第八章、集成运算放大电路
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集成运算放大电路教学课件PPT
Rc
Rb
VO1
VO2T1
Rb
+
+
Vi1
T1
Rw
1/2TR2 w
Vi2
2Re
－
Re
－ Ee
－
－ Ee
IB·Rb + VBE +（1+β）IB（1/2Rw+2·Re）= Ee
IBQ=
Ee－ VBE Rb +（1+β）（1/2Rw+2·Re）
VBQ=－IBQ·Rb
ICQ = β·IBQ
VCQ = EC－ ICQ·RC
读图就是对电路进行分析。读图可培养综合应用的能力；进一步 熟悉已知电路；认识和学习新电路。
1、读图的步骤与方法
① 化整为零
将整个电路分成若干个部分。零 越大越好，最小值为单级电路。
② 各个击破
弄清每部分电路的结构和性能，进一步 化整为零，弄清每个元件和电路的功能。
③ 统观整体
研究各部分之间的相互关系，理 解电路如何实现所具有的功能。
提高共模抑制比的主要 途径是增加Re的值。
三、差分放大电路的四种接法
1 、四种接法
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
注意
◆各种接法的实际应用
◆只要输出端形式相同，双端输入的结论全部适用 于单端输入。
◆电路的输入、输出电阻
Rid = 2
·Ri
= 2〔Rb+rbe+（1+β）
AC = －
β· （RC// RL）
Rb+rbe+（1+β）（
1 2
RW
+2 Re）
第八章：集成运放放大电路
u i1 － + +VCC Rc Rb T1 u ic
+
+ uo uo1 IR e
-
Rc
+ RL u -o2 T2 Rb E
u ic
uo= 0 (理想化)。
_V
Re
+ ui2 －
EE
共模电压放大倍数
Auc 0
8.2.3 具有恒流源的差分放大电路
根据共模抑制比公式： Re K CMR Rb rbe 加大Re，可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源T3来 + 代替Re 。 u
8.2 差分放大电路
差分放大电路（Differential Amplifier） 又称差动放大电路，简称差放，是构成 多级直接耦合放大电路的基本单元电路。 它具有温漂小、便于集成等特点，常用 作集成运算放大器的输入级。
8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时， 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现 象，称为零点漂移，简称零漂。
uo2 T2 Rb -
Au d
u i1 RL － ( Rc // )
u id
2
Rb rbe
2
+ ui2 －
+
ib
+
ic rbe β ib RL uo1
2
差模输入电阻:
+
Rid 2Rb rbe
输出电阻:
ui1 +
Rb
+
RC
-+
Ro 2Rc
(2)加入共模信号
ui1=ui2 =uic， uid=0。 设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2
+
+ uo uo1 IR e
-
Rc
+ RL u -o2 T2 Rb E
u ic
uo= 0 (理想化)。
_V
Re
+ ui2 －
EE
共模电压放大倍数
Auc 0
8.2.3 具有恒流源的差分放大电路
根据共模抑制比公式： Re K CMR Rb rbe 加大Re，可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源T3来 + 代替Re 。 u
8.2 差分放大电路
差分放大电路（Differential Amplifier） 又称差动放大电路，简称差放，是构成 多级直接耦合放大电路的基本单元电路。 它具有温漂小、便于集成等特点，常用 作集成运算放大器的输入级。
8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时， 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现 象，称为零点漂移，简称零漂。
uo2 T2 Rb -
Au d
u i1 RL － ( Rc // )
u id
2
Rb rbe
2
+ ui2 －
+
ib
+
ic rbe β ib RL uo1
2
差模输入电阻:
+
Rid 2Rb rbe
输出电阻:
ui1 +
Rb
+
RC
-+
Ro 2Rc
(2)加入共模信号
ui1=ui2 =uic， uid=0。 设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2
集成运算放大电路
VCCUBE0 R
(1)
当 1 时，T1管的集电极电流
IC1IE1UBE0ReUBE1
(2)
(2)式中 (UBE0 – UBE1) 大概几十毫伏，因此只要 几千欧的 Re 就可以得到几十微安的IC1，所以称 为微电流源。
由式
IC1
Re0 Re1
IRU ReT1lnIICR1
可得
IC1
UT Re
ln
+VCC
IC0=IC1=IC ，IR为基准电流。
T0
C
T1
A点的电流方程I为E2：IC2IBIC2IC
IC0
2IB
IC
A
1
IC
2
IE2
2
IC2
IB2
IE2
1
B
T2
2
IC2
(1)
IR R
IC2 B点的电流方程为：
IR IB 2 IC IC 2 1 2 IC 22 2 2 2 2 IC 2
பைடு நூலகம்
UBE
UT
ln
IE IS
(2)
B
IC0
T0
A T1
IB0
IB1
Re0 IE0
IE1 Re1
因 将T(30)与式T代1 特入性 (1)完式全得U相：B同E0，U 故B：E1UTlnIIE E10 IE1Re1IE0Re0UTlnIIE E1 0
(3) (4)
当 2时，IC0IE0IR，IC1 IE1，所以
IC2(122 22)IRIR
(2)
2.4 多路电流源电路
基于比例电流源的多路电流源：
+VCC
IR R
C B
IC0
电工电子技术第八章集成运算放大电路
8.1 集成运算放大器的简单介绍
• 运算放大器开环放大倍数大，并且具有深 度反馈，是一种高级的直接耦合放大电路。 它通常是作为独立单元存在电路中的。最 初是应用在模拟电子计算机上，可以独立 地完成加减、积分和微分等数学运算。早 期的运算放大器由电子管组成，自从20世 纪60年代初第一个集成运算放大器问世以 来，运算放大器才应用在模拟计算机的范 畴外，如在偏导运算、信号处理、信号测 量及波形产生等方面都获得了广泛的应用。
• 4．在集成电路中，比较合适的电阻阻值范 围大约为100 ~300 Ω。制作高阻值的电阻 成本高、占用面积大并且阻值偏差也较大 （10~20%）。因此，在集成运算放大器中 往往用晶体管恒流源代替高电阻，必须用 直流高阻值时，也常采用外接的方式。
8.1.2 集成运算放大器的简单说明
• 集成运算放大器的的电路常可分为输入级、 中间级、输出级和偏置电路四个基本组成 部分，如图8-1所示。
• 2．信号的输入 • 当有信号输入时，差动放大电路（见图8-5）的工作情况可以分为以下几种情
况。
• （1）共模输入。 • 若两管的基极加上一对大小相等、极性相同的共模信号（即vi1 = vi2），这种
输入方式称为共模输入。这将引起两管的基极电流沿着相同的方向发生变化， 集电极电流也沿相同方向变化，所以集电极电压变化的方向与大小也相同， 因此，输出电压vo = ΔvC1-ΔvC2 = 0，可见差动放大电路能够抑制共模信号。 而上述差动放大电路抑制零点漂移则是该电路抑制共模信号的一个特例。因 为输出的零点漂移电压折合到输入端，就相当于一对共模信号。
u
u
u0 Au 0
0
u+≈u-
（8-2）
• 当反向输入端有信号，而同向端接地时，u+=0，由上式 可见，u-≈u+=0。此时反向输入端的电位近似等于地电位， 因此，它是一个不接地的“地”电位端，通常称为虚地端。
集成运算放大电路PPT培训课件
低功耗技术
随着便携式电子设备的普及，低功耗技术成为集成运算放大电路的 重要发展方向，有助于延长设备使用时间。
应用领域拓展
01
02
03
物联网应用
随着物联网技术的发展， 集成运算放大电路在传感 器信号处理、无线通信等 领域的应用越来越广泛。
医疗电子
集成运算放大电路在医疗 电子领域的应用逐渐增多， 如生理信号监测、医学影 像设备等。
详细描述
在高精度测量系统中，集成运算放大电路主要用于信号 调理和信号转换，如电压跟随、跨阻放大等。为了获得 更高的测量精度和更低的误差，需要选用具有低噪声、 低失真、低漂移等性能指标的高品质集成运算放大器， 并通过合理的电路设计和参数调整，实现高精度的测量 结果。同时，还需要注意集成运算放大器的供电电源和 接地方式，以减小电源噪声和接地干扰对测量精度的影 响。
详细描述
音频信号处理应用中，集成运算放大电路常被用于前置放大、功率放大等环节， 实现对声音信号的采集、传输、处理和播放。通过合理选用集成运算放大器，可 以有效地提高音频信号的质量，增强声音的清晰度和动态范围。
案例二：传感器信号放大电路设计
总结词
传感器信号放大电路是集成运算放大电 路的又一典型应用，通过对传感器输出 信号的放大，实现信号的远距离传输和 精确测量。
解决方案
为提高集成运算放大电路的稳定性，可以采取一系列措施，如加入负 反馈、调整元件参数、改善电源供电等。
线性范围问题
总结词
集成运算放大电路的线性范围是 指输入信号在一定范围内时，输 出信号与输入信号呈线性关系。
详细描述
集成运算放大电路的线性范围受 到电子元件性能的限制，当输入 信号过大或过小，超过一定范围 时，输出信号与输入信号不再呈
随着便携式电子设备的普及，低功耗技术成为集成运算放大电路的 重要发展方向，有助于延长设备使用时间。
应用领域拓展
01
02
03
物联网应用
随着物联网技术的发展， 集成运算放大电路在传感 器信号处理、无线通信等 领域的应用越来越广泛。
医疗电子
集成运算放大电路在医疗 电子领域的应用逐渐增多， 如生理信号监测、医学影 像设备等。
详细描述
在高精度测量系统中，集成运算放大电路主要用于信号 调理和信号转换，如电压跟随、跨阻放大等。为了获得 更高的测量精度和更低的误差，需要选用具有低噪声、 低失真、低漂移等性能指标的高品质集成运算放大器， 并通过合理的电路设计和参数调整，实现高精度的测量 结果。同时，还需要注意集成运算放大器的供电电源和 接地方式，以减小电源噪声和接地干扰对测量精度的影 响。
详细描述
音频信号处理应用中，集成运算放大电路常被用于前置放大、功率放大等环节， 实现对声音信号的采集、传输、处理和播放。通过合理选用集成运算放大器，可 以有效地提高音频信号的质量，增强声音的清晰度和动态范围。
案例二：传感器信号放大电路设计
总结词
传感器信号放大电路是集成运算放大电 路的又一典型应用，通过对传感器输出 信号的放大，实现信号的远距离传输和 精确测量。
解决方案
为提高集成运算放大电路的稳定性，可以采取一系列措施，如加入负 反馈、调整元件参数、改善电源供电等。
线性范围问题
总结词
集成运算放大电路的线性范围是 指输入信号在一定范围内时，输 出信号与输入信号呈线性关系。
详细描述
集成运算放大电路的线性范围受 到电子元件性能的限制，当输入 信号过大或过小，超过一定范围 时，输出信号与输入信号不再呈
集成运算放大电路
功耗
描述放大电路在工作过程 中消耗的能量，包括静态
电流、动态功耗等。
参数与性能指标的测试方法
01
02
03
输入阻抗测试
通过测量输入电压和电流 的比值来计算输入阻抗。
输出阻抗测试
通过测量输出电压和电流 的比值来计算输出阻抗。
开环增益测试
通过测量放大电路在不同 频率下的电压增益来计算 开环增益。
参数与性能指标的测试方法
描述放大电路对电源的需求和 功耗特性，包括电源电压、静 态电流等。
主要性能指标
线性度
描述放大电路输出信号与输 入信号之间的线性关系，包 括失真度、线性范围等。
精度
描述放大电路输出信号的 精度和稳定性，包括失调
电压、失调电流等。
带宽
描述放大电路在不同频率下 的响应速度和带宽范围，包 括通频带、增益带宽积等。
集成运算放大电路
目录
• 集成运算放大电路概述 • 集成运算放大电路的应用 • 集成运算放大电路的参数与性能指标 • 集成运算放大电路的设计与实现 • 集成运算放大电路的发展趋势与展望
集成运算放大电路概
01
述
定义与特点
定义
集成运算放大电路是一种将差分 输入的电压信号转换成单端输出 的电压信号，并实现电压放大的 集成电路。
特点
具有高放大倍数、高输入电阻、 低输出电阻、低失真度、低噪声 等优点，广泛应用于信号放大、 运算、滤波等领域。
工作原理
差分输入
集成运算放大器采用差分输入方式， 将两个输入端之间的电压差作为输入 信号。
放大与输出
反馈机制
集成运算放大器采用负反馈机制，通 过反馈网络将输出信号的一部分反馈 到输入端，以改善电路的性能。
集成运算放大器基本运算电路
集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
当外部接入不同的线性或非线性元器件组成负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。
在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。
基本运算电路（1)反相比例运算电路电路如图1所示，对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为uO＝-ui图1 反相比例运算电路为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1||RF。
(2)同相比例运算电路图2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为)ui当R1→∞时，uO=ui，即得到如图3所示的电压跟随器。
图中R2=RF，用以减小漂移和起保护作用。
一般RF取10KΩ，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。
图2 同相比例运算电路图3 电压跟随器(3)反相加法电路电路如图4所示。
图4 反相加法运算电路输出电压与输入电压之间的关系为uO=()R3=R1||R2||RF (4) 减法运算电路对于图5所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式uO=(ui2-ui1)图5 减法运算电路(5)积分运算电路反相积分电路如图6所示。
在理想化条件下，输出电压uo等于uo(t)= —式中“—”号表示输出信号与输入信号反相。
uc(o)是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值。
图6 积分运算电路如果ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设uc(o)=0，则—即输出电压uo(t)随时间增长而线性下降。
显然时间常数R1C的数值大，达到给定的uo值所需的时间就长。
积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限制。
在进行积分运算之前，首先应对运放调零。
为了便于调节，将图中K1闭合，通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。
但在完成调零后，应将K1打开，以免因R2的接入造成积分误差。
K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压uc(o)=0。
集成运算放大电路全篇
Y0 Y1 Y2 Y3 B
注：式中Aod为差模开环放大倍数。
二、 集成运放中的电流源电 路
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
+VCC
IR
B IC0
T0
R 2IB
A
IB0
IB1
IC1 T1
UBE0= UBE1， β0=β1=β， IC0=IC1=IC= βIB ， IC1为输出电流， IR为基准电流。
基准电流表达式：
IR
用
uP
集成运放组成方框图：
输入级
uN
中间级
输出级 uO
偏置电路
1) 输入级 又称前置级，常为双输入高性能差分放大电路（高Ri 、大Ad、 大KCMR、静态电流小）。输入级的好坏直接影响着集成运放的大多数性能 参数。
2) 中间级 主放大器，使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射 （或共源）放大电路。放大管经常采用复合管，以恒流源做集电极负载。
R`3
C`1 R`3
2.1k
2.1k
R`5 240k
C`1
R`4 25k
R`5 240k
－ ＋
R7 100k
－∞ A3
(以下电路同上，仅C1、C2 值不同，电路从略）
图5.6 十五段优质均衡器
(2) 当R4的滑动触头移到最左边时，其电路如图8.7（a）所示。
C1
R3
R3
C2 R5
R4 R5
－∞
R6
B点的电流方程为：
IR
IB2
IC
IC2
1 2
IC2
2
2
2 2
2
I
C
2
IC2
(1
集成运算放大电路简介.pptx
接入30pF的校正电容起 相位补偿的作用，防止电路 产生自激振荡。
30pF
IC13 +VCC
R7
T15
R8
T16
T17
-VEE
图 4.3.1-3 中间级示意图
第4页/共23页
4. 输出级
T14、 T18 、T19准互补 对称电路；
D1、 D2 、R9、R10为 过流保护电路；
T15 、R7、R8为输出级 设置合适的静态工作点。
置电路的三级直接耦合放大电路。
• 第二代产品：采用了有源负载，简化了电路设计，使开
环增益明显提高，各方面性能指标比较均衡。
• 第三代产品：输入级采用超β管，β值高达1000~5000
倍，版图设计考虑了热效应的影响，减小了失调电压、失 调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。
• 第四代产品：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性
4.3.2 单极型集成运 放
1.偏置电路
T1、T2 、T7构成多路电流源。
2.第一级
增强型PMOSFET对管T3、 T4
双端输入、单端输出的MOS差分
放大电路。
图4.3.5 C14573电路
图
由于第二级电路从T8的栅极输入，其输入电阻非常大，所以使第 一级具有很强的电压放大能力。
3.第二级 增强型NMOS管T8构成漏极带有源负载的共源放大电路。
其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输 出电阻等。
第12页/共23页
4.4.2 集成运放的低频等效电路
考虑各种失调因素 的等效电路图
不考虑各种失调因素的电路图
若将集成运放理想化，
则rid ，ro 0
第13页/共23页
4.5 集成运放的种类及选择
30pF
IC13 +VCC
R7
T15
R8
T16
T17
-VEE
图 4.3.1-3 中间级示意图
第4页/共23页
4. 输出级
T14、 T18 、T19准互补 对称电路；
D1、 D2 、R9、R10为 过流保护电路；
T15 、R7、R8为输出级 设置合适的静态工作点。
置电路的三级直接耦合放大电路。
• 第二代产品：采用了有源负载，简化了电路设计，使开
环增益明显提高，各方面性能指标比较均衡。
• 第三代产品：输入级采用超β管，β值高达1000~5000
倍，版图设计考虑了热效应的影响，减小了失调电压、失 调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。
• 第四代产品：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性
4.3.2 单极型集成运 放
1.偏置电路
T1、T2 、T7构成多路电流源。
2.第一级
增强型PMOSFET对管T3、 T4
双端输入、单端输出的MOS差分
放大电路。
图4.3.5 C14573电路
图
由于第二级电路从T8的栅极输入，其输入电阻非常大，所以使第 一级具有很强的电压放大能力。
3.第二级 增强型NMOS管T8构成漏极带有源负载的共源放大电路。
其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输 出电阻等。
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4.4.2 集成运放的低频等效电路
考虑各种失调因素 的等效电路图
不考虑各种失调因素的电路图
若将集成运放理想化，
则rid ，ro 0
第13页/共23页
4.5 集成运放的种类及选择
习题参考答案
第八章习题参考答案1. 设图中A 均为理想运算放大器，试求各电路的输出电压。
Ωk 10Ωk 20(a)U o2Ωk 10Ωk 20(b)2V(c)U o3图 题1图1． 解答：对图（a ），根据运放虚短、虚断的特点可以得到Ω-=Ω-k 1002k 2021o U 进一步可以求得V 61o =U对图（b ），根据运放虚短、虚断的特点可以得到Ω-=Ω-k 20V2k 100V 22o U 进一步可以求得V 62o =U对图（c ），根据运放的虚短、虚断特性容易求得V 2o3=U2. 电路如图所示，集成运放输出电压的最大幅值为±14V ，U i 为2V 的直流信号，分别求出下列各种情况下的输出电压。
（1）R 2短路；（2）R 3短路；（3）R 4短路；（4）R 4断路。
o图 题2图2． 解答：（1）02=R 时可以得到⎪⎩⎪⎨⎧-==1i 3o M 0R U R U U ，求得V 4o -=U（2）03=R 时可以得到⎪⎩⎪⎨⎧=-=-=M oi 12M V4UU U R R U（3）04=R 时2R 支路无电流，放大电路相当于开环应用， V 14o -=U （4）∞=4R 时可以得到V 8i 132o -=+-=U R R R U3. 如图所示电路，设A 为理想集成运算放大器。
（1） 写出U o 的表达式；（2） 若R f =3k Ω，R 1=Ω，R 2=1k Ω，稳压管VZ 的稳定电压值U Z =，求U o 的值。
图 题3图3．解答：（1）图中的集成运算放大器组成了同相比例运算电路，其输出电压表达式为P 1f N 1f o 11U R R U R R U ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= 当稳压管VZ 的稳定电压值V 10Z <U 时，Z P U U =，输出电压表达式为Z 1f o 1U R R U ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+= 当稳压管VZ 的稳定电压值V 10Z >U 时，k P U U =，输出电压表达式为k 1f o 1U R R U ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= （2）V 10V 5.1Z <=U ，故输出电压表达式为Z 1f o 1U R U ⎪⎪⎭ ⎝+= 将Ω=k 3f R ，Ω=k 5.11R ，V 5.1Z =U 代入上式得V 5.4V 5.1k 5.1k 31o =⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛ΩΩ+=U4. 如图所示电路中，A 为理想运算放大器，已知R 1=R w =10k Ω，R 2=20k Ω，U i =1V ，输出电压的最大值为±12V ，试分别求出当电位器R w 的滑动端移到最上端、中间位置和最小端时的输出电压U o 的值。
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u0
u0 u u0 + ui2 / 2 if = = RF RF
因为 i1 = i f
ui1 ui 2 / 2 u 0 + ui 2 / 2 RF 所以 = (u i2 ui1 ) 整理得 u 0 = R1 RF R1
若R1=RF，则 u 0 = u i2 u i1 实现了输出对输入的减法运算。
1. 集成运放的线性应用 (1)反相比例运算电路
if i1 R1 ui u－
+
RF
由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地” 根据“虚短”又可推出：u－= u+=0 ui u0 可得 i1 = ， if = R1 RF u0 由图可知 i1 = i f 整理后可得 u0 =
负号说明输 入输出反相
为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要， 常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：
①开环电压放大倍数Au0=∞ ②差模输入电阻ri=∞ ③输出电阻r0=0 ④共模抑制比KCMR=∞
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电工电子技术
集成运放的电压传输特性
u0(V)
理想特性
＋U0M
实际特性 线性区
0 ui(mV)
饱和区 －U0M
中间级的主要作 用是提高电压增 益。一般由多级 放大电路组成。 放大电路组成。
输出级常用电压跟 随器或互补电压跟 随器组成， 随器组成，以降低 输出电阻， 输出电阻，提高带 负载能力。 负载能力。
集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有 偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。
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电工电子技术 图示为常用A741集成运放芯片产品实物图 A741集成运放的8个管脚排列图如下：
U 0 = A u0 (U + U )
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电工电子技术
集成运放工作在线性区的特点
由 U 0 = A u0 (U + U ) 可知，理想运放工作在线性区时，输 出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。 U0 因Au0=∞，所以可导出 U + U = =0 A u0 运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 U + =U ， 即理想运放的两个输入端电位相等。 两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真 正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。 又由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为 两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。 “虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结 论。
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，构成特定功能的电子电路，称为 集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能 却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只 不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日 常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、 战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪 表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电 视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用 了集成电路。 集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性 能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路 是工业的“食粮”和“原油”。
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电工电子技术 集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正 反馈状态下；因运放的开环电压放大倍数Au极高，所以只要 输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放 工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。
(1)单门限电压比较器
单门限电压比较器只有一个门 限电平，当输入电压达到此门限 值时，输出状态立即发生跳变。
(3)闭环输出电阻r0
由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出 电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个 电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降， 甚至造成器件损坏。
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(4)最大共模输入电压Uicmax
电工电子技术
3. 理想集成运放及其传输特性
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电工电子技术
集成运放由哪几部 分组成？ 分组成？各部分的主要 作用是什么？ 作用是什么？
你能说明理想 运放的特点是 什么吗？ 什么吗？ 工作在线性区的理想运放 有哪两条重要结论？ 有哪两条重要结论？试说 明其概念？ 明其概念？
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电工电子技术
8.2 集成运放的应用
集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。
du C dui 可知 i1 = C1 = C1 dt dt u0 dui 因为 i1 = i f = C1 = dt RF dui 所以 u 0 = RF C1 dt
为保证电路的平衡， RF=R2
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电工电子技术
(6)基本积分运算电路
if i1 R1 ui u－
R2 u+ CF RF
积分电路也存在“虚地”现象，即 反相比例运放中的 u－= u+= 偏置电阻用电容代“地”
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电工电子技术
(5)基本微分运算电路
if i1 uC ui
ui RF
微分电路也存在“虚地”现象，即 u－= u+= “地”
＋
u－
－ ＋
∞
C1 R2 u +
u0
0
u0
t
0
t
微分电路可用 于波形变换， 于波形变换， 电路实现了输出电压正比于输 将矩形波变换 成尖脉冲； 成尖脉冲；且 入电压对时间的微分。式中的比 u0与ui相位反 例常数R C 称为电路的时间常数 相位反 F 1 相
输出端 空脚 正电源端
8 7 6 5
调零端
A741
1 2 3 4
调零端 反相输入端
同相输入端 负电源端
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电工电子技术 A741集成运放图形符号
UU+
－ ＋
∞ ＋
U0
A741集成运放外部接线图
7
＋12V
反相输入端 2 同相输入端 3
管脚1和 分别与调零电位 管脚 和5分别与调零电位 器的两个固定端相连
i1 R1 if
RF
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电工电子技术
(4)差分减法运算电路
if i1 R 1 ui1 i2 R2 ui2
R3 RF
R3 ui2 若R2=R3，则 u = u + = ui2 = R2 + R3 2
＋
不存在“虚地” 不存在“虚地”现 象
u－ u+
－ ＋
∞
ui1 u ui1 ui2 / 2 i1 = = R1 R1
单列 直插式
直插式
扁平式
常见集成电路的封装形式
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电工电子技术
集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但 它们的基本组成部分相同，如下图所示：
+ ui _
差分 输入级 中间放大级 输出级
u0
运放的输入级。利 运放的输入级。 用差分电路的对称 特性可提高整个电 路的共模抑制比和 电路性能。 电路性能。
1
∞ － ＋
5 4
＋
输出端子
6
－12V
调零电位器
调零电位器的可调 端与管脚4相连 端与管脚 相连
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电工电子技术
2. 集成运放的主要技术指标
(1)开环电压放大倍数Au0
其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0 与输入电压U＋和U－之间的关系。
(2)差模输入电阻ri
运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。
i
10 0 -10 u0 (V) 7 0 -7
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当门限电压为± 当门限电压为±0.7V时 时 t 输入波形
替即为积分电路
＋
－ ＋
∞
u0
1 i f dt 可知 u 0 = u C = C1 因为 u i = i1 R1 = i f R1
∫
ui 1 i1dt，其中i1 = C1 R1 1 将i1代入u0表达式得 u 0 = u i dt R1C1
所以 u 0 =
∫
∫
电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。 式中的比例常数R1C1称为电路的时间常数。
根据集成运放的实际特性和 理想特性，可分别画出其相应 的电压传输特性。 可以看出，当集成运放工作 在线性区(+U0M ~－U0M)时，其 实际特性与理想特性非常接近； 由于集成运放的电压放大倍数 相当高，即使输入电压很小， 也足以让运放工作在饱和状态， 使输出电压保持稳定。
集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系
反相电路存在“虚地”现象，因此 ui1 u－= u+= “地” i2 R2 ui2 u u ∞ i3 R3 u－ 可得 i1 = i1 ， = i2 ui3 i2 － RP u ＋ R1 R2 + u0 ＋ u i3 u0 i3 = i ，f = R3 RF u0 u i1 u i 2 u i3 + + = 因为 i1 + i 2 + i3 = i f 将各电流代入 R1 R2 R3 RF R 如果 R1 = R2 = R3 整理上式可得 u 0 = F (u i1 + u i 2 + u i 3 ) R1 若再有 R1 = RF 则 u0 = (ui1 + ui 2 + ui3 ) 实现了反相求和运算
电工电子技术
第一篇
电工电子技术
学习目的与要求
了解集成运算放大器的一般概况；熟悉 集成运算放大器的基本类型及其应用；掌 握集成运算放大器的理想化条件，并能运 用理想化条件对集成运放电路进行分析； 理解运放的基本结构、组成、符号及主要 参数，了解其常用的非线性应用。
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电工电子技术
8.1 集成运算放大器
u0
＋U0M
i1 R1
u0 u u0 + ui2 / 2 if = = RF RF
因为 i1 = i f
ui1 ui 2 / 2 u 0 + ui 2 / 2 RF 所以 = (u i2 ui1 ) 整理得 u 0 = R1 RF R1
若R1=RF，则 u 0 = u i2 u i1 实现了输出对输入的减法运算。
1. 集成运放的线性应用 (1)反相比例运算电路
if i1 R1 ui u－
+
RF
由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地” 根据“虚短”又可推出：u－= u+=0 ui u0 可得 i1 = ， if = R1 RF u0 由图可知 i1 = i f 整理后可得 u0 =
负号说明输 入输出反相
为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要， 常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：
①开环电压放大倍数Au0=∞ ②差模输入电阻ri=∞ ③输出电阻r0=0 ④共模抑制比KCMR=∞
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电工电子技术
集成运放的电压传输特性
u0(V)
理想特性
＋U0M
实际特性 线性区
0 ui(mV)
饱和区 －U0M
中间级的主要作 用是提高电压增 益。一般由多级 放大电路组成。 放大电路组成。
输出级常用电压跟 随器或互补电压跟 随器组成， 随器组成，以降低 输出电阻， 输出电阻，提高带 负载能力。 负载能力。
集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有 偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。
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电工电子技术 图示为常用A741集成运放芯片产品实物图 A741集成运放的8个管脚排列图如下：
U 0 = A u0 (U + U )
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集成运放工作在线性区的特点
由 U 0 = A u0 (U + U ) 可知，理想运放工作在线性区时，输 出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。 U0 因Au0=∞，所以可导出 U + U = =0 A u0 运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 U + =U ， 即理想运放的两个输入端电位相等。 两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真 正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。 又由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为 两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。 “虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结 论。
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，构成特定功能的电子电路，称为 集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能 却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只 不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日 常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、 战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪 表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电 视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用 了集成电路。 集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性 能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路 是工业的“食粮”和“原油”。
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电工电子技术 集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正 反馈状态下；因运放的开环电压放大倍数Au极高，所以只要 输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放 工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。
(1)单门限电压比较器
单门限电压比较器只有一个门 限电平，当输入电压达到此门限 值时，输出状态立即发生跳变。
(3)闭环输出电阻r0
由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出 电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个 电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降， 甚至造成器件损坏。
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(4)最大共模输入电压Uicmax
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3. 理想集成运放及其传输特性
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集成运放由哪几部 分组成？ 分组成？各部分的主要 作用是什么？ 作用是什么？
你能说明理想 运放的特点是 什么吗？ 什么吗？ 工作在线性区的理想运放 有哪两条重要结论？ 有哪两条重要结论？试说 明其概念？ 明其概念？
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8.2 集成运放的应用
集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。
du C dui 可知 i1 = C1 = C1 dt dt u0 dui 因为 i1 = i f = C1 = dt RF dui 所以 u 0 = RF C1 dt
为保证电路的平衡， RF=R2
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(6)基本积分运算电路
if i1 R1 ui u－
R2 u+ CF RF
积分电路也存在“虚地”现象，即 反相比例运放中的 u－= u+= 偏置电阻用电容代“地”
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(5)基本微分运算电路
if i1 uC ui
ui RF
微分电路也存在“虚地”现象，即 u－= u+= “地”
＋
u－
－ ＋
∞
C1 R2 u +
u0
0
u0
t
0
t
微分电路可用 于波形变换， 于波形变换， 电路实现了输出电压正比于输 将矩形波变换 成尖脉冲； 成尖脉冲；且 入电压对时间的微分。式中的比 u0与ui相位反 例常数R C 称为电路的时间常数 相位反 F 1 相
输出端 空脚 正电源端
8 7 6 5
调零端
A741
1 2 3 4
调零端 反相输入端
同相输入端 负电源端
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电工电子技术 A741集成运放图形符号
UU+
－ ＋
∞ ＋
U0
A741集成运放外部接线图
7
＋12V
反相输入端 2 同相输入端 3
管脚1和 分别与调零电位 管脚 和5分别与调零电位 器的两个固定端相连
i1 R1 if
RF
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(4)差分减法运算电路
if i1 R 1 ui1 i2 R2 ui2
R3 RF
R3 ui2 若R2=R3，则 u = u + = ui2 = R2 + R3 2
＋
不存在“虚地” 不存在“虚地”现 象
u－ u+
－ ＋
∞
ui1 u ui1 ui2 / 2 i1 = = R1 R1
单列 直插式
直插式
扁平式
常见集成电路的封装形式
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集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但 它们的基本组成部分相同，如下图所示：
+ ui _
差分 输入级 中间放大级 输出级
u0
运放的输入级。利 运放的输入级。 用差分电路的对称 特性可提高整个电 路的共模抑制比和 电路性能。 电路性能。
1
∞ － ＋
5 4
＋
输出端子
6
－12V
调零电位器
调零电位器的可调 端与管脚4相连 端与管脚 相连
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2. 集成运放的主要技术指标
(1)开环电压放大倍数Au0
其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0 与输入电压U＋和U－之间的关系。
(2)差模输入电阻ri
运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。
i
10 0 -10 u0 (V) 7 0 -7
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当门限电压为± 当门限电压为±0.7V时 时 t 输入波形
替即为积分电路
＋
－ ＋
∞
u0
1 i f dt 可知 u 0 = u C = C1 因为 u i = i1 R1 = i f R1
∫
ui 1 i1dt，其中i1 = C1 R1 1 将i1代入u0表达式得 u 0 = u i dt R1C1
所以 u 0 =
∫
∫
电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。 式中的比例常数R1C1称为电路的时间常数。
根据集成运放的实际特性和 理想特性，可分别画出其相应 的电压传输特性。 可以看出，当集成运放工作 在线性区(+U0M ~－U0M)时，其 实际特性与理想特性非常接近； 由于集成运放的电压放大倍数 相当高，即使输入电压很小， 也足以让运放工作在饱和状态， 使输出电压保持稳定。
集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系
反相电路存在“虚地”现象，因此 ui1 u－= u+= “地” i2 R2 ui2 u u ∞ i3 R3 u－ 可得 i1 = i1 ， = i2 ui3 i2 － RP u ＋ R1 R2 + u0 ＋ u i3 u0 i3 = i ，f = R3 RF u0 u i1 u i 2 u i3 + + = 因为 i1 + i 2 + i3 = i f 将各电流代入 R1 R2 R3 RF R 如果 R1 = R2 = R3 整理上式可得 u 0 = F (u i1 + u i 2 + u i 3 ) R1 若再有 R1 = RF 则 u0 = (ui1 + ui 2 + ui3 ) 实现了反相求和运算
电工电子技术
第一篇
电工电子技术
学习目的与要求
了解集成运算放大器的一般概况；熟悉 集成运算放大器的基本类型及其应用；掌 握集成运算放大器的理想化条件，并能运 用理想化条件对集成运放电路进行分析； 理解运放的基本结构、组成、符号及主要 参数，了解其常用的非线性应用。
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8.1 集成运算放大器
u0
＋U0M
i1 R1