计算机电基础计电二版第6章-精选文档

计算机电路基础(第二版)
第6章 集成运算放大器


本章提要 集成运算放大器简称运放。运放的初期是由各种分离元 件构成，用于模拟计算机进行数学运算的电路，故而得 名。20世纪60年代集成运放研制成功，它是把晶体管、 电阻、连接导线等做在一小块半导体基片上，形成不可 分割的固体块，是一种具有差动输入和多级直接耦合电 路的高电压增益、宽频带、高输入电阻和低输出电阻的 放大器。已被广泛应用于通讯、测量、控制、音响、电 视……等诸多领域中。 本章先讨论运放的基本结构和主要性能参数；接着介绍 运放在信号运算和处理方面的典型应用；最后对运放在 使用过程中应注意的若干实际问题作简要介绍。
运放的外形如图6–2所示。早期，大多数产品的封 装形式类似于晶体管，即所谓金属密封圆形外壳封装 [见图6–2(a)]，而现在大多数产品的封装形式是8只脚 或14只脚的双列直插式封装[见图6–2(b)]，为了提高 电子产品的装配密度，采用单列直插式封装[见图6– 2(c)]和微型扁平封装[见图6–2(d)]的形式也开始不断 增加。
运放的内部结构，由于其类型很多，电路也不一样，但其 结构具有共同之处。图6–3表示运放的内部电路原理框 图。图中的输入级一般是由双极型晶体三极管（BJT）、 结型场效应管（JFET）或金属-氧化物-半导体场效应管 （MOSFET）组成的差动放大电路，利用它的对称性可 以提高整个电路的共模抑制比，减小零点漂移和改善其 它方面的性能。它的两个输入端口构成整个电路的反相 输入端和同相输入端。中间级也叫做电压放大级，其主 要作用是提高电压增益，它可由一级或多级带有源负载 的共射极或共基极放大电路组成，汽油源负载可用电流 源电路实现。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随 器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电 路的作用是为各级提供合适而稳定的工作电流，一般由 各种形式的电流源电路组成。此外，运放内部还可能设 置一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路及高 频补偿环节等。
(1)电源电压 这是指能施加于运放电源端子的最大直流电源值。有两种表示 方法：a. 用正、负两种电压表示；b. 用正电压与负电压的差 值表示。 (2)最大差模输入电压Uidmax 这是指运放的反相输入端和同相输入端之间能承受的最大电压 值。 (3)最大共模输入电压Uicmax 这是指在保证运放能正常工作而不被破坏的条件下，运放的反 相或同相输入端与地之间能够承受的最大电压值。 (4)允许功耗Pco 这是指运放有输入信号和接上负载时，在不引起热破坏的条件 下允许消耗的最大功率。 (5)最大输出电流Iomax 这是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出 端短路的电流。 (6)工作温度范围。
Biblioteka 2. “ 虚断路”概念 由于理想运放两个输入端之间的电压Ui＝（UP-UN）＝0， 而输入电阻rid为无限大，根据欧姆定律可知，输入电流Ii＝ Ui/rid＝0。所以，对于理想运放来说，无论是同相输入端还是 反相输入端，都不会有信号电流输入。即 Ip＝In＝0 （6–3） 这相当于运放的两个输入端之间“断路”，但又不是真正的 断路，故称为“虚断路”，简称“虚断”。它表明理想运放的两 个输入端不会从外部电路吸取任何电流。 尽管实际运放事实上并不具备理想条件，但运放一般都具有 很高的输入电阻（rid值在10kΩ～1000kΩ之间），很低的输出 电阻（ro值在50～500Ω之间）和很高的开环差模电压增益（通 常Auo值在1×104～1×106之间），高性能型运放的性能参数 则更加接近理想条件。因此，利用理想运放的“虚短”和“虚断” 概念来分析实际运放电路，其结果一般来说不会引起明显的误差， 更重要的是给分析和计算实际运放电路提供了方便。所以，由理 想运放得出的上述两个重要概念，是分析运放线性电路的基本出 发点。

运放的主要性能参数

了解运放的性能参数，是正确挑选和使用 运放的关键。运放的性能参数较多，归纳如下。 1. 极限参数（最大额定值） 极限参数是指为了保证运放的寿命和性能， 由厂商规定的绝对不能超过的值。运放在使用 中，如果超过了极限参数中的任何一个参数， 都可能会造成永久性破坏或性能变坏。现在生 产的运放，因内部含有保护电路，即使稍微超 过极限参数，也不一定会破坏，但如果引起器 件异常，厂商则不负任何责任。因此，在使用 运放时，仍然需要严格遵守极限参数的规定。 通常有如下一些极限参数：
• 运放的基本结构和主要性能参数



6.1.1 运放的电路符号与基本结构 运放是一个多端器件，典型运放的一般电路符 号如图6–1(a)所示。它有两个输入端，用“-” 和“+”表示，分别代表反相输入端和同相输入 端，一个对地输出端uo；还有一对施加直流电 压的端口U+和U-，分别接入正、负电压源， 用以提供运放内部各元件所需要的功率和传送 给输出端负载的功率。以上五个端口是任何一 种运放都必备的主要端口。另外，还有一些运 放设有接地端、补偿端、调零端等端口。 为电路原理图的简化，通常可将图6–1(a)运放 电路符号简化为图6–1(b)所示。
图6–3 运放内部组成原理框图
典型的741型通用运放的内部电路如图6–4所示。它由24
个晶体管，10个电阻和一个电容所组成。
图6–4 741运放的内部电路图
6.1.2 理想运放的特性 理想运放，也就是其主要性能参数都应当具有理想值的运放。 其理想化条件主要有： 开环差模电压增益 Auo→∞； 开环差模输入电阻 rid→∞； 开环输出电阻 ro→0； 当UN＝UP＝0时，Uo＝0，即没有输入失调现象； 开环带宽 BW→∞； 共模抑制比 Kcmr→∞。 根据上述理想条件，若运放工作在线性区，可建立如下两个 重要概念。 1. “虚短路”概念 设运放的同相和反相输入端的电压分别为UP和UN。当运放 工作在线性区时，有 U ＝ A ( U U ) （6–1） o u o P N 由于Uo为有限值，而理想运放的Auo为无限大，故有Ui＝ （UP-UN）＝0，即 ＝ UN （6–2） UP 这说明理想运放两个输入端的电位相等，相当于同相与反相输入端