)/ri=0。上面兩個結(jié)論，雖然是從理想運放的特性得到的，但比較符合實際情況，因此，對于各種實際的集成運放電路，可以用理想模型進行分析、計算，這樣可使電路的分析大大地簡化，同時也不影響結(jié)果。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)運算放大器的基本電路一.反相放大器輸入電壓ui經(jīng)電阻R1由反相輸入端輸入，輸出端與反相端之間接一反饋電阻RF，同相輸入端與地之間接一平衡電阻R2，且R2=R1//RF，以保證運放輸入端的對稱。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三因Ii=0，故i1≈if，因此又因u+≈u-=0，因此

KF為反相放大器的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，它只與外接電阻R1、RF有關，而與集成運放本身參數(shù)無關。只要電阻值足夠精確，則輸出電壓uo與輸入電壓ui可得到高精度的比例關系，負號表示uo與ui相位相反，所以稱反相放大器。第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三當RF=R1時，uo=-ui，構(gòu)成反相器。反相放大器是一種電壓并聯(lián)負反饋電路，輸出阻抗低。因其反相輸入端為虛地，所以該電路的輸入電阻是R1。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三對于具有內(nèi)阻Rs的信號源，上面公式中的R1應當用R1+Rs代替，為了不使電壓增益受Rs的太大影響，R1應該取大一些。但為了保證輸入電流遠大于偏置電流，R1應遠小于運放的內(nèi)阻，對于通用型運放，R1不宜超過數(shù)十千歐，反饋電阻RF越大則電壓增益越大，但要求反饋電流也應遠大于偏置電流，所以RF也不能取得過大，通常不宜超過兆歐。因此，當Rs達到數(shù)千歐時，這個電路難以獲得高增益。另外，反相放大器是并聯(lián)負反饋電路，該放大器的輸入電阻小，故它不能應用到高內(nèi)阻信號源上。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三右圖為高增益的反相放大器，反饋電壓從分壓電阻R3和R4的連接點引出，這仍是一個電壓并聯(lián)負反饋電路。由于R3/R4可以取很大值，因此這個電路可以獲得很高的電壓增益。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二.同相放大器將反相放大器中R1端接地，輸入電壓ui經(jīng)電阻R2由同相輸入端輸入，即可構(gòu)成同相放大器(noninvertingamplifier)，實現(xiàn)輸出電壓uo與輸入電壓ui之間的同相比例運算。第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三因Ii=0，故i1≈if，因此又因u+≈u-，因此

uo與ui之間的比例關系也與運放本身的參數(shù)無關，電路精度和穩(wěn)定度都很高。KF為正表示uo與ui同相，并且KF總是大于或等于1，這一點與反相放大器不同。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三當RF=0時KF=1，電路就變成電壓跟隨器。同相放大器實際上是一個電壓串聯(lián)負反饋放大器，因此其輸入阻抗高、輸出阻抗低，而且增益不受信號源內(nèi)阻的影響。該電路的不足是其共模抑制比CMRR不太大。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三解：放大電路由A1、A2串行連接而成，其中A1是跟隨器，因此Uo1=Ui=2V

它又是A2的輸入信號電壓，A2是反相放大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三.差分放大器右圖是基本的差分放大器，信號電壓同時從雙端輸入，可實現(xiàn)減法運算。根據(jù)理想運放條件，得

當R1=R2，R3=RF時，R1=R2=R3=RF，則uo=ui1-ui2。第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三該電路的反饋對同相輸入端是電壓串聯(lián)負反饋，對反相輸入端是電壓并聯(lián)負反饋，它的主要缺點是輸入阻抗低，運放的高內(nèi)阻沒有發(fā)揮作用；而且對不同信號源，差分放大器的內(nèi)阻不同，外接電阻的平衡條件也要隨之改變，因此使用很不方便，實際電路要進行改進，詳見后面的并聯(lián)型差分放大器。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)運算放大器的應用一.加法和減法運算電路對于低內(nèi)阻信號源，雙端都采取并行輸入可以同時實現(xiàn)加減法運算，下圖是實現(xiàn)加減法運算的基本電路。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三由Ii=0，得設即整理后，得若調(diào)節(jié)R5，使R+=R-，則第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三上式表明，輸出電壓等于各輸入電壓按不同的比例相加或相減。如果Rl、R2、R3、R4、RF取不同值，需按權(quán)重進行加減法；如果Rl=R2=R3=R4=RF可以實現(xiàn)加減運算，即

uo=(ui1+ui2)-(ui3+ui4)如果只從反相端并行輸入信號，可以實現(xiàn)反相加法運算，即uo=-(ui3+ui4)如果只從相同端并行輸入信號，可以實現(xiàn)同相加法運算，即uo=(ui1+ui2)輸入端個數(shù)可以根據(jù)實際需要適當增減，剩余的輸入端要接地。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二.積分和微分運算電路積分運算電路將反相放大器的反饋電阻換成電容器CF，放大電路如圖所示。假定反饋電容CF初始電壓為0，則第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三上式表明，輸出電壓uo是輸入電壓ui對時間的積分，R1CF叫做時間常數(shù)，負號表示輸出電壓與輸入電壓在相位上相反。這個電路應用到有直流成分的輸入電壓時，積分時間不能太長，以免輸出電壓達到飽和。因此要增加一些開關，積分時間結(jié)束時切斷輸入回路，積分開始前使電容器放電。

積分運算電路常用于對呼吸流速等進行積分處理，求得呼吸流量、血液流量等生理參數(shù)。

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2.微分運算電路微分運算是積分運算的逆運算。將積分運算電路中的反饋電容CF和輸入電阻R1交換位置，即構(gòu)成微分運算放大器。由上面兩式得，即輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三在使用微分電路時，輸入電壓變化不能太大，否則運放將達到飽和，甚至被損壞。微分電路的主要缺點是干擾較嚴重，因為干擾電壓變化很快，頻譜很寬，頻率越高的成分放大越多，形成很多尖峰。在微分運算前先經(jīng)過低通濾波可以大改善這個電路的性能。微分運算放大電路可用來對血壓、阻抗容積圖等波形進行處理，以求得其變化速率。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三.對數(shù)和反對數(shù)運算電路1.對數(shù)運算電路以二極管代替反相放大器中的反饋電阻RF，即可構(gòu)成對數(shù)運算放大電路。二極管PN結(jié)的正向電流為：

UT=26mV，i1=ui/R1，理想運放，i1=iD，因此兩邊取對數(shù)，又uo=-uD，則第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三上式說明，電路的輸出電壓與輸入電壓的對數(shù)成正比關系。實際電路中，常用三極管的發(fā)射結(jié)代替二極管。該電路只適用于ui>0的情況，若ui<0，則需將二極管兩極對調(diào)連接。這個電路的主要缺點是受溫度影響很大，其次是小電流和大電流時誤差較大。對數(shù)運算放大電路在生物醫(yī)學儀器中應用較多，但實際電路較復雜。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

2.反對數(shù)運算電路反對數(shù)運算是對數(shù)運算的逆運算，又叫指數(shù)運算。將對數(shù)運算電路中的二極管與輸入電阻交換位置，即可構(gòu)成反對數(shù)運算放大電路。因為：所以：第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三上式表明電路的輸出電壓與輸入電壓的反對數(shù)成正比。實際電路中常用三極管代替二極管。當ui<0時，應使二極管反向連接，三極管用PNP型。實際電路中，絕對溫度T、反向飽和電流Is都與環(huán)境溫度有關，是影響輸出電壓穩(wěn)定的主要因素。為減小它們對uo的影響，實際設計的電路要比上述電路復雜。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

3.乘除法運算電路將對數(shù)、反對數(shù)、加法、減法等運算電路按數(shù)學規(guī)律加以組合，就可以得到信號的乘法、除法、乘方等運算電路。減法運算指數(shù)運算ui1/ui2In(ui1/ui2)第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三四.測量放大器在生物信息檢測中，由于生物醫(yī)學信號幅度小，生物醫(yī)學信號源內(nèi)阻大，環(huán)境引起的共模干擾大，因此獲取信號要求用輸入阻抗高和共模抑制比大的放大器，這種通用放大器就是測量放大器。它的基本作用是把微弱的生物電信號進行放大，使它可以進一步被處理、記錄或顯示。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三同相并聯(lián)型差分放大器圖4-19，具有輸入阻抗高、共模抑制比大和增益可調(diào)等優(yōu)點，廣泛應用于生物醫(yī)學信號檢測中，目前心電圖機前置放大器多采用這種電路。

調(diào)節(jié)R1，可調(diào)節(jié)電路的電壓增益。同相串聯(lián)型差分放大器圖4-20，為了獲得高輸入阻抗，并達到少用運放器件的目的，可采用同相串聯(lián)型差分放大器。其輸入阻抗通?？筛哌_幾十兆歐。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三A1、A2組成放大倍數(shù)約為27的同相串聯(lián)型差分放大器，其輸出端接有RC高通濾波器。輸出級是A3組成的放大倍數(shù)為33的同相放大器，這個電路的總電壓放大倍數(shù)為27×33=891。同相串聯(lián)比同相并聯(lián)電路接成的心電放大器省一個運放器件，更為經(jīng)濟合算。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三五.電壓比較器用集成運放可構(gòu)成各種電壓比較器(voltagecomparator)?？蓪蓚€輸入信號進行比較，判別輸入信號的大小和極性。UR是參考電壓，加在同相輸入端，輸入電壓ui加在反相輸入端。運算放大器工作于開環(huán)狀態(tài)。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三由于開環(huán)電壓增益很高，即為集成運放本身的電壓增益，所以即使輸入端有一個非常微小的差模信號，也會使電路輸出電壓達到飽和電壓值，即接近集成運放的電源電壓。當ui<UR時，輸出正飽和值+Uom(接近正電源+E)，當ui>UR時，輸出負飽和值-Uom(接近負電源-E)，右圖是運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)時，電壓比較器的傳輸特性。第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三可見比較器的輸入端進行的是模擬信號大小的比較，而在輸出端則以高電平或低電平來反映其比較的結(jié)果。當參考電壓UR=0時，即輸入電壓ui與零電平比較，稱為過零比較器。比較器是運算放大器的非線性運用，由于它的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量，是模擬電路與數(shù)字電路之間的過渡電路，所以在自動控制、數(shù)字儀表、波形變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方面都廣泛地使用電壓比較器，目前國內(nèi)外已有專門的單片集成比較器。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三六.有源濾波器集成運算放大器和RC電路可組成有源濾波電路。有源濾波電路能提高濾波性能，還可以將信號放大，且放大倍數(shù)易調(diào)節(jié)。有源濾波器也可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三右圖為低通有源濾波器電路。對于輸入信號中的高頻成分，電容C可近似地看成短路，輸出端與反相輸入端虛地連接，所以最終輸出電壓很小，抑制了高頻信號。對于輸入信號中的低頻成分，電容C可近似地看成開路，這時的放大倍數(shù)為-R2/R1，低頻信號順利通過。此低通濾波器的上限頻率為：1/