集成运算放大电路

1.2 理想集成运算放大器
满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。
（1）开环差模电压放大倍数Aud →∞； （2）差模输入电阻 Rid→∞； （3）输出电阻 RO→0； （4）共模抑制比→∞； （5）输入偏置电流＝0； （6）失调电压、失调电流及温漂为0
利用理想集成运算放大器分析电路时，由于集成运算放大器接近 于理想运算放大器，所以造成的误差很小，本章若无特别说明，集成 运算放大器均按理想运算放大器对待。
1.3 集成运算放大器的电压传输特性 1．电压传输特性
实际电路中集成运算放大器的传输特性如图3.3所示。图中曲线上升部分的
斜率为开环电压放大倍数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±18V，此时，输入端的电压
u与idu=idu呈od线/A性ud，放不大超关过系±，0称.1为8m线V性。工也作就区是。说若，u当id
在图3.5中，如果把Rf短路(Rf＝0)，把R1断开（R1→∞），则Auf＝1， 即输入信号Ui和输出信号Uo大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电 压跟随器，如图3.6所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极 输出器组成的电压跟随器性能好，其输入电阻更高，输出电阻更小，性能 更稳定。
（2）中间级。要求中间级本身具有较高的电压增益。 （3）输出级。主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要 有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。 （4）偏置电路。为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。
2．集成运算放大器的符号 限定符号读解：
表示放大（驱动）能力，
∞ 表示放大倍数为∞。
图3.2 集成运算放大器的符号
“＋”表示同相输入端；“－”表示反相输入端。若反相输入端接地， 信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入 端接地，信号从反相输入端输入，则输出信号和输入信号相位相反。集成运 放的引脚除输入、输出端外，还有正、负电源端，有的集成运算放大器有调 零端，如μA741等。
1
同相输入式放大电路，U＋和U－相等，相当 于短路，称为“虚短”。由于U＋＝Ui，U－＝Uf， 则U＋＝U－＝Ui＝Uf。又由于U＋＝U－≠0，所以， 在运算放大器的两端引入了共模电压，其大小
接近于Ui。
2
图3.5 同相输入式放大电路
ห้องสมุดไป่ตู้
R1和Rf组成分压器，反馈电压：
Uf＝Uo
R1 Rf ＋R1
由于Ui＝Uf，因此
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图
集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器，其内部组成 原理框图如图3.1所示，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等4部分组成。
图3.1 集成运算放大器内部组成原理框图
（1）输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信 号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称为差动输入级。
3 当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器 的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线 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。
Ui＝Uo
R1 Rf ＋R1
得到
Uo＝
Rf＋R1 R1
Ui
＝
1＋
Rf R1

Ui
由上式可得电压放大倍数（比例系数）
Auf＝
Uo Ui
＝1＋ Rf R1
同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比 例关系，比例系数等于(1＋Rf /R1)，此值与运算放大器本身的参数无关。
＝
－
Uo Rf
Ii ＝
U i－U R1
＝ Ui R1
由于I－＝Ii′≈0，因此If＝Ii，即
Auf
＝－
Rf R1
为比例系数 。
Ui ＝－ U o
R1
Rf
图3.4 反相输入式放大电路
Auf＝
Uo Ui
＝－ Rf R1
Rf＝R1时，Auf＝－1，即输出电压和输入电压的大小相等，相 位相反，此电路称为反相器。
同相输入端电阻R2用于保持运算放大器的静态平衡，要求R2＝R1∥Rf ， 故R2称为平衡电阻。
3．输入电阻、输出电阻 由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈，所以从输入端看进 去的电阻很小，近似等于R1。由于该放大电路采用电压负反馈，所以其 输出电阻很小，RO≈0。
2.2 同相输入式放大电路
Rf为反馈电阻，R2为平衡电阻(R2＝R1∥Rf)。
2 基本运算电路
2.1 反相输入式比例运算放大电路
1. 虚地”的概念
U+ ≈ U－，Ii+ ≈ Ii－ ≈0,即流过R2的电流为0。U+ ≈ 0，则U+ ≈ U－ ≈ 0说明反相端虽然没有直接 接地，但其电位为地电位，相当于接地，是
“虚假接地”，简称“虚地”。
2．电压放大倍数
在图3.4
If
＝ U －U o Rf
集成运算放大电路
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图 1.2 理想集成运算放大器 1.3 集成运算放大器的电压传输特性 2 基本运算电路 2.1 反相输入式比例运算放大电路 2.2 同相输入式放大电路 2.3 加法、减法运算 2.4 积分、微分运算 3 电压比较器 4 集成运算放大器在应用中的实际问题
uid 在 0～0.18mV之间时 ，uod
超过0.18mV，则集成运算放大器
内部的输出级晶体管进入饱和区工作，输出电压uod的值近似等于电源电压，与uid不再
呈线性关系，故称为非线性工作区。
图3.3 集成运算放大器的电压传输特性曲线
2．集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成 运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放 大器的Aud→∞，则uid＝uod / Aud≈0，由 uid ＝u+－u － ，得u+≈u － ，此式 说明，同相端和反相端电压几乎相等，称为虚假短路，简称“虚短”。由 集成运算放大器的输入电阻 rid→∞，得i+≈i-≈0。此式说明，流入集成运算 放大器同相端和反相端的电流几乎为0，称为虚假断路，简称“虚断”。