第2章集成運(yùn)算放大器與應(yīng)用學(xué)習(xí)本章，要掌握的基本知識(shí)點(diǎn)是： ●集成運(yùn)算放大器的基本組成 ●集成運(yùn)算放大器的共模與差模輸入 ●集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù) ●反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器 ●反饋的基本概念 ●集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 ●集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用2.1應(yīng)用示例 根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，聽力損失程度劃分如下：表2-1聽力損失程度劃分表聽力損失分類影響0-25分貝正常聽力26-40分貝輕度聽弱聲有困難41-55分貝中度聽正常的聲音經(jīng)常有困難56-70分貝中重度聽響聲偶爾有困難71-90分貝重度聽響聲經(jīng)常有困難>90分貝極重度幾乎全聾2.1應(yīng)用示例 電子助聽器的電路原理圖如圖2-2所示。該電路在共有三級(jí)放大器組成，第一級(jí)為音頻放大電路，把麥克風(fēng)出來(lái)的小信號(hào)進(jìn)行放大；第二級(jí)為音量調(diào)節(jié)電路；第三級(jí)為小功率放大電路，給受話器提供一定的功率。2.2集成運(yùn)算放大器2.2.1集成運(yùn)算放大器的基本組成2.2集成運(yùn)算放大器2．集成運(yùn)算放大器的基本組成它主要由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。2.2集成運(yùn)算放大器2.2.2集成運(yùn)算放大器的共模與差模輸入1．零點(diǎn)漂移當(dāng)溫度變化或電路參數(shù)等因素稍有變化時(shí)，電路工作點(diǎn)將隨之變化，輸出端電壓偏離靜態(tài)值（相當(dāng)于交流信號(hào)零點(diǎn)）而上下漂動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為““零點(diǎn)漂移””，簡(jiǎn)稱“零漂”。由于存在零漂，即使輸入信號(hào)為零，也會(huì)在輸出端產(chǎn)生電壓變化從而造成電路誤動(dòng)作，顯然這是不允許的。因此，為了保證集成運(yùn)算放大器的正常工作，必須設(shè)法抑制零漂。抑制零漂的方法有很多，有溫度補(bǔ)償電路、精選電路的元器件、對(duì)電路元器件進(jìn)行高溫老化試驗(yàn)和選用高穩(wěn)定度電源等方法。最有效的方法是在集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。2.2集成運(yùn)算放大器2．簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路組成和工作原理簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大電路構(gòu)成，信號(hào)從兩管的基極輸入，從兩管的集電極輸出。其中三極管VT1,VT2的參數(shù)和特性完全相同（如b1=b2=b

等），RB1=RB2=RB，RC1=RC2=RC。顯然，兩個(gè)單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓增益等均相同。2.2集成運(yùn)算放大器靜態(tài)時(shí)，兩管的輸入信號(hào)均為零。直流工作點(diǎn)UC1=UC2，此時(shí)電路的輸出Uo=UC1-UC2=

0（這種情況稱為零輸入時(shí)零輸出）。當(dāng)溫度變化引起管子參數(shù)變化時(shí)，每一單管放大器的工作點(diǎn)必然隨之改變（存在零漂），但由于電路的對(duì)稱性，UC1和UC2同時(shí)增大或減小，并保持UC1=UC2，即始終有輸出電壓Uo=

0，或者說(shuō)零漂被抑制了。這就是差動(dòng)放大電路抑制零漂的原理。2.2集成運(yùn)算放大器設(shè)每個(gè)單管放大電路的放大倍數(shù)為Au1，在電路完全對(duì)稱的情況下，有顯然uo1=Au1ui1，uo2=Au1ui2，而差動(dòng)放大電路的輸出取自兩個(gè)對(duì)稱單管放大電路的兩個(gè)輸出端之間（稱為平衡輸出或雙端輸出），其輸出電壓

uo=uo1-uo2=Au1(ui1-ui2)2.2集成運(yùn)算放大器3．差模信號(hào)和共模信號(hào)設(shè)有用信號(hào)輸入時(shí)，兩管各自的輸入電壓（參考方向均為b極指向e極）分別用uid1和uid2表示，則有，uid1=

ui/2，uid2=

-ui/2，uid1=

-uid2。uid1與uid2大小相等、極性相反，通常稱它們?yōu)橐粚?duì)差模輸入信號(hào)或差模信號(hào)。而電路的差動(dòng)輸入信號(hào)則為兩管差模輸入信號(hào)之差，即uid=uid1-uid2=2uid1=

ui

。在只有差模輸入電壓uid作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是差動(dòng)輸出電壓uod。通常把輸入差模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱為差模增益，用Aud表示，即

2.2集成運(yùn)算放大器設(shè)若輸入有用信號(hào)為0，在一定的溫度變化值DT的情況下，兩個(gè)單管放大器的輸出漂移電壓分別為uoc1和uoc2，uoc1和uoc2折合到各自輸入端的等效輸入漂移電壓分別為uic1和uic2，顯然有uoc1=

uoc2，uic1=

uic2

（2.5）將uic1與uic2分別等效輸入到差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端，它們大小相等，極性相同，通常稱它們?yōu)橐粚?duì)共模輸入信號(hào)或共模信號(hào)。共模信號(hào)可以表示為uic1=

uic2=uic。顯然，共模信號(hào)并不是實(shí)際的有用信號(hào)，而是溫度等因素變化所產(chǎn)生的漂移或干擾信號(hào)，因此需要進(jìn)行抑制。當(dāng)只有共模輸入電壓uic作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是共模輸出電壓uoc

，通常把輸入共模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱為共模增益，用Auc表示，則

2.2集成運(yùn)算放大器4．共模抑制比2.2集成運(yùn)算放大器2.2.3集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1．開環(huán)差模電壓增益Aod2．單位增益帶寬fT3．開環(huán)帶寬fH5．最大輸出電壓Uo,max4．轉(zhuǎn)換速率SR2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入端分別稱為同相輸入端uP和反相輸入端uN；一個(gè)輸出端uo。圖中的“-”表示反相輸入端uN，“+”表示同相輸入端uP。當(dāng)輸入信號(hào)從反相輸入端uN輸入時(shí)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位相反；當(dāng)輸入信號(hào)從同相輸入端uP輸入時(shí)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位相同。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2.3.1反饋的基本概念把放大電路的輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定的電路（網(wǎng)絡(luò)）送回到它的輸入端，削弱原來(lái)的輸入信號(hào)（電壓或電流）并共同控制該放大電路，這種連接方式稱為負(fù)反饋。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器按照放大電路各部分電路的主要功能可將負(fù)反饋放大電路分為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分。基本放大電路的主要功能是放大信號(hào)，反饋網(wǎng)絡(luò)的主要功能是傳輸反饋信號(hào)。它們有兩個(gè)連接點(diǎn)，一個(gè)是“取樣”點(diǎn)，它是放大電路的輸出端，反饋信號(hào)從該處取出；另一個(gè)是“比較”點(diǎn)，它是基本放大電路的輸入端，它將輸入信號(hào)和反饋電路輸出的反饋信號(hào)進(jìn)行相減后送到基本放大電路的輸入端?；痉糯箅娐返妮斎胄盘?hào)稱為凈輸入信號(hào)，它是輸入信號(hào)和反饋信號(hào)共同作用的結(jié)果。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2.3.2反相輸入放大器由于輸入信號(hào)加在反相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相反，因此將它稱為反相放大器。電路由基本放大器A和反饋網(wǎng)絡(luò)Rf組成。RL為負(fù)載電阻。uo為輸出信號(hào)。電路輸入信號(hào)ui經(jīng)電阻R1加在反相輸入端上。電阻R1的作用是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2．反相輸入放大器輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系的計(jì)算在集成運(yùn)算放大器中，由于開環(huán)增益Aod很高，一般運(yùn)算放大器的Aod為60～120dB，性能較好的運(yùn)算放大器Aod＞140dB。在工程計(jì)算中我們可以認(rèn)為開環(huán)差模電壓增益Aod→∞。又由于而輸出電壓是個(gè)不能大于運(yùn)算放大器電源電壓的有限值，因此，兩個(gè)輸入端之間的實(shí)際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為0（但不絕對(duì)等于0），相當(dāng)于短路，即：

uP=uN

可見(jiàn)，集成運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端電位相等，相當(dāng)于同相輸入端和反相輸入端之間短路，這種情況稱為“虛短”（并非真正短路）。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器在集成運(yùn)算放大器中，輸入級(jí)采用差分放大電路，所以運(yùn)算放大器的差模輸入電阻rid很大，在工程計(jì)算中我們可以認(rèn)為rid→∞。。因此可以認(rèn)為運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端均無(wú)電流輸入，即：

iIN=iIP=0

（以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相當(dāng)于開路。即iP=iN=0?？梢?jiàn)，集成運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的凈輸入電流均為零，相當(dāng)于電路斷開一樣，這種情況稱為“虛斷”（并非真正斷路）。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器由“虛短”的概念可知，在同相輸入端P接地時(shí)，uP=uN=0，稱N端為“虛地”。由“虛斷”的概念可知ii=if有該電路的電壓增益

即

可見(jiàn)，反相輸入放大器中輸出電壓uo與輸入電壓ui的大小成比例關(guān)系，負(fù)號(hào)表示相位相反。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2.3.3同相輸入放大器由于輸入信號(hào)加在同相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相同，因此將它稱為同相放大器。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2.3.3同相輸入放大器由“虛斷”的概念可知iP=iN=0，由“虛短”的概念可知ui=up=uN其電壓增益2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器2.3.3同相輸入放大器電壓跟隨器如何判斷反饋信號(hào)為電壓信號(hào)還是電流信號(hào)？看反饋網(wǎng)絡(luò)是不是從輸出電壓點(diǎn)接出來(lái)的。如何判斷反饋信號(hào)為并聯(lián)信號(hào)還是串聯(lián)信號(hào)？若反饋信號(hào)為電壓量，與輸入電壓求差而獲得凈輸入電壓，則為串聯(lián)信號(hào)；若反饋信號(hào)為電流量，與輸入電流求差而獲得凈輸入電流，則為并聯(lián)信號(hào)。并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)引入；串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一節(jié)點(diǎn)引上，或反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在放大器的不同輸入端。2.3反相與同相輸入集成運(yùn)算放大器【例2-2】如圖2-12所示放大電路，試分析它們各屬于反相放大器還是同相放大器，并分析他們的反饋性質(zhì)和組態(tài)。集成運(yùn)放的應(yīng)用夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮電路集成運(yùn)放作為通用的器件，它的應(yīng)用十分廣泛，包括模擬信號(hào)的運(yùn)算、放大、濾波、產(chǎn)生以及進(jìn)行各種線性和非線性的處理等。線性集成運(yùn)放一般工作在深度負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)而非線性集成運(yùn)放則工作在正反饋或開環(huán)狀態(tài)。

線性區(qū)：曲線斜率為電壓放大倍數(shù)u0=Aod(up-uN),Aod很大，線性區(qū)非常窄。非線性區(qū)：輸出電壓只有兩種可能的情況，+UOM

或-UOM

。集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)：線性區(qū)、非線性區(qū)如右圖所示為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性，它表示輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。一、理想運(yùn)放：為了簡(jiǎn)化分析，在實(shí)際分析過(guò)程中常常把集成運(yùn)放理想化。理想運(yùn)放具有下述的理想?yún)?shù)：3.輸出電阻rod=07.干擾和噪聲均不存在1.開環(huán)電壓增益Aod∞2.差模輸入電阻rid∞4.共模抑制比KCMR∞5.開環(huán)帶寬fH

∞6.轉(zhuǎn)換速率SR∞

由于線性工作時(shí)需引入深度負(fù)反饋,

由第4章深度負(fù)反饋的討論可知: 凈輸入ui=0,(虛短)uP=uN

凈輸入ii=0(虛斷)虛短和虛斷是集成運(yùn)放分析中的兩個(gè)重要概念uoui凈

ii一、比例運(yùn)算電路為提高精度，一般取電壓并聯(lián)負(fù)反饋假設(shè)電路處于深度負(fù)反饋條件下，虛短和虛斷成立1.反相比例運(yùn)算電路利用虛短和虛斷得輸出與輸入反相運(yùn)算放大器輸入端無(wú)共模信號(hào)運(yùn)算電路輸入電阻較小2.同相比例運(yùn)算電路利用虛短和虛斷得運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào)運(yùn)算電路輸入電阻很大輸出與輸入同相一、比例運(yùn)算電路根據(jù)虛短、虛斷和N點(diǎn)的KCL得：若則有（加法運(yùn)算）輸出再接一級(jí)反相電路可得二、加法電路三、減法電路（一）第一級(jí)反相比例第二級(jí)反相加法即當(dāng)時(shí)得（減法運(yùn)算）當(dāng)則若繼續(xù)有則根據(jù)虛短、虛斷和N、P點(diǎn)的KCL得：三、減法電路（二）式中，負(fù)號(hào)表示uO與uS在相位上是相反的。根據(jù)