电工电子学集成运算放大器

RB
+UCC +
差模信号ui1 是有用信–号
RE
ui2
+–EE
–
(2) 差模信号 ui1 = – ui2 大小相等、极性相反
uid = ui1 – ui2 两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，
uo= (VC1－VC1 )－(VC2 + VC１ ) =－2 VC1 即对差模信号有放大能力。
(3) 比较输入 ui1 、ui2 大小和极性是任意的。 例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV
对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有 抑制作用。
4. 输入和输出方式
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
RB
+UCC +
ui1
RE
ui2
–
+–EE
–
双端输入双端输出
双端输入单端输出 单端输入双端输出 单端输入单端输出
5. 共模抑制比 (Common Mode Rejection Ratio) 全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模 信号的能力。
若 Xd > Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的 作用则为正反馈。
2. 反馈的分类 （1） 正反馈与负反馈
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负反馈：反馈信号削弱净输入信号，
使放大倍数降低。
正反馈：反馈信号增强净输入信号，
使放大倍数提高。 在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。
在放大电路中，出现正反馈将使放大器 产生自激振荡，使放大器不能正常工作。
返回
+UCC
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+UCC
+
+
–
RE
–
RE直流反馈
+
+
RE
–
–
RE交直流反馈
返回
(3)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压 反馈和电流反馈。
如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。 如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。
(4)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式 的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。
返回
（2）交流反馈与直流反馈
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引入直 引入交
反馈只对交流信号起作用流，负称反为交流流负反反 馈。反馈只对直流起作用，称馈为的直目流反馈馈的。目
有的反馈对交直流均起作用。的：
的：
稳定静 改善放
在反馈网络中串接隔直电态容工，作可以大隔电断路 直流，此时反馈只对交流起作点用。。 的性能
在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 ，可以使其只对直流起作用。
即共模信号对输出有影响 。
9.1.3 集成运放的工作原理
反相 输入端
1
ui+
T1
T2
2
同相 输入端
IS 输入级
T3 中间级
+UCC
T4 输出端
T5
3
+uo
输出级 -UEE
信号传 输方向
实际运放开环
反相
+UCC 电压放大倍数
输入端
u–
u+
同相 输入端
Auo
– +
+
–UEE
uo 输出端
(a)
+UCC输出
电压串联负反馈
交流反馈 负 反 馈
电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈
直流反馈 稳定静态工作点
9.2.2 负反馈放大电路的分析
（1） 反馈极性的判别 利用瞬时极性法判别负反馈与正反馈的步骤：
1.设接“地”参考点的电位为零。 2. 若电路中某点的瞬时电位高于参考点(对交流 为电压的正半周)，则该点电位的瞬时极性为正(用
RB
+UCC +
共模信号ui1 需要抑制–
RE
ui2
+–EE
–
(1) 共模信号 ui1 = ui2 = uic 大小相等、极性相同 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出
电压为零，即对共模信号没有放大能力。 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它
对零点漂移的抑制水平。
2. 信号输入 RB
+
RC + uo – RC T1 RP T2
3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 愈小愈好 5. 输入偏置电流 IIB 6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
2. 电压传输特性 uo= f (ui)
+Uo(sat) uo
实际特性
线性区
u+– u–
电压传输特性 uo= f (ui) +Uo(sat) uo
理想特性
线性区
u+– u–
O
饱和区
u–
–+
uo
u+
+
理想运算放大器图形符号
–Uo(sat)
线性区： uo = Auo(u+– u–)
非线性区：
u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)
理想运放工作在线性区的特点
O
饱和区
–Uo(sat)
线性区： uo = Auo(u+– u–)
非线性区：
u+> u– 时， uo = Uo+ u+< u– 时， uo = Uo-
4. 理想运算放大器及其分析依据
在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理 想的运算放大器。理想化的主要条件：
1) 开环电压放大倍数 2) 开环输入电阻 3) 开环输出电阻 4) 共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件， 用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此,后 面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。
共模抑制比 差模放大倍数
共模放大倍数
KCMR越大，说明差放分辨 差模信号的能力越强，而抑制
共模信号的能力越强。
若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数
输出电压
Ac = 0 uo = Ad （ui1 － ui2 ） = Ad uid
若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid
表示)；反之为负(用－表示)。
3. 若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或 两个电极)上，两者极性相同时，净输入电压减小, 为 负反馈；反之，极性相反为正反馈。
4. 若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同 一电极)上，两者极性相反时，净输入电压减小, 为 负反馈；反之，极性相同为正反馈。
（2）反馈方式的判别
87 6 5 F007
12 3 4 U- U+ -UCC
(b)
集成运算放大器的管脚和符号 (a) 符号; (b)引脚
9.1.3 集成运放的特性
1. 主要参数 1. 最大输出电压 UOM 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。
2. 开环差模电压增益 Auo
运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。
须加负反馈才能使 其工作于线性区。
理想运放工作在饱和区的特点
电压传输特性
uo +Uo(sat)
饱和区
O
u+– u–
–Uo(sat)
(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat) 当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat) 不存在 “虚短”现象
9.1 集成运算放大器概述
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多 级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的 一种模拟集成电路。
集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之 间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不 可分的整体。
集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、价格低。
按集成度 小、中、大和超大规模 集成电路分类 按导电类型 双、单极性和两种兼容
按功能 数字和模拟
9.1.1 集成运放的组成
1. 元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流 源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电 容、电感 和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。
各类型号集成芯片
输入级 中间级 输出级
+ ui
–
通过R+EUCC
将输出电压
反+馈C2到输入
+
RE
RL uo
–
1. 反馈的定义
比较环节 基本放大电路
+
A
–
A
(a)不带反馈 — 输入信号 — 输出信号
F
反馈电路 (b) 带反馈
— 反馈信号 — 净输入信号 净输入信号：
若三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即Xd < Xi , 此时,反 馈信号削弱了净输入信号, 电路为负反馈。
1、电路组成
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
RB
+UCC +
ui1
RE
ui2
–
+–EE
–
RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。 EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。 电位器 RP : 起调零作用。
2. 信号输入
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
ube= ui - uf
净输入信号
跳转1
返回
例1 ：
+ u–i
RF
–
uf+
R1
u–d
+
R2
– +
+
+ u–o
设输入电压 ui 为正， 各电压的实际方向如图
差值电压 ud =ui – uf uf 减小了净输入电压( 差值电压) ——负反馈
例2 ：+ ui
并联反馈
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串联反馈
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反馈信号与输入
反馈信号与输入
信号if 串联，即反馈 信号并联，即反馈
i电i 压信号与输入信 号电压i比b 较的，称
u+ i电 号流 电信 流+u号比bue+f–与较输,称入为信
为串联输反入馈信。号
– 并联反馈–。
净输入信号
反馈信号 输入信号 反馈信号
ib= ii - if
则有：
负反馈使放大倍数下降
| 1+AF| 称为反馈深。度，其值愈大，负反馈作用
愈强，Af也就愈小。
射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的
电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈
。若|AF| >>1，称为深度负反馈，此时：
在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反பைடு நூலகம் 电路的参数有关。
放大电路中不同类型的负反馈
(2) i+= i– 0,仍存在“虚断”现象
9.2 放大电路中的负反馈
9.2.1 反馈的基本概念
反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。
RB1 C1+ + ui RB2
–
RC 将+C通输2过出+UR电EC流C
反馈到输入
+
RB C1 +
RE
RL
uoRS
– es+–
u– u+
i– – i+
+
∞ +
因为 uo = Auo(u+– u– ) uo 所以(1) 差模输入电压约等于 0
即 u+= u– ,称“虚短”
电压传输特性
(2) 输入电流约等于 0
uo +Uo(sat)
即 i+= i– 0 ,称“虚断”
线性区
O
u+– u–
Auo越大，运放的 线性范围越小，必
–Uo(sat)
(1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压 反馈和电流反馈。
如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。 如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。 (2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式 的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信 号以电压形式作比较，称为串联反馈。 反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信 号以电流形式作比较，称为并联反馈。
3. 零点漂移的抑制
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
RB
+UCC +
ui1
RE
ui2
–
+–EE
–
静态时，ui1 = ui2 = 0 uo= VC1 － VC2 = 0 当温度升高时ICVC （两管变化量相等） uo= (VC1 + VC1 ) － (VC2 + VC2 ) = 0
偏置 电路
运算放大器方框图
输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干 扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。
中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源 的共发射极放大电路构成。
输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载 能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。
偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成
9. 1. 2 差动放大电路
反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信 号以电压形式作比较，称为串联反馈。
反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信 号以电流形式作比较，称为并联反馈。
3. 负反馈放大电路的一般表达式
+
A
–
F
开环
闭环
放大倍数 反馈放大电路的基本方程 放大倍数
反馈系数 净输入信号
负反馈时，
同相，所以 AF 是正实数
电工电子学集成运算放 大器
2020年7月21日星期二
第9章 集成运算放大器
本章要求
1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义； 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想
运算放大器并掌握其基本分析方法； 3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和
积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理； 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。
可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV ui2 = 8 mV － 2 mV
例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV
ui2 = 18 mV － 2 mV
放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号—差动 放大电路。
这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制 系统中是常见的。