学习目标 1了解集成运算放大器的基本组成及特点 2掌握集成运算放大器的传输特性及重要参数 3掌握集成运算放大器基本应用 4了解放大电路中反馈的基本概念 5掌握反馈的类型及判断方法 6理解反馈对放大电路的影响,下一页,4.1 集成运算放大器简介 4.2 放大电路中的反馈 实践应用 小结,下一页,返回,4.1 集成运算放大器简介,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立元件放大电路。,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,1. 结构 集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路，通常由高电阻输入级、中间电压放大级、低电阻输出级及偏置电路四部分组成，其结构如图10-1所示。,图 4.1 集成运算的基本组成,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,偏置电路,向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。,输入级,通常由双输入差分放大电路构成。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。在集成运放发展过程中，输入级的变化是最大的。,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,中间级,带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。一般放大倍数达千倍以上。,输出级,采用互补对称功放或射极输出器组成，具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,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。 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。 集成运放内部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。 硅片上不宜制作高阻值电阻，通常用有源元件代替大阻值的电阻。 常用符合复合晶体管代替单个晶体管和场效应管，以使运放性能最好。,2. 特点,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,3. 集成运放的符号,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，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。,4.1.1 集成运算放大器的基本组成,运算放大器的常用符号如图10- 2所示。,图 10.2 运算放大器的常用符号,4.1.2 集成运放大器的电压传输特性,集成运放输出电压Vo与输入电压（VPVN）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10-3所示。,图 10.3 集成运放的电压传输特性,4.1.2 集成运放大器的电压传输特性,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：,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。,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：,4.1.3 集成运放大器的主要参数,集成运放的主要技术参数，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,输入失调电压Vos 定义： 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。 Vos大小反映了运放的对称程度。Vos越大，说明对称程度越差。一般Vos的值为1V20mV。,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：,4.1.3 集成运放大器的主要参数,输入失调电压的温漂 dVos/dT 定义：指在指定的温度范围内，Vos随温度的平均变化率。 dVos/dT是衡量温漂的重要指标。不能通过外接调零装置进行补偿，对于低漂移运放，dVos/dT1V/C，普通运放为(1020)V/C。,输入偏置电流IB 定义：指运放零输入时，两个输入端静态电流IB1、IB2的平均值，即,1. 输入误差特性, 输入偏置电流IB是衡量差动管输入电流绝对值大小的标志,4.1.3 集成运放大器的主要参数,输入失调电流IOS 定义：零输入时，两输入偏置电流IB1、IB2之差称为输入失调电流， 即IOS =|IB1IB2|。,输入失调电流温漂 定义：输入失调电流温漂指在规定的温度范围内，IOS的温度系数，是对放大器电流温漂的量度。它同样不能用外接调零装置进行补偿。典型值为几个nA/C。,1. 输入误差特性,IOS反映了输入级差动管输入电流的对称性，一般希望IOS越小越好。普通运放的IOS约为1nA0.1A。,4.1.3 集成运放大器的主要参数,开环差模特性参数用来表示集成运放在差模输入作用下的传输特性。描述这类特性的参数有开环电压增益、最大差模输入电压、差模输入阻抗、开环频率响应及其-3dB带宽。,开环差模电压增益 Aod 定义：开环差模电压增益指在无外加反馈情况下的直流差模增益，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示，即，,最大差模输入电压 Vidmax 定义：指集成运放反相和同相输入端所能承受的最大电压值，超过这个值输入级差动管中的管子将会出现反相击穿，甚至损坏。,2. 开环差模特性参数,4.1.3 集成运放大器的主要参数,-3dB带宽 定义：输入正弦小信号时， Aod是频率的函数，随着频率的增加而下降。当下降3dB时所对应的信号频率称为-3dB带宽。一般运放的-3dB带宽为几Hz几kHz，宽带运放可达到几MHz。,差模输入电阻 Rid 定义：,Rid是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的Rid约为2M，用场效应管作差动输入级的运放， Rid可达106M,2. 开环差模特性参数,4.1.3 集成运放大器的主要参数,共模特性参数用来表示集成运放在共模信号作用下的传输特性，这类参数有共模抑制比、共模输入电压等。,共模抑制比 KcmR 定义：共模抑制比的定义与差动电路中介绍的相同，F007的KCMR为8086dB，高质量的可达180dB。,最大共模输入电压Vicmax 定义：指运放所能承受的最大共模输入电压，共模电压超过一定值时，将会使输入级工作不正常，因此要加以限制。F007的Vicmax为13V。,3. 共模特性参数,4.1.3 集成运放大器的主要参数,4. 输出瞬态特性参数 输出瞬态特性参数用来表示集成运放输出信号的瞬态特性，描述这类特性的参数主要是转换速率。,转换速率 定义：是指运放在闭环状态下，输入为大信号(如阶跃信号)时，放大器输出电压对时间的最大变化速率。 SR是在大信号和高频工作时的一项重要指标，一般运放的SR在1V/s，高速运放可达到65V/s。,5. 电源特性参数 电源特性参数主要有静态功耗等。静态功耗指运放零输入情况下的功耗。F007的静态功耗为120mW。,4.1.4 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：,开环差模电压增益 Aod = ； 差模输入电阻 rid = ； 输出电阻 ro = 0； 共模抑制比 KCMR = ； UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0； 输入偏置电流 IIB = 0； - 3 dB 带宽 fH = ，等等,4.1.4 集成运放的理想化模型,2. 理想运放的工作特性 理想运放的电压传输特性如图10-5所示。它分为线性区和非线性区。,线性区,当理想运放工作于线性区时，VO=Ad(VPVN)， 而Ad，因此VP VN) =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、IN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。 IP = IN =0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 、 IN的电路断开了，但是实际上没有断开， 所以称为虚断路，简称虚断。,4.1.4 集成运放的理想化模型,2. 理想运放的工作特性,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，Vo=Vo；当VPVN时， Vo=Vo； VP=VN为Vo与Vo转折点。,非线性区,4.1.5集成运放的基本分析方法,为了在分析和简化由运放构成的各种基本运算电路时，总是假设集成运放是理想的，这样就有“虚短”和“虚断”概念。灵活地抓住和利用这两个十分重要的概念和有效的分析方法对电路进行分析计算。,两输入端之间的电压Vid=VPVN0，即两个输入端的电位相等， 就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。 虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。,流入两输入端的电流|IP|=|IN|0，即流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。,1.虚短,2.虚断,4.1.6 集成运放的应用,集成运放的应用首先是构成各种运算电路，在运算电路中，以输入电压自变量，以输出电压作为函数，当输入电压发生变化时，输出电压反映输入电压某种运算的结果，因此，集成运放必须工作在线性区，在深度负反馈条件下，利用反馈网络可以实现各种数学运算。,电路如图10-6所示,1比例运算电路,反相输入比例运算,利用“虚断”概念，由图得,利用“虚地”概念,最后得,图4-6 反相比例运算电路,4.1.6集成运放的应用,电路见图10-7a，,同相比例运算电路,利用“虚短”的概念有,最后得到输出电压的表达式,利用“虚断”的概念有,由于是串联反馈电路，所以输入电阻很大， 理想情况下Ri=。,图4-7a 反相比例运算电路,4.1.6集成运放的应用,同相比例运算电路,若将反馈电阻Rf和R1电阻去掉， 就成为图10-7b所示的电路，该 电路的输出全部反馈到输入端， 是电压串联负反馈。有R1=、 Rf=0可知vo=vi，就是输出电压 跟随输入电压的变化，简称电压 跟随器。,图4-7b 电压跟随器电路,4.1.6集成运放的应用,2加法运算电路,反相加法电路由图10-8所示。,由图有：,其中,所以有,若R1=R2=R3=Rf=R则有,图4-8 反相加法电路,4.1.6集成运放的应用,3减法运算电路,利用差动放大电路实现减法运算的电路如图10-9所示。,由图有：,由于vN=vP，所以,当R1=R2=R3=Rf时,图4-9 减法运算电路,4.1.6集成运放的应用,4积分运算电路,反相积分运算电路如图10-9所示。,利用“虚地”的概念，有,所以,若输入电压为常数，则有,图4-9 积分运算电路,4.1.6集成运放的应用,4积分运算电路,若在本积分器前加一级反相器， 就构成了同相积分器，见图4-10。,图4- 10 同相积分电路,4.1.6集成运放的应用,5微分运算电路,微分运算电路如图10-11所示,根据“虚短”、“虚断”的概念，,为“虚地”，电容两端的电压vC=vi， 所以有,图4-11 微分运算电路,vP=vN=0,输出电压,4.1.7 集成运放的非线性应