深入了解集成运算放大器

知识储备

集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、锁相环、集成稳压器等。其中，集成运算放大器（简称集成运放）是模拟集成电路中应用极为广泛的一种，也是其他模拟集成电路应用的基础。集成运放加上一定形式的外接电路，便可构成各种功能的电路，如能对信号进行加、减、微分和积分的运算电路，有源滤波电路，波形产生、放大和变换电路等。本项目学习集成运放构成的非线性应用电路，即电压比较器，在此基础上设计和制作一个由电压比较器构成的简易报警器。

集成运算放大器是一种高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放大器，是一个双端输入单端输出的通用模拟集成器件。它之所以被称为运算放大器（Operational Amplifier），是因为该器件最初主要用于模拟计算机中实现数值运算的缘故。如今集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍沿用运算放大器（运放）的名称。

1.集成运算放大器的基本性能特点

（1）集成电路中的所有元件同处在一小块硅片上，相互距离非常近，制作时工艺条件相同，因而，同一片内的元件参数值具有相同方向的偏差，温度特性基本一致，容易制成两个特性相同的管子或两个阻值相等的电阻，故特别适宜制作差动放大器。

（2）在集成电路中，电阻值一般在几十Ω至几十kΩ的范围内。大阻值电阻往往外接或用晶体管制成有源负载电阻代替。

（3）集成电路中的电容不能做得太大，大约几十pF，常用PN结电容构成。这是因为制造一个10 pF的电容所需的硅片面积，约等于10个晶体管所占的面积。所需的大电容，需采用外接方式。至于电感就更难制造。

（4）集成电路中的二极管一般都用三极管构成，常用形式是将基极与集电极短路和射极构成二极管。

综上所述，由于集成电路制造工艺的限制，电容、电感及大电阻常采用外接方式，集成运算放大器内部各级之间都采用直接耦合的方式。

直接耦合放大电路具有良好的低频特性，可以放大缓慢变化甚至直流信号，但却存在一个致命的弱点，即当温度变化或电路参数等因素稍有变化时，电路的工作点将随之变化，导致在放大器输入交流信号为零的情况下，输出端电压会偏离初始静态值（相当于交流信号零点），出现了缓慢而不规则的漂移，这种现象称为“零点漂移（Zero Drift）”。不难理解，在多级放大器中第一级放大器的零点漂移的影响最为严重，因为采用直接耦合方式，第一级的漂移被逐级放大，以致影响到整个放大电路的工作。

因此，集成运放输入级利用差分放大电路的良好对称性，来抑制零点漂移。

2.集成运算放大器的组成及电路符号

图3.3　集成运算放大器组成

集成运算放大器的种类非常多，内部电路也不尽相同，但一般由以下四部分组成，如图3.3所示。

输入级：通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大电路构成，其目的是减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。输入级是提高集成运放质量的关键部分，它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。

中间级：通常由带有源负载（即以恒流源代替集电极负载电阻）的共发射极放大电路构成，其目的是获得较高的电压增益。

输出级：一般是由电压跟随器或互补对称功放电路组成，以降低输出电阻，提高运放的输出功率和带负载能力。

偏置电路：一般由各种恒流源电路构成，其作用是为各级电路提供合适的工作点及能源。

此外，为获得电路性能的优化，集成运放内部还增加了一些辅助电路，如过载保护和频率补偿电路等。

集成运算放大器具有体积小、重量轻、功耗低、增益高、成本低、可靠性高、使用方便等优点，获得了非常广泛的应用。

图3.4给出了一个简单集成运算放大器的内部电路原理图及电路符号。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“-”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时输出信号与输入信号相位相反。

图3.4　集成运算放大器内部的简单电路原理图及器件符号

（a）内部原理图；（b）国标符号；（c）惯用符号

在实际应用时，需要了解集成运放外部各引出端的功能及相应的接法，但一般不需要画出其内部电路。

3.集成运放的主要参数和类型

集成运放的参数是正确、合理选择和使用运放的依据，因此了解各性能参数及其意义是十分必要的，集成运放有以下几个主要参数。

1）输入失调电压UIO

一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上集成运放的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压。UIO的大小反映了运放的对称程度和电位配合情况。UIO越小越好，其量级在2～20 mV，超低失调和低漂移运放的UIO一般在1～20μV。

为了消除失调，实际的运放在应用中往往采用调零电路。调零电路通常使用调零电位器接在差动放大器两管的发射极或集电极之间，调节该电位器可调整差动放大器的输出电流或负载的平衡性，从而使得运放在输入电压为零时输出电压也为零。

2）输入失调电流IIO

当输出电压为零时，差分输入级的差分对管基极的静态电流之差称为输入失调电流IIO，即

由于信号源内阻的存在，IIO的变化会引起输入电压的变化，使运放输出电压不为零。IIO越小，输入级差分对管的对称程度越好，一般为1 nA～0.1μA。

3）输入偏置电流IIB

集成运放输出电压为零时，运放两个输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即

从使用角度来看，偏置电流小好，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也越小，故输入偏置电流是重要的技术指标。一般IIB为10 nA～1 μA。

4）开环差模电压放大倍数Aud

开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放工作在线性区、接入规定的负载，输出电压的变化量与运放输入端口处的输入电压的变化量之比。运放的Aud在60～120 dB。不同功能的运放，Aud相差悬殊。

5）差模输入电阻rid

差模输入电阻rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。rid越大，对信号源的影响越小，运放的rid一般都在几百千欧以上。

6）输出电阻ro

输出电阻ro是指在开环条件下，从集成运放的输出端和地之间看进去的等效交流电阻。ro越小，带负载能力越强，ro的理想值为零，实际值一般为100 Ω～1 kΩ。

7）共模抑制比KCMR

运放共模抑制比KCMR的定义是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，常用分贝数来表示。不同功能的运放，KCMR也不相同，有的在60～70 dB，有的高达180 dB。KCMR越大，对共模干扰抑制能力越强。

8）开环带宽BW

开环带宽又称-3 dB带宽，是指运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降3 dB所对应的频率fH。

此外，集成运放还有输入失调电压温漂dUIO/dT、输入失调电流温漂dIIO/dT、最大差模输入电压Uidmax、最大共模输入电压Uicmax、静态功耗Pc等参数，其含义可查阅相关手册，在此不一一介绍。

需要说明的是，在实际的电路设计或分析过程中常常把集成运放理想化。

集成运算放大器的类型很多。按每片集成电路中运放数目的不同，可以分为单运放、双运放和四运放。按照集成运算放大器的技术指标及应用场合的不同，通常分为通用型和专用型两大类。通用型运算放大器的各种参数均比较适中，专用型运算放大器的某些技术指标很高。通用型按增益大小可分为通用Ⅰ型（低增益型，其增益小于104）、通用Ⅱ型（中增益型，其增益介于104～105）、通用Ⅲ型（高增益型，增益一般大于105）。专用型又分为高输入阻抗型、高精度型、高压型（电源电压在±20Ⅴ以上）、高速型、宽频带型、低功耗型、低温漂型、低噪声型（等效输入电压在2 pV以下）、高功率型等。在没有特殊要求的场合下，尽量选用通用型集成运放，如μA741（单运放）、LM358（双运放）、TL072（双运放）等可降低成本。但一个电路中要使用多个运放时，尽量选用多元型即复合集成运放，如LM324、LF347等四运放封装在一起的集成电路。更多的集成运放的分类资料可以按照关键词到网上去查找。

图3.5　集成运放的传输特性

4.集成运放的特性

1）集成运放的电压传输特性

集成运放的电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系曲线，实际电路中集成运放的传输特性如图3.5所示，图中曲线上升部分的斜率为开环差模电压放大倍数Aud。以μA741为例，其开环电压放大倍数Aud可达105，最大输出电压受到电源电压的限制，不超过±18 V，此时，输入端的电压ui=u+-u-=uo/Aud，不超过±18 mV，也就是说，但|ui|在0～0.18mV时，uo与ui（ui=u+-u-）是线性关系，称为线性工作区，即

若|ui|超过0.18mV，则集成运放内部的输出级的三极管进入饱和工作区，输出电压uo的值为正饱和或负饱和电压（±Uom），近似等于电源电压，与输入电压ui的大小无关，称为非线性工作区。

2）理想集成运放的性能指标

目前，集成运放的应用极为广泛，已经可以作为晶体管一样的基本器件来使用。而且由于集成电路制造技术的发展，集成运算放大器性能越来越好，使用上越来越做到了模块化。尤其在一般场合，使用者完全可以将集成运算放大器当作理想器件来处理，而不会造成不可允许的误差。理想运放的主要性能指标如下。

（1）开环差模电压放大倍数为无穷大，即Aud→∞。

（2）差模输入电阻为无穷大，即rid→∞。

（3）输出电阻为0，即ro→0。

图3.6　理想运放的电路符号和电压传输特性

（4）输入失调电压UoI和输入失调电流IoI都为0。

（5）共模抑制比为无穷大，即KCMR→∞。

（6）开环带宽为无穷大，即BW→∞。

理想运放的电路符号和电压传输特性如图3.6所示。图中的“∞”表示开环电压放大倍数为无穷大的理想化条件。以后如果没有特别注明，所有电路图中的运放均作为理想运放处理，无穷大的符号也不一定都画。

3）集成运放线性应用的两个重要特征

从理想运放的电压传输特性可以看出，理想运放的线性区为零，实际运放的线性区也很窄。要使得集成运放工作在线性区（即线性应用）的必要条件是引入深度负反馈。

当集成运放工作在线性区时，不难看出运放工作在线性区时有以下两个重要特征。

（1）由于运放的电压增益Aud→∞，而输出电压uo有限，因而有

这说明运放同相与反相输入端的电压几乎相等，相当于短路，常称为“虚短”。

（2）由于运放的输入电阻rid→∞，因此反相端和同相端的输入电流等于0，即

这表明运放的两个输入端相当于开路，常称为“虚断”。

“虚短”与“虚断”的概念是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

4）集成运放非线性应用的特征

当集成运放工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运放的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运放就一定工作在非线性区。其特点是：输出电压只有两种状态，不是正饱和电压+Uom，就是负饱和电压-Uom。

（1）当同相端电压大于反相端电压，即u+ ＞u- 时，uo=+Uom。

（2）当反相端电压大于同相端电压，即u+ ＜u- 时，uo=-Uom。

综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，首先判断集成运放工作在线性区还是非线性区，再运用线性区和非线性区的特点分析电路的工作原理。

知识拓展

集成运放的内部单元电路——差分放大电路

图3.7　基本差分放大电路

抑制零点漂移的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。但有效且广泛采用的方法是输入级采用差分放大电路。

1.差分放大电路的结构

基本差分放大电路的结构如图3.7所示，它由完全相同的两个共发射极单管放大电路组成。要求两个晶体管特性一致，两侧电路参数对称。电路有两个输入端和两个输出端。当输入信号从某个管子的基极与“地”之间加入，称为单端输入，如ui1、ui2；而输入信号从两个基极之间加入，称为双端输入ui，因此ui=ui1-ui2。若输出电压从某个管子的集电极和“地”之间取出，称为单端输出，如uo1、uo2；而输出电压从两集电极之间取出，称为双端输出uo，显然uo=uo1-uo2。

2.抑制零点漂移的原理

可见，零点漂移完全被抑制了。对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移（不管是什么原因引起的）都具有抑制作用，这是它的突出优点。

3.信号输入

当有信号输入时，图3.7所示的对称差分放大电路的工作情况可以分为下列几种输入方式来分析。

可见，差分放大电路对共模信号没有放大能力，共模电压放大倍数为(www.xing528.com)

实际上，差分放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。因为折合到两个输入端的等效漂移电压如果相同，就相当于给放大电路加了一对共模信号。所以，差分放大电路抑制共模信号能力的大小，也反映出它对零点漂移的抑制水平。

设ui1＞0、ui2＜0，则VTl管集电极电流的增加量等于VT2管集电极电流的减小量。这样两个集电极电位一增一减，呈现异向变化，因而VTl管集电极输出电压uo1与VT2管集电极输出电压uo2大小相等、极性相反，即uo1=-uo2，输出电压为

可见在差模输入信号的作用下，差分放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍，即差分放大电路对差模信号有放大能力。

差模电压放大倍数为

（3）比较输入。两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模又非差模，这种输入称为比较输入。比较输入在自动控制系统中是常见的。

比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即

例如，比较输入信号为i1u=10 mV、i2u=-4 mV，则共模信号icu=3 mV，差模信号idu=7 mV。

对于线性差分放大电路，可用叠加定理求得输出电压为

式（3.12）表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差分放大电路的差值特性。

对于差分放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。

4.共模抑制比

用对数形式表示的共模抑制比的单位为dB。

显然，共模抑制比越大，表示差分电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。

5.差分放大电路的连接方式

差分放大电路有两个输入端和两个输出端，除了前面讨论的双端输入双端输出电路以外，还经常采用单端输入方式和单端输出方式。共有4种输入输出方式的差分放大电路，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。

1）单端输入

2）单端输出

单端输出信号可以取自差放管VT1、VT2任意一管的集电极与地之间的信号电压。由于所取输出端的位置不同，输出信号与输入信号之间的相位关系也就不同。

（1）单端输出时的差模电压放大倍数Aud。

因为单端输出时，差动放大电路中非输出管的输出电压未被利用，所以单端输出时的电压放大倍数只有双端输出时的一半。若带上负载，由于外接负载电阻RL直接并联于输出管的集电极与地之间，因此交流等效负载电阻LR′=RC//LR，由此可得单端输出时的差模电压放大倍数为

根据单端输出位置的不同，差模电压放大倍数可正可负。

当输入和输出信号为同一个三极管，如加在VT1的基极上，而从VT1的集电极取出时，输出电压与输入电压反相。当输入和输出信号为不同的三极管时，如加在VT1的基极上，而从VT2的集电极取出时，输出电压与输入电压同相。

输入电阻与双端输入相同，即

（2）单端输出时的共模电压放大倍数Auc。

因为单端输出时，仅取一管的集电极电压作为输出，使两管的零点漂移不能在输出端互相抵消，所以共模抑制比相对较低。但由于有RE，对共模信号的强烈抑制作用，因此其输出零漂比普通的单管放大电路还是小得多。

单端输出时，射极电阻RE上流过两倍的射极电流，根据带射极电阻的单管共发射极放大电路的电压放大倍数公式，可得单端输出时差动放大电路的共模电压放大倍数为

（3）单端输出时的共模抑制比为

（4）单端输出时差动放大电路的输出电阻。

由于仅从一管的集电极取输出信号，因此输出电阻是从一管的集电极和接地点之间进去的等效电阻，它是双端输出时的一半，即

为便于比较差动放大电路4种输入输出形式的特点，这4种接法电路的基本情况见表3.1。

表3.1　差动放大电路4种输入输出方式的比较

自测习题

自测习题答案

1.填空

（1）集成运放是_____增益的_______耦合的集成的______级放大器。直接耦合放大器存在___________问题，解决的办法是运放的输入级采用________________电路。

（2）集成运放存在________个工作区域，分别是____________区和___________区。理想集成运放的特点是___________、____________、_________________。

（3）集成运放内部一般包括4个组成部分，它们是____________、___________、___________和___________四部分。

2.选择

（1）集成运放的输入级采用差分电路，是因为（　　）。

A. 输入电阻高　B. 差模增益大　C. 温度漂移小

（2）差分放大器是一种直接耦合放大器，它（　　）。

A. 只能放大直流信号　B. 只能放大交流信号

C. 不能放大交流信号　D. 可以抑制共模信号

（3）通用型集成运放的输入级采用差动放大电路，这是因为它（　　）。

A. 输入电阻高　B. 输出电阻低

C. 抑制零点漂移　D. 电压放大倍数大

（4）理想运放的共模抑制比是（　　）。

A. ∞　B.0　C. 常数

（5）直接耦合放大电路零点漂移产生的主要原因是（　　）。

A. 输入信号较大　B. 环境温度量　C. 元器件太多

3.判断

（1）温度对差动放大电路的影响可以看成是共模输入。（　　）

（2）凡是运算电路都可用“虚短”和“虚断”求解运算关系。（　　）