1、142第 6 章 集成运算放大器将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。按照集成度（ 每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路( 简称SSI) ，中规模集成电路(简称 MSI), 大规模集成电路( 简称 LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分
2、立元件放大电路。集成运放的应用是重点要掌握的内容，此外，本章也介绍集成运放的主要技术指标，性能特点与选择方法。6.1 集成运算放大器简介6.1.1 集成运放的结构与符号1. 结构集成运放一般由 4 部分组成，结构如图 6-1 所示。图 6-1 集成运放结构方框图其中：输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。偏置电
3、路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。 vvvPNO.2. 特点：硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。 1运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。 2电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个 3用有源元件代替大阻值的电阻 4常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好 53. 集成运放的符号从运放的结构可知，运放具有两个输入端 vP 和 vN 和一个输出端 vO，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压
4、，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。运算放大器的常用符号如图 6-2 所示。图 6-2 运算放大器常用符号其中图 6-2a 是集成运放的国际流行符号，图 6-2b 是集成运放的国标符号，而图 6-2c 是具有电源引脚的集成运放国际流行符号。图 6-3 是目前 EDA 软件中使用的集成运放的图形符号。图 6-3 EDA 软件中使用的集成运放的符号从集成运放的符号看，可以把它看作是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数的、高输入电阻、低输出电阻、具有抑制温度漂移能力的放大电路。+_ +vvvvvvv v vP P PN N NO O O+V-VCCCCa) b) c).23
5、1411U1ALM32432 61 574U3LM741237461 8U2OP07237461 8U4OP27A.1446.1.2 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标，大体上可以分为输入误差特性、开环差模特性、共模特性、输出瞬态特性和电源特性。1. 输入误差特性输入误差特性参数用来表示集成运放的失调特性，描述这类特性的主要是以下几个参数：（1）输入失调电压 VOS对于理想运放，当输入电压为零时，输出也应为零。实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。在室温及标准电压下，输入为零时，为了使输出电压为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压 VOS。V OS 大小
6、反映了运放的对称程度。V OS越大，说明对称程度越差。一般 VOS 的值为 1V20mV，F007 的 VOS 为 15mV。（2）输入失调电压的温漂 dTOS是指在指定的温度范围内，V OS 随温度的平均变化率，是衡量温漂的重要指标。dTOS不能通过外接调零装置进行补偿，对于低漂移运放， 30V/s，单位增益带宽10MHz。实现高速的措施主要是，在信号通道中尽量采用 NPN 管，以提高转换速率；同时加大工作电流，使电路中各种电容上的电压变化加快。高速运放用于快速 A/D 和 D/A 转换器、高速采样保持电路、锁相环精密比较器和视频放大器中。国产型号有 F715、F722、F3554 等，F7
7、15 的SR=70V/s，单位增益带宽为 65MHz。国外的A207 型，SR=500V/ s，单位增益带宽为1GHz。（4）低功耗型对于这种类型的运放，要求在电源电压为15V 时，最大功耗不大于 6mW；或要求工作在低电源电压时，具有低的静态功耗并保持良好的电气性能。在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻。在制造工艺上，尽量选用高电阻率的材料，减少外延层以提高电阻值，尽量减小基区宽度以提高值。目前国产型号有F253、F012、FC54、XFC75 等。其中，F012 的电源电压可低到 1.5V, =110dB，国外产Aod品的功耗可达到 W 级，如 ICL7600 在
8、电源电压为 1.5V 时，功耗为 10W。低功耗的运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术设备中。（5）高压型为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决三极管的耐压、动态工作范围等问题，在电路结构上常采取以下措施：利用三极管的 cb 结和横向 PNP 的耐高压性能；用单管串接的方式来提高耐压；用场效应管作为输入级。目前，国产型号有F1536、F143 和 BG315。其中， BG315 的参数是：电源电压为 4872V，最大输出电压大于4046V。国外的 D41 型，电源电压可达150V，最大共模输入电压可达125V。6.1.4 运算放大器选择与使用中的一
9、些问题1. 运放的选择选择运放时尽量选择通用运放，而且是市场上销售最多的品种，只有这样才能降低成本，保证货源。只要满足要求，就不选择特殊运放。2. 使用集成运放首先要会辨认封装方式，目前常用的封装是双列直插型和扁平型。3. 学会辨认管脚，不同公司的产品管脚排列是不同的，需要查阅手册，确认各个管脚的功能。4. 一定清楚运放的电源电压、输入电阻、输出电阻、输出电流等参数。5. 集成运放单电源使用时，要注意输入端是否需要增加直流偏置，以便能放大正负两个方向的输入信号。6. 设计集成运放电路时，应该考虑是否增加调零电路、输入保护电路、输出保护电路。6.1.5 集成运放的电压传输特性集成运放输出电压 v
10、o 与输入电压（v Pv N）之间的关系曲线称为电压传输特性。对于采用正负电源供电的集成运放，电压传输特性如图 6-4 所示。从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是 Vo+就是 Vo 。由传输特性可知集成运放的放大倍数： NPoovA一般情况下，运放的放大倍数很高，可达几十万、甚至上百万倍。148图 6-4 集成运放的传输特性通常，运放的线性工作范围很小，比如，对于开环增益为 100dB，电源电压为10V 的F007，开环放大倍数 Ad=105，其最大线性工作范围约为VPVN= 0.1mVod1056.1.6
11、 集成运放的理想化模型1. 理想运放的技术指标由于集成运放具有开环差模电压增益高，输入阻抗高，输出阻抗低及共模抑制比高等特点，实际中为了分析方便，常将它的各项指标理想化。理想运放的各项技术指标为：（1）开环差模电压放大倍数 Ad；（2）输入电阻 Rid；（3）输出电阻 Ro0；（4）共模抑制比 KCMRR；（5）3dB 带宽 BW；（6）输入偏置电流 IB1=IB1=0；（7）失调电压 VOS、失调电流 IOS 及它们的温漂均为零；（8）无干扰和噪声。由于实际运放的技术指标与理想运放比较接近，因此，在分析电路的工作原理时，用理想运放代替实际运放所带来误差并不严重。在一般的工程计算中是允许的。2
12、. 理想运放的工作特性理想运放的电压传输特性如图 6.5 所示。工作于线性区和非线性区的理想运放具有不同的特性。（1）线性区当理想运放工作于线性区时，v o=Ad(VPVN)，而 Ad，因此 VPVN=0 VP=VN，又由输入电阻 rid可知，流进运放同相输入端和反相输入端的电流 IP、I N 为 IP=IN=0；可见，当理想运放工作于线性区时，同相输入端与反相输入端的电位相等，流进同相输入端和反相输入端的电流为 0。V P=VN 就是 VP和 VN 两个电位点短路，但是由于没有电流，所以称为虚短路，简称虚短；而 IP=IN=0 表示流过电流 IP、I N 的电路断开了，但是实际上没有断开，所
13、以称为虚断路，简称虚断。（2）非线性区Vo+ V+V Vo O Vo 图 6.5 理想运放的电压传输特性vv v-OP NVVO-O+O .vvvPNO.iiPN工作于非线性区的理想运放仍然有输入电阻 Rid，因此 IP=IN=0；但由于 voAd(VPVN)，不存在 VP=VN，由电压传输特性可知其特点为当 VPVN 时，V o=Vo；当 VPXd，则为负反馈。3. 直流反馈与交流反馈若反馈量只包含直流信号，则称为直流反馈，若反馈量只包含交流信号，就是交流反馈，直流反馈一般用于稳定工作点，而交流反馈用于改善放大器的性能，所以研究交流反馈更有意义，本节重点研究交流反馈。+X XXXifd o.
14、AFx.x.图 6-6 反馈放大器框图1504. 开环与闭环从反馈放大电路框图可以看出，放大电路加上反馈后就形成了一个环，若有反馈，则说反馈环闭合了，若无反馈，则说反馈环被打开了。所以常用闭环表示有反馈，开环表示无反馈。6.2.2 反馈的判断1. 有无反馈的判断若放大电路中存在将输出回路与输入回路连接的通路，即反馈通路，并由此影响了放大器的净输入，则表明电路引入了反馈。例如，在图 6-7 所示的电路中，图 6-7a 所示的电路由于输入与输出回路之间没有通路，所以没有反馈；图 6-7b 所示的电路中，电阻 R2 将输出信号反馈到输入端与输入信号一起共同作用于放大器输入端，所以具有反馈；而图 6-
15、7c 所示的电路中虽然有电阻 R1 连接输入输出回路，但是由于输出信号对输入信号没有影响，所以没有反馈。2. 反馈极性的判断反馈极性的判断，就是判断是正反馈还是负反馈。判断反馈极性的方法是瞬时极性法：其方法是，首先规定输入信号在某一时刻的极性，然后逐级判断电路中各个相关点的电流流向与电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使净输入信号增加，就是正反馈，若反馈信号使净输入信号减小，就是负反馈。例如，在图 6-8a 所示的电路中首先设输入电压瞬时极性为正，所以集成运放的输出为正，产生电流流过 R2 和 R1，在 R1 上产生上正下负的反馈电压 vf，由
16、于 vd=viv f，v f 与 vi 同极性，所以 vdvi，净输入减小，说明该电路引入正反馈。在图 6-8c 所示的电路中首先假设 ii 的瞬时方向是流入放大器的反相输入端 vN，相当于在放大器反相输入端加入了正极性的信号，所以放大器输出为负，放大器输出的负极性电压使流过 R2 的电流 if 的方向是从 vN 节点流出，由于 ii= id +if，有 id=iii f，所以 iii d，就是说净输入电流比输入电流小，所以电路引入负反馈RRRRRRvv vvv vv121212i iivoooff+ +_ _ii iv v vvvd dN P Nifd.a) b) c)v v vv vvi
17、i io oo121RRRa) b) c).图 6-7 反馈是否存在的判断图 6-8 反馈极性的判断3. 反馈组态的判断（1）电压与电流反馈的判断反馈量取自输出端的电压，并与之成比例，则为电压反馈；若反馈量取自电流，并与之成比例，则为电流反馈。判断方法是将放大器输出端的负载短路，若反馈不存在就是电压反馈，否则就是电流反馈。例如，图 6-9a 所示的电路，如果把负载短路，则Vo 等于 0，这时反馈就不存在了，所以是电压反馈。而图 6-24b 所示的电路 图 6-9 电压反馈与电流反馈的判断中，若把负载短路，反馈电压 vf 仍然存在，所以是电流反（2）串联反馈与并联反馈的判断若放大器的净输入信号
18、vd 是输入电压信号 vi 与反馈电压信号 vf 之差，则为串联反馈。等效电路如图 6-10a 所示。若放大器的净输入信号 id 是输入电流信号 ii 与反馈电流信号 if 之差，则为并联反馈，等效电路如图 6-10b 所示。6.2.3 四种反馈组态1. 电压串联首先判断图 6-11 所示电路的反馈组态，将负载 RL 短路，就相当于输出端接地，这时vo=0，反馈的原因不存在，所以是电压反馈，从输入端来看，净输入信号 vd 等于输入信号vi 与反馈信号 vf 之差，就是说输入信号与反馈信号是串联关系，所以该电路的反馈组态是电压串联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈，各瞬时极性如图所示，可见 vi 与 vf 极性相同，净输入信号小于输入信号，故是负反馈。输出电压的计算：由图可得反馈系数 Fv )(21Rof由于运放的电压放大倍数非常大，在输入端 vpv N，故有 ，从而得到 ，所以输出电压0fidvfivivioRF)1(2从此式可以看出，输出电压只与电阻的参数有关，可见十分稳定，所以电压反馈使输出电压稳定。RRR1 2Lv vi ofvvd+ +_.图 6-11 电压串联负反馈电路+_vvvidf+_ iiiifda) b).图 6-10 串联反馈与并联反馈的等效电路RR RRR11fL Lv vvviiooiiiv1fofio+_.a) b)
