集成运算放大器及其应用

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1、第3章集成运算放大器及其应用本章主要内容(1)集成运算放大器的特点及参数(2)放大器中的负反馈(3)集成运放的线性应用(4)集成运放的非线性应用5.1集成运算放大器集成运算放大器是一种高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。由于早期它主要用于模拟量的某些数学运算，故名运算放大器，简称集成运放。3.1集成运算放大器3.1.1集成运放的特点①所有元器件处于同一晶片上，由同一工艺做成，易做到电气特性对称，温度特性一致，适于制造对称性高的电路。因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。②在集

2、成运放中常用晶体管恒流源代替电阻。必须用的高阻值电阻，常采用外接方式。③集成运放各级之间的连接多采用直接耦合方式，基本上不采用电容元件。必须使用电容器的场合，也常采用外接方式。④集成电路中制作晶体管容易，二极管通常是用晶体管的基极与集电极短接后的发射结来代替。3.1.2集成运放的组成及主要参数1.集成运放的组成集成运放通常由4部分组成，即输入级、中间级、输出级及偏置电路，如图3.1所示。图3.1集成运放组成框图（1）输入级。输入级是构成高质量集成运放的关键部分，通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分

3、放大电路构成，其目的是为了抑制放大电路的零点漂移，提高输入电阻。（2）中间级。中间级的主要作用是进行电压放大，通常采用共射（或共源）放大电路，其电压放大倍数可达千倍以上。（3）输出级。输出级一般采用互补对称功率放大电路，要求其输出电阻小，带负载能力强。此外，输出级还带有保护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。（4）偏置电路。偏置电路的作用是为集成运放中各级电路提供稳定、合适的偏置电流，确立各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。从外部作为一个整体来看，集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高输入

4、电阻、低输出电阻、高差模放大倍数和高共模抑制比的差分放大电路，其电路符号如图3.2所示。图3.2集成运放的电路符号其中u+端的输入电压与输出电压uo同相，称为同相输入端；u-端的输入电压与输出电压uo反相，称为反相输入端。Aod是集成运放无外接反馈回路时的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数或开环差模电压增益。2.集成运放的主要参数（1）开环差模电压放大倍数AodAod是指集成运放在没有外接反馈回路时的差模电压放大倍数，即Aod=uo/(u+-u-)。它体现了集成运放的电压放大能力，常用分贝（dB

5、）表示，Aod（dB）=20lg

6、Aod

7、。Aod值越大越稳定，相应的运算电路的运算精度越高。所以，它是决定运算精度的主要因素。理想条件下，可以认为Aod≈∞。（2）输入失调电压UIO在理想的集成运放中，当输入电压ui=0时，输出电压uo应为零。但在实际电路中，ui=0时，输出uo并不为零。如果要使uo=0，必须在输入端加入一个很小的电压来补偿。这个电压就是输入失调电压，用UIO表示。（3）输入失调电流IIO静态时，流入集成运放两个输入端的电流之差称为输入失调电流，用IIO表示。它反映了集成运放两个静态

8、输入电流的不对称性。IIO的存在会产生输出失调，因而IIO的值越小越好。理想条件下，可以认为IIO≈0。（4）共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即KCMR=Aod/Aoc，也常用分贝（dB）表示，其数值为20lgKCMR。KCMR值越大，集成运放抑制共模信号的能力越强。它一般应大于80dB，理想条件下，可以认为KCMR≈∞。（5）差模输入电阻rid差模输入电阻rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。rid值越大，集成运放向信号源取的电流越小。Rid一般

9、应大于2MΩ，理想条件下，可以认为rid≈∞。（6）最大共模输入电压Uicmax集成运放对共模信号有抑制能力，但当共模输入电压超过一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。共模输入电压的这一极限数值就是集成运放的最大共模输入Uicmax。3.1.3集成运放的理想模型在分析和计算集成运放的实际电路时，为了使问题的分析简化，常将集成运放看作一个理想的运放，即把运放的各项参数都理想化。由于实际集成运放的性能参数与理想运放十分接近，所以在分析计算时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不大，在工程计算中是允许的

10、，并且可以使问题的分析和计算大为简化。集成运放的理想参数主要有：①开环差模电压放大倍数Aod=∞；②差模输入电阻rid=∞；③输出电阻ro=0；④共模抑制比KCMR=∞。集成运放的电压传输特性如图3.3所示，它描述了输出电压与输入电压之间的关系。该传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。当集成运放工作在线性区时，输出电压uo与输入电压ui(=u+-u-)是一种线性关系，即uo=Aod·ui=Aod(u+-u-)图3.3集成运放的电压传输特性