第四讲 模拟集成电路1.1 集成运算放大器

集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。

集成运算放大器可分为如下几类。

退出

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

空脚

调零

输出

正电

源

空脚

O P 07

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

补偿

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

空脚

L F 351

L F 356

1

2

34

6

5

78

A D 518

调 零

反 相 输 入

同 相 输 入

负 电 源

调 零

输 出

正 电 源

补 偿

A D 545

同相

输入

反相

输入

负电

源

调零

正电

源

输出

调零

补偿

L M 318

C A 3140

L M 358

正电

源

A输

出

A反

相输

入

A同

相输

入

B同

相输

入

B反

相输

入C反

相输

入

D反

相输

入

D同

相输

入

C同

相输

入

C输

出B输

出

D输

出

负电

源

LM124/ 224/ 324

¦ÌA 7 4 1

正电

源

B 输

出

B反

相输

入

B同

相输

入

A同

相输

入

A反

相输

入

负电

源

A输

出

退出

1 ．通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 A741 （单运放）、 LM358 （双运放）、 LM324 （四运放）及以场效应管为输入级的 LF356 都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2 ．高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般 rid ＞（ 109~1012 ）， IIB 为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用 FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有 LF356 、 LF355 、 LF347 （四运放）及更高输入阻抗的 CA3130 、 CA3140 等。

退出

1.1.1 集成运算放大器的使用要点1 ．集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端 +VCC 和 -VEE ，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。（ 1 ）对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E ）与负电源（ -E ）分别接于运放的 +VCC 和 -VEE 管脚上。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。（ 2 ）单电源供电方式单电源供电是将运放的 -VEE 管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位，如图 3.2.1 所示。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于图 3.2.1 交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为 VCC/2 ，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容 C3 。

退出

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

1212

1 2

+

-

3

26

74

12

12

1 2

+

-

3

26

74

1 2

12

12

V 0

V 0

+

+

V i+

+

R

R

A

R 1C 1

V cc

C 2

V cc

R 1

+

+C 1

C 2

R

R

R 2

A

1M

V i

R f

(a) (b )

R f

C 3

2 ．集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。下面以 A741 为例，图 3.2.2 给出了常用调零电路。图 3.2.2(a) 所示的是内部调零电路；图（ b ）是外部调零电路。 退出

2

12

+

-

3

26

1 2

2

1 2

12

1 2

121

2

1 2

1 2

1 2

+

-

3

26

R wR

+

1 0 u F

1 0 K

A

(a)

-1 5 V

V + V -

R 1

R 2

R 3

5 1 K 5 1 K

1 0 0 ¦ ¸

100¦

¸

100¦

¸

(b )

3 ．集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。图 3.2.3 是相位补偿的使用电路。

退出

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

+

-

3

26

18

1 2

1 2

12

V +

V -

100pF

C

V i

V 0R 1

R 2

R 3

C 1

+

C 2

C 3

+ C 4

另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（ 10F ）和一高频滤波电容（ 0.01F~0.1F ）。如图3.2.3 所示。

退出

4. 集成运放的四个重要参数：(1) 增益带宽积 （ GBW)

GBW=Avd . fH其中 ， Avd 为中频开环增益， fH 为开环上限截止频率。

以 uA741 为例， Avd=100dB即 100000 倍。 fH =10Hz , GBW=10×100000=1MHz 。即该运放的 fT =1MHz 。

Avd (dB)

f

fH fT

Avo

退出

若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上限频率 fHF=GBW/AVF

Avd (dB)

f

fH fT

Avo

AVF

fHF

(2) 压摆率（转换速率） SR

压摆率 SR表示运放所允许的输出电压 Vo 对时间变化率的最大值。 退出

max

0

dtdv

RS

若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。

tVv m sin00

mmdtdv

R fVVS 00 20 则：

若已知 V0m ，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率

m

R

V

Sf

0max 2

对于 uA741 ，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为 Vin=2V ， f=100KHz 的正弦信号，其输出波形如何？

退出

+

-

vinvo

为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于 0.8V 。

vin

vo

退出

(3) 共模抑制比 CMRR

该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）的抑制能力。定义

vc

vd

A

ACMRR lg20

Avd 为开环差模增益， Avc 为开环共模增益。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。

假设某一放大器的差模输入信号 Vidm 为 10uV ，而放大器的输入端存在着 10V 的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的共模抑制比呢？

设该放大器的输出端的共模电压为 Vocm ,则 Vocm=Vicm . Avc

退出

则将其折合到输入端的共模信号为： Vicm= Vocm/Avc

折合到输入端的误差电压为：

CMRR

V

AA

V

A

VV icm

vcvd

icm

vd

ocmm

在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：

uVuVV

V idmm 5

2

10

2

则 运放的共模抑制比 6102

5

10

uV

V

V

VCMRR

m

icm

要求运算放大器的共模抑制比大于 120dB

退出

4. 运算放大器的应用（ 1 ）反相比例运算电路

+Vcc

-Vee

+

-

OP073

26

7 14 8

=

1 2

12

1 2

1 2

Vi

VoR1

RF

RP

RW

10k

该电路的电压放大倍数

1

0

R

R

v

vA F

ivf

输入电阻： RiF=R1

输出电阻： R0F=0

平衡电阻： RP=RF//R1

该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻 RF 一般小于 1MΩ ，

RF过大会影响阻值的精度；但 RF也不能太小，过小会从信号源或前级吸取较大的电流。

运算放大器的共模输入电压： ViC=0

退出

（ 2 ） 同相比例放大器电路+

-

OP073

26

1 2

12 1 2

Rp

R1RF

ViV0

该电路的电压放大倍数

1

0 1R

R

v

vA F

ivf

输入电阻： RiF=∞

输出电阻： R0F=0

平衡电阻： RP =R1//RF

由于运算放大器在该电路中不是“虚地”，其输入端存在着较大的共模信号，共模输入电压为： ViC=Vi

在应用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于 Vi 的最大值。

退出

（ 3 ） 由三运放组成的仪表放大器当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。

例如用于对温度、流量、压力等物理量的测量，一般传感器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的变化，如图。

E输出RX

R

RR

退出

仪表放大器具有的特征是：• 具有高的输入阻抗，低的偏置电流。• 平衡差动输入，高的共模抑制比。• 单端输出，较低的输出电阻。• 具有较小的失调电压与漂移。• 改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。

满足以上要求的电路原理图如下。V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

+

-

3

26

+

-

3

26

12

+

-

3

26

12

1 2

1 2

1 2

12

12

A 1

O P 0 7

O P 0 7

O P 0 7

A 3

A 2

R 1

R 2

R 3

R 4

R 5

R 6

R 7

5 0 k

5 0 k

1 k

1 0 k 1 0 k

1 0 k 1 0 k

V 1

V 2

V 0

退出

R4=R5 ， R6=R7 条件下，该电路的差模电压放大倍数为：

为了提高仪用放大器的共模抑制比（ CMRR ），要求

相差尽可能小，一般选用金属膜或线绕电阻。调节增益时，不要调节 R4~R7 这些电阻。如果希望调节增益，必须用改变电阻 R2 实现，这样对仪用放大器的 CMRR 影响不大。

4

6

.

2

1VD )

21

R

R

R

RA （

6

4

7

5

R

R

R

R和

32

1 )21( CMRRR

RCMRR

退出

+

-

3

26

+

-

3

26

12

1 2

12

12 1

2

1 212

12

1 21 2

+

-

3

26

R1

R1

R2

R4 R6

R5 R7

R8

R9

Rw

V1

V2

V0

10k

10k

10k

10k

10k

10k

100k

100k

10k200

一实际测量放大器电路 :

退出

（ 4 ）交流放大器① 双电源供电的交流放大器

若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器（也可用反相式）。

退出

电容 C1 、 C2 、 C3 为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：

AVF = 1+RF／ R2

R1 接地是为了保证运算放大器有一合适的静态工作点，即当信号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：

Ri = R1

R1 不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出。但也不能太小，否则将影响前级信号源输出。一般选几十千欧。

耦合电容 C1 、 C3 可根据交流放大器的下限频率 fL来确定。一般取 C1=C3= （ 3~10 ） 1／ (2πRLfL)

反馈支路的隔直电容 C2 一般取几微法。注意电容在电路中的极性。

退出

为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为 1+RF／ R2 ；但由于反馈电压 VA 与输入电压 VB 近似相等，故流过 R1 的电流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。

退出

② 单电源供电的交流电压放大器对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：在下图的反相交流电压放大器中， R2 、 R3 为偏置电阻。为了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态工作点

V+ = (R3／ R3+R2)Vcc = Vcc/2

静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。

退出

电容 C1 、 C2 为隔直电容，有关 C1 、 C2 的选择有放大器的下限频率 fL决定。该放大器的电压放大被数 AVF = RF／ R1下图是自举式同相交流放大器

退出

（ 5 ）精密整流电路① 半波整流电路

V C C _ C I R C L EV C C _ C I R C L E

+

-

3

26

1 2

12

1 2

R 1

R 2

D 1

D 2

R p

V i

V 0A

1 N 4 1 4 8

1 N 4 1 4 8

精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。

当 （正半周）时， D1导通， D2截止，输出电压 :

当 （负半周）时， D1截止， D2导通，输出电压 :

0iU 00 U

0iU iUR

Rv

1

20

退出

② 精密全波整流电路（绝对值电路） 如果需要对小信号进行绝对值运算，可采用图 3.2.13 所示电路。在电路中，电阻元件选择 R1=R2=R4=R ， R5=R/2 ， R6=nR 。

+

-

3

26

12

D1

1 2

1 2

1 2

1 2

+

-

3

26

12

1 2

ViU0

R1

R2

R3

R4

R5 R6

R7

20k

20k

20k

20k 10k

1N4148D2

LM358LM358

6.2k10k

U01

退出

+

-

3

26

12

D1

1 2

1 2

1 2

1 2

+

-

3

26

12

1 2

ViU0

R1

R2

R3

R4

R5 R6

R7

20k

20k

20k

20k 10k

1N4148D2

LM358LM358

6.2k10k

U01

当 （正半周）时，二极管 D2截止， D1导通，故

0iU iUR

RU

1

201

ii nUUR

RU

R

RU 01

5

6

4

60

当 （负半周）时，二极管 D1截止， D2导通，故

0iU 001 U

ii nUURRU 460 退出

可见输出形成全波整流。同理，若将 D1 、 D2极性反接，可得到输出极性相反的全波整流。

（ 6 ） 通用窗口比较器 V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

+

-

3

21

+

-

3

21

12

12

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

12

12

1

23

R 1

R 2

R 3

T

8 0 5 0

+ 5 V

4 .7 k

V 0

V i

U H

U L

1 0 k

1 0 k

1 0 k

A 1

A 2

L M 3 5 8

L M 3 5 8

1 N 4 0 0 1

1 N 4 0 0 1

1 0 k

1 0 k

在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有用的。图 3.2.14 所示即是一典型的窗口比较器电路。其中 U

H 为上限电压， UL 为下限电压， Vi 为输入电压；当 Vi>UH或 Vi<UL

时，运算放大器 A1或 A2 输出高电平，三极管 T饱和导通，输出 V0

≈0V ；当 UL<Vi<UH 时，运算放大器 A1 和 A2均输出低电平，三极管 T截止，。

退出

输出 V0=5V 。电路中 A1 、 A2 的输入端所加的双向嵌位二极管，其保护作用。图中 R3 是一电阻，如需要，它可以是一个继电器或指示灯

（ 7 ）三角波—方波发生器

虽然产生三角波的电路很多，但用运算放大器构成的三角波发生器却具有许多优点：产生波形的线性度好、稳定性好，且可以同时产生方波；输出频率范围极宽，其低频可达 10-4Hz ，高频方面约 106Hz ，且在十个数量级的频带范围内，可以连续地改变输出频率，同时可保证频率改变时，输出电压的幅度恒定不变。图 3.2.15 所示电路即是一典型的三角波—方波发生器。率。在给

定的参数条件下，该电路的输出频率为 45Hz~500Hz 。

退出

V C C _ C I R C L E+

-

3

261

2

1 2

1 2

+

-

3

26

12

12

21 2

12

A 1

A 2

R W

C t

R t

R p

R 5

R 1

R 4

3 .3 kR 3

3 .3 k

6 8 0

¡À 6 V

V 0 1

V z

1 k

1 0 0

1 0 0 k

0 .0 1 u F

R 2

tt01

Z

2 CRV

VFf

1W

2

RR

RF

退出