集成运算放大器原理和运用
集成运算放大器原理及应用（含习题）
集成运算放大器原理及应用将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。
随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。
按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI) ，中规模集成电路(简称MSI), 大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。
运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。
集成运放的应用是重点要掌握的内容，此外，本章也介绍集成运放的主要技术指标，性能特点与选择方法。
一、集成运算放大器简介1. 集成运放的结构与符号1. 结构集成运放一般由4部分组成，结构如图1所示。
142图1 集成运放结构方框图其中：输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。
中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。
输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。
偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。
2. 特点：○1硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。
○2运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。
○3电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个○4用有源元件代替大阻值的电阻○5常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好3. 集成运放的符号从运放的结构可知，运放具有两个输入端v P和v N和一个输出端v O，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。
电子技术基础第2章 集成运算放大器与应用
电子技术及应用
2.2 集成运算放大器
4．共模抑制比
K CMR
Aud Auc
K CMR
20 lg
Aud Auc
（dB）
电子技术及应用
2.2 集成运算放大器
2.2.3 集成运算放大器的主要参数
1．开环差模电压增益Aod
2．单位增益带宽fT 3．开环带宽fH 4．转换速率SR 5．最大输出电压Uo,max
2.3 反相与同相输入集成运算放大器
在集成运算放大器中，输入级采用差分放大电路，所以运算放大器的 差模输入电阻rid很大，在工程计算中我们可以认为rid→∞。。因此可以 认为运算放大器的同相输入端和反相输入端均无电流输入，
即： iIN=iIP=0
（以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相当于开路。即iP=iN=0。
电子技术及应用
2.3 反相与同相输入集成运算放大器
2.3.1 反馈的基本概念
把放大电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的 电路（网络）送回到它的输入端，削弱原来的输入信号（电压或电流） 并共同控制该放大电路，这种连接方式称为负反馈。
输入信号 +
净输入信号=输入信号-反馈信号
比较
净输入信号 基本放大电路
电子技术及应用
2.3 反相与同相输入集成运算放大器
2.3.2 反相输入放大器
if
Rf
R1 ii
ii' N
ui
ui'
PA
uo
RP
RL
由于输入信号加在反相输入端，输 出电压和输入电压的相位相反，因此 将它称为反相放大器。
电路由基本放大器A和反馈网络Rf组成。RL为负载电阻。uo为输出信号。 电路输入信号ui经电阻R1加在反相输入端上。电阻R1的作用是将输入电
集成运放的原理与应用
集成运放的原理与应用1. 什么是集成运放集成运放（Integrated Operational Amplifier），简称IC运放，是一种常用的电子器件，利用集成电路技术将放大器电路的各个功能模块集成在一个芯片上，通常被用作信号放大、滤波、比较、积分和微分等电路中。
2. 集成运放的工作原理集成运放主要由差动放大器、输出级、电源、反馈回路等组成，其工作原理可以分为以下几个方面：2.1 差动放大器差动放大器是集成运放的核心部分，采用差动放大器可以使运放具有较高的增益和抗干扰能力。
差动放大器由两个输入端（非反相输入端和反相输入端）和一个输出端组成，其输入信号经过前级放大后，通过差动放大器进行放大和处理。
2.2 反馈回路运放的反馈回路主要用于控制放大倍数和稳定运放的工作状态。
常见的反馈回路包括：电压负反馈和电流反馈。
电压负反馈是指将运放输出端的一部分信号反馈到反相端，从而控制运放的增益；电流反馈是指将运放输出端的一部分电流反馈到输入端，从而限制输出端的电流。
2.3 输出级输出级是集成运放的输出部分，用于将差动放大器输出的信号经过放大和处理后输出到负载上。
输出级通常由晶体管电路组成，可以提供较大的输出电流和电压。
2.4 电源集成运放需要外部稳定的双极性供电电源，常见的工作电源电压为正负15V。
电源电压的稳定性对运放的工作性能和输出质量有重要影响。
3. 集成运放的应用集成运放广泛应用于各种电子设备和系统中，以下列举几个常见的应用场景：3.1 信号放大集成运放可以将微弱的输入信号放大到需要的幅度，常用于传感器信号的放大和处理。
3.2 比较器运放可以将输入信号与参考电平进行比较，并输出高或低电平，常用于电压比较、电压门限检测等。
3.3 滤波器利用运放的差动放大和反馈回路，可以组成各种滤波器电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
3.4 积分与微分电路运放结合电容和电阻等元件，可以实现信号的积分和微分运算，常见的应用包括信号的积分与微分、波形发生器等。
集成运算放大器的应用有哪些
集成运算放大器的应用有哪些集成运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP) 是现代电子技术中常用的一种集成电路，广泛应用于信号放大、积分、微分、比较、滤波、波形变换、逻辑运算等电路中。
本文将介绍一些集成运算放大器的应用。
一、信号放大集成运算放大器广泛应用于信号放大电路中，其直接或变压器耦合输入方式具有低输入电阻、高输入阻抗、低噪声、高增益和宽带等特性。
在应用中，可通过精心设计放大器电路，控制反馈，实现高增益稳定运行。
二、积分电路积分电路是信号处理电路中的基本电路，它能将信号输入与时间积分，输出的是输入信号积分后的值。
集成运算放大器常用于积分电路的设计，其放大电压信号，然后通过电容对信号进行积分。
例如，在三角形波发生器电路中，可通过电容积分得到正弦波信号，而集成运算放大器的内部电路通常包含差分放大器，可将输入信号转化为电压差，用于驱动电容，完成积分计算。
三、微分电路微分电路是在信号处理中广泛应用的一种电路，它能够将信号对时间的微分操作，其输出电压是输入信号微分后的值。
集成运算放大器也常用于微分电路的设计中，可通过对输入信号进行微分计算得到输出信号。
例如，在测量热电偶温度时，可将温度信号输入到集成运算放大器中，通过差分放大器将信号转化为电压差，然后用电阻对信号进行微分计算，输出即为最终温度值。
四、比较电路比较电路是一种将两个信号进行比较然后输出比较结果的电路，它广泛应用于数字电路、自动控制、计算机硬件等领域。
集成运算放大器常用于比较电路中，它的输出能够根据电压的大小关系取两个输入信号中的一个。
例如，电压比较器是一种常见的电路，它采用集成运算放大器作为比较电路的核心元件，用于比较两个不同电压的大小关系，以便输出相应的状态。
五、滤波器滤波器是一种通过对输入信号进行滤波操作，抑制或增强特定频率信号的电路。
集成运算放大器广泛应用于滤波电路的设计中，其内部电路包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等类型。
电工电子学_集成运算放大器
24
9.3 集成运放在信号运算方面的应用
由于开环电压放大倍数Auo很高，集成运放开环工作时线性区很 窄。因此，为了保证运放处于线性工作区，通常都要引入深度负反馈。 集成运放引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间满足某种特定的 函数关系，实现特定的模拟运算。当反馈电路为线性电路时，可以实 现比例、加法、减法、积分、微分等运算。
图9.2.1 反馈放大电路框图
电路中的反馈是指将电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部 通过一定的电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号一同控制 电路的输出。可用图9.2.1所示的方框图来表示。
16
2. 反馈的分类
（1）正反馈和负反馈 根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。 （2）直流反馈和交流反馈 根据反馈信号的交直流性质，可以将反馈分为直流反馈和交流反馈。 （3）电压反馈和电流反馈 根据输出端反馈采样信息的不同，可以将反馈分为电压反馈和电流反 馈。 （4）串联反馈和并联反馈 根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端联结方式的不同，可以将 反馈分为串联反馈和并联反馈。
9
3. 输入和输出方式
差放电路有双端输入和单端输入两种输入方式。同样也有双端 输出和单端输出两种输出方式。因此，差动放大电路共有四种输入输 出方式。 （1）双端输入双端输出 （2）双端输入单端输出 （3）单端输入双端输出 （4）单端输入单端输出
10
4. 共模抑制比
差动放大电路对差模信号和共模信号都有放大作用，但对差动 放大电路来说，差模信号是有用信号，共模信号则是需要抑制的。因 此要求差放电路的差模放大倍数尽可能大，而共模放大倍数尽可能小。 为了衡量差放电路放大差模信号和抑制共模干扰的能力，引入共模抑 制比作为技术指标，用KCMR表示。其定义为差模电压放大倍数与共 模电压放大倍数之比，即 A （9.1.11） K ud
电工与电子技术第三章 集成运算放大器及其应用
各级工作点相互影响 适于放大直流或变化缓慢的信号 电压放大倍数为各级放大倍数之积 零点漂移
零点漂移---当输入信号为零时，输出端电压 偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动， 这种现象叫零点漂移。
产生原因---温度变化、电源电压的波动、电 路元件参数的变化等等。
第一级产生的零漂对放大电路影响最大。
∴ i 1＝ i f
即 ui/R1=－uo/ Rf
uo、ui 符合比例关系，负号表示输出输入电 压变化方向相反。
电路中引入深度负反馈， 闭环放大倍数Auf 与运放的Au无关，仅与R1、Rf 有关。
当R1＝Rf 时， uo＝－ui ，该电路称为反相器。 R2－－平衡电阻 同相端与地的等效电阻 。其作用是保持输入 级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。
共模信号－－极性相同，幅值相同的信号。
u i1= u i2
差模输入（信号）
ui1 ui2 ui 2
IC1 IC2
UCE1 UCE2 u0 UCE1 Δ UCE2 2 UCE1
Ad 2 UCE1 / ui 2 UCE1 / 2ui1 UCE1 / ui1
i3 ui3 R3
i f u0 Rf
ui1 R1 i1
Rf if
ui2 R2 i2 ui3 R3 i3
－ ＋ ＋∞
uo
RP
u0 ui1 ui 2 ui 3 R f R1 R2 R3
uo R f ( ui1 ui2 ui3 ) R1 R2 R3
若 R1 R2 R3 R f
AOUi
uo
I－≈I+ ≈0
二、Rf if
ui R1 i1 R2
电子课件电子技术基础第六版第三章集成运算放大器及其应用
集成运算放大器的组成框图
（1）输入级 通常是具有较大输入电阻和一定放大倍数的差动放大电路 ，利用它可以使集成运算放大器获得尽可能高的共模抑制比 。 （2）中间级 中间级的作用是使集成运算放大器具有较强的放大能力， 通常由多级共射极放大器构成。
一、零点漂移
放大直流信号和缓慢变化的信号必须采用直接耦合方式， 但简单的直接耦合放大器，常会发生输入信号为零输出信号 不为零的现象。产生这种现象的原因很多，如温度的变化、 电源电压的波动、电路元件参数的变化等，都会使静态工作 点发生缓慢变化，该变化量被逐级放大，便会使放大器输出 端出现不规则的输出量，这种现象称为“零点漂移”，简称“零 漂”。
三、集成运算放大器的主要参数
为了表征集成运算放大器的性能，生产厂家制定了很多参 数，作为合理选择和正确使用集成运算放大器的依据。下面 介绍几项主要的参数，见表。
集成运算放大器的主要参数
集成运算放大器的主要参数
§3-3 集成运算放大器的基本电路
学习目标
1. 了解理想集成运算放大器的基本概念。 2. 了解集成运算放大器线性工作区和非线性工作区的 特性及工作特点。 3. 理解集成运算放大器“虚短”“虚断”的概念。 4. 了解集成运算放大器电路直流平衡电阻的配置。
2. 消除自激振荡 集成运算放大器是多级放大器，具有极高的电压放大倍数 ，但它极易产生自激振荡，使运算放大器不能正常工作。为 了防止自激振荡的产生，通常按产品手册要求，在补偿端子 上接指定的补偿电容或 RC 移相网络，以便消除自激振荡现 象。
四、集成运算放大器的保护 电路
1. 防止电源极性接反 为了防止电源极性接反而损坏集 成运算放大器，可利用二极管的单向 导电特性来控制，如图所示，二极管 V1、V2 串入集成电路直流电源电路 中，当电源极性接反时，相应的二极 管便截止，从而保护了集成电路。 防止电源极性接反保护电路
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
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防止输出过电流、输出对地短路、输出与其他高电 压接触，可以用电阻防止过电流，用稳压管来嵌位高电 压。
3、抑制干扰和噪声
抑制干扰： ▽ 布板时调整好运放位置，远离干扰源； ▽ 注意信号线的走向，走双绞线，不要走干扰
Rf
U1
Vo
R1
Vo
C
Vi
C
2、在信号处理方面的应用 (1)有源滤波器-一阶有源高通滤波器
Rf
C
B
Vi
U1
Vo Vi
R1
V i2
R3
2、在信号处理方面的应用
R3
(1)有源滤波器-二阶有源带通滤波器
U1 Vo
Rf
R1
C2
Vi
U1 Vo
C1
R2
V i2
R1
Vi
R3
C
2、在信号处理方面的应用
(1)有源滤波器-二阶有源带阻滤波器
现在— 还用于信号处理、信号变换、信号产生等方面， 在各种电子设备中被广泛应用。在测量、控制电路中有十 分重要的地位。
一、基本原理和主要性能指标
2、运算放大器基本组成和原理-组成
运算放大器
输入级：采用恒流源的差动放大电路，工作在小电 流状态，输入阻抗高。
中间级：一般采用恒流源的共发射极放大电路，放 大倍 数在几千倍以上，是运算放大器的主要增益部分。
输出级：有较大的电压输出幅度，较高的输出 功率、较小的输出电阻，一般设有过载保护。
偏置电路：为各级提供合适的静态工作点， 作为有源负载提高电压增益。
一、基本原理和主要性能指标
2、运算放大器基本原理和组成-原理
一、基本原理和主要性能指标
3. 主要性能指标
（1）输入失调（偏移）电压Vio 一般在1~10Mv,指为了保证输出为零，在输入端加的补偿电
1、运算放大器的选择
☆运算放大器的主要技术要求： 高放大倍数、高输入阻抗、低漂移、低功耗、
高速、高压、精密、大功率、电压比较； ☆实际的运放不可能都具备上面的技术指标， ☆根据这些指标，运放分为不同类型：
高输入阻抗型、低漂移型、低功耗型、高速型、 高压型、大功率型、电压比较型; ☆根据实际应用选折具有相应指标的运放类型。
2、在信号处理方面的应用
（4） 波形产生电路-方波发生电路
3
4
R1
Vo C
U1
D
R4
Vo
R2
R3
C2
C C1 R2
R3 R3
2、在信号处理方面的应用
（5）比例-积分-微分（PID）调节器
C2
C1 R2
R1 Vi
Vref
U1 Vo
四、运算放大器应用时应注意的问题
1、运算放大器的选择 2、运算放大器的保护措施 3、抑制干扰和噪声 4、其他注意事项
2、典型运算放大电路 同相输入比例放大电路1
Rf
R2
U1
D Vi
R1
Vo
R1
Vi
2、典型运算放大电路
跟随电路
2
Rf
Vo
R1
Vi
U1
R
Vo
Vi
2、典型运算放大电路 反2 相输入比例放大电路
R1
Vo
Vi
Rf U1
R2
3
Vi Vo
Rf
2、典型运算放大电路
积分电3 路
4
C
R1
Vi Vo
U1 Vo
R2
环； ▽ 有大的干扰源要屏蔽； ▽ 使用滤波电路-电源滤波和信号滤波。
噪声抑制： 远离开关功率元件，远离发热器件，加 滤波
电路。
4、其他注意事项
（1）使用前要弄清楚原理、参数和封装； （2）不要带电焊接运放IC； （3）注意焊接温度和时间； （4）测试时注意把握住表笔和探头。
五、实例分析
对以前设计的项目应用运放的例子进行分析 1、比较器:
压，温度影响较大。 （2）输入失调（偏移）电流Iio
输入信号为零时，两输入端静态电流之差，温度影响较大。 （3）输入偏置电流IIB
输入信号为零时，两输入端静态电流的平均值，温度有一定影 响。 （4）差模增益（放大倍数）Avd
指运算放大器在开环状态时的差模放大倍数。 （5）转换速率SR
运算放大器在单位增益和额定输出电压下，输出电压的最大变 化率dv/dt。
1、运算放大器的选择
高速型
高速型响应速度SR快，一般用于快速模/数转换 器、数/模转换器、有源滤波器、精密比较器、采 样-保持电路；设备示波器、视频放大器等设备用 该类型。
1、运算放大器的选择 低功耗型
低功耗型运放电源消耗小，常用于供电不便的 检测仪表，如：遥测、遥感设备、便捷式仪器等
1、运算放大器的选择 大功率型
Vo
Rf
C
C
Vi
ห้องสมุดไป่ตู้
R /2
R
R
U1 Vo
2C
Titl e
2、在信号处理方面的应用
（2）采样保持电1路
2
D
缺少控制开关 V i
R
C
U1
Vi
Vo
2、在信号处理方面的应用
（3）电压比较电路
▼用于比较电路的运放叫比较器； ▼性能要求：鉴别准确，反应灵敏，动作迅速，抗干扰能 力 强，有一定的保护措施，防止过压（输入）或过流。
2、在信号处理方面的应用
(1)有源滤波器 ◆ 一阶有源低通滤波器：过滤高频信号 ◆ 一阶有源高通滤波器：过滤低频信号 ◆ 二阶有源带通滤波器：过滤低频高频和信号 ◆ 二阶有源带阻滤波器：过滤中频信号
2、在信号处理方面的应用 (1)有源滤波器滤波-幅频特性图
R2
2、在信号处理方面的应用 (1)有源滤波器-一阶有源低通滤波器
集成运算放大器原理和应用
基本原理和一般应用
课程大纲
一.基本原理和主要性能指标
二.运算放大器分析方法 三、运算放大器的应用 四、运算放大器应用时应注意的问题 五.实例分析
一、基本原理和主要性能指标 1、概念 2、运算放大器基本组成和原理 3、主要性能指标
一、基本原理和主要性能指标
1 概念
因为早期运放主要用于放大和模拟运算（加法、减法、 乘法、除法、积分、微分等），所以取名运算放大器。
所对应的信号频率。注意与GBP区别开来。 （10）差模输入电阻和输出电阻
差模输入电阻是指两输入端之间动态电阻；输出电阻指运算放大 器在环状态下输出端对地电阻。
一、基本原理和主要性能指标
3. 主要性能指标-例子
一、基本原理和主要性能指标
3. 主要性能指标-例子
二.运算放大器分析方法
1、分析运算放大器的基本法则：虚短、虚断、虚地。 2、典型运算放大电路 ▪ 同相输入比例放大电路 ▪ 跟随电路 ▪ 反相输入比例放大电路 ▪ 积分电路 ▪ 微分电路 ▪ 加法电路 ▪ 减法电路
用于电源输入欠压保护，过温保护 2、运放（PID）调节器:
用于电源环路控制。
1、比较器
1、比较器
2、调节器
2、调节器
1、运算放大器的选择
高输入电阻型
高输入电阻型可以减轻信号源的负担，常用于 测量设备的首级与传感器匹配，利于发挥传感器 的灵敏度。也用于信号处理电路，信号保持电路， 信号滤波电路和模拟调节电路。
1、运算放大器的选择
低漂移型
低漂移型的输入、输出值随温度、时间有极微 小的变化，经常用于精密检测，因为精密检测采 集的信号一般很小，常常是微伏数量级，如果漂 移过大，就会带来很大的误差。
大功率型运放主要用于输出功率大的场合，可 以达到几安的输出电流，比如说用于功放、驱动IC 等。
1、运算放大器的选择 电压比较型
电压比较型主要用于电压比较器，要求输出对 输入的响应时间小;一般输入电压不能太大。
2、运算放大器的保护措施
★电源保护： 注意电源的范围和极性，可用二极管预防电源极性
接反和静电。 ★输入保护：
对SR、Vin、Vio等要求严格； ▼常用的是迟滞（滞回）比较器。
2、在信号处理方面的应用
（3）电压比较2 电路-滞回电压比较电路
3
1 Vo
R1 Vi
U1 Vo
R2 R3
C2
2、在信号处理方面的应用
（4） 波形产生电路
● 锯齿波发生电路 ● 三角波发生电路 ● 正弦波发生电路 ● 方波发生电路 ● 压空振荡发生电路
1、在测量方面的应用
利用运算放大器测量电压、电流等: 可以与指针表做成： ●直流电流测量电路 ●支流电压测量电路 ●交流电流测量电路、 ●交流电压测量电路
Vi
C
1、在测量方面的应用
R
直流电流测量电路
C +
U1 K
V
1 00
10
1
R B
2、在信号处理方面的应用
（1）有源滤波器 （2）采样保持电路 （3）电压比较电路 （4）波形产生电路 （5）比例-积分-微分（PID）调节器
Rf
R1
2、典型运算放大电路 微分电路
C Vi
Rf U1
C
R2
R2 V i2
Vo
V i1
2、典型运算放大电路 加法电路
Rf
R2 V i2
R1
Vo
V i1
U1 Vo
R3
V i1 V i2
R2
R2
2、典型运算放大电路
减法电路
Rf
Vo
R1 V i1
U1
R2
Vo
V i2
Vi
R3
三、运算放大器的基本应用 1、在测量方面的应用 2、在信号处理方面的应用