大学电子电路基础 第五章
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第五章 集成运算放大器及其应用
Hale Waihona Puke Baidu
5.1 集成电路与集成运算放大器简介 5.2 差动放大电路 5.3 集成运算放大器内部电路简介 5.4 集成运算放大器的主要参数 5.5 理想集成运算放大器及符号 5.6 反馈在集成运放中的应用 5.7 频率特性的基本概念 5.8 集成运放的线性应用 5.9 集成运放的非线性应用 5.10 正弦波发生器
Avvf
X o Vo Avv X i Vi 1 Avv Fvv
X f Vf 反馈系数：F vv X o Vo
Fvv
R1 Rf R1
（2） 电压并联负反馈
Avi Vo / I 'i Avif Vo / I i F iv I f /Vo
多个三极管的工作点电流， 即可构成多路电流源。图中 一个基准电流IREF可获得多个 恒定电流 IC2、IC3。
多路电流源
5.4 集成运算放大器的主要参数
1.开环差模电压增 2.共模抑制比
K CMR Avd Avc
K CMR
Avd dB 20 lg Avc
3.差模输入电阻 4.输出电阻
5.5.2
集成运放的电压传输特性
5.5.2
集成运放的理想化模型
一.理想运放的技术指标
1.开环差模电压放大倍数Ad=，实际上Ad≥80dB即可。
2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻 大2～3个量级即可。 3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小 1～2个量级即可。 4.带宽足够宽。 5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都 可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个 技术指标明显下降即可。
Avif 称为互阻增益， F iv 称为互导反馈系数,Avi Fiv
而电压增益为:
5.6 反馈在集成运放中的应用
5.6.1、反馈的基本概念及判别方法
在实用放大电路中，几乎都要引入这样或那样的反馈， 以改善放大电路某些方面的性能。因此掌握反馈的基 本概念及判断方法是研究实用电路的基础。 1.什么是反馈？ 在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流） 的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路， 用来影响其输入量（输入电压或输入电流）的措施称 为反馈。 反馈的目的是通过输出对输入的影响来改善系统的 运行状况及控制效果。
rbe
差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 Rid是基本放大电路的两倍。
Rid 2Rs rbe
输出电阻
单端输出时， 双端输出时，
Ro Rc Ro 2Rc
5.3 集成运算放大器内部电路结构
5.3.1集成运算放大器的基本单元电路
1.电 流 源 电路
特点：输出电流恒定，它具有很高的输出电阻。 （1）、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒 流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 （2）、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 （3）、电流源电路一般都加有电流负反馈， （4）、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电 路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。
Aoc1越小，抑制共模信号的能力越强。
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
K CMR
K CMR
Aod Aoc
Aod dB 20 lg Aoc
(1) 双端输出时KCMR为无穷大
K
CMR
A A
od
oc
（2）单端输出时共模抑制比 re
K
CMR
A A
od 1
oc1
3.直流反馈与交流反馈的判断 根据直流反馈与交流反馈的定义，可以通过反馈存 在于放大电路的直流通路还是交流通路之中， 来判断电路引入的是直流反馈还是交流反馈
5.6.3 四种反馈组态
反馈网络连接放大电路的输出回路与输入回路，并且影响着反 馈量。寻找出负反馈放大电路的反馈网络，便可以根据定义求 出反馈系数。 （1）电压串联负反馈 对于电压串联负反馈，在输入端是输入电压和反馈电 压相减，所以
2.反馈极性的判断 瞬时极性法是判断电路中反馈极性的基本方法。 规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据， 逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得 到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的 极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈 信号使基本放大电路的净输入信号增大，则说明引入了正反 馈；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则说明 引入了负反馈。
其中：基准电流
镜像电流源
I R 是稳定的，故输出电流 I C 2 也是稳定的。
3、微电流源
微电流源电路,接入Re2电阻得到一个 比基准电流小许多倍的微电流源，适用微 功耗的集成电路和集成放大器的前臵级中 。
VBE 1 VBE 2 VBE I E 2 Re 2
IC 2 I E 2 VBE Re 2
集成电路的封装形式
5.1.4
集成运算放大器及其基本组成
集成运算放大器是一种高电压增益，高输入 电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
运算放大器方框图
1.输入级 使用高性能的差动放大电路，它 必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端 输入的形式。
2.中间级 是整个电路的主放大器，起作 用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射 射放大电路。 3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或 复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或 电流。常用互补对称输出电路。 4.偏臵电路 提供稳定的几乎不随温度 而变化的偏臵电流，以稳定工作点。常用电流 源电路组成。
因两三极管基极对地电位相等，于是有
V BE1 I E1 R e1 = V BE2 I E2 R e2 因 V V BE2 BE1
I E1 R e1 I E2 Re2 I C2 R e1 I E2 R e1 IR R e2 I R
E1 e2
比例式电流源
5.、多路电流源
通过一个基准电流源稳定
越大越好 越小越好
5.5 理想集成运算放大器及符号
5.5.1集成运放的符号
运算放大器的符号中有三个引线端，两个输 入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输 入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’表示； 另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性 与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的 另一侧，在符号边框内标有‘+’号。
5.2.2 差模放大倍数
差动放大电路有两个输出端—集电极 C1和集电极C2。 若信号从C1和C2输出，则称为双 端输出，反之，若信号仅从集电极 C1 或C2 对地输出，则称为单端输出。 双端输入、双端输出
AOD
vo vo1 vo 2 2vo1 RC vid vi1 vi 2 2vid rbe 1 RC AOD1 AOD 2 2rbe
(2)虚断
由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。 因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端 外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输 入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析 运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一 特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断 路。 下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。
1. 元器件参数的误差大，受温度的影响大，但 对称性好。 2. 由于电路中的元件都制造在同一块硅片上， 相互间靠的很近，温度差别很小，所以同一类 元器件的温度特性也基本相同。 3.电阻和电容由于受制造工艺的限制，数值不 能很大。 4. 集成电路中晶体管用的较多，电阻电容用的 较少。
5.1.3
5.2 差动放大电路
差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路，由两个 特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。
5.2.1差动放大电路工作情况 1.零点漂移的抑制
零点漂移
——当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。
在差动电路中，温度的变化， 电源电压的波动都会引起两管集电 极电流、集电极电压的变化，由于
2、镜像电流源
三极管T1 、 T2性能完全相同 1 2 VBE1 VBE 2 VBE , 则
IR IC1 2 IB IC2 2 IB I C 2 (1 2
)
V CC V BE 且 IR ，当 2 时 , R I C 2 I R ， I C2 和 I R 是镜像关系。
I i I f I 'i
具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲
Avi Vo Avif I i 1 Avi Fiv
电压并联负反馈
相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为
Avif 1 Fiv
Vo / Rf 1 Fiv Vo Rf
集成电路：将电路的元器件和连线制作在同一硅片上。
5.1
集成电路与集成运算放大器简介
5.1.1 集成电路的分类 根据集成度的高低：小规模、中规模、大规模 和超大规模
根据导电类型：双极型（BJT）集成电路和单 极型（MOS）集成电路
根据功能不同：模拟集成电路和数字集成电路
5.1.2 集成电路中元器件的特点
例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍 数的表达式。
解： 根据虚断 I-= I+ 0
根据虚短 V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 If = (V-－ Vo )/Rf -Vo/Rf ∵Ii If ∴ Vi/R1=-Vo/Rf
反相比例运算电路
II+
电压增益 Avf= Vo /Vi =－Rf /R1
电路对称，在理想的情况下，输出
电压不变，从而抑制了零点漂移。
2.信号的输入
共模信号 ：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相同的信号。 差模信号：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相反的信号。 差动信号 ：两个输入端既有差模 信号又有共模信号。
差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。
二、理想运放的工作特性
理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个 特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用， 运放必须在闭环(负反馈）下工作。 (1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以上。而运 放的输出电压是有限的，一般在10 V～14 V。因此运放的差模 输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两 输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不 能将两输入端真正短路。
REF
IC2 远小于IREF , I
V CC
R。
当R取几k 时， IREF 为mA量级， 而IC2可降至A量级的微电流源。且
IC2 的稳定性也比IREF的稳定性好。
微电流源
4、比例式电流源
在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使
两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例 电流源。
双端输入、单端输出
加负载电阻RL
AOD
RL rbe
RL 式中：RL RC // 2
5.2.3
共模电压放大倍数
（1）双端输出时：
Aoc voc1 voc 2
v
ic
0
共模电压增益越小， 放大电路的性能越好。
（2）单端输出时：
v A v
oc1
oc1 ic
RC RC r be 1 2re 2re
2.正反馈与负反馈 根据反馈的效果来分，使放大电路净输入量增大的反馈称正 反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称负反馈。 3.直流反馈与交流反馈 如果反馈量只含有直流量，则称为直流反馈。 如果反馈量只含有交流量，则称为交流反馈。
5.6.2、反馈的判断
1.有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的 通路，并由此影响放大电路的净输入量，则表明电 路引入了反馈；否则电路便没有反馈。
Hale Waihona Puke Baidu
5.1 集成电路与集成运算放大器简介 5.2 差动放大电路 5.3 集成运算放大器内部电路简介 5.4 集成运算放大器的主要参数 5.5 理想集成运算放大器及符号 5.6 反馈在集成运放中的应用 5.7 频率特性的基本概念 5.8 集成运放的线性应用 5.9 集成运放的非线性应用 5.10 正弦波发生器
Avvf
X o Vo Avv X i Vi 1 Avv Fvv
X f Vf 反馈系数：F vv X o Vo
Fvv
R1 Rf R1
（2） 电压并联负反馈
Avi Vo / I 'i Avif Vo / I i F iv I f /Vo
多个三极管的工作点电流， 即可构成多路电流源。图中 一个基准电流IREF可获得多个 恒定电流 IC2、IC3。
多路电流源
5.4 集成运算放大器的主要参数
1.开环差模电压增 2.共模抑制比
K CMR Avd Avc
K CMR
Avd dB 20 lg Avc
3.差模输入电阻 4.输出电阻
5.5.2
集成运放的电压传输特性
5.5.2
集成运放的理想化模型
一.理想运放的技术指标
1.开环差模电压放大倍数Ad=，实际上Ad≥80dB即可。
2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻 大2～3个量级即可。 3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小 1～2个量级即可。 4.带宽足够宽。 5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都 可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个 技术指标明显下降即可。
Avif 称为互阻增益， F iv 称为互导反馈系数,Avi Fiv
而电压增益为:
5.6 反馈在集成运放中的应用
5.6.1、反馈的基本概念及判别方法
在实用放大电路中，几乎都要引入这样或那样的反馈， 以改善放大电路某些方面的性能。因此掌握反馈的基 本概念及判断方法是研究实用电路的基础。 1.什么是反馈？ 在电子电路中，将输出量（输出电压或输出电流） 的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路， 用来影响其输入量（输入电压或输入电流）的措施称 为反馈。 反馈的目的是通过输出对输入的影响来改善系统的 运行状况及控制效果。
rbe
差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 Rid是基本放大电路的两倍。
Rid 2Rs rbe
输出电阻
单端输出时， 双端输出时，
Ro Rc Ro 2Rc
5.3 集成运算放大器内部电路结构
5.3.1集成运算放大器的基本单元电路
1.电 流 源 电路
特点：输出电流恒定，它具有很高的输出电阻。 （1）、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒 流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 （2）、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 （3）、电流源电路一般都加有电流负反馈， （4）、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电 路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。
Aoc1越小，抑制共模信号的能力越强。
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
K CMR
K CMR
Aod Aoc
Aod dB 20 lg Aoc
(1) 双端输出时KCMR为无穷大
K
CMR
A A
od
oc
（2）单端输出时共模抑制比 re
K
CMR
A A
od 1
oc1
3.直流反馈与交流反馈的判断 根据直流反馈与交流反馈的定义，可以通过反馈存 在于放大电路的直流通路还是交流通路之中， 来判断电路引入的是直流反馈还是交流反馈
5.6.3 四种反馈组态
反馈网络连接放大电路的输出回路与输入回路，并且影响着反 馈量。寻找出负反馈放大电路的反馈网络，便可以根据定义求 出反馈系数。 （1）电压串联负反馈 对于电压串联负反馈，在输入端是输入电压和反馈电 压相减，所以
2.反馈极性的判断 瞬时极性法是判断电路中反馈极性的基本方法。 规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据， 逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得 到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的 极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈 信号使基本放大电路的净输入信号增大，则说明引入了正反 馈；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则说明 引入了负反馈。
其中：基准电流
镜像电流源
I R 是稳定的，故输出电流 I C 2 也是稳定的。
3、微电流源
微电流源电路,接入Re2电阻得到一个 比基准电流小许多倍的微电流源，适用微 功耗的集成电路和集成放大器的前臵级中 。
VBE 1 VBE 2 VBE I E 2 Re 2
IC 2 I E 2 VBE Re 2
集成电路的封装形式
5.1.4
集成运算放大器及其基本组成
集成运算放大器是一种高电压增益，高输入 电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
运算放大器方框图
1.输入级 使用高性能的差动放大电路，它 必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端 输入的形式。
2.中间级 是整个电路的主放大器，起作 用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射 射放大电路。 3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或 复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或 电流。常用互补对称输出电路。 4.偏臵电路 提供稳定的几乎不随温度 而变化的偏臵电流，以稳定工作点。常用电流 源电路组成。
因两三极管基极对地电位相等，于是有
V BE1 I E1 R e1 = V BE2 I E2 R e2 因 V V BE2 BE1
I E1 R e1 I E2 Re2 I C2 R e1 I E2 R e1 IR R e2 I R
E1 e2
比例式电流源
5.、多路电流源
通过一个基准电流源稳定
越大越好 越小越好
5.5 理想集成运算放大器及符号
5.5.1集成运放的符号
运算放大器的符号中有三个引线端，两个输 入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输 入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’表示； 另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性 与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的 另一侧，在符号边框内标有‘+’号。
5.2.2 差模放大倍数
差动放大电路有两个输出端—集电极 C1和集电极C2。 若信号从C1和C2输出，则称为双 端输出，反之，若信号仅从集电极 C1 或C2 对地输出，则称为单端输出。 双端输入、双端输出
AOD
vo vo1 vo 2 2vo1 RC vid vi1 vi 2 2vid rbe 1 RC AOD1 AOD 2 2rbe
(2)虚断
由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。 因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端 外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输 入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析 运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一 特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断 路。 下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。
1. 元器件参数的误差大，受温度的影响大，但 对称性好。 2. 由于电路中的元件都制造在同一块硅片上， 相互间靠的很近，温度差别很小，所以同一类 元器件的温度特性也基本相同。 3.电阻和电容由于受制造工艺的限制，数值不 能很大。 4. 集成电路中晶体管用的较多，电阻电容用的 较少。
5.1.3
5.2 差动放大电路
差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路，由两个 特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。
5.2.1差动放大电路工作情况 1.零点漂移的抑制
零点漂移
——当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。
在差动电路中，温度的变化， 电源电压的波动都会引起两管集电 极电流、集电极电压的变化，由于
2、镜像电流源
三极管T1 、 T2性能完全相同 1 2 VBE1 VBE 2 VBE , 则
IR IC1 2 IB IC2 2 IB I C 2 (1 2
)
V CC V BE 且 IR ，当 2 时 , R I C 2 I R ， I C2 和 I R 是镜像关系。
I i I f I 'i
具有电阻的量纲 具有电阻的量纲 具有电导的量纲
Avi Vo Avif I i 1 Avi Fiv
电压并联负反馈
相乘无量纲。对于深度负反馈，互阻增益为
Avif 1 Fiv
Vo / Rf 1 Fiv Vo Rf
集成电路：将电路的元器件和连线制作在同一硅片上。
5.1
集成电路与集成运算放大器简介
5.1.1 集成电路的分类 根据集成度的高低：小规模、中规模、大规模 和超大规模
根据导电类型：双极型（BJT）集成电路和单 极型（MOS）集成电路
根据功能不同：模拟集成电路和数字集成电路
5.1.2 集成电路中元器件的特点
例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍 数的表达式。
解： 根据虚断 I-= I+ 0
根据虚短 V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 If = (V-－ Vo )/Rf -Vo/Rf ∵Ii If ∴ Vi/R1=-Vo/Rf
反相比例运算电路
II+
电压增益 Avf= Vo /Vi =－Rf /R1
电路对称，在理想的情况下，输出
电压不变，从而抑制了零点漂移。
2.信号的输入
共模信号 ：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相同的信号。 差模信号：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相反的信号。 差动信号 ：两个输入端既有差模 信号又有共模信号。
差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。
二、理想运放的工作特性
理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个 特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用， 运放必须在闭环(负反馈）下工作。 (1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以上。而运 放的输出电压是有限的，一般在10 V～14 V。因此运放的差模 输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两 输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不 能将两输入端真正短路。
REF
IC2 远小于IREF , I
V CC
R。
当R取几k 时， IREF 为mA量级， 而IC2可降至A量级的微电流源。且
IC2 的稳定性也比IREF的稳定性好。
微电流源
4、比例式电流源
在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使
两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例 电流源。
双端输入、单端输出
加负载电阻RL
AOD
RL rbe
RL 式中：RL RC // 2
5.2.3
共模电压放大倍数
（1）双端输出时：
Aoc voc1 voc 2
v
ic
0
共模电压增益越小， 放大电路的性能越好。
（2）单端输出时：
v A v
oc1
oc1 ic
RC RC r be 1 2re 2re
2.正反馈与负反馈 根据反馈的效果来分，使放大电路净输入量增大的反馈称正 反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称负反馈。 3.直流反馈与交流反馈 如果反馈量只含有直流量，则称为直流反馈。 如果反馈量只含有交流量，则称为交流反馈。
5.6.2、反馈的判断
1.有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的 通路，并由此影响放大电路的净输入量，则表明电 路引入了反馈；否则电路便没有反馈。