模拟电子技术 第十章 集成运算放大电路

I I 0
虚断
对于工作在非线性区的应用电路，上述两个特点是分析其 输入信号和输出信号关系的基本出发点。
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什么情况下放工作于非线性区？
运放在非线性区的条件：
电路开环工作或引入正反馈！ iF
ui
UO RF UOPP U+-U-
iI
R1
i+ + i- -
Auo
uO
R
-UOPP
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实际运放 Auo ≠∞ ，当 u+ 与 u-差值比较小时， 仍有 Auo (u+ u- )，运放工作在线性区。
在运算电路中，无论输入电压，还是输出电压， 均是对“地”而言的。
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一、比例运算电路
作用：将信号按比例放大。 类型：反相比例放大、同相比例放大。 方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍
数无关，与输入电压和外围网络有关。
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一、比例运算电路
1.反相比例运算电路
虚短 虚断
2. 理想运放的输入电流等于零。
对于工作在线性区的应用电路，“虚短”和“虚断”是 分析其输入信号和输出信号关系的基本出发点。
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如何使运放工作在线性区？
理想运放的线性区趋近于0，为了扩大运放的线性区 或使其具有线性区，需给运放电路引入负反馈： 运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！

但线性区范围很小。
uO
例如：F007 的 UoM = ± 14 V，Auo 2 × 105 ， 线性区内输入电压范围
实际特性
0 u+u
U OM u u Auo 14 V 2 105 70 μV
非线性区
非线性区
线性区
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§10.4 集成运算放大器的线性应用
一、比例运算电路
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例1：电路如图所示，已知R2>>R4,试求解R1=R2时uO与 uI的比例系数。
解:
u u 0 uI i 2 i1 R1
虚地
R2 u M i 2 R 2 u I R1
由于R 2 R 4 由于R1 R 2
R3 uO (1 )uM R4
R2 R3 uO (1 ）uI R1 R4
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四、集成运放的外形图
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§10.2 集成运算放大器的主要参数
运算放大器的技术指标很多，其中一 部分与差分放大器和功率放大器相同，另 一部分则是根据运算放大器本身的特点而 设立的。各种主要参数均比较适中的是通 用型运算放大器，对某些项技术指标有特 殊要求的是各种特种运算放大器。
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1.开环差模电压放大倍数 Auo ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电压 的变化量与输入电压的变化量之比。 2.最大输出电压UOPP： 不出现明显失真情况下 的最大输出电压。
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三、集成运放的符号
(a) (b) 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出 端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端 相同，用符号‘+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入 信号变化的极性与输出端相异，用符号‚-‛表示。输出端一般画 在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放 大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。
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i1 R1i f i u
+
Rf
+
uo
说明
R1
Rf

特例：电压跟随器
当同相比例电路的比例系数为1时则有：
uo
ui R2
uo=ui
Rf
uo (1
Rf R1
)ui

uo
ui R2
ui R2
R1=∞
Rf=0


R1
uo
ui R2
uo
Rf=0 且R1=∞
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有分压电阻的同相比例运算电路
i+=0 ui =u+ u-u+ = ui uo= -if Rf +ui if -i1=-(ui /R1)
+
i
i
ui R2u
uo (ui /R1)Rf +ui 电压增益 Auf= uo /ui =1+(Rf /R1)
平衡电阻 R2=R1||Rf
Ri 由反馈的组态知： RO 0
电压增益
平衡电阻 R2 =R1||Rf
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Auf= uo /ui =－Rf /R1

R1
If I
uo
说明
Rf
R1
Rf uo ui R1
uo
特例：反相器
ui
R2
反相输入端“虚地”，电路的输入电阻为 引入深度电压并联负反馈，电路的输出电阻为 Rif = R1 Rof =0
为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大Rf，而大 电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不 再适用。
1 R2 R4 R2 // R4 1 1 R2 R4 uo (1 )uI R R R R uI RI R3 3 4 1 2
在电路中电阻的阻值不至太高的情况下，可同时获得较 高的电压放大倍数和较高的输入电阻。
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2.同相比例运算电路
电路中引入了电压串联 负反馈。 根据“虚短”和“虚断” 的特点
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§10.3 理想集成运算放大器
一、理想集成运放的条件 二、理想集成运放的分析依据
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一、理想集成运放的条件
在近似分析时，常把集成运放理想化，在一般的工程计算 中，由于理想化带来的误差都是允许的。 理想运放的概念: 理想运放指我们将集成运放的一些性能指标理想化，如： 开环差模增益、差模输入电阻、共模抑制比、上限截止频率均 为无穷大。输出电阻、失调电压、失调电流和它们的温漂均为 零，且无任何内部噪声。 常用性能指标：
运放工作在线性区的分析 U 方法：
UO
虚短（u+=u-）
U
虚断（i+=i-=0）
Rf
也就是说：通过电路是否引入了负反馈来判断电路是否工作 在线性区。
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（二）理想运放的非线性工作区
uo ≠ Auo ( u+ - u- )
1. 理想运放输出电压uo的值只有两种可能： U+> U-时，Uo=UOPP 虚短不存在 U+< U-时，Uo= -UOPP 2. 理想运放的输入电流等于零。
当工作在非线性区时，集成运放的输出、输入信号 之间将不满足关系式： (U+- U- )· uo= Uo A
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（一）理想运放在线性工作区
uo Auo (u u )
而Auo
o
U U ，u 为有限值，

UO
所以(u u ) 0，故
u u
i i 0
“虚短”：运放的同相输入端和反相输 入端的电位“无穷”接近，好象短路一样， 但却不是真正的短路。
(1)电路 组成
Rf

ui 电路核心器件为集成运放; 电路的输入信号从反相输入端输入; 同相输入端经电阻接地; 电路引入了负反馈，其组态 为电压并联负反馈。
+
R1
-
-u
o
R2
说明：由于集成运放输入极对称， 为保证外接电路不影响其对称性， 通常在运算电路中我们希望R+= R- 。
R+: 集成运放同相输入端的外接对地等效电阻。
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令R1=Rf
uo= -ui
改进——T型网络反相比例运算电路
电阻R2 、R3和R4构成T形网络电路 节点N的电流方程为 R2 uI uM u u i2 R1 R2 R1
M I
M i2 N + i3 i4
uM R2 所以 i3 R R R uI 3 1 3
+
i1
i4 = i2 + i 3 输出电压 uO= – i2 R2 – i4 R4 将各电流代入上式
R3 uO (1 ）uI R4
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所以比例系数约为（ R3 / R4)。 1
例2：电路如图所示，已知uO=-55uI, 试求出解R5的值。
R2 100 k uO1 (1 ）uI (1 ） 11uI R1 10 k R5 R5 uO uO1 11uI 55uI R4 100 k
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6.最大差模输入电压UIDM
(maximum differential mode input voltage)运放两输入端 能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出 现反向击穿现象。
7.最大共模输入电压UICM
(maximum common mode input voltage) 在保证运放正常工作条件下，共模输入 电压的允许范围。共模电压超过此值时， 输入差分对管出现饱和，放大器失去共 模抑制能力。
uO (1
Rf R1
u
)u
ui
R2
R3
Rf R3 uO (1 )ui R2 R3 R1
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R3 u ui R2 R3
Rf
R1
uoΒιβλιοθήκη 总结对于单一信号的运算电路，在分析运算关系 时，应首先列出关键节点的电流方程。 所谓关键节点是指那些与输入电压和输出电压 产生关系的节点，如+和-点。 根据“虚短”和“虚断”的原则，进行整理。 即可得出输出电压和输入电压的运算关系。
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集成电路——把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上， 构成具有某种特定功能的电子电路。 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的 直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。