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第 4 章 集成运算放大器及其基本应用电路

v o =. 第 4 章 集成运算放大器及其基本应用电路. 4.1 基本概念 1 ．什么是集成运放 Operation Amplifier (OPA) 多级、直接耦合、高增益集成电路。. ＋：同相输入端 －：反相输入端. A VD ( V P - V N ). A VD : 开环差模增益 A VD > 0. - A VD ( V N - V P ). 2. 理想运算放大器 (1) 高增益 A V = ∞ (2) 失调小 R i = ∞ (3) 恒压输出 R O = 0

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第 4 章 集成运算放大器及其基本应用电路

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  1. vo= 第4章 集成运算放大器及其基本应用电路 4.1 基本概念 1．什么是集成运放 Operation Amplifier (OPA) • 多级、直接耦合、高增益集成电路。 ＋：同相输入端 －：反相输入端 AVD( VP - VN ) AVD : 开环差模增益 AVD > 0 -AVD( VN - VP )

  2. 2. 理想运算放大器 (1) 高增益 AV = ∞ (2) 失调小 Ri = ∞ (3) 恒压输出 RO= 0 (4) 频带宽 BW = ∞ (5) 零输入零输出 VP=VN时 VO=0 (6) 没有温度漂移 KCMR = ∞ 3. 输入级的选择 (1) 直接耦合 (2) 零点漂移问题 (3) 差动输入级的优点: • 抑制零点漂移; • 输入失调小; • 输入阻抗高。

  3. v N 中间 差分 v 输出级 o 输入级 放大级 v P 直流偏置 集成运放的典型组成框图 4．OPA的组成 (1) 差动输入级 （组合电路） (2) 中间级 （提供高增益，CE） (3) 输出级 （互补输出） (4) 附加电路 (直流偏置、相位补偿、调零电路等）

  4. VOH 正向饱和 v = o VOL 负向饱和 (1)静态 vID=0 ； vO=0 零入零出 (2)放大区 （线性区）窄！ 5. 传输特性（差放特性） 线性应用 VOL/AVD<VID<VOH/AVD (3)限幅区 非线性应用

  5. 理想运放的条件 虚短路 虚开路 附:在分析信号运算电路时对运放的处理 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。 运放工作在线性区的特点 放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。

  6. R2 i2 i1  _  ui uo + R1 + RP 一、反相比例运算电路 1. 放大倍数 虚开路 虚短路 i1= i2 虚开路

  7. R2  _  ui i2 + R1 i1 + RP 平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。 2. 电路的输入电阻 ri=R1 uo RP =R1// R2 为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，

  8. R2  _  ui i2 + R1 i1 + RP 电位为0，虚地 3. 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小！ 4. 共模电压 输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。

  9. 反相比例电路的特点： 1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。 2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。 3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。

  10. R2  _  uo + R1 ui + RP 虚短路 二、同相比例运算电路 虚开路 u-= u+= ui 虚开路 结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。 反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。

  11. 同相比例电路的特点： 1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。 2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。 3. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。

  12. _  uo + ui + 三、电压跟随器 结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。 此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。

  13. R2 R11 ui1 R12  _ ui2 uo + + RP 一、反相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。

  14. R2 R11 ui1 i12 iF i11 R12  _ ui2 uo + + RP 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。

  15. R1 RF uo - R21 + ui1 + R22 ui2 二、同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。

  16. u+ 与ui1和 ui2 的关系如何？ R1 RF uo - R21 + ui1 + R22 ui2 此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为： 流入运放输入端的电流为0（虚开路） 注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。

  17. R1 RF uo - R21 + ui1 + R22 ui2 R´ 左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？ 提示： 1. 虚开路：流入同相端的电流为0。 2. 节点电位法求u+。

  18. R5 R1 ui1 R2  _ ui2 uo + R3 + ui3 R4 R6 ui4 三、单运放的加减运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。

  19. R2  _  uo ui1 + R1 ui2 + R1 R2 单运放的加减运算电路的特例：差动放大器 解出：

  20. R2  _  uo ui1 + R1 ui2 + R1 R2 差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）, 这是由于反相输入造成的。

  21. ui1 uo1 R2 R R1 a uo – + A RW + b R + R1 R2 – + A + A ui2 uo2 + 三运放电路

  22. ui1 uo1 R a RW b R + – + A + A ui2 uo2 + 虚短路： 虚开路：

  23. uo1 R2 R1 uo – + A + R1 R2 uo2 • 三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。 • 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。

  24. E=+5V R2 R1 R uo R R ui RW R R2 R1 R Rt + _ + + + A2 + + A3 A1 例：由三运放放大器组成的温度测量电路。 集成化:仪表放大器 Rt：热敏电阻

  25. E=+5V R2 R1 R uo R R ui RW R R2 R1 R Rt + _ + + + A2 + + A3 A1 Rt=f (T°C)

  26. iF R i1 C u i – uo + + R2 ui 若输入： 则： t 0 uo 0 t 一、微分运算 u–= u+= 0

  27. iF C i1 R ui - uo + + ui uo R2 应用举例1： t t 0 0 二、积分运算 输入方波，输出是三角波。

  28. 4.2 集成运放(OPA)的主要参数 五类： 输入失调参数 开环差模参数 开环共模参数 大信号特性参数 电源特性参数 1．输入失调参数 • 是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。 (1) 输入失调电压VIO与温漂dVIO/dT VIO----- dVIO/dT----- (2) 输入失调电流IIO与温漂dIIO/dT IIO =IBP－IBN dIIO/dT----- (3) 输入偏置电流IIB IIB＝ （IBN＋IBP〕/ 2

  29. 2. 差模特性参数 AvD(开环)、Rid、fH、VIDM、BWG(单位增益带宽) 3. 共模特性参数 KCMR、Ric、VICM 4. 大信号特性参数 (1) 转换速率SR（摆率） 定义: 是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。 (2) 全功率带宽BWP 定义: 是在额定负载和全功率输出（Vom）时最大不失真频率。

  30. 4.1.1 集成运放的主要直流和低频参数 (自学) 4.1.1.1 输入失调电压VIO 集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压称为输入失调电压VIO 4.1.1.2 输入失调电压的温度系数 aVIO 一定温度范围内，失调电压的变化和温度变化的比值定义为aVIO，习惯称为温度漂移

  31. 4.1.1.3 输入偏置电流IIB 运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的平均 值定义为输入偏置电流。 4.1.1.4 输入失调电流IIO及其温度系数aIIO 运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的差 值定义为输入失调电流 4.1.1.5 差模开环电压增益Avd 在标称电源电压及规定负载下，运放工作在线性区时，其输出电压变化与输入电压变化量之比定义为Avd 运放的Avd在60～180dB之间

  32. 4.1.1.6 共模抑制比KCMR 用dB表示： 4.1.1.7 电源电压抑制比KSVR 运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率 定义为电源电压抑制比

  33. 4.1.1.8 最大差模输入电压VIdm 是运放两输入端允许加的最大电压差，超过Vidm， 运放的输入级对管减被反向击穿，甚至损坏。 4.1.1.9 最大共模输入电压VIcm 是运放共模抑制特性明显恶化时的共模输入电压值 可定义为，在标称电源电压下，将运放接成电压跟 随器时输出产生1％的跟随误差的输入电压值；或 定义为KCMR下降6dB时所加的共模输入电压值 4.1.1.10 输出峰－峰电压Vop－p 在标称电源电压及指定负载下，运放输出的低频交流 电压负峰－正峰的值，有时称为输出摆幅。

  34. 4.1.2 集成运放的主要交流参数 (自学) 4.1.2.1 开环带宽BW 在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从 直流增益下降3dB所对应的信号频率定义为BW 4.1.2.2 单位增益带宽BWG 运放的低频闭环增益为1及正弦小信号激励下，闭环增益 随频率从1下降到0.707所对应的频率定义为BWG

  35. 4.1.2.3 转换速率SR（有时称为压摆率）

  36. 4.1.2.4 全功率带宽BWP 在运放闭环电压增益为1，输入正弦大信号，指定负载和 指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时 的信号频率，定义为BWP，BWP简称功率带宽。BWP受 SR的限制，它们之间的关系可近似表示为： 式中：Vom是运放输出电压幅度最大值

  37. 4.1.2.5 建立时间tset 在运放闭环电压增益为1，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为tset

  38. 4.1.2.6 等效输入噪声电压en和电流in 屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形 无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换 算到输入端时简称为等效输入噪声电压en或等效输入噪 声电流in

  39. 4.2.1.2 典型集成运放电路741 p179

  40. 1．组成 • (1)输入级 • 1．组成 • (2) 中间级 • 1．组成 • (3)输出级 2．直流偏置 (1) 主偏置电路 2．直流偏置 (2) 输入级 2．直流偏置 (4) 输出级 2．直流偏置 (3) 中间级 双极型运放 通用F007（μA741）

  41. (1)AV高； (2)Rid大； (3)fH低； (4)VIDM, VICM大 特点 (5)过流保护；（正半周；负半周） (6)动态范围大 (8)调零端① 、⑤ (7)内部有CC（相位补偿）；

  42. 4.6 集成运放的等效模型及运算特性 4.6.1 理想集成运放及其等效模型 理想集成运放具有以下主要特征 （1）输入失调电压VIO，及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零 （2）输入偏置电流IIB，失调电流IIO及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零 （3）等效输入噪声电压及其噪声电流为零 （4）输出电阻Ro＝0 （5）开环差模电压增益为无限大 （6）开环差模输入电阻为无限大 （7）共模输入电阻及共模抑制比为无限大 （8）（－3dB)带宽为无限大 （9）转换速率SR为无限大

  43. 理想集成运放的等效模型

  44. 理想集成运放构成的反相电路

  45. 理想集成运放构成的同相电路

  46. 4.6.2 实际集成运放的等效模型及运算特性

  47. 本章要求 1．掌握OPA的主要指标（含义、数值（量级））； 2．掌握OPA线性、非线性两种应用的条件、特点，会用两点结论分析应用电路。 3．掌握理想运放的条件 4. 掌握模拟运算电路（电路形式、分析方法、函数关系、特点）；

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