第八章 集成运算放大器及应用

第八章 集成运算放大器及应用

§8.1 知识点归纳

一、通用集成运放的特点

集成运放（OA ）是模拟IC 中最重要的品种。它是一个以差动放大器作输入级的高增益直接耦合电压放大器，一般具有很高的输入电阻和很低的输出电阻的特点。

通用集成运放741电路分析（图8-3）：

·输入级：CC-CB 差放（41~T T ），有源负载（75~T T ），恒流源偏置（98~T T ） ·第一隔离级：射极输出器（16T ）

·中间高增益级：共射组态（17T ），有源负载（12T ，a T 13） ·第二隔离级：射级输出器（a T 24），有源负载（12T ，b T 13）

·输出级：NPN-PNP 互补OCL 电路（14T ，18T ），克服交越失真的偏置（15T ，23T ） ·保护电路：（1）输出保护电路（19T ，20T ）

（2）中间级保护电路（22T ，21T ），20T 工作时，启动该电流源对16T 提供保护。

相位补偿电路：内部电路中唯一的电容具有单位增益补偿功能，使741在闭环增益为1时仍不会自激。

二、集成OA 的主要指标

·开环增益vd A ，一般在80~120dB 。 ·差模输入电阻id R ，数十6k ~10M ΩΩ。

·输入失调电压IO v 及其温度系数T V IO

d d 。

·输入失调电流IO I 及其温度系数d d IO

I T 。 两个失调参数是衡量高精度运放的指标。

·电源电压：一般在36V 以下。有双电源和单电源运放之分。“轨到轨”运放是指最 大输出几乎等于电源电压的运放。低电压工作运放是手持通信设备所需的品种。 ·增益带宽积G BW ：指频率升高使1=vd A 时的频率值。射频运放的G BW 可高达1GHz 以上。G BW 是衡量运放放大高频小信号能力的参数。

·转换速度SR ：运放对输入大信号的上升沿和下降沿的响应速度。SR 是衡量运放对 高速信号处理的能力，高速OA 的SR 可达到4000V/s μ。

三、理想运放及理想运放分析法

1．集成OA 具有vd A 、id R 极大，0R 很小的接近理想电压放大器的特点。

在OA 负反馈应用电路中，往往满足深负反馈条件。故在分析这类应用电路时，把OA 视为“理想运放”。分析理想运放应用电路时，可采用理想运放满足的“虚短路（-+=V V ）”和“虚开路（0==-+I I ）”的条件。

2．运放的两种基本负反馈放大器

采用理想运放分析法可获得运放同相和反相放大器的一些指标。总结为表8-2。

表8-2 反相放大器与同相放大器比较

当上述电路中电阻为阻抗时，有关公式仍然成立，如：

10z z V V f s -= （反相组态）0

11f s z V V z =+

（同相组态）。

四、集成OA 线性应用（举例）

1．代数和运算电路

4

4

22

11

0v R R v R R v R R v R R v f s s

f f f +

+

-

-

=

上式成立的条件是：

N

P f R R R R R R R //////////4321=

由上述电路可获得OA 组成的基本差动放大器（图8-18），公式如下：

)

(121

0i i f v v R R

v -=

2．基本反相积分器（图8-20）公式：⎰-

=t t v RC t v i

o d )(1

)(

3．基本反相微分器（图8-25）公式：

t

t v RC

t v i o d )(d )(-=

教材§8.5中所有的OA 线性运用电路都是理想运放分析法的应用实例。

理想运放分析法应用时的一些要点：

（1）记住一些基本公式（表8-2及本小节上述基本公式）。

（2）两信号以上输入时，可采用迭加原理求输出0v 。

（3）当电路含有电抗元件时，可采用相量法（或复频域）分析。因为电抗上的电流电压是微分关系，作时域分析会涉及微分方程，使得在一个以上电抗存在时，求解困难。 （4）运用-+=V V ，0==-+I I 时，不可将运放同相与反相端之间短路或将两输入电极开路来分析，只能在列方程时应用这些条件。

（5）对结果作量纲检查，可发现一些低级错误，如：5

43210

R R R R R v v i

++=

，221ωRC V V i

o

-=

都肯定是错误的结果（为什么？）。

§8.2 习题解答

8-1 一个运放的转换速率为2V/μs ，要得到有效值为5V 的正弦电压输出，输入信号频率最高不能超过多少？

[解] 此时输出0v 的最在斜率0

max

2dv f

dt

π=，该值必须小于SR 。

即 6

2210

f π≤⨯

∴ 6

45015.8

f ≤

=（Hz ）

45≈KHz

8-2 比较同相和反相输入放大器的不同

点。

[解] P253的表8-2已作出小结 8-3 设图P8-3中的运放是理想的，求输出电压的表达式。

[解] 13~A A 是电压跟随器，利用迭加原理

图P8-3

01113v v =，02213v v =，033

13v v =

∴

00102031231()

3

v v v v v v v =++=

++ 8-4 图P8-4（a ）中的运放是理想的，v 1和v 2如图P8-4（b ）所示，v 3=－4V ，试画出输出波形。

[解] 由迭加原理

0123v v v v =---

将1v ，2v 和3v 反相后相加，作图P8-4-1

图P8-4-1

(a)

图P8-4

8-5 图P8-5中，设运放是理想的，

且34

21

R R R R =

，求输出电压与输入电压之间的关系式，并说明电路功能。

[解] 由公式，

2011

1

(1)R v v R =+