1、9.1 集成运放简介集成运放简介9.2 差动放大电路差动放大电路9.3 集成运放中的电流源集成运放中的电流源9.4 集成运放的种类和参数集成运放的种类和参数9.5 使用集成运放应注意的几个问题使用集成运放应注意的几个问题9.6 集成运放的简化模型集成运放的简化模型 了解集成运算放大器的一般概况；理解运了解集成运算放大器的一般概况；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数放的基本结构、组成、符号及主要参数; ;熟熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析
2、；掌握理想化条件对集成运放电路进行分析；掌握集成运放的简化模型。集成运放的简化模型。 9.1 集成运放简介集成运放简介 集成电路（英文简称集成电路（英文简称IC）是）是60年代初发展起来的一种新年代初发展起来的一种新型半导体器件。集成电路体积小，密度大、功耗低、引线型半导体器件。集成电路体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，从而大大提高了电子电路的可靠性与灵活短、外接线少，从而大大提高了电子电路的可靠性与灵活性，减少组装和调整工作量，降低了成本。自性，减少组装和调整工作量，降低了成本。自1959年世界年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了五十多年时上第一块集成电路问世至今，只不过才
3、经历了五十多年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空和计算机中；在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的发展，对调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的发展，对各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作用。各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作
4、用。 9.1.1 集成电路（集成电路（IC） 早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。圆壳式圆壳式 双列双列直插式直插式 扁平式扁平式 单列单列直插式直插式 直插式直插式 单列单列扁平式扁平式 集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但集成运放的型号和种类很
5、多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：它们的基本组成部分相同，如下图所示： 集成运放内部除了上述三个部分，其内部还接有集成运放内部除了上述三个部分，其内部还接有偏置偏置电电路，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。路，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。差动差动输入级输入级中间放大级中间放大级输出级输出级uiu0运放的输入级。利运放的输入级。利用差动放大电路的用差动放大电路的对称特性可提高整对称特性可提高整个电路的共模抑制个电路的共模抑制比和电路性能。比和电路性能。中间级的主要作中间级的主要作用是提高电压增用是提高电压增益。一般由多级益。一般由多级放大电路组成
6、。放大电路组成。输出级常用电压跟输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低随器组成，以降低输出电阻，提高带输出电阻，提高带负载能力。负载能力。偏置电路偏置电路9.1.2 集成运放的组成与特点集成运放的组成与特点集成运算放大器的分类集成运算放大器的分类 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。标能适合于一般性使用。 1. 通用型运算放大器通用型运算放大器集成运放芯片引脚功能及元器件特点集成运放芯片引脚功能及
7、元器件特点图示为常用图示为常用A741集成运放芯片产品实物图集成运放芯片产品实物图A741集成运放的集成运放的8个管脚排列图如下：个管脚排列图如下：12438765调零端调零端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 负电源端负电源端 调零端调零端 输出端输出端 正电源端正电源端 空脚空脚 反相输入端反相输入端A741集成运放图形符号集成运放图形符号U0U+U-A741集成运放外部接线图集成运放外部接线图同相输入端同相输入端12V12V输出端子输出端子调零电位器调零电位器 管脚管脚1和和5分别与调零电位分别与调零电位器的两个固定端相连器的两个固定端相连 调零电位器的可调调零电位器的可调端与
8、管脚端与管脚4相连相连6513724 与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；特性也基本一致；集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆几十千欧姆占
9、用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆几十千欧姆范围内，电容一般为几十微微法拉。电感目前不能集成；范围内，电容一般为几十微微法拉。电感目前不能集成；元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；参数之比值比较精确；纵向纵向NPN管管值较大，占用硅片面积小，容易制造。而值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向横向PNP管的管的值很小，但其值很小，但其PN结的耐压高。结的耐压高。 零点漂移现象零点漂移现象 直接耦合直接耦合的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的变化、电源电压的波动以及
10、元器件老化等原因，使放大电的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称为为，简称零漂或温漂。，简称零漂或温漂。 ui=0RC1R1VT1UCCuO0RC2VT2R2RE2uOt0零漂有时会把零漂有时会把有用信号淹没有用信号淹没9.2 差动放大电路差动放大电路9.2.1 差动放大电
11、路的工作原理差动放大电路的工作原理 为了抑制为了抑制“零漂零漂”，必须采用相应措施，其中最有效的措，必须采用相应措施，其中最有效的措施就是采用差动施就是采用差动放大电路。放大电路。 1. 差模信号和共模信号差模信号和共模信号RC1RC2VCCu0ReVEEui2ui1u02u01VT1VT2 差动放大电路由两个对称的差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中共射基本放大电路组成。其中VT1、VT2是两个特性完全相是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电同的晶体管，两管基极信号电压压ui1、ui2大小相等、相位相反。大小相等、相位相反。 差模信号差模信号RC1RC2VCCu0ReVEE
12、ui2ui1u02u01VT1VT2 差动放大电路这种双端输入方式差动放大电路这种双端输入方式称为称为差模输入差模输入方式，所加信号称为方式，所加信号称为差模信号，差模信号，差模信号是放大电路中差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号需要传输和放大的有用信号，用，用uid表示，数值上等于两管输入信号的表示，数值上等于两管输入信号的差值：差值：uid=ui1 ui2 两个输入端信号之间的差值实际上就是加在多级放大电路两个输入端信号之间的差值实际上就是加在多级放大电路输入级的信号电压，信号电压的差值只要不为零时才能进行输入级的信号电压，信号电压的差值只要不为零时才能进行放大和传输。显然，差动放
13、大电路放大的是两个输入端信号放大和传输。显然，差动放大电路放大的是两个输入端信号的差值，所以又称为的差值，所以又称为。 共模信号共模信号 温度变化、电源电压波动等温度变化、电源电压波动等引起的零漂电压，折合到放大引起的零漂电压，折合到放大电路输入端，相当于在放大电电路输入端，相当于在放大电路输入端加了路输入端加了“共模信号共模信号”，外界电磁干扰对放大电路的影外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了响也相当于在输入端加上了“共模信号共模信号”。可见，所谓的。可见，所谓的。因此，放大电路对共。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。当
14、具有较强的抑制能力。RCRCVCCu0ReVEEui1VT1VT2RBRBRLui1 温度发生变化时，温度发生变化时，差动放差动放大电路输入端相当于加了一大电路输入端相当于加了一个共模信号，此时两管对共个共模信号，此时两管对共模信号产生的电流，其变化模信号产生的电流，其变化规律相同，两管集电极电压规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也双端输出电压始终为零。也就是说，就是说，。因此，。因此，零点漂移被抑制。零点漂移被抑制。RCRCVCCu0ReVEEui1VT1VT2RBRBRLui19.2.2 典型差动放大电路的分析典型差动放大电路的分
15、析RCRCVCCREVEE差动放大电路的直流通道差动放大电路的直流通道VT1VT2RBRB 由于差动电路中两晶体管的集电极由于差动电路中两晶体管的集电极电位和发射极电位分别相等，故此负电位和发射极电位分别相等，故此负载支路中无电流，载支路中无电流，RL支路可拿掉。支路可拿掉。RL 差动电路由于两边对称，所以取一差动电路由于两边对称，所以取一边计算即可。由输入回路可得：边计算即可。由输入回路可得：BCIIEBBEEEB)(RRVVI12于是：于是：)2(ECCEECCCECCCCCRRIVVURIVU输出回路响应为：输出回路响应为： 静态分析静态分析 差模输入下，电路对称点的信差模输入下，电路对
16、称点的信号大小相等，极性相反。由于交号大小相等，极性相反。由于交流下直流信号为零，所以其交流流下直流信号为零，所以其交流通道为：通道为： 由半电路可得其电压放大倍数：由半电路可得其电压放大倍数：beBirRRbeBLCiou)2/(rRRRuuA输入电阻输入电阻CORR 输出电阻：输出电阻：RLRCRCui1VT1VT2RBui2RB2. 动态分析动态分析beBLCu)/(rRRRA2差模放大倍数：差模放大倍数：)(beBiidrRRR22差模输入电阻：差模输入电阻：CoodRRR22差模输出电阻：差模输出电阻：由此看出，双端输入双端输出的差动放大电路的差由此看出，双端输入双端输出的差动放大电
17、路的差模电压放大倍数等于其半电路的放大倍数，相当于一模电压放大倍数等于其半电路的放大倍数，相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。但电路的输入电阻个单管共射放大电路的放大倍数。但电路的输入电阻和输出电阻是半电路的两倍。和输出电阻是半电路的两倍。差动放大电路的类型差动放大电路的类型单端输入差动放大电路的单端输入差动放大电路的差模电压放大倍数仅决定于差模电压放大倍数仅决定于电路的输出形式，其输入电电路的输出形式，其输入电阻和双端输入时一样，但电阻和双端输入时一样，但电路的抑制共模能力同样受输路的抑制共模能力同样受输出形式的影响而降低。出形式的影响而降低。RCRCVCCu0REVEEui1VT1VT2
18、RBRBRL 双端输出情况下，差动放大电路双端输出情况下，差动放大电路两管的输出稳定在静态值，从而有两管的输出稳定在静态值，从而有效地抑制了零点漂移。效地抑制了零点漂移。Re数值越大，数值越大，抑制零漂的作用越强。即使电路处抑制零漂的作用越强。即使电路处于单端输出方式，电路仍有较强的于单端输出方式，电路仍有较强的抑制零漂能力。由于抑制零漂能力。由于Re上流过两倍的上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更好。此外，采用双电极偏置电路更好。此外，采用双电源供电，可以使源供电，可以使UB1UB20，从而，从而使电路可适应正、负两种极性的输入使电路可适应正、
19、负两种极性的输入信号，扩大了应用范围。信号，扩大了应用范围。差动放大电路的共模抑制能力很强，通常用共模抑制比差动放大电路的共模抑制能力很强，通常用共模抑制比KCMR衡量，定义为：衡量，定义为：ucudCMRlogAAK20RCRCVCCu0ReVEEui1VT1VT2RBRBRLui1 已知图示电路中已知图示电路中UCC=12V，UEE=12V，三个三，三个三极管的电流放大倍数极管的电流放大倍数均为均为50，Re=33k，RC=100k，R=10k，RW=200，稳压管的，稳压管的UZ=6V，R1=3k.试估试估算：算：该放大电路的静态工作点该放大电路的静态工作点Q；差模电压放大倍差模电压放大
20、倍数；数；差模输入电阻和差模输出电阻。差模输入电阻和差模输出电阻。 mA16. 0337 . 06eBE3ZEQ3CQ3RUUIImA08. 02CQ3CQ2CQ1IIIV410008. 012CCQCCCQ2CQ1RIUUUmA106 . 150/08. 03CQ1BQ2BQ1IIImV1610106 . 131BQ2BQ1RIUUBQ由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以减小，且增大和减小的数值相同，所以RW
21、上的中点交流上的中点交流电位为零，其交流通路如下图所示：电位为零，其交流通路如下图所示： 2/)1 (1WbeCURrRRA1571 . 0518 .161010050k8 .165120026)1 (200EQIrbe可得电路中电压增益为：可得电路中电压增益为： 式中：式中：对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当提高首先应当提高Re的数值。但集成电路中不易制作大阻值的电的数值。但集成电路中不易制作大阻值的电阻，因为静态工作点不变时，加大阻，因为静态工作点不变时，加大Re的数值，势必增加其直的数值，势必增加其直流压降，提高电源流压降
22、，提高电源VEE的数值，采用过高数值的的数值，采用过高数值的VEE显然是显然是不可取的。采用恒流源代替电阻不可取的。采用恒流源代替电阻Re，不但可以大大提高电路，不但可以大大提高电路的共模抑制比，还可减小其直流压降；而且作为有源负载，的共模抑制比，还可减小其直流压降；而且作为有源负载，能够明显提高电路的电压增益。能够明显提高电路的电压增益。由单边电路的交流分析可得：由单边电路的交流分析可得： k8 .63 1 . 0518 .161022)1 (2Wbei1RrRrk20010022o1CRr（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 其数值很高，一般约为其数值很高，一般约为104107。
23、该值反映了输出电压。该值反映了输出电压U0与输入电压与输入电压U和和U之间的关系。之间的关系。（2）差模输入电阻）差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。（3）闭环输出电阻）闭环输出电阻r0 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，电压时，运
24、放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。甚至造成器件损坏。（4）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax9.4.2 集成运放的主要参数集成运放的主要参数9.6 集成运放的简化模型集成运放的简化模型 为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：开环电压放大倍数开环电压放大倍数Au0=差模输入电阻差模输入电阻ri=输出电阻输出电阻r0=0共模抑制比共模抑制比KCMR=集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性理想特性理想特性ui(mV)0u
25、0(V)实际特性实际特性 根据集成运放的实际特性和根据集成运放的实际特性和理想特性，可分别画出其相应理想特性，可分别画出其相应的电压传输特性。的电压传输特性。集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系 可以看出，当集成运放工作可以看出，当集成运放工作在线性区在线性区(+U0M U0M)时，其时，其实际特性与理想特性非常接近；实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在也足以让运放工作在饱和状态饱和状态，使输出电压使输出电压保持稳定保
26、持稳定。)(Au00UUU集成运放工作在线性区的特点集成运放工作在线性区的特点由由)(Au00UUU可知，理想运放工作在线性区时，输可知，理想运放工作在线性区时，输出电压出电压U0与输入电压与输入电压Ui之间是线性放大关系。之间是线性放大关系。因因Au0=，所以可导出，所以可导出0Au00UUU运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 ，UU即即理想运放的两个输入端电位相等理想运放的两个输入端电位相等。 两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为正短接，但却具有短接的现象称为“虚短虚短”。 又由于理想运放的差模输入电阻又由于理想运放的差模输入电阻ri=，所以可近似地认为，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入两个输入端均无电流流入。这种现象称为。这种现象称为“虚断虚断”。 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是运放工作在线性区的两个重要结是运放工作在线性区的两个重要结论。论。认真复习，加强练习，认真复习，加强练习， 巩固成果，学以致用！巩固成果，学以致用！
