集成电路运算放大器的定义
集成电路运算放大器的定义
集成电路运算放大器的定义1. 引言集成电路运算放大器是当今电子电路中最重要的基本器件之一。
它是一种高增益、差分放大器，广泛应用于模拟电路、信号处理、自动控制等领域。
本文将介绍集成电路运算放大器的定义、基本原理、特性以及应用。
2. 定义集成电路运算放大器，简称运放(Op-Amp, Operational Amplifier)，是一种差分放大器，它能够将输入信号放大到较高的增益水平。
运放通常由差动输入级、差动放大级、输出级和电源级组成。
它的输入有两个端口：非反馈输入端(inverting input)和反馈输入端(non-inverting input)，输出端则以电压方式输出。
3. 基本原理3.1 差分放大器运放的核心是差分放大器，它是由两个晶体管组成的差分对(differential pair)。
差分放大器具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。
当在非反馈输入端和反馈输入端施加电压时，差分放大器将两个输入信号进行差分放大，并输出差分放大的结果。
3.2 负反馈运放的一个重要特点是负反馈(negative feedback)。
负反馈通过将输出信号的一部分反馈到输入端，使得运放的输出与输入之间达到稳定的关系。
负反馈降低了运放的增益，但提高了稳定性和线性度。
4.1 增益运放具有非常高的开环增益，通常在105到106范围内。
通过负反馈可以调节运放的增益，使其适应不同的应用需求。
4.2 输入阻抗和输出阻抗运放的输入阻抗非常高，通常在105到1012欧姆之间，使其能够接受较小的输入信号。
输出阻抗通常比输入阻抗小得多，可以提供较低的输出阻抗。
4.3 带宽运放的带宽指的是它能够工作的最大频率范围。
通常，在低频时运放的增益较高，而在高频时增益会逐渐降低。
带宽取决于运放的内部结构和电容等元件。
运放的工作温度和环境温度对其性能有一定影响。
温度变化会引起运放增益的变化，这种现象称为温漂。
通过合适的补偿电路和工艺可以减小温漂的影响。
电工电子学_集成运算放大器
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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。
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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。
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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
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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
集成运算放大电路
iL
uI R1
(2) 悬浮负载电压—电流变换器 悬浮负载电压—电流变换器电路如图27所示。
（a）反相电压—电流变换器
（b）同相电压—电流变换器
图27 悬浮负载的电压—电流变换器
图27（a）是一个反相电压—电流变换器，它是一个电流并联负反馈电 路，它的组成与反相放大器很相似，所不同的是现在的反馈元件（负载） 可能是一个继电器线圈或内阻为RL的电流计。流过悬浮负载的电流为
（a）基本电路
图28 电流—电压变换器
（b）典型电路
图28(a)是一个基本的电流—电压变换器，根据集成运放的“虚断”和 “虚地”概念，有 和 ，故
u 0
，从而有
i 0
i F 是一个经常用在光电转换电路中的典型电路。图中 iI 图28(b) V是光电二 极管，工作于反向偏置状态。
O F F I F 根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念可得
u u 0 i i 0 iI iF
uO uI R1 RF RF uO uI R1
2. 同相比例运算电路 同相比例运算电路如图21所示。
图21同相运算电路 由虚短、虚断可得：
u u uI i i 0 i1 i F
RF u O (1 )u I R1
RF RX
4. 测量放大器 测量放大器电路如图33所示
图33 测量放大电路
由图33可知： (1) 热敏电阻 和R组成测量电桥。当电桥平衡时 信号，故输出 ，相当于共模
Rt ，若测量桥臂感受温度变化后，产生与 相应的微小
u S1 u S，这相当于差模信号，能进行有效地放大。 信号变化 uO 0 2
③ 不接基准电压，即 称为过零比较器。
简单的集成电路运算放大器
第21讲6.3 简单的集成电路运算放大器主要内容:本节主要介绍了集成电路运算放大器。
基本要求：了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。
教学要点：1．集成电路运算放大器的组成集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。
（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。
（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。
此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等2．简单的运算放大器简单运算放大器的原理电路如图所示。
（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。
（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。
（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压v id=v i1-v i2为零时，输出电压v O=0的目的。
（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。
（5）电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。
在运算放大器的代表符号中，反相输入端用"-"号表示，同相输入端用"+"表示。
器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。
（6）输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压v i1从反相输入端输入时（v i2=0），如v i1的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为：v C2（+）→v O2（–）→v B6（–）→v O（–）则输出信号电压v o 与v i1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入v i2(v i1=0)时，可以检验，输出电压v o与v i2同相。
集成运算放大器
A/D转换方法
– 计数法 速度慢 – 双积分式A/D转换器 精度高、干扰小 速度慢 – 逐次逼近式A/D转换器 原理同计数式相似，只是从最高位开始，通过试探值来计数。
例1：ADC0804 （8位,100us,转换精度 ±1LSB,内带可控三态门）。
例2：ADC570 (输入电压：0~10V 或 -5V~+5V）
例3. 8位以上A/D转换器和系统连接。 ADC1210：12位，100us，启动端SC，结束转换CC。
例4. ADC0809: 逐次逼近式8通道8位ADC。
同时有模拟电路和数字电路的系统中地 线的连接
模拟电路 ADC DAC 数字电路
模拟电路 AGND
数字电路 DGND
模拟地
公共接地点
if RF
R1 R2
R3 RP
－ ＋
u0
ui 1 ui 2 ui 3 uo R1 R2 R3 Rf 可得： uo R f ( ui 1 ui 2 ui 3 ) R1 R2 R3 若R1=R2=R3=R，则 u R f ( u u u ) o i1 i2 i3 R
集成运算放大器
1．集成运算放大器概述
集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出 电阻的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成：
输入级：一般是差动放大 器，利用其对称特性可以 提高整个电路的共模抑制 比和电路性能，输入级有 反相输入端“-”、同相 输入端“+”两个输入端； 中间级：的主要作用是
3、差动比例运算电路
R1=R2，R’=RF Uo=-RF/R1(Ui1-Ui2)
差动比例运算电路 又称减法运算电路
电子技术基础第五章集成运算放大器
2.差模交流信号分析 :
2.差模交流信号分析 : 画出对差模交流信号的交流通路
理想的直流电压源短路 关键是此处对Ree的处理。 在以前画交流通路时，线性电阻在交流通路中保留，阻值 为线性电阻的交流电阻，因为是线性的，所以交流电阻与 直流电阻相等。
A u c(单 u u o ic ） c 1 1 (b R rb )e 2 R c ()1 e R e2 -R R e ce
4 对任意信号的分析方法
ui1=uic+uid/2 ui2=uic-uid/2 uic = (ui1+ui2)/2 uid=ui1-ui2 uid1= -uid2= uid /2
差模信号和共模信号
• 差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行 放大的。
• 共模信号：人为引入的一个信号，不是要放大 的，而是用来描述零漂的大小。直接描述、测 量零漂很麻烦，要先后测量两种不同的环境温 度下的静态工作点，求取它们的差值。从另外 一个角度：在同样的环境温度下，在输入端施 加共模信号，测量输出端的信号，求取共模放 大倍数。
2.1差模输入双端输出
某瞬间的真实方向
uid = uid1-uid2 uid1= -uid2
Ree上交流压降为0。 因此，画差模交流信号交流通路时，Ree可视为短路，
即两管的发射极直接接地。
由uc1= -uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应 是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2.
（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
（6）一般无二极管，用三极管代替(B、C 极接在一起)。
集成运放的组成：输入级
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。
电路符号 集成电路运算
集成运放，全称为集成运算放大器，是一个高性能直接耦合的放大电路。
其电路符号包含一个三角形代表放大器，箭头的方向为信号的传输方向，Auo表示放大器的开环电压放大倍数。
集成运放有两个输入端、一个输出端。
与负号连接的称为反相输入端，对地电压用 u_ {-} 表示；与正号连接的称为同相输入端，对地电压用 u_ {+} 表示；输出端的对地电压用 u_ {o} 表示；元件上的正负号表示输入信号与输出信号的相位关系。
集成运放主要由偏置电路和输入级组成。
偏置电路是为各级放大电路设置合适的静态工作点，常采用电流源电路。
输入级是前置级，多采用差分放大电路。
集成运放的应用非常广泛，包括反相比例运算放大器、同向比例运算放大器、差动放大器和电压跟随器等。
例如，在反相比例运算放大器中，Rp是平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，Rp=R1//R2。
而在同向比例运算放大器中，输出电压与输入电压的关系曲线称为电压传输特性。
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第四章集成运算放大电路
第一节学习要求
第二节集成运算放大器中的恒流源
第三节差分式放大电路
第四节集成电路运算放大器
第五节集成电路运算放大器的要紧参数
第六节场效应管简介
第一节学习要求
1. 掌握差不多镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结构及差不多特性。
2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。
3. 掌握差不多型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。
4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比。
会计算A VD、R id、 R ic、 R od、 R oc、K CMR。
5．熟悉运放的要紧技术指标及集成运算放大电路的一般电路
结构。
学习重点：
掌握集成运放的差不多电路的分析方法
学习难点：
集成运放内部电路的分析
集成电路简介
集成电路是在一小块 P型硅晶片衬底上，制成多个晶体管 ( 或FET)、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。
集成电路在结构上的特点：
1. 采纳直接耦合方式。
2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象,采纳了温度补偿的手段 ----输入级是差放电路。
3. 大量采纳BJT或FET构成恒流源 ,代替大阻值R ,或用于设置静态电流。
4. 采纳复合管接法以改进单管性能。
集成电路分为数字和模拟两大部分。
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第二节集成运算放大器中的恒流源
一、差不多镜象电流源
电路如图6.1所示。
T1,T2参数完全相同,即
β1=β2,I CEO1=I CEO2 ，从电路中可知V BE1=V BE2，I E1=I E2，I C1=I C2
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当β>>2时,
式中I R=I REF称为基准电流，由上式能够看出，当R确定后，I R就确定，I C2也随之而定，我们把I C2看作是I R的镜像，因此称图6.1为镜像恒流源。
改进电路一：
图6.2是带有缓冲级的差不多镜象电流源,它是针对差
不多镜象电流源缺点进行的改进，两者不同之处在于增加了三极管T3，其目的是减少三极管T1、T2的I B对I R的分流作用，提高镜象精度，减少β值不够大带来的阻碍。
改进电路二：
图6.3是带有发射极电阻的镜象电流源，其中R e1=R e2，两管的输入仍有对称性，因此
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若此电路R e1不等于R e2，则I C2与（R e1、R e2）的比值成比例，因此，此电流源又称为比例电流源。
二、微电流源
电路如图6.4所示，当I R一定时，I C2可确定为：
可见，利用两管基-射电压差 V BE能够操纵I0。
由于 V BE的数值小，用阻值不大的R e2即可得微小的工作电流--微电流源。
例：电路如图6.5所示，
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已知：BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。
三、电流源的要紧应用-有源负载
前面曾提到，增大R c能够提高共射放大电路的电压增益。
然而，R c不能专门大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，R c越大，导致输出幅度越小。
那么，能否找到一种元件代替R C，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小。
因而不致于减小输出幅度呢？自然地，我们能够考虑晶体管恒流源。
由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广泛地把它作负载使用--有源负载，如图6.6所示。
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第三节差分式放大电路
差不多概念：
图6.7表示一个线性放大器，它有两个输入端，分不接有信号v i1和v i2；输出端的信号为v o。
在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为
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式中A VD是差分放大器的差模电压增益。
可见电路的两个输入端所共有的任何信号对输出电压都可不能有阻碍。
但在一般情况下，实际的输出电压不仅取决于两个输入信号的差模信号v id，而且还与两个输入信号的共模信号v ic有关，它们分不是
当用差模信号和共模信号表示两个输入信号时，有
在差模信号和共模信号同时存在时，关于线性放大器而言，能够利用叠加原理来求出总的输出电压，即
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式中为差模电压放大倍
数，称为共模电压放大倍数。
一、差不多差分放大电路
1. 差不多电路。