第十二章集成运算放大器及其应用(2课时)
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集成运算放大器教案
集成运算放大器教案课程名称：集成运算放大器课程主题：集成运算放大器的基本概念与应用课时安排：2课时教学目标：1. 了解集成运算放大器的基本原理和特性。
2. 掌握集成运算放大器的基本电路连接方法。
3. 能够应用集成运算放大器解决简单的电路问题。
教学准备：1. 教师准备：课件、投影仪、黑板、粉笔、实验板、示波器等。
2. 学生准备：笔、纸。
教学过程：第一课时：一、导入（10分钟）1. 教师利用黑板或投影仪呈现一组基本的电路图，并向学生提问：你们了解这些电路吗？这些电路中是否使用了什么元件？2. 学生回答后，教师引导学生思考集成运算放大器在电路中的作用。
二、讲解集成运算放大器的基本概念（20分钟）1. 教师通过课件或黑板介绍集成运算放大器的定义、特点和分类。
2. 教师讲解集成运算放大器的电压放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等重要参数，并与学生进行互动讨论。
三、讲解集成运算放大器的基本电路连接方法（20分钟）1. 教师通过课件或黑板讲解集成运算放大器的虚拟地点、反馈电阻、电压放大电路的连接方法。
2. 教师利用实验板和示波器进行实验演示，向学生展示集成运算放大器的基本工作原理。
第二课时：四、讲解集成运算放大器的应用领域（20分钟）1. 教师通过课件或黑板介绍集成运算放大器在电子电路中的常见应用，如比较器、积分器、微分器等。
2. 教师与学生一起分析和探讨这些应用的原理和特点。
五、练习与巩固（20分钟）1. 学生分组进行小组讨论，设计一种基于集成运算放大器的特定电路应用。
2. 学生向全班展示他们的设计思路和实验结果，并进行讨论。
六、总结与评价（10分钟）1. 教师进行总结，强调本节课的重点和难点。
2. 教师通过提问和讨论了解学生的掌握情况，并进行评价。
教学反思：通过本次教学，学生能够初步了解集成运算放大器的基本概念、特性和应用领域。
本节课注重理论知识的讲解与实践应用的结合，通过实验演示和小组讨论，增强了学生对集成运算放大器的理解能力和创新思维能力。
电路12章含运算放大器电路
•
( I 2 )
•
•
I1 I2
4、理想回转器与变压器比较 理想变压器
理想回转器
u1 nu2
n 0
i1
1 n
i
2
A 0
1 n
i1 gu2
A
0
i2 gu1
g
1
g 0
互易元件, 阻抗变换 非互易元件, 阻抗逆变换
详细内容见P233表12-1
例1：图示网络，求H参数矩阵。
解： u1 nu2
其中: r=- Rf
r
u1 ri2 u2 ri1
12-5 回转器 回转方向
1、回转器：
r
一种非互易多端元件。
电路符号：
伏安关系：i1 gu2 i2 gu1
i1 i2
0 g
gu1
0
u2
g : 回转电导（S)
u1 ri2
u2 ri1
u1 u2
0 r
ri1
0
i2
r : 回转电阻（ ）
五、微分器
i1
i2
虚 地
i1
C
du1 dt
i2
u2 R
六、电压跟随器
u2 u1
特点: 输入阻抗大，输出阻抗小；
作用: 隔离
u2
RC
du1 dt
六、电压跟随器
u2 u1
特点: 输入阻抗大，输出阻抗小；
作用: 隔离
12-4 用运算放大器实现受控源 i2
u2
Rf R1
u1
u1
i1
其中: =- Rf / R1
12-4 用运算放大器实现受控源 i2
u2
Rf R1
u1
集成运算放大器的应用2
的输出电压Vo,并与理论估计值比较 。
表6－4 反相求和电路
2020/3/26
13
四、实路
电路如图6－5所示, 电路为电压串并联负反馈，由“虚
短”“虚断”分析得：
U O R 2 R 3 R 3R 1R 1 R F U i2 R R F 1U i1 1(U 0 i2 U i1 )
2.是否一定要先进行相位补偿、后调零？为什么？
2020/3/26
16
六、实验报告要求
1.简述实验目的、实验原理，画出实验电路图； 2.简述所做实验内容及步骤，整理实验数据； 3.与理论值比较，分析产生误差的原因 ；
4.总结本实验中五种运算电路的特点及性能 。
CUS T
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➢ 2.学会上述电路的测试和分析方法 。
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3
二、实验仪器
➢ 数字万用表 ➢ 示波器 ➢ 函数信号发生器 ➢ 交流毫伏表 ➢ TPE-ADII电子技术学习机
2020/3/26
CUS T
4
三、实验原理
CUS
T
➢ 运算放大器是具有两个输入端、一个输出端的高增益、高输入阻抗的电 压放大电路。在它的输出端和输入端之间加上反馈网络，可实现各种不 同的电路功能，如反馈网络为线性电路时，运算放大器的功能有放大、 加、减、微分和积分等，如反馈网络为非线性电路时可实现对数、乘和 除等功能，还可组成各种波形形成电路，如正弦波、三角波、脉冲波等 波形发生器。这种情况下运放主要工作于线性放大区，本实验仅对集成 运放施加线性负反馈后所具有的若干种电路功能进行研究,由于运放的电 压增益大约在100000以上，所以处于深度负反馈状态，因而有“虚断”、
“虚短”i，i0,U U 。为了叙述简便起见，实验电路中调零
集成运算放大器及其基本应用.ppt
运放工作在线性区的分析方法：
虚短（U+=U-） 虚断（ii+=ii-=0）
模
拟
电
子
技
术
4. 非线性区（正、负饱和输出状态）
运放工作在非线性区的条件：
电路中开环工作或引入正反馈！
运放工作在非线性区的分析方法在电压比较器一节讨论
模
拟
电
子
技
术
2.3
基本运算电路
2.3.1 比例运算 2.3.2 加法与减法运算 2.3.3 微分与积分运算 2.3.4 基本运算电路应用举例
若 R2 = R3 = R4 ， Rf = 2R1 则 uO = uI1+ uI2
注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能 单独调整。
模
拟
电
子
技
术
二、减法运算
法 1：利用叠加定理
uO1 uI2 = 0 uI1 使：
uI1 = 0 uI2 使：uO2 法 2：利用虚短、虚断
uO 2
uO R1 uI1 Rf u R1 Rf R1 Rf 一般 R1 = R1； Rf = Rf uI2 Rf u u R1 Rf
特点：1.为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 1
2. 输入电阻较小 Rif = R1 3. uIC = 0，对 KCMR 的要求低 u+ = u = 0 虚地
模
拟
电
子
技
术
二、同相比例运算
当 R1 = ，Rf = 0 时，
u u uI
Rf Rf uO uI uI 特点： )uI Auf 1 ， uO (1 R1 1. 为深度电压串联负反馈， Rf R1 A = 1 + R /R R1 uf f 1 2. 输入电阻大 Rif =
虚短（U+=U-） 虚断（ii+=ii-=0）
模
拟
电
子
技
术
4. 非线性区（正、负饱和输出状态）
运放工作在非线性区的条件：
电路中开环工作或引入正反馈！
运放工作在非线性区的分析方法在电压比较器一节讨论
模
拟
电
子
技
术
2.3
基本运算电路
2.3.1 比例运算 2.3.2 加法与减法运算 2.3.3 微分与积分运算 2.3.4 基本运算电路应用举例
若 R2 = R3 = R4 ， Rf = 2R1 则 uO = uI1+ uI2
注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能 单独调整。
模
拟
电
子
技
术
二、减法运算
法 1：利用叠加定理
uO1 uI2 = 0 uI1 使：
uI1 = 0 uI2 使：uO2 法 2：利用虚短、虚断
uO 2
uO R1 uI1 Rf u R1 Rf R1 Rf 一般 R1 = R1； Rf = Rf uI2 Rf u u R1 Rf
特点：1.为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 1
2. 输入电阻较小 Rif = R1 3. uIC = 0，对 KCMR 的要求低 u+ = u = 0 虚地
模
拟
电
子
技
术
二、同相比例运算
当 R1 = ，Rf = 0 时，
u u uI
Rf Rf uO uI uI 特点： )uI Auf 1 ， uO (1 R1 1. 为深度电压串联负反馈， Rf R1 A = 1 + R /R R1 uf f 1 2. 输入电阻大 Rif =
集成运算放大器应用
01
人工智能和机器学习
随着人工智能和机器学习技术的发展，集成运算放大器有望在这些领域
发挥更大的作用。例如，用于数据采集和处理、信号处理和模式识别等
应用。
02
物联网和智能传感器
随着物联网和智能传感器技术的发展，集成运算放大器在智能传感器和
物联网节点中的应用将更加广泛。例如，用于环境监测、智能家居和工
业自动化等领域。
详细描述
集成运算放大器作为核心器件，在信号运算处理中发挥着关键作用。通过配置适当的反馈网络，集成 运算放大器可以实现加法、减法、积分、微分等运算功能，广泛应用于信号调理、控制系统等领域。
有源滤波器
总结词
集成运算放大器可用于构建有源滤波器，对信号进行频率选 择和噪声抑制。
详细描述
有源滤波器是一种能够实现特定频率范围通过或抑制的电路 ，利用集成运算放大器的高开环增益和低噪声特性，可以构 建多种有源滤波器，如低通、高通、带通、带阻滤波器等， 广泛应用于信号提取、噪声抑制等领域。
总结词
集成运算放大器可以实现电流-电压转换和 电压-电流转换，将不同类型的信号进行相 互转换。
详细描述
集成运算放大器具有高输入阻抗和低输出阻 抗的特点，可以利用其输入和输出特性实现 电流-电压转换和电压-电流转换。在传感器 信号采集、电子测量等领域，这种转换功能 非常有用，可以将不同类型的信号进行相互 转换，便于后续处理或传输。
降低功耗
随着便携式电子设备的需求增加，集成运算放大器的功耗也受到了越来越多的关注。因此，低功耗设计成为了集成运 算放大器的一个重要发展趋势。
集成化和小型化
随着集成电路技术的发展，集成运算放大器也正朝着集成化和小型化的方向发展。这使得它们在便携式 设备、穿戴设备和物联网等领域的应用更加方便。
集成运算放大器及应用—集成运放的线性应用(电子技术课件)
图3.2.6 减法运算电路
图3.2.6 减法运算电路
根据叠加原理，先求ui1单独作用时的输
出电压uo1为：
uo1
Rf R1
ui1
再求出ui2单独作用时的输出uo2压为：
(1
Rf R1
)( R3 R2
R3
)ui 2
图3.2.6 减法运算电路
若 R1 R2 , R f R3 代入
二、集成运放的线性应用
集成运放可以应用在各种运算电路上，以输入电压作为自变量，输 出电压按一定的数学规律变化，反映出某种运算的结果。
常见的运算电路有比例、加减、积分、微分等，利用这些运算电路 实现同相放大、反相放大、差分放大以及信号的变换。
注意：集成运放作运算电路时必须工作在线性区。
1.反相比例运算电路
到了微分运算电路，如图3.2.9所示。
图3.2.9 微分运算电路
图3.2.9 微分运算电路
根据“虚短”和“虚断”的概念， u u 0 ，
为“虚地”，因而:
ic
iR
C
dui dt
输出电压为：uo iR R
R C dui dt
RC = — 时间常数
表明输出电压与输入电压的微分成正比，而 duI 也 dt
集成运放的线性应用（二）
3.2.2 集成运放的线性应用（二）
一、反相加法运算电路 在反相比例运放电路的基础上， 增加1个或者多个输入支路就
可构成反相加法运算电路。下面以二个输入信号同时作用于集成运 放的反相输入端为例，介绍反相加法运算电路。
图3.2.5 反相加法运算电路
由叠加原理可知，当ui1单独作用时：
uid
–UOM
图3.1.6 电压传输特性
图3.2.6 减法运算电路
根据叠加原理，先求ui1单独作用时的输
出电压uo1为：
uo1
Rf R1
ui1
再求出ui2单独作用时的输出uo2压为：
(1
Rf R1
)( R3 R2
R3
)ui 2
图3.2.6 减法运算电路
若 R1 R2 , R f R3 代入
二、集成运放的线性应用
集成运放可以应用在各种运算电路上，以输入电压作为自变量，输 出电压按一定的数学规律变化，反映出某种运算的结果。
常见的运算电路有比例、加减、积分、微分等，利用这些运算电路 实现同相放大、反相放大、差分放大以及信号的变换。
注意：集成运放作运算电路时必须工作在线性区。
1.反相比例运算电路
到了微分运算电路，如图3.2.9所示。
图3.2.9 微分运算电路
图3.2.9 微分运算电路
根据“虚短”和“虚断”的概念， u u 0 ，
为“虚地”，因而:
ic
iR
C
dui dt
输出电压为：uo iR R
R C dui dt
RC = — 时间常数
表明输出电压与输入电压的微分成正比，而 duI 也 dt
集成运放的线性应用（二）
3.2.2 集成运放的线性应用（二）
一、反相加法运算电路 在反相比例运放电路的基础上， 增加1个或者多个输入支路就
可构成反相加法运算电路。下面以二个输入信号同时作用于集成运 放的反相输入端为例，介绍反相加法运算电路。
图3.2.5 反相加法运算电路
由叠加原理可知，当ui1单独作用时：
uid
–UOM
图3.1.6 电压传输特性
集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)
集成运算放大器电路分析及应用（完整电子教案）3.1 集成运算放大器认识与基本应用在太阳能充放电保护电路中要利用集成运算放大器LM317实现电路电压检测，并通过三极管开关电路实现电路的控制。
首先来看下集成运算放大器的工作原理。
【项目任务】测试如下图所示，分别测量该电路的输出情况，并分析电压放大倍数。
R115kΩR315kΩR410kΩV2 4 VXFG11VCC5V U1ALM358AD 32481VCC35240R115kΩR215kΩR315kΩR410kΩV24 VXFG11VCC5V U1ALM358AD 32481VCC3524函数信号发生器函数信号发生器(a)无反馈电阻 (b)有反馈电阻 图3.1集成运算符放大器LM358测试电路(multisim)【信息单】集成运放的实物如图3.2 所示。
图3.2 集成运算放大1.集成运放的组成及其符号各种集成运算放大器的基本结构相似，主要都是由输入级、中间级和输出级以及偏置电路组成，如图3.3所示。
输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成；中间级的作用是获得较大的电压放大倍数，可以由共射极电路承担；输出级要求有较强的带负载能力，一般采用射极跟随器；偏置电路的作用是为各级电路供给合理的偏置电流。
图3.3集成运算放大电路的结构组成集成运放的图形和文字符号如图 3.4 所示。
图3.4 集成运放的图形和文字符号其中“-”称为反相输入端，即当信号在该端进入时， 输出相位与输入相位相反； 而“+”称为同相输入端，输出相位与输入信号相位相同。
2.集成运放的基本技术指标 集成运放的基本技术指标如下。
⑴输入失调电压 U OS实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时，输出电压并不为零。
规定在室温(25℃)及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放的两输入端额外附加补偿电压，称之为输入失调电压U OS ，U OS 越小越好，一般约为 0.5～5mV 。
电工电子技术与技能第3版 第12章 放大电路与集成运算放大器
第12章 放大电路与集成运算放大器
12.1.2 基本共射极放大电路结构
如图12-2所示，共射极放大电路主要由以下部分组成： 流射i结C【【【，正晶基集是向体极电放偏管偏极大压三置负电，极电载路并管阻电核给阻TR心基】b】R元极c起】也件提电称。供R流c偏一将放流个集大电合电作阻适极用，的电，电直流通源流的过V偏变C基置C化通极电转过电流换R流Ib成b为i，B集控三简—制极称射集管偏之电提流间极供的电发 电压变化，这个变化的电压，就是放大器的输出信号，即通过Rc将三极 管的电流放大作用转换为电压放大。
图12-4共射极放大电路动态分析实验电路
I第0 12章 放大电路与集成运算放大器
实验现象：用示波器观察可得到如图13-4所示波形。
图13-4 共射极放大电路动态分析各点波形
实验结论：由实验可以看出输出电压uo比ui大得多，说明共射极放大 电路具有电压放大作用；且uo和ui反相，说明共射放大电路还具有倒相作 用。
数，即放大电路输出电压与输入电
压之比为：
Av
vo vi
除电压放大倍，还有电流放大
图12-6 放大器的方框图
倍数Ai和功率放大倍数Ap， 三者关
系为：
AP
Po Pi
iovo iivi
Ai Av
工程上常用对数来表示放大倍
数，称为增益G，单位为分贝(dB)。
电压增益为：
Gu = 20lgAv(dB)
第12章 放大电路与集成运算放大器
第12章 放大电路与集成运算放大器
12.1.5 放大器的主要性能指标
【放大倍数】放大倍数是描述放大器放大能力的指标，常用A表示。 放入输大电出器压电的和流框输。图入如电图流；12右-6所边示是,输左出边端是，输外入接端负，载外，接u信o、号i源o分，别u为i、输ii分出别电为压输和
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+ -
+
v i2
-
-
-
- V EE
- V EE
双入双出
A VD = vo v id vo
双端输入 —— 共模抑制比
( R c //
1
双入单出
v o1 v id v o1 v ic
A VC =
v ic
2 R b rbe v v o2 o1 0 v ic
RL )
A VD1 =
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。
22
二、主要参数 1、开环电压放大倍数Auo
无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在 105 107之间。理想运放的Auo为。
2、共模抑制比KCMMR
常用分贝作单位，一般100dB以上。
23
三、理想运算放大器及其分析依据 运放的特点
A VC = vo v ic
Re对单边相当于2Re
RL开路
v o1 v o2 v ic 0
双入单出
A VC1 = vo v ic
RL由T1单独负担
v o1 v i1 A V1
A VC1 =
( R c // R L )
R b rbe ( 1 ) 2 R e
ri 大: 几十k 几百 k KCMRR 很大
ro 小：几十 几百
理想运放： ri
KCMRR
A uo很大: 104 107
ro 0 Auo
运放符号：
u－ u+
－＋
＋
Auo
uo
u－ u+
－
＋
uo
24
uo
_
ui
Auo +
+ -UOM
U OM uo max EC
Rb Rc i C1 v o1 T1 i E1 iE
+V CC
+ vo v o2 T2
Rc i C2
i E2 Re
Rb
+
v i1
+
v i2
-
-
- V EE
四种接法 a. 双端输入、双端输出 b. 双端输入、单端输出 c. 单端输入、双端输出 d. 单端输入、单端输出
16
双入双出
Rc iC 1 v o1 T1 Rb i E1 iE
12-1 差动放大电路 12-2 运算放大器的工作原理及主要参数
12-3 运算放大器的线性应用 12-4 运算放大器的非线性应用
1
集成电路简介
在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅
基片上(厚约0.2-0.25毫米，面积约零点几平方毫米) ，构成特定功能的 电子电路，称为集成电路。由于具有体积小、重量轻、耗电省、成本低、 可靠性高和电性能优良等突出优点，所以随着微电子技术的进步，集成 电路得到了飞速的发展。从60年代以来，集成电路的发展经历了小规模
Rc i C2
VC1
i C1
0
0
Rb
v i1
i E1 iE Re
i E2
Rb
v i2
+
0
+
v i2
0
v i1
iE 1
iE 1
- V EE
另外：
IE 1 0
iE = 2iE1 = 2iE2
IE 1
Re相当于2Re
0
15
（3）动态定量分析
小信号等效（微变等效） 电路法 利用对称特点，转化为单边 电路求解。 注意：电阻Re 和RL的处理
-
-
- V EE
差动放大电路一般有两个输入端： 从两输入端同时加信号——双端输入 从一个输入端对地加信号——单端输入
Rb1=Rb2= Rb
11
+V CC CC
组成特点：
Rc Rc i C2 i C2
Rc Rc i C1 C1 v o1 v o1 T1 T1 Rb b v i1 v i1
+ vo o
电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。
12-1 差动放大电路
一、直接耦合放大电路的零点漂移问题
可以放大直流、交流信号 输入短路时，输出 零漂： 仍有缓慢变化的电 压产生。即输出电 压偏离原来的起始 点而上下漂动。
主要原因： 主要由于温度变化引起，也称温漂。 直流电源波动，器件老化也是原因之一。
A VD =
( R c //
1
2 R b rbe
RL )
A VD1 =
1 ( R c // R L ) 2 R b rbe
A VD2 =
1 ( R c // R L ) 2 R b rbe
17
双入双出
Rc iC 1 v o1 T1 Rb i E1 iE
+V C C
9
假设
AV1 = 100, AV2 = 100, AV3 = 1 。
若第一级漂移了100 uV， 则输出漂移 100m V。
若第二级漂移了100 uV， 则输出漂移 10 mV。 若第三级漂移了100 uV， 则输出漂移 0.1 mV。 减小零漂的措施 采用差动放大电路 可见， 克服零漂 第一级是关键！
双入双出
A VD = vo v id
- V EE
- V EE
RL各分一半
v i1 v i2 2 v o1 2 v i1 A V1
双入单出
A VD1 = vo v id
RL由T1单独负担
v o1 v i1 v i2 v o1 2 v i1 1 2 A V1
v o1 v o2
+V C C
双入单出
Rc
+ vo RL v o2 T2
Rc iC 2
Rc iC 1 RL T1 Rb Rb
+ vo +
v o1 v o2 T2
iC 2
-
i E2 Re
i E1 iE Re
i E2
Rb
+
v i1
+
v i2
+
v i1
+
v i2
-
-
-
-
- V EE
- V EE
双端输入 —— 共模增益
双入双出
18
双入双出
Rc i C1 v o1 T1 Rb i E1 iE
+V CC
双入单出
Rc Rc iC 1 RL T1 i E2 Rb Rb i E1 iE i C2
+V C C
+ vo RL v o2 T2
+ vo +
v o1 v o2 T2
Rc iC 2
-
i E2 Re
Rb
+
v i1
+
Re v i2 v i1
i C1
0
0
Rb
v i1
i E1 iE Re
i E2
Rb
v i2
+
0
+
v i2
0
v i1
i E1
i E2
- V EE
另外：
I E1
iE = 0
Re相当于短路
I E2
0
0
14
vo
（2）动态定性分析 —— 输入共模信号
大小相等，方向也相同
+V CC
v o1
0
v o1
Rc
VC1
+ vo v o1 T1 v o2 T2
3
采用复合结构的电路
复合结构电路的性能较佳，制作并不困难， 故集成电路中多用复合管、共射-共基、共集-共 基等组合电路。
4
级间采用直接耦合方式
电路中的电容量不大，约在几十皮法以下，常 用结结电容构成，误差较大。而电感的制造非常困 难。故在集成电路中，级间都采用直接耦合方式。
5
二极管由BJT的发射结构成
Ao
ri ro 0
uo Ao ( u u ) 虚短路
I i 0 虚开路
u u
放大倍数与负载无关。分析多 个运放级联组合的线性电路时 可以分别对每个运放进行。
26
理想运放的符号
uu+
_
+ u0
+
27
10-3 运算放大器的线性应用
Ii _
•虚拟短路 u u
•虚拟断路 I i 0
圆壳式
双列直插式
扁平式
单列直插式
菱形式
运算放大器外形图
6
三、模拟集成电路的特点
1
电路结构与元件参数具有对称性
各元件在同一块硅片上，经相同工艺制造出 来，元件参数绝对值有同向的偏差，温度匀一性 好，特性相同。
2
用有源器件代替无源器件
电路中的电阻元件是由硅半导体中的体电阻构 成，电阻值的范围一般为几十欧到20千欧左右，范 围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达10%-20% 左右。故在集成电路中，高阻值的电阻多用BJT或 FET等有源器件组成的恒流源电路代替。
1 ( R c // R L ) 2 R b rbe
A VC1 = K CMR
( R c // R L )
R b rbe ( 1 ) 2 R e (1 ) Re R b rbe
19
K CMR
A VD A VC
R b rbe ( 1 ) 2 R e 2 ( R b rbe )
集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和