1、集成運算放大器將電路的元器件和連線制作在同一硅片上，制成了集成電路。隨著集成電路制造工藝的日益完善，目前已能將數以千萬計的元器件集成在一片面積只有幾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數）的高低，將集成電路分為小規模集成電路(簡稱SSI) ，中規模集成電路(簡稱MSI), 大規模集成電路(簡稱LSI)和超大規模集成電路(VLSI)。運算放大器實質上是高增益的直接耦合放大電路，集成運算放大器是集成電路的一種，簡稱集成運放，它常用于各種模擬信號的運算，例如比例運算、微分運算、積分運算等，由于它的高性能、低價位，在模擬信號處理和發生電路中幾乎完全取代了分立元件放大電路。集成運放的

2、應用是重點要掌握的內容，此外，本章也介紹集成運放的主要技術指標，性能特點與選擇方法。一、 集成運算放大器簡介1. 集成運放的結構與符號 1. 結構集成運放一般由4部分組成，結構如圖1所示。圖1 集成運放結構方框圖其中：輸入級常用雙端輸入的差動放大電路組成，一般要求輸入電阻高，差摸放大倍數大，抑制共模信號的能力強，靜態電流小，輸入級的好壞直接影響運放的輸入電阻、共模抑制比等參數。中間級是一個高放大倍數的放大器，常用多級共發射極放大電路組成，該級的放大倍數可達數千乃數萬倍。輸出級具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小的特點，常用互補對稱輸出電路。偏置電路向各級提供靜態工作點，一般采用電流源電路組成。2

3、. 特點： 硅片上不能制作大容量電容，所以集成運放均采用直接耦合方式。 運放中大量采用差動放大電路和恒流源電路，這些電路可以抑制漂移和穩定工作點。 電路設計過程中注重電路的性能，而不在乎元件的多一個和少一個 用有源元件代替大阻值的電阻 常用符合復合晶體管代替單個晶體管，以使運放性能最好3. 集成運放的符號從運放的結構可知，運放具有兩個輸入端vP和vN和一個輸出端vO，這兩個輸入端一個稱為同相端，另一個稱為反相端，這里同相和反相只是輸入電壓和輸出電壓之間的關系，若輸入正電壓從同相端輸入，則輸出端輸出正的輸出電壓，若輸入正電壓從反相端輸入，則輸出端輸出負的輸出電壓。運算放大器的常用符號如圖2所示。

4、圖2 運算放大器常用符號其中圖2a是集成運放的國際流行符號，圖2b是集成運放的國標符號，而圖2c是具有電源引腳的集成運放國際流行符號。圖3是目前EDA軟件中使用的集成運放的圖形符號。圖3 EDA軟件中使用的集成運放的符號從集成運放的符號看，可以把它看作是一個雙端輸入、單端輸出、具有高差模放大倍數的、高輸入電阻、低輸出電阻、具有抑制溫度漂移能力的放大電路。2. 集成運放的主要技術指標集成運放的主要技術指標，大體上可以分為輸入誤差特性、開環差模特性、共模特性、輸出瞬態特性和電源特性。 1. 輸入誤差特性輸入誤差特性參數用來表示集成運放的失調特性，描述這類特性的主要是以下幾個參數：（1）輸入失調電壓

5、VOS對于理想運放，當輸入電壓為零時，輸出也應為零。實際上，由于差動輸入級很難作到完全對稱，零輸入時，輸出并不為零。在室溫及標準電壓下，輸入為零時，為了使輸出電壓為零，輸入端所加的補償電壓稱為輸入失調電壓VOS。VOS大小反映了運放的對稱程度。VOS越大，說明對稱程度越差。一般VOS的值為1mV20mV，F007的VOS為15mV。（2）輸入失調電壓的溫漂是指在指定的溫度范圍內，VOS隨溫度的平均變化率，是衡量溫漂的重要指標。不能通過外接調零裝置進行補償，對于低漂移運放，<1mV/°C，普通運放為(1020)mV/°C。（3）輸入偏置電流IB輸入偏置電流是衡量差動管輸

6、入電流絕對值大小的標志，指運放零輸入時，兩個輸入端靜態電流、的平均值，即IB=(+)差動輸入級集電極電流一定時，輸入偏置電流反映了差動管b值的大小。IB越小，表明運放的輸入阻抗越高。IB太大，不僅在不同信號源內阻時，對靜態工作點有較大的影響，而且也影響溫漂和運算精度。（4）輸入失調電流零輸入時，兩輸入偏置電流、之差稱為輸入失調電流，即=|-|，反映了輸入級差動管輸入電流的對稱性，一般希望越小越好。普通運放的約為1nA0.1mA，F007的約為50100nA。（5）輸入失調電流溫漂輸入失調電流溫漂指在規定的溫度范圍內，的溫度系數，是對放大器電流溫漂的量度。它同樣不能用外接調零裝置進行補償。典型值

7、為幾個nA/°C。 2. 開環差模特性參數開環差模特性參數用來表示集成運放在差模輸入作用下的傳輸特性。描述這類特性的參數有開環電壓增益、最大差模輸入電壓、差模輸入阻抗、開環頻率相應及其3dB帶寬。（1）開環差模電壓增益開環差模電壓增益指在無外加反饋情況下的直流差模增益，它是決定運算精度的重要指標，通常用分貝表示，即，=不同功能的運放，相差懸殊，F007的為100106dB，高質量的運放可達140dB。（2）最大差模輸入電壓指集成運放反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值，超過這個值輸入級差動管中的管子將會出現反相擊穿，甚至損壞。利用平面工藝制成的硅NPN管的為5V左右，而橫向PNP管的

8、可達30V以上。（3）3dB帶寬輸入正弦小信號時，是頻率的函數，隨著頻率的增加，下降。當下降3dB時所對應的信號頻率稱為3dB帶寬。一般運放的3dB帶寬為幾Hz幾kHz，寬帶運放可達到幾MHz。（4）差模輸入電阻RidRid=，是衡量差動管向輸入信號源索取電流大小的標志，F007的Rid約為2MW，用場效應管作差動輸入級的運放，Rid可達MW。3. 共模特性參數共模特性參數用來表示集成運放在共模信號作用下的傳輸特性，這類參數有共模抑制比、共模輸入電壓等。（1）共模抑制比KCMRR共模抑制比的定義與差動電路中介紹的相同，F007的KCMRR為8086dB，高質量的可達180dB。（2）最大共模輸

9、入電壓指運放所能承受的最大共模輸入電壓，共模電壓超過一定值時，將會使輸入級工作不正常，因此要加以限制。F007的為13V。 4. 輸出瞬態特性參數輸出瞬態特性參數用來表示集成運放輸出信號的瞬態特性，描述這類特性的參數主要是轉換速率。轉換速率是指運放在閉環狀態下，輸入為大信號(如階躍信號)時，放大器輸出電壓對時間的最大變化速率。轉換速率的大小與很多因素有關，其中主要與運放所加的補償電容、運放本身各級三極管的極間電容、雜散電容，以及放大器的充電電流等因素有關。只有信號變化斜率的絕對值小于時，輸出才能按照線性的規律變化。是在大信號和高頻工作時的一項重要指標，一般運放的在1V/ms，高速運放可達到65

10、V/ms。 5.電源特性參數電源特性參數主要有靜態功耗等。靜態功耗指運放零輸入情況下的功耗。F007的靜態功耗為120mW。3. 運算放大器的種類 1. 按制作工藝分類按照制造工藝，集成運放分為雙極型、COMS型和BiFET型三種，其中雙極型運放功能強、種類多，但是功耗大；CMOS運放輸入阻抗高、功耗小，可以在低電源電壓下工作；BiFET是雙極型和CMOS型的混合產品，具有雙極型和CMOS運放的優點。 2. 按照工作原理分類 （1）電壓放大型 輸入是電壓，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電壓源，F007，LM324和MC14573屬于這類產品。（2）電流放大型輸入是電流，輸出回路等效成由輸入電流

11、控制的電流源，LM3900就是這樣的產品。（3）跨導型輸入是電壓，輸出回路等效成輸入電壓控制的電流源，LM3080就是這樣的產品。（4）互阻型輸入是電流i1，輸出回路等效成輸入電流控制的電壓源，AD8009 3. 按照性能指標分類（1）高輸入阻抗型對于這種類型的運放，要求開環差模輸入電阻不小于1MW，輸入失調電壓不大于10mV。實現這些指標的措施主要是，在電路結構上，輸入級采用結型或MOS場效應管，這類運放主要用于模擬調解器、采樣保持電路、有源濾波器中。國產型號F3030，輸入采用MOS管，輸入電阻高達1012，輸入偏置電流僅為5pA。（2）低漂移型這種類型的運放主要用于毫伏級或更低的微弱信號

12、的精密檢測、精密模擬計算以及自動控制儀表中。對這類運放的要求是：輸入失調電壓溫漂<2mV/°C，輸入失調電流溫漂<200pA/°C，120dB，KCMRR110dB。實現這些功能的措施通常是，在電路結構上除采用超b管和低噪聲差動輸入外，還采用熱匹配設計和低溫度系數的精密電阻，或在電路中加入自動控溫系統以減小溫漂。目前，采用調制型的第四代自動穩零運放，可以獲得0.1mV/°C的輸入失調電壓溫漂。國產型號有FC72、F032、XFC78等。國產FC73的主要指標為=0.5mV/°C，=120dB，=1mV。國產5G7650的=1mV，=10nV/

13、°C。另外市場上常見的OP07和OP27也屬于低漂移型運放。（3）高速型對于這類運放，要求轉換速率SR>30V/ms，單位增益帶寬>10MHz。實現高速的措施主要是，在信號通道中盡量采用NPN管，以提高轉換速率；同時加大工作電流，使電路中各種電容上的電壓變化加快。高速運放用于快速A/D和D/A轉換器、高速采樣-保持電路、鎖相環精密比較器和視頻放大器中。國產型號有F715、F722、F3554等，F715的SR=70V/ms，單位增益帶寬為65MHz。國外的mA-207型，SR=500V/ms，單位增益帶寬為1GHz。（4）低功耗型對于這種類型的運放，要求在電源電壓為

14、77;15V時，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低電源電壓時，具有低的靜態功耗并保持良好的電氣性能。在電路結構上，一般采用外接偏置電阻和用有源負載代替高阻值的電阻。在制造工藝上，盡量選用高電阻率的材料，減少外延層以提高電阻值，盡量減小基區寬度以提高b值。目前國產型號有F253、F012、FC54、XFC75等。其中，F012的電源電壓可低到1.5V,=110dB，國外產品的功耗可達到mW級，如ICL7600在電源電壓為1.5V時，功耗為10mW。 低功耗的運放一般用于對能源有嚴格限制的遙測、遙感、生物醫學和空間技術設備中。（5）高壓型為得到高的輸出電壓或大的輸出功率，在電路設計和制作上需要解

15、決三極管的耐壓、動態工作范圍等問題，在電路結構上常采取以下措施：利用三極管的cb結和橫向PNP的耐高壓性能；用單管串接的方式來提高耐壓；用場效應管作為輸入級。目前，國產型號有F1536、F143和BG315。其中，BG315的參數是：電源電壓為4872V，最大輸出電壓大于4046V。國外的D41型，電源電壓可達±150V，最大共模輸入電壓可達±125V。4. 運算放大器選擇與使用中的一些問題1. 運放的選擇選擇運放時盡量選擇通用運放，而且是市場上銷售最多的品種，只有這樣才能降低成本，保證貨源。只要滿足要求，就不選擇特殊運放。2. 使用集成運放首先要會辨認封裝方式，目前常用的

16、封裝是雙列直插型和扁平型。3. 學會辨認管腳，不同公司的產品管腳排列是不同的，需要查閱手冊，確認各個管腳的功能。4. 一定清楚運放的電源電壓、輸入電阻、輸出電阻、輸出電流等參數。5. 集成運放單電源使用時，要注意輸入端是否需要增加直流偏置，以便能放大正負兩個方向的輸入信號。6. 設計集成運放電路時，應該考慮是否增加調零電路、輸入保護電路、輸出保護電路。5. 集成運放的電壓傳輸特性集成運放輸出電壓vo與輸入電壓（vPvN）之間的關系曲線稱為電壓傳輸特性。對于采用正負電源供電的集成運放，電壓傳輸特性如圖4所示。從傳輸特性可以看出，集成運放有兩個工作區，線性放大區和飽和區，在線性放大區，曲線的斜率就

17、是放大倍數，在飽和區域，輸出電壓不是Vo+就是Vo。由傳輸特性可知集成運放的放大倍數：一般情況下，運放的放大倍數很高，可達幾十萬、甚至上百萬倍。 圖4 集成運放的傳輸特性通常，運放的線性工作范圍很小，比如，對于開環增益為100dB，電源電壓為±10V的F007，開環放大倍數Ad=105，其最大線性工作范圍約為VP-VN=0.1mV6. 集成運放的理想化模型1. 理想運放的技術指標由于集成運放具有開環差模電壓增益高，輸入阻抗高，輸出阻抗低及共模抑制比高等特點，實際中為了分析方便，常將它的各項指標理想化。理想運放的各項技術指標為： （1）開環差模電壓放大倍數Ad®¥；

18、 （2）輸入電阻Rid®¥； （3）輸出電阻Ro®0； （4）共模抑制比KCMRR®¥； （5）3dB帶寬BW®¥； （6）輸入偏置電流IB1=IB1=0； （7）失調電壓VOS、失調電流IOS及它們的溫漂均為零； （8）無干擾和噪聲。由于實際運放的技術指標與理想運放比較接近，因此，在分析電路的工作原理時，用理想運放代替實際運放所帶來誤差并不嚴重。在一般的工程計算中是允許的。圖.5 理想運放的電壓傳輸特性2. 理想運放的工作特性理想運放的電壓傳輸特性如圖5所示。工作于線性區和非線性區的理想運放具有不同的特性。（1）線性區當理

19、想運放工作于線性區時，vo=Ad(VP-VN)，而Ad®¥，因此VP-VN=0 VP=VN，又由輸入電阻rid®¥可知，流進運放同相輸入端和反相輸入端的電流IP、IN為IP=IN=0；可見，當理想運放工作于線性區時，同相輸入端與反相輸入端的電位相等，流進同相輸入端和反相輸入端的電流為0。VP=VN就是VP和VN兩個電位點短路，但是由于沒有電流，所以稱為虛短路，簡稱虛短；而IP=IN=0表示流過電流IP、IN的電路斷開了，但是實際上沒有斷開，所以稱為虛斷路，簡稱虛斷。（2）非線性區工作于非線性區的理想運放仍然有輸入電阻Rid®¥，因此I

20、P=IN=0；但由于vo¹Ad(VP-VN)，不存在VP=VN，由電壓傳輸特性可知其特點為當VP>VN時，Vo=Vo+；當VP<VN時，Vo=Vo-；VP=VN為Vo+與Vo-轉折點。二、 反饋在集成運放中的應用實際中使用集成運放組成的電路中，總要引入反饋，以改善放大電路性能，因此掌握反饋的基本概念與判斷方法是研究集成運放電路的基礎。6.2.1 反饋的基本概念 1. 什么是電子電路中的反饋 在電子電路中，將輸出量的一部分或全部通過一定的電路形式饋給輸入回路，與輸入信號一起共同作用于放大器的輸入端，稱為反饋。反饋放大電路可以畫成圖6所示的框圖。 反饋放大器由基本放大器和反饋

21、網絡組成，所謂基本放大器就是保留了反饋網絡的負載圖6 反饋放大器框圖效應的、信號只能從它的輸入端傳輸到輸出端的放大器，而反饋網絡一般是將輸出信號反饋到輸入端、而忽略了從輸入端向輸出端傳輸效應的阻容網絡。由圖有基本放大器的凈輸入信號Xd=XiXf，反饋網絡的輸出Xf=Fx·Xo，基本放大器的輸出Xo=Ax·Xd。其中Ax是基本放大器的增益，Fx是反饋網絡的反饋系數，這里X表示電壓或是電流，Ax和Fx中的下標X表示它們是如下的一種： 稱為電壓增益，稱為電流增益， 稱為互阻增益，稱為互導增益； 稱為電壓反饋系數，稱為電流反饋系數， 稱為互阻反饋系數，稱為互導反饋系數；2. 正反饋

22、與負反饋若放大器的凈輸入信號比輸入信號小，則為負反饋，反之若放大器的凈輸入信號比輸入信號大，則為正反饋。就是說若Xi<Xd，則為正反饋，若Xi>Xd，則為負反饋。3. 直流反饋與交流反饋若反饋量只包含直流信號，則稱為直流反饋，若反饋量只包含交流信號，就是交流反饋，直流反饋一般用于穩定工作點，而交流反饋用于改善放大器的性能，所以研究交流反饋更有意義，本節重點研究交流反饋。4. 開環與閉環從反饋放大電路框圖可以看出，放大電路加上反饋后就形成了一個環，若有反饋，則說反饋環閉合了，若無反饋，則說反饋環被打開了。所以常用閉環表示有反饋，開環表示無反饋。6.2.2 反饋的判斷圖7反饋是否存在的

23、判斷 1. 有無反饋的判斷若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路連接的通路，即反饋通路，并由此影響了放大器的凈輸入，則表明電路引入了反饋。例如，在圖7所示的電路中，圖7a所示的電路由于輸入與輸出回路之間沒有通路，所以沒有反饋；圖7b所示的電路中，電阻R2將輸出信號反饋到輸入端與輸入信號一起共同作用于放大器輸入端，所以具有反饋；而圖7c所示的電路中雖然有電阻R1連接輸入輸出回路，但是由于輸出信號對輸入信號沒有影響，所以沒有反饋。2. 反饋極性的判斷反饋極性的判斷，就是判斷是正反饋還是負反饋。判斷反饋極性的方法是瞬時極性法：其方法是，首先規定輸入信號在某一時刻的極性，然后逐級判斷電路中各個相關點的電

24、流流向與電位的極性，從而得到輸出信號的極性；根據輸出信號的極性判斷出反饋信號的極性；若反饋信號使凈輸入信號增加，就是正反饋，若反饋信號使凈輸入信號減小，就是負反饋。例如，在圖8a所示的電路中首先設輸入電壓瞬時極性為正，所以集成運放的輸出為正，產生電流流過R2和R1，在R1上產生上正下負的反饋電壓vf，由于vd=vivf，vf與vi同極性，所以vd<vi，凈輸入減小，說明該電路引入負反饋。在圖8b所示的電路中首先設輸入電壓vi瞬時極性為正，所以集成運放的輸出為負，產生電流流過R2和R1，在R1上產生上負下正的反饋電壓vf，由于vd=vivf，vf與vi極性相反，所以vd>vi，凈輸入

25、減小，說明該電路引入正反饋。在圖8c所示的電路中首先假設ii的瞬時方向是流入放大器的反相輸入端vN，相當于在放大器反相輸入端加入了正極性的信號，所以放大器輸出為負，放大器輸出的負極性電壓使流過R2的電流if的方向是從vN節點流出，由于ii= id +if，有id=iiif，所以ii>i d，就是說凈輸入電流比輸入電流小，所以電路引入負反饋圖8 反饋極性的判斷3. 反饋組態的判斷（1）電壓與電流反饋的判斷反饋量取自輸出端的電壓，并與之成比例，則為電壓反饋；若反饋量取自電流，并與之成比例，則為電流反饋。判斷方法是將放大器輸出端的負載短路，若反饋不存在就是電壓反饋，否則就是電流反饋。例如，圖9

26、a所示的電路，如果把負載短路，則Vo等于0，這時反饋就不存在了，所以是電壓反饋。而圖9b所示的電路 圖9 電壓反饋與電流反饋的判斷中，若把負載短路，反饋電壓vf仍然存在，所以是電流反圖10 串聯反饋與并聯反饋的等效電路（2）串聯反饋與并聯反饋的判斷若放大器的凈輸入信號vd是輸入電壓信號vi與反饋電壓信號vf之差，則為串聯反饋。等效電路如圖10a所示。若放大器的凈輸入信號id是輸入電流信號ii與反饋電流信號if之差，則為并聯反饋，等效電路如圖10b所示。6.2.3 四種反饋組態 1. 電壓串聯首先判斷圖11所示電路的反饋組態，將負載RL短路，就相當于輸出端接地，這時vo=0，反饋的原因不存在，所

27、以是電壓反饋，從輸入端來看，凈輸入信號vd等于輸入信號vi與反饋信號vf之差，就是說輸入信號與反饋信號是串聯關系，所以該電路的反饋組態是電壓串聯反饋。使用瞬時極性法判斷正負反饋，各瞬時極性如圖所示，可見vi與vf極性相同，凈輸入信圖11 電壓串聯負反饋電路號小于輸入信號，故是負反饋。 輸出電壓的計算： 由圖可得反饋系數Fv 由于運放的電壓放大倍數非常大，在輸入端vpvN，故有，從而得到，所以輸出電壓 從此式可以看出，輸出電壓只與電阻的參數有關，可見十分穩定，所以電壓反饋使輸出電壓穩定。對輸入電阻的影響：當無反饋時，而有反饋時由于 得到 其中 Av是基本放大器的電壓放大倍數。就是說反饋時輸入電阻

28、Rif是無反饋時的1+AvFv倍。對輸出電阻的影響：設運放的輸出電阻為Ro，令反饋放大器的輸入vi=0，去掉負載電阻RL，然后在放大器的輸出端接一個實驗電壓源V，見圖12。圖12 輸出電阻計算等效電路由圖有因為vi=0，所以vd=vf=Fvvo=FvV，所以有最后得到就是說電壓反饋時的輸出電阻是無反饋時輸出電阻的1/（1+AvFv）倍。圖13 電流串聯負反饋電路2. 電流串聯首先判斷圖13所示電路的反饋組態，將負載RL短路，這時仍有電流流過R1電阻，產生反饋電壓vf，所以是電流反饋，從輸入端來看，凈輸入信號vd等于輸入信號vi與反饋信號vf之差，就是輸入信號與反饋信號是串聯關系，所以該電路的反

29、饋組態是電流串聯反饋。使用瞬時極性法判斷正負反饋，各瞬時極性如圖所示，可見vi與vf極性相同，凈輸入信號小于輸入信號，故是負反饋。 輸出電流的計算： 由圖可得反饋系數Fr圖14計算輸出電阻的等效電路 由于運放的電壓放大倍數非常大，在輸入端vpvN，故有，從而得到，所以輸出電流由此式可知輸出電流只與電阻阻值有關，所以非常穩定，就是說電流反饋穩定輸出電流。對輸入電阻的影響：因為是串聯反饋，所以反饋時的輸入電阻Rif是無反饋時的1+AgFr倍，這里是基本放大器的互導增益。對輸出電阻的影響：設運放的輸出電阻為Ro，令反饋放大器的輸入vi=0，去掉負載電阻RL，然后在放大器的輸出端接一個實驗電流源I，見

30、圖14。由圖有，所以這里Ag是基本放大器的互導增益。最后得到所以，電流反饋使輸出電阻增大AgFr倍。3. 電壓并聯負反饋圖15 電壓并聯負反饋首先判斷圖15所示電路的反饋組態，將負載RL短路，就相當于輸出端接地，這時vo=0，反饋的原因不存在，所以是電壓反饋，從輸入端來看，輸入信號ii與反饋信號if并聯在一起，凈輸入電流信號id等于輸入電流信號ii與反饋電流信號if之差，所以該電路的反饋組態是電壓并聯反饋。使用瞬時極性法判斷正負反饋，各瞬時極性和瞬時電流方向如圖所示，可見if瞬時流向是對ii分流，使id減小，凈輸入信號id小于輸入信號ii，故是負反饋。輸出電壓的計算： 由圖可得反饋系數Fg 由

31、于運放的電壓放大倍數非常大，在輸入端vpvN，故有，從而得到，所以輸出電壓 從此式可以看出，輸出電壓只與電阻的參數有關，可見十分穩定，所以電壓反饋使輸出電壓穩定。對輸入電阻的影響：設運放的輸入電阻為Ria、電壓放大倍數為Av，當無反饋時，而有反饋時由于 其中Ar是基本放大器的互阻增益。最后得到就是說反饋時的輸入電阻Rif是無反饋時的1/（1+ArFg）倍。對輸出電阻的影響：該反饋電路的輸出電阻是無反饋時輸出電阻的1/（1+ArFg）倍。4. 電流并聯負反饋首先判斷圖16所示電路的反饋組態，將負載RL短路，這時仍有電流流過R1電阻，產生反饋電流if，所以是電流反饋，從輸入端來看，輸入信號ii與反

32、饋信號if并聯在一起，凈輸入電流信號id等于輸入電流信號ii與反饋電流信號if之差，所以該電路的反饋組態是電流并聯反饋。使用瞬時極性法判斷正負反饋，各瞬時極性和瞬時電流方向如圖所示，可見if瞬時流向是對ii分流，使id減小，凈輸入信號id小于輸入信號ii，故是負反饋。圖16 電流并聯負反饋電路輸出電流的計算：由圖可得反饋系數Fi由于運放的電壓放大倍數非常大，在輸入端vpvN，故有，從而得到，所以 輸入電阻：由于是并聯反饋，所以該電路反饋時的輸入電阻Rif比無反饋時的Ri小1+AiFi倍，這里Ai是基本放大器的電流放大系數。輸出電阻：由于是電流反饋，所以該電路反饋時的輸出電阻是無反饋時的輸出電阻

33、的1+AiFi倍。6.2.4負反饋放大電路的一般表達式由圖6-6所示的反饋放大器框圖可得到反饋放大器的增益可得到一般的增益表達式有關的討論：若大于1，有Axf<Ax，則為負反饋。若小于1，有Axf>Ax，則為正反饋。若等于0，有Axf=，則沒有輸入也有輸出，這時放大器就變成了振蕩器。若>>1，則有=，這時的增益表達式為就是說當引入深度負反饋時（即>>1時）增益僅僅由反饋網絡決定，而與基本放大電路無關。由于反饋網絡一般為無源網絡，受環境溫度的影響比較小，所以反饋放大器的增益是比較穩定的。從深度負反饋的條件可知，當反饋系數確定之后，Ax越大越好，Ax越大，Axf

34、與1/F的近似程度越好。根據Axf和Fx定義說明，可見深度負反饋的實質是在近似分析中忽略凈輸入量，對于電壓反饋忽略vd，對于并聯反饋忽略id。負反饋對放大電路的性能影響很大，除可以改變放大器的輸入、輸出電阻外，還可以穩定放大倍數、展寬頻帶、減小非線性失真。特別是當反饋深度很大時，改善的效果更加明顯，但是事情都是一分為二的，反饋深度很大時，容易引起放大電路的不穩定，產生自激振蕩。6.3 頻率特性的基本概念Avf圖17 阻容耦合放大器的幅頻特性對于一個放大電路來講，當施加一定的輸入電壓信號，則有相應的輸出電壓信號產生，電壓放大倍數為一向量 |其中是輸出信號與輸入信號絕對值之比，是輸出信號與輸入信號

35、的相位差。經實驗可知，當我們施加頻率變化的正弦輸入信號于實際的放大電路時，與都隨頻率變化而變化，即、均為頻率的函數。例如單級阻容耦合放大電路的曲線如圖17所示。這種現象是由于放大電路的耦合電容和晶體管極間電容等引起的。而直接耦合放大器的頻率特性見圖18。AvAv00.707Av0f圖18直接耦合放大器幅頻特性 基本概念 放大電路對正弦輸入信號的穩態響應稱為頻率響應，頻率響應與正弦輸入信號之間的關系特性稱為頻率特性。 （1）頻率特性和通頻帶 放大器的頻率特性可用放大器的放大倍數對頻率的關系描述 式中(f)表示電壓放大倍數的模與頻率 f的關系，稱為幅頻特性；(f)表示放大器輸出電壓與輸入電壓之間的

36、相位差與頻率的關系，稱為相頻特性；總稱放大器的頻率特性。 圖19中，和分別稱為下限頻率和上限頻率，定義為放大倍數下降至0.707時對應的頻率；主要由放大器中晶體管外部的電容（耦合電容、旁路電容等）決定， 主要由晶體管內部的電容決定。不同的放大器具有不同的頻率特性；對于直接耦合電路（主要指模擬集成電路），由于沒有晶體管外部電容，所以無下限頻率。低于 的頻率范圍稱為低頻區；高于的頻率范圍稱為高頻區；在 與 之間的頻率范圍稱為中頻區。中頻區頻率特性曲線的平坦部分之放大倍數稱為中頻放大倍數。中頻區的頻率范圍通常又稱放大器的通頻帶或帶寬BW=- 一般>>, 所以BW。 對直接耦合方式：BW=

37、。（2）增益 衡量放大器信號在傳輸過程中的變化，可用一個對數單位來表示，這個對數單位就是分貝（dB）。 放大倍數用分貝表示的定義是： 功率放大倍數的分貝值 (dB)=10(dB) 在給定的電阻下，功率與電壓的平方成正比，所以電壓放大倍數的分貝值 (dB)=10=20(dB) 式中、表示放大器的輸入功率和輸入電壓；、表示輸出功率和輸出電壓；為以10為底的常用對數，以上兩式Ap、單位均為分貝（dB）。AvAvm0.707Avmf圖19 阻容耦合放大器幅頻特性fLfH 例如，一個放大器的放大倍數=100，則用分貝數表示的電壓放大倍數為40dB。又如當=0.707（歸一化放大倍數）時，相應的分貝數為-

38、3dB。因此前面描述通頻帶的下限頻率和上限頻率，分別是對應下端或上端的-3dB點的頻率。放大倍數采用對數單位分貝表示的優點在于，它將放大倍數的相乘簡化為相加；其次，在討論放大器的頻率特性時可采用對數坐標圖，這樣在繪制近似的頻率特性曲線時更為簡便；此外，采用對數單位表示信號傳輸的大小比較符合人耳對聲音感覺的狀況，因此特別適用于電聲設備。放大倍數用分貝作單位時，常稱為增益。6.3.2. 對數頻率特性為了縮短坐標，擴大視野，幅頻特性和相頻特性可分別繪在兩張半對數坐標紙上。這種半對數坐標圖，就是頻率采用對數分度，而幅值（以dB表示的電壓增益）或相角則采用線性分度。這兩張頻率特性曲線圖稱為對數頻率特性或

39、波特圖?，F在使用EDA軟件，可以很容易的作出放大電路頻率特性。6.3.3. 集成運放的頻率特性集成運放是直接耦合多級放大電路，具有很好的低頻特性（fL=0），可以放大直流信號；它的各級晶體管的極間電容影響它的高頻特性。由于集成運放的電壓增益高達上萬，所以即使晶體管的結電容很小，但是影響很大，所以集成運放的上限頻率很低，通用集成運放的3dB帶寬只有幾赫茲到十幾赫茲，這么低的上限頻率確實限制了集成運放的某些應用，但是，影響并不是很大，原因是放大電路的增益與帶寬的乘積基本是常數，所以當采用深度負反饋將增益較小后，帶寬就被展寬了。圖20給出了LM324的開環頻率特性。而圖21所示的是閉環頻率特性。 圖

40、20 集成運放LM324的開環頻率特性 圖21 LM324的閉環頻率特性LM324開環電壓放大倍數為10萬倍，開環帶寬為10赫茲左右，而閉環放大倍數為10倍時的開環帶寬約為100KHz，可見兩個電路的增益帶寬積是基本相同的。6.4 集成運放的線性應用 集成運放的應用首先是構成各種運算電路，在運算電路中，以輸入電壓自變量，以輸出電壓作為函數，當輸入電壓發生變化時，輸出電壓反映輸入電壓某種運算的結果，因此，集成運放必須工作在線性區，在深度負反饋條件下，利用反饋網絡可以實現各種數學運算。本節中的集成運放都是理想運放，就是說在分析時，注意使用“虛斷”“虛短”概念。6.4.1. 比例運算電路 1. 反相

41、輸入比例運算 電路如圖22所示，由于運放的同相端經電阻R2接地，利用“虛斷”的概念，該電阻上沒有電流，所以沒有電壓降，就是說運放的同相端是接地的，利用“虛短”的概念，同相端與反相端的電位相同，所以反相端也是接地的，由于沒有實際接地，所以稱為“虛地”。利用“虛斷”概念，由圖得圖22 反相比例運算電路利用“虛地”概念最后得 雖然集成運放有很高的輸入電阻，但是并聯反饋減低了輸入電阻，這時的輸入電阻為Ri=R1。圖23 同相比例運算電路2. 同相比例運算電路同相比例運算電路見圖23a，利用“虛斷”的概念有 利用“虛短”的概念有 最后得到輸出電壓的表達式由于是串聯反饋電路，所以輸入電阻很大，理想情況下R

42、i=。由于信號加在同相輸入端，而反相端和同相端電位一樣，所以輸入信號對于運放是共模信號，這就要求運放有好的共模抑制能力。若將反饋電阻Rf和R1電阻去掉，就成為圖23b所示的電路，該電路的輸出全部反饋到輸入端，是電壓串聯負反饋。有R1=、Rf=0可知vo=vi ，就是輸出電壓跟隨輸入電壓的變化，簡稱電壓跟隨器。由以上分析，在分析運算關系時，應該充分利用“虛斷”“虛短”概念，首先列出關鍵節點的電流方程，這里的關鍵節點是指那些于輸入輸出電壓產生關系的節點，例如集成運放的同相、反相節點，最后對所列表達式進行整理得到輸出電壓的表達式。. 加法運算電路圖24 反相加法電路 反相加法電路由圖24所示。由圖有

43、 其中 所以有 若R1=R2=R3=Rf=R則有 該電路的特點是便于調節，因為同相端接地，反相端是“虛地”。圖25 減法運算電路. 減法運算電路 利用差動放大電路實現減法運算的電路如圖25所示。由圖有 由于vN=vP，所以圖26 積分運算電路 當R1=R2=R3=Rf時 6.4.4. 積分運算電路 反相積分運算電路如圖26所示。利用“虛地”的概念，有，所以若輸入電壓為常數，則有若在本積分器前加一級反相器，就構成了同相積分器，見圖27。圖27 同相積分電路圖28 微分運算電路. 微分運算電路 微分運算電路如圖28所示，下面介紹該電路輸出電壓的表達式。根據“虛短”、“虛斷”的概念，vP=vN=0，

44、為“虛地”，電容兩端的電壓vC=vi，所以有輸出電壓 測量放大電路圖29 測量放大電路 儀表放大器如圖29所示，該電路常用在自動控制和非電量測量系統中。 由圖有 所以 得到 由疊加原理 將前式帶入最后得到 改變電阻RP的數值，就可以改變該電路的放大倍數。 集成運放的線性應用還很多，例如，對數放大器、有源濾波等等，限于篇幅，本教材不作介紹。6.5 集成運放的非線性應用 比較器 電壓比較器就是將一個連續變化的輸入電壓與參考電壓進行比較，在二者幅度相等時，輸出電壓將產生跳變。通常用于A/D轉換、波形變換等場合。在電壓比較器電路中，運算放大器通常工作于非線性區，為了提高正負電平的轉換速度，應選擇上升速

45、率和增益帶寬積這兩項指標高的運算放大器。目前已經有專用的集成比較器，使用更加方便。 1. 過零比較器圖30 過零比較器同相過零比較器電路見圖30a，同相端接vi，反相端 vN=0，所以輸入電壓是和0電壓進行比較。當vi>0時 vo=vo+，就是輸出為正飽和值。當vi<0時 vo=vo，就是輸出為負飽和值。該比較器的傳輸特性見圖30b。該電路常用于檢測正弦波的零點，當正弦波電壓過零時，比較器輸出發生躍變。圖31 任意電壓比較器2. 任意電壓比較器同相任意比較器電路見圖31，同相端接vi，反相端 vN=vR，所以輸入電壓是和vR電壓進行比較當vi>vR時 vo=vo+，就是輸出為

46、正飽和值。當vi<vR時 vo=vo，就是輸出為負飽和值。該比較器的傳輸特性見圖31b。上述的開環單門限比較器電路簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力較差，當干擾疊加到輸入信號上而在門限電壓值上下波動時，比較器就會反復的動作，如果去控制一個系統的工作，會出現誤動作。 3. 滯環比較器 從反相端輸入的滯環比較器電路如圖31a所示，滯環比較器中引入了正反饋。集成運放輸出端的限幅電路可以看出vo=，集成運放反相輸入端電位vN=vi，同相端的電位為 令 ，則有閾值電壓圖31 滯環比較器該電路的傳輸特性見圖31b。圖32 具有參考電壓的滯環比較器當輸入電壓vi小于vT，則vN一定小于vP，所以vo=+v

47、z，vP=+vT。當輸入電壓vi增加并達到+vT后，在稍稍增加一點時，輸出電壓就會從+vz向vz躍變。當輸入電壓vi大于+vT，則vN一定大于vP，所以vo=vz，vP=vT。當輸入電壓vi減小并達到vT后，在稍稍減小一點時，輸出電壓就會從vz向+vz躍變。若將電阻R1的接地端接參考電壓vR，見圖6-32a。 由圖可得同相端電壓令，求出的vi就是閾值電壓，因此得出該電路的傳輸特性見圖32b。目前有很多種集成比較器芯片，例如，AD790、LM119、LM193、MC1414、MAX900等，雖然它們比集成運放的開環增益低，失調電壓大，共模抑制比小，但是它們速度快，傳輸延遲時間短，而且一般不需要外

48、加電路就可以直接驅動TTL、CMOS等集成電路，并可以直接驅動繼電器等功率器件。方波發生器圖33 方波發生器方波發生器是能夠直接產生方波信號的非正弦波發生器，由于方波中包含有極豐富的諧波，因此，方波發生器又稱為多諧振蕩器。由遲滯比較器和RC積分電路組成的方波發生器如圖6-33a所示。其中，圖6-33b為雙向限幅的方波發生器。圖中，運放和R1、R2構成遲滯比較器，雙向穩壓管用來限制輸出電壓的幅度，穩壓值為vz。比較器的輸出由電容上的電壓vc和vo在電阻R2上的分壓vR2決定，當vc>vR2時，vo=vz，vc<vR2時，vo=+vz。方波發生器的工作原理如圖34所示。圖34 方波發生

49、器工作原理圖圖 35 方波發生器工作波形圖假定接通電源瞬時，vo=+vz，vc=0，那么有，電容沿圖6-34a所示方向充電，vc上升。當vc=時，vo變為-vz，充電過程結束；接著，由于vo由+vz變為-vz，電容開始放電，放電方向如圖6-34b所示，同時vc下降。當下降到vc=時，vo由vz變為+vz，重復上述過程。工作過程波形圖見圖35。綜上所述，這個方波發生器電路是利用正反饋，使運算放大器的輸出在兩種狀態之間反復翻轉，RC電路是它的定時元件，決定著方波在正負半周的時間T1和T2，由于該電路充放電時常數相等，即T1=T2=RC方波的周期為T=T1+T2=2RC6.6 正弦波發生器正弦波振蕩

50、器又稱自激振蕩器，多數的正弦振蕩器都是建立在放大反饋的基礎上的，因此又稱為反饋振蕩器，其框圖如圖36所示。要想產生等幅持續的振蕩信號，振蕩器必須滿足保證從無到有地建立起振蕩的起振條件，以及保證進入平衡狀態、輸出等幅信號的平衡條件。下面分別討論這兩個條件。 正弦振蕩的一般問題 1. 起振條件振蕩信號總是從無到有地建立起來的，接通電源的瞬時，電路的各部分存在各種擾動，這種擾動可能是剛接通電源瞬間引起的電流的突變，也可能是管子和回路的內部噪聲。這些擾動中包含有很豐富的頻率分量。如果電路具有選頻作用，它對某一頻率w分量滿足AF>1，經過放大、反饋的反復作用，使電壓振幅不斷加大，從而使振蕩器能夠從

51、無到有地建立起振蕩。因此，振蕩器的起振條件為，用幅度和相位分別表示為上面兩式分別稱為幅度起振條件和相位起振條件。滿足起振條件后，要想產生等幅持續的正弦波，還必須滿足平衡條件，否則，振蕩信號將無休止地增長。 2. 平衡條件進入平衡狀態時，所以產生等幅穩定信號的平衡條件為，用幅度和相位分別表示為上式分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。 圖36 振蕩器框圖 圖37 輸入電壓幅值與增益之間的關系從上面的分析過程可以看出，起振和平衡的相位條件均為，從反饋的極性來說，反饋網絡必須為正反饋。同時，由起振條件可知，反饋網絡中必須包含有選頻網絡。而且，從振幅的起振和平衡條件可以看出，必須具有圖6-37所示的特性

52、，這樣，起振時，迅速增長，以后，由于隨的增大而下降，的增長速度逐漸變慢，直到，停止增長，振蕩器進入平衡狀態，并在相應的平衡振幅上維持等幅振蕩。為了獲得圖37所示的隨變化的曲線，振蕩環路中必須具有能穩幅的非線性環節。在實際中，除少數類型外，多數的振蕩器都是由放大網絡來完成穩幅功能的。 3. 振蕩器的組成和分析方法綜上所述，正弦波振蕩器由放大網絡和反饋網絡組成，反饋網絡中必須包含有選頻網絡，并形成正反饋；放大網絡必須包含具有穩輻作用的非線性環節。常用的反饋網絡有：LC諧振回路、RC移相選頻網絡、石英晶體諧振器。放大網絡可由晶體管、場效應管、差動放大電路、線性集成電路來擔任。 根據選頻網絡的不同，正

53、弦波振蕩器分為RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體振蕩器。圖38 串并聯選頻網絡實際分析振蕩器時，由于電路為非線性系統，通常采用近似分析法。首先檢查電路是否具有必須的組成部分，反饋網絡是否為正反饋，即是否滿足相位平衡條件；然后，求振蕩頻率和起振條件。振蕩開始時，很小，放大管工作于伏安特性的線性區，可用微變等效電路表示，由此寫出環路增益AF的表達式，令即可得到振蕩頻率w0；在w=w0時，令，可得到起振條件。4. 串并聯選頻網絡串并聯選頻網絡的電路結構如圖38所示。其傳輸函數為 令，則根據前式可得到選頻電路的頻率特性曲線，分別如圖39所示。從圖中可以看出， RC串并聯電路具有選頻特性，在中心頻率w=w

54、0上，H(w)=1/3，j(w)=0°。 (a) (b)圖39 RC串并聯電路網絡的頻率特性曲線文氏電橋振蕩器圖6-40 文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器是最常用的RC正弦振蕩器，它具有波形好、振幅穩定和頻率調節方便等優點，工作頻率范圍可以從1Hz以下的超低頻到1MHz左右的高頻段。文氏電橋振蕩器常采用外穩幅，其電路如圖40所示。根據圖39可知，在頻率w=w0時，K(w0)=1/3，j(w0)=0°。要形成正反饋，放大網絡的相移應為0°或360°。因此輸入信號從同相輸入端輸入。同時，為穩定輸出幅度，放大網絡中用熱敏電阻Rt和R1構成具有穩輻作用的非線性環節。

55、Rt是具有負溫度特性的熱敏電阻，加在它上面的電壓越大，消耗在上面的功率越大，溫度越高，它的阻值就越小。剛起振時，振蕩電壓振幅很小，Rt的溫度低，阻值大，負反饋強度弱，放大器增益大，保證振蕩器能夠起振。隨著振蕩振幅的增大，Rt上平均功率加大，Rt的溫度上升，阻值減小，負反饋強度加深，使放大器增益下降，保證了放大器在線性工作條件下實現穩幅。另外，也可用具有正溫度系數的熱敏電阻代替R1，與普通電阻一起構成限幅電路。起振條件：由串并聯網絡的幅頻特性可以知道，時，為滿足起振條件，應有所以，滿足深度負反饋時，因此有可見，在滿足深度負反饋時，振蕩器的起振條件僅取決于負反饋支路中電阻的比值，而與放大器的開環增益無關。因此，振蕩器的性能穩定。6.7 常用集成運放芯片介紹6.7.1 集成運供