第11章 运算放大器

第11章运算放大器

本章教学要求：

1.了解集成运算放大器的基本组成和电压传输特性；

2. 理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响；

3. 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；

4. 理解基本运算电路的工作原理和分析方法；

5. 理解基本电压比较器的组成和电压传输特性；

*6. 了解迟滞电压比较器的组成和电压传输特性；

7. 理解自励振荡的条件，了解用集成运算放大器组成的RC振荡电路的工作原理。

本章总体教学内容

11.1运算放大器的简单介绍

一、集成运放的特点

高增益的多极直接耦合放大器

二、电路构成（F007）

1、集成运算放大电路的组成及各部分的作用

集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如下图所示。

运算放大器方框图

1）输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。

2）中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。

3）互补输出级由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。具体电路参阅功率放大器。

4）偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

2、集成运算放大器的引线和符号

1）集成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…+‟或…IN+‟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异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有…+‟号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还有补偿端和调零端。

2）集成运算放大器的符号

按照国家标准符号如下图所示。

（a）国家标准符号(b)原符号

模拟集成放大器的符号

1、 F007通用集成运放电路简介

三、 集成运放的主要性能指标

运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。 （1） 运算放大器的静态技术指标

1）输入失调电压V IO (input offset voltage) ：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。V IO 是表征运放内部电路对称性的指标。

2）输入失调电流I IO (input offset current)：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

3）输入偏置电流I B (input bias current)：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

4）输入失调电压温漂T

V d d IO ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 5）输入失调电流温漂T I d d IO ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化

量与温度变化量之比值。

6）最大差模输入电压idmax V (maximum differential mode input voltage)：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

7）最大共模输入电压icmax V (maximum common mode input voltage)：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

（2）运算放大器的动态技术指标

1)开环差模电压放大倍数d v A

(open loop voltage gain) ：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

2)差模输入电阻r id (input resistance) ：输入差模信号时，运放的输入电阻。

3)共模抑制比K CMR (common mode rejection ratio) ：与差动放大电路中的定义相同，是差模电压增益

d v A 与共模电压增益c v A 之比，常用分贝数来表示。

K CMR =20lg(A v d / A v c ) (dB)

4)－3dB 带宽f H (—3dB band width) ：运算放大器的差模电压放大倍数d v A 在高频

段下降3dB 所定义的带宽f H 。

5)单位增益带宽f C (BW •G)(unit gain band width)：d v A 下降到1时所对应的频率，

定义为单位增益带宽f C 。

6)转换速率R S (压摆率)(slew rate)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率R S 的表达式为

max

o

R d d t V S =

7)等效输入噪声电压V n (equivalent input noise voltage)：输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。

四、理想分析条件

a) 线性区

⎩⎨

⎧===-+-

+0

I I U U

b) 非线性区

⎪⎩⎪

⎨⎧±===≠-+-+s a t U

U I I U U 00

11.2 放大电路中的负反馈

1、反馈的基本概念 1）什么是反馈

反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。

反馈的示意图见下图所示。反馈信号的传输是反向传输。

开环：放大电路无反馈，信号的传输只能正向从输入端到输出端。

闭环：放大电路有反馈，将输出信号送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。

图示中i X 是输入信号，f X 是反馈信号，i X '

称为净输

入信号。所以有 f i i X X X

-=' 2) 负反馈和正反馈

负反馈：加入反馈后，净输入信号i X '

应用：负反馈能稳定与反馈量成正比的输出量，因而在控制系统中稳压、稳流。 正反馈：加入反馈后，净输入信号i

X ' >i

X ，输出幅度增加。

应用：正反馈提高了增益，常用于波形发生器。 3) 交流反馈和直流反馈

直流反馈：反馈信号只有直流成分； 交流反馈：反馈信号只有交流成分；

交直流反馈：反馈信号既有交流成分又有直流成分。 直流负反馈作用：稳定静态工作点；

交流负反馈作用：从不同方面改善动态技术指标，对Au 、Ri 、Ro 有影响。

2、反馈的判断 1）有无反馈的判断

（1） 是否存在除前向放大通路外，另有输出至输入的通路——即反馈通路； （2） 反馈至输入端不能接地，否则不是反馈。 2）正、负反馈极性的判断之一 —瞬时极性法