第六章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用中國石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院

集成電路是60年代初期發(fā)展起來的。采用半導(dǎo)體制造工藝，在一小塊硅的單晶片上制作具有特定功能的電子線路，集成電路與先前用手工或機(jī)械方法制造的電路相比，體積小、重量輕、可靠性高、成本低、使用方便。按集成度可分為六類：小規(guī)模集成電路(SSI，SmallScaleIntegration)中規(guī)模集成電路(MSI，MediumScaleIntegration)大規(guī)模集成電路(LSI，LargeScaleIntegration)超大規(guī)模集成電路(VLSI，VeryLargeScaleIntegration)特大規(guī)模集成電路(ULSI，UltralLargeScaleIntegration)巨大規(guī)模集成電路(GSI，GigaScaleIntegration)

根據(jù)功能與工作機(jī)理不同可分為：數(shù)字集成電路（處理數(shù)字信號）和模擬集成電路（處理模擬信號），在模擬集成電路中，運(yùn)算放大器（早期用于模擬計算機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算）發(fā)展最早，應(yīng)用最廣泛。隨著集成技術(shù)與集成工藝的迅速發(fā)展，其他類型的模擬集成電路也取得了非常大的進(jìn)展，如混頻器、調(diào)制器、寬帶放大器、高頻放大器、功率放大器、電壓比較器、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器等。6.2集成運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器。它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于用于模擬運(yùn)算、信號處理、信號測量、波形轉(zhuǎn)換、自動控制等領(lǐng)域。

集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)算放大器的符號和參數(shù)集成運(yùn)算放大器的理想模型中間級輸入級偏置電路輸出級ui+ui-6.2.1集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)算放大器是一個高增益直接耦合放大電路。采用具有兩個輸入端子的差動放大電路提供增益，通常是共射組態(tài)的放大電路由有較強(qiáng)帶負(fù)載能力的電路組成多數(shù)由恒流源電路組成1.輸入級（1）零點(diǎn)漂移問題

零點(diǎn)放大器的輸入信號為零時的輸出電壓UO。（理想放大器的零點(diǎn)應(yīng)該是恒定不變的）零點(diǎn)漂移對于實(shí)際放大器，當(dāng)放大電路沒有外加信號時，輸出端有緩慢變化的電壓輸出。uoot產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因主要是溫度對三極管的影響。溫度的變化會使三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小而緩慢的變化，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因此，零點(diǎn)漂移也叫溫漂。uoot零點(diǎn)漂移的危害漂移電壓和有效信號電壓無法分辨，嚴(yán)重時，漂移電壓甚至把有效信號電壓淹沒，使放大電路無法正常工作。uoot解決方法輸入級一般采用高性能的差動放大電路，來克服溫度帶來的零點(diǎn)漂移問題。

（2）差動放大電路電路特點(diǎn)由參數(shù)對稱，結(jié)構(gòu)對稱的共射放大電路組成。輸入信號分別由兩個三極管的基極輸入；輸出信號取自兩個管子的集電極之間。++VCC+?ui1uoRB1RC1RS1RLT1+?ui2RB2RC2RS2T2–抑制零點(diǎn)漂移的原理靜態(tài)時：由于電路兩邊完全對稱，則：輸出電壓：++VCC+?ui1uoRB1RC1RS1RLT1+?ui2RB2RC2RS2T2–++VCC+?ui1uoRB1RC1RS1RLT1+?ui2RB2RC2RS2T2–

當(dāng)溫度發(fā)生變化時，將引起兩管集電極電流和集電極電位發(fā)生相同的變化，即輸出電壓的漂移抑制了零點(diǎn)漂移信號輸入方式由于差動放大器有兩個輸入端，所以輸入信號有多種方式。①共模輸入信號指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號，即定義：共模輸入信號

當(dāng)輸入端加共模信號時共模電壓放大倍數(shù)

電源電壓的波動以及由電源引起的工頻干擾都可看成是共模輸入信號，共模信號都是沒有用的信號，應(yīng)該抑制。②差模輸入信號指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相反的信號。即差模輸入信號一般是有用的待放大信號。由于電路結(jié)構(gòu)對稱，放大倍數(shù)相等當(dāng)輸入端加差模信號時：加在兩輸入端的電壓差

差模電壓放大倍數(shù)

++VCC+?ui1uoRB1RC1RS1RLT1+?ui2RB2RC2RS2T2–③比較輸入信號一般我們所用的信號都是比較輸入信號，它是差模信號和共模信號共存的，因此可以將比較輸入信號分解為差模信號和共模信號兩個部分。④共模抑制比KCMR

定義為差模放大倍數(shù)Ad與共模放大倍數(shù)Ac的比值，即或結(jié)論

差動放大電路能放大差模信號，抑制共模信號；

Ad是有用信號的放大倍數(shù)，越大越好；

Ac表明了零漂的程度，越小越好。因此，KCMR越大，說明電路對有用的差模信號的放大能力越強(qiáng)，而對有害的共模信號的抑制能力越強(qiáng)，表明電路的性能越好。2.中間級中間級主要完成電壓的放大任務(wù)，要求有高的電壓增益，一般采用共射極電壓放大器。3.輸出級進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動負(fù)載工作，一般采用互補(bǔ)對稱的功率放大器。6.2.2

集成運(yùn)算放大器的符號和參數(shù)uou–u++–+Auo1.集成運(yùn)算放大器的符號信號傳輸方向?qū)嶋H運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)輸出端同相輸入端：由此端輸入信號，輸出信號與輸入信號同相。反相輸入端：由此端輸入信號，輸出信號與輸入信號反相；LM358123487651out1in-1in+

u-u+2out2in-2in+2.運(yùn)算放大器的主要參數(shù)（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo

無外加反饋時的差模電壓放大倍數(shù)。Auo越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。一般為104～109。uou–u++–+Auouou–u++–+Auo（3）共模抑制比KCMR。

綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于80dB。（2）差模輸入電阻rid

差模信號作用下集成運(yùn)放的開環(huán)（無反饋）輸入電阻。6.2.3集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性、理想模型和分析依據(jù)1.電壓傳輸特性實(shí)際運(yùn)放電壓傳輸特性uooUom–UomUim–Uim線性區(qū)正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)

uou–u++–+Auo若Auo=106±Uom=±15V則±Uim=±0.015mV運(yùn)放要工作在線性區(qū)必須有負(fù)反饋uou–u++–+AuouooUom–UomUim–Uim2.理想運(yùn)放模型1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2）差模輸入電阻3）輸出電阻4）共模抑制比在分析運(yùn)算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：uou–u++–+

uoOUom–Uom3.分析運(yùn)放電路的依據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)

相當(dāng)于兩輸入端之間短路，但又未真正短路，故稱

“虛短”

。

相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱“虛斷”。2）i+＝i–

01）u+

u–

且uo

為有限值，∴

u+

u–∴

i+＝i–

0uou–u++–+

uoOUom–Uom不再成立非線性區(qū)

非線性區(qū)

所以當(dāng)依然成立運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)當(dāng)時，uo發(fā)生躍變時，2）i+＝i–

01）u+

u–uou–u++–+

當(dāng)時，6.2.4放大電路中的負(fù)反饋1.反饋的基本概念

將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部通過反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入端，并參與對放大的控制過程稱反饋。無反饋放大電路框圖有反饋放大電路框圖AF+–AF+–A反饋放大電路的方框圖—輸入信號—凈輸入信號—反饋信號—輸出信號反饋電路基本放大電路比較環(huán)節(jié)若三者同相，電路為負(fù)反饋。則（1）按反饋信號的極性分類及判別負(fù)反饋：引入反饋后，使凈輸入信號削弱的反饋為負(fù)反饋。正反饋：引入反饋后，使凈輸入信號加強(qiáng)的反饋為正反饋。我們按照輸入信號與反饋信號比較的結(jié)果或者按照反饋信號的極性，可以將反饋分為正反饋和負(fù)反饋。2.反饋放大電路的分類及判別F+–A正負(fù)反饋的判別方法——瞬時極性法首先假設(shè)輸入信號為某一極性，一般為“＋”，然后按照基本放大器的性質(zhì)確定輸出信號的極性，再由輸出端通過反饋網(wǎng)絡(luò)返回輸入端，確定反饋信號的極性，最后依據(jù)反饋的正負(fù)極性和上述定義作出結(jié)論。F+–A（2）按輸入端的連接方式分類及判別如果在輸入端反饋信號

以電壓形式疊加，稱為串聯(lián)反饋；

以電流形式疊加，稱為并聯(lián)反饋。根據(jù)反饋信號在輸入端的聯(lián)接方式，負(fù)反饋又可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。判斷方法如下：

凈輸入電壓減小是串聯(lián)負(fù)反饋；

凈輸入電流減小為并聯(lián)負(fù)反饋?；痉糯箅娐贩答伨W(wǎng)絡(luò)Rs+––––+++串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋基本放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)Rs

用電位的瞬時極性判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號為負(fù)反饋

輸入信號和反饋信號加在不同輸入端，為串聯(lián)反饋。

uo+?ui+R1R2RF++??ud++??ufRL

uo+?ui+R1++??ud++??ufRLRF

凈輸入信號為負(fù)反饋

輸入信號和反饋信號均加在反相輸入端，為并聯(lián)反饋。

用電位的瞬時極性判別反饋的正、負(fù)。iiidif

+?+R2?uiR1+RFRLuo+?iiidif

+?+R2?RLRuiR1+RFuRioiR當(dāng)反饋信號取自輸出電壓時，稱為電壓反饋；當(dāng)反饋信號取自輸出電流時，稱為電流反饋。按照反饋信號在輸出端的取樣對象，負(fù)反饋可分為電壓反饋和電流反饋。（3）按輸出端的取樣方式分類及判別基本放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)–+RL取樣網(wǎng)絡(luò)電壓取樣基本放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)–+RL取樣網(wǎng)絡(luò)電流取樣判斷方法如下(輸出短路法)

假設(shè)輸出端短路（RL=0），輸出電壓為零，若反饋信號也為零，此反饋為電壓反饋；若反饋信號不為零，則為電流反饋。電壓電壓

uo+?ui+R1R2RF++??ud++??ufRL

+?+R2?uiR1+RFRLuo+?iiidif例如：當(dāng)ui一定時，若

uo+?ui+R1R2RF++??ud++??ufRL電壓負(fù)反饋的特點(diǎn)是使輸出電壓uo

趨于穩(wěn)定，或者說電壓負(fù)反饋能穩(wěn)定輸出電壓。電流電流iiidif

uo+?ui+R1++??ud++??ufRLRFio

+?+R2?RLRuiR1+RFuRioiR反饋信號直接從運(yùn)放的輸出端引出，為電壓反饋；從負(fù)載電阻RL靠近“地”端引出，是電流反饋。例如：當(dāng)輸入一定時，由于某種原因使輸出電流io下降，則電路進(jìn)行如下的自動調(diào)節(jié)過程：電流負(fù)反饋的特點(diǎn)是使輸出電流io趨于穩(wěn)定。

uo+?ui+R1++??ud++??ufRLRFio電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋6.2.5負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)

uo+?ui+R1R2RF++??RL

+?+R2?uiR1+RFRLuo+?電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋

+?+R2?