第四章 集成运算放大器(36)

第四章集成运算放大器

运算放大器简称运放，它是一种高增益直流放大器，因最初用于模拟计算机中进行各种数学运算而得名。如果将整个运算放大器制在一小块硅片上，就成了集成运算放大器。

集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点，在电子技术中的应用非常广泛。

§4-1 集成运放的组成与性能

一、集成运算放大器的组成

1.集成运放的基本组成及各组成部分的特点和作用

a.集成运放的组成方框图如图4-1(a)所示。

b.各组成部分的特点和作用：

(1)输入级一般采用差动放大电路，其特点是输入阻抗高、零漂小、抗共模干扰信号的能力强。

(2)中间级一般由共发射极放大电路构成，其主要作用是进行高增益的电压放大。

(3)输出级一般由互补对称电路或射极跟随器构成，其特点是输出阻抗低、带负载的能力强、能够输出足够大的电压与电流。

(4)偏臵电路一般由各种恒流源电路构成，其作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏臵电流，决定各级的静态工作点。

(5)为防止输入信号过大或输出端短路，在集成运放中还设臵有过电流保护电路。

2.集成运放的电路符号

a.集成运放的电路符号如图4-1(b)所示。箭头所指方向是信号的正向传输方向;“∞”表示放大倍数很

大;它有两个输入端，一个是同相输入端、一个是反相输入端，输出端的电压相位与同相输入端的相同。

b.在集成运放的电路符号中，一般没有将正、负电源的连接端以及调零端、相位补偿端画出来。但在实际电路中这些端子都是非常重要的。

c.在应用集成运放时，重要的是掌握它各个管脚的用途及它的主要性能指标，至于它内部电路的结构如何，可以不去关注。

3.集成运放的分类：常用的集成运放有通用型、低功耗型、高精度型、高输入阻抗型、高速型、宽带型和高压型等。各种集成运放的性能详见教材的附录四。

二、集成运算放大器的主要性能指标

为了正确挑选和使用集成运放，需对集成运放的主要性能指标有所了解。

1.输入失调电压U IO：

a.理想集成运放无失调，实际集成运放存在失调现象（即输入的零时，输出不为零）。

b.输入失调电压U IO的定义：为了使集成运放的输出电压为零，而加在其输入端的直流补偿电压（输入这个直流补偿电压后，输出电压将为零），叫做集成运放的输入失调电压U IO。（U

IO

＝U os/A ud，U os是输入电压为零时的输出电压，A ud为集成运放的电压增益。）

c. U IO的大小反映了差动输入级的对称程度，U IO越大，集成运放的对称性越差。

2.输入失调电流I IO：

a. I IO就是无输入信号时，两个输入端的静态电流I＋与I－之差，即I IO＝I＋－I－。

b. I IO是由差动输入级两个晶体管的β值不一致而引起的。

3.开环电压增益A ud：

a.定义：运放开环运用（无外接反馈电路）时

。

b.运放的电压增益一般都很大。

4.差模输入电阻r id和开环输出电阻r o：

a.差模输入电阻r id：

(1)定义：r id是运放输入差模信号时，从两个输入端看进去的等效电阻，其值越大越好。

(2)双极型晶体管输入级的r id值为104～106Ω，单极型场效应管输入级的r id值可达109Ω以上。

b.开环输出电阻r o：r o是运放开环运用时，从输出端与地之间看进去的等效电阻，一般在几百欧姆之内。

5.共模抑制比K CMRR

a.定义：K CMRR＝︱A ud/A uc︱. （开环时）

b. K CMRR越大，抗共模干扰的能力越强。

6.其他性能指标：

a.转换速率;

b.静态功耗;

c.最大共模输入电压;

d.电源电压。

三、集成运放的理想模型

1.集成运放的理想化条件：开环电压增益A ud→∞，差模输入

电阻r id→∞，开环输出电阻r o→0，共模抑

制比K CMRR→∞，运放无零漂且特性不随温

度而变化。将集成运放理想化，既可使电

路的分析和计算大为简化，又能与实际比

较贴近。

图4-2分别画出了理想运放和实际运

放的传输特性，由图可知，运放有两个工作

区——线性区和饱和区。

2.理想运放工作在线性区的两个重要特点——“虚短”与“虚断”

a. 虚短的概念：

(1)当运放工作在线性区时，其两个输入端的差模电压为 u

+－u

－＝u O /A ud

∵ A ud →∞，而u o 是有限的 ∴ u

+－u

－≈0 即

因此，运放的两个输入端可以认为是虚连接的，称为“虚短”。 (2)当运放的一个输入端接地时，另一个输入端的电位会近似为零，这称之为“虚地”。 b.虚断的概念：

∵ 理想运放的差模输入电阻r

id →∞

∴

即，从理想运放两个输入端流进、流出的电流近似为零，称为“虚断”。

3.理想运放工作在饱和区的主要特点

a .理想运放工作在饱和区时，输出电压与输入电压之间不再满足线性关系，输出电压只能取两个饱和值：+U o(sat)或－U o(sat)。 当u +＞u －时，u O = +U o(sat)

当u +＜u －时，u O =－

U o(sat)

b.因为理想运放的差模输入电阻r

id →∞，所以理想运放工作

i +＝i －≈0。

小结：

理想运放工作在线性区时，虚短与虚断同时成立; 理想运放工作在饱和区时，虚短不成立，但虚断仍然成立。

“虚短”、“虚断”虽然是从理想运放的特性得出的，但也与实际情况比较符合。因此，对于实际的集成运算放大器，也可以用理想模型来进行分析和计算，这样可使电路的分析大大地简化。

作业 P97：4-1，4-6（修改要求），4-9

§4-2 基本运算放大器

一、反相比例运算放大器 1.反相比例运算放大器

a.电路结构如图4-3所示。电路的特点是：输入电压u I 经电阻R 1从反相输入端输入;输出端经电阻R F 与反相输入端相连;运放的两个输入端是静态对称的，R 2＝R 1

∥R F 。

b. 反相比例运算放大器的闭环电压放大倍数：

根据虚短、虚断可得

[因为电路引入了深度负反馈，运放工作在线性区，因此虚短、虚断同时成立。所以有 i 1 = i f ＋i ≈i f ，u －≈u +≈0，

又i 1＝(u I －u －)/R 1＝u I / R 1 ，i f ＝(u －－u O )/R F ＝－u O /R F

]

c.几点讨论：

(1)A uF 只与外接电阻R 1、R F 有关，而与集成运放本身参数无