集成运算放大器及其应用

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第11章集成运算放大器及其应用

上式表明，差动放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。这正是差动放大电路的优点。
差动放大电路对共模输入信号的放大倍数叫做共模电压放大倍数，用Auc表示，可以推出，当输入共模信号时，Auc为
Au c u o u C1 u C 2 0 0 ui c ui1 ui1
由于集成运放的电压放大倍数Ao d和输入电阻Ri d 都非常大（理想情况下，两者约等于∞），于是可以推得 u u
i i 0
注意：“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要特点。这两个特点常常作为今后分析运放应用电路的出发点，因此必须牢固掌握。
（2）集成运放工作在非线性区的特性如果运放的工作信号超出了线性放大范围，则输出电压与输入电压不再满足式（11-1），即uo不再随差模输入电压（u+ - u -）线性增长，uo将达到饱和。此时集成运放的输出电压uo只有两种取值：或等于运放的正向最大输出电压+UOM，或等于其负向最大输出电压-UOM，具体为当u + ＞u - 时，uo = +UOM 当u + ＜u - 时，uo = -UOM 另外，因为集成运放的输入电阻Ri d很大，故在非线性区仍满足输入电流等于零，即式（11-3）对非线性工作区仍然成立。
有时，为了简化起见，常常不把恒流源式差动放大电路中恒流管T3的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如图11-7所示。
二、输出级——功率放大电路集成运放的输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大电路。 1. 功率放大电路的特点（1）因为信号的幅度放大在前置电路中已经完成，所以功率放大电路对电压放大倍数并无要求。由于射极输出器的输出电流较大，能使负载获得较大输出功率，并且它的输出电阻小，带负载能力强，因此通常采用射极输出器作为基本的功率放大电路。不过单个的射极输出器对信号正负半周的跟随能力不同，在实用的功率放大电路中大多采用双管的互补对称电路形式。

电工技术第二章集成运算放大器及其应用

IC
β
U O = U C1 − U C2 = 0
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二. 差动放大电路工作原理 1. 差模信号
+VCC
ui1=-ui2 =ui/2 若ui1 ↑,ui2 ↓ → ib1 ↑,ib2 ↓ →ie1 ↑,ie2 ↓
+
R Rc c
T1 u i1 + ui1
u ++uo ouo1 -uo1 - E IRe
33 MHz
第一节直接耦合
直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。 +UCC R1 R2 + ui – T1 RC1 RC2 + T2 RE2 uo –
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Rb1=Rb2= Rb
几个基本概念
差动放大电路一般有两个输入端： 1. 差动放大电路一般有两个输入端：双端输入——从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。双端输入从两输入端同时加信号单端输入——仅从一个输入端对地加信号。仅从一个输入端对地加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号 2. 差动放大电路可以有两个输出端。以有两个输出端。双端输出——从C1 从双端输出输出。和C2输出。单端输出——从C1或从单端输出 C2 对地输出。对地输出。
I Re − 0.7V − ( −VEE ) = Re
T1 + ui1 -
+ uo
-
uo2 -
+
T2 + ui2 -
EE 1 I C1 =I C2 = I C ≅ I Re 2 U CE1 = U CE2 = U C − U E = VCC − I C R C − ( − 0.7)

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。

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。

电工单元九集成运放

实际特性
饱和区
（l）开环电压放大倍数为无穷大，A0→∞ （2）运算放大器差模输入电阻，rid→∞ （3）输出电阻为零，r0几乎为零
（1）线性区的特点
理想运放工作在线性区时有两个重要的特点：“虚短”
和“虚断”。即 u+≈u－ i+= i－≈0 “虚短”表示集成运放的同相输入端与反相输入端的电压近似相等，如同将该两点虚假短路一样。若运放其中一个输入端接“地”，则有u+≈u－=0，这时称“虚地”。 “虚断”表示没有电流流入运放（因为理想运放的差模
集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。r0愈小，集成运放带负载的能力就愈强。由于集成运放采用互补对称式射极输出电路，其r0较低，一般为几十到几百欧。
（4）最大输出电压UOM
在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为集成运放的最大输出电压。一般为电源电压的70%左右
对于单级运放电路，反馈元件（例如Rf)接到同相输入端是正反馈，接到反相输入端是负反馈。
反馈的其他分类
1.直流反馈和交流反馈——反馈的信号直流反馈：反馈信号是直流分量的称为直流反馈，直流反馈用于稳定静态工作点。交流反馈：反馈信号是交流分量的称为交流反馈。有时反馈信号中既含有直流分量又含有交流分量。
一、开环、闭环、反馈ห้องสมุดไป่ตู้概念
1、定义
集成运放有两个输入端，一个输出端。当输出端和输入端之间不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为开环状态当用一定形式的网络（如R、C等）在外部将它们连接起来，这称为闭环状态，又称为反馈状态。
反馈在电和非电领域都得到了广泛的应用。通常自动控制和自动调节系统都是基于反馈原理构成的；在放大电路中适当引入反馈、可以改善放大电路的性能

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

集成运算放大器及应用

由此可得：
uo
RC
dui dt
输出电压与输入电压对时间的微分成正
比。
若 ui 为恒定电压 U，则在 ui 作用于电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波
形如图所示。
2021/4/8
26
2．积分运算电路
由于反相输入端虚地，且 i i ，由图可得：
iR iC
iR
ui R
电路实现了中权减法运算。若取R1=R2=R3=RF时，则 u0=uI2-uI1
2021/4/8
24
例5.2.1 某理想集成运算放大器电路如图所
示。求输出电压u0。
解：由于集成运算放大器A1构成电压跟随器，所以
u01=2 V。集成运算放大器A2构成同相比例运算，由式（5.2.2）可得
u02
1
2R 2R
， iC
C duC dt
C
duo dt
由此可得：
uo
(t)
1 RC
t
0 u1(t)dt
输出电压与输入电压对时间的积分
成正比。
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例5.2.2 分析如图所示集成运算放大器应用电路中，
输出电压与输入电压的关系。
解：集成运算放大器A1实现了减法运算，由式
（5.2.8）可得
1．开环电压放大倍数Au0 , 104～107
2．最大A输u0 出 2电0 l压g UUUoiopp
dB
在一定电源电压下，集成运算放大器输出电压和输入
电压保持不失真关系的输出电压的峰-峰值。
3．最大差模输入电压Uid max 反向输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压值。
4．最大共模输入电压Uic max 集成运算放大器所能承受的最大共模输入电压

集成运算放大器应用介绍

控制电路
集成运算放大器可以用于控制电路，实现
1 对电压、电流、频率
等参数的调节和控制。
集成运算放大器可
4
以用于实现开关控
制，实现对电路的
开关控制。
集成运算放大器可以
应用于自动调速、自
动调压、自动调温等
2
控制系统中，实现对
系统的精确控制。
3
集成运算放大器可
以用于实现PID控制，
实现对系统的稳定
控制。
03
信号发生器：用于产生各种波形的信号，如正弦波、方波、三角波等，以实现信号的测试和仿真
04
信号处理：用于实现信号的放大、滤波、调制、解调等处理，以满足各种信号处理的需求
4
集成运算放大器的发展趋势
更高性能
01
更高精度：提高运算放大器的精度，降低误差
02
更高速度：提高运算放大器的响应速度，满足高速信号处理需求
04
消费电子：用于音频处理、图像
处理等
05
汽车电子：用于汽车电子控制单
元（ECU）等
06
航空航天：用于导航、控制等
07
物联网：用于传感器网络、智能
设备等
08
绿色能源：用于太阳能、风能等可再生能源的转
换和控制
谢谢
03
更低功耗：降低运算放大器的功耗，提高能源效率
04
更小体积：减小运算放大器的体积，满足便携式设备的需求
05
更多功能：集成更多功能，如信号处理、数据转换等，提高集成度
更低功耗
01 随着技术的进步，集成运算放大器的功耗越来越低，提高了设备的能源效率。

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uoc 共模放大倍数： AC uic uod 差模放大倍数： AD uid AD AD 或 K CMR 20lg ( dB ) 共模抑制比：K CMRR AC AC
KCMR越大，说明差放电路放大差模信号的能力越强，而受共模干扰的影响越小。
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若电路完全对称，理想情况下AC= 0， KCMRR→∞ uo = AD (ui1－ui2 ) = AD uid 若电路不完全对称，则 AC 0 uo = AC uic + AD uid
差模输入电阻Ri 差模输出电阻Ro
2(RB +Rbe) 2RC RC
2(RB +Rbe)
2RC
RC
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例1 某一双端输入、双端输出差动放大电路，已知差模电压增益为48dB，共模抑制比为67dB， ui1=5V，ui2=5.01V。试求输出电压uo。解：由已知得： 20 lg AD 48 则：AD≈ -251 则：AC ≈ 0.11
放大器只放大两个输入信号的差值信号—差动放大电路
ui1 ui2 其中：共模分量 uic uic1 uic2 2 ui1 ui2 差模分量 uid1 uid2 2
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3. 共模抑制比 ——衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。
+ ui=0 –
多级直接耦合放大电路
+ uo –
uo
晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。 (2) 评价零点漂移的指标
O
t
把输出漂移电压折算到输入端来衡量。
uod ui d页下一页
例：若有两个放大电路的A、B，它们的电压放大倍数分别为1000和200，输出端的零点漂移电压均为1V。若要放大2mV的信号，应采用哪个放大电路？
RC
RB2 RB1 + ui2 –
+ ui1 –
①共模信号大小相等、极性相同 (uic1 = uic2 )
共模信号 ② 在共模信号输入下：需抑制 VC1 = VC2 （集电极电位等向等量变化） uo= (VC1 + VC1) – (VC2 + VC2 ) = 0 对共模信号没有放大能力差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。总目录章目录返回上一页下一页
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常用的集成运放芯片F007 实物外形图：外部接线图：
+12V 7 2 Auo + 54 –12V
管脚图：
正电源端空脚 8

u–
输出端 7 6 5
调零端
–
6
u+
3 + 1
uo
μA741
调零端 1 2 3 4 负电源端
调零电位器
反相输入端同相输入端
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+ RC u oc1 -
RC 2 RE
若RE足够大，AC 0
微变等效电路
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其差模放大倍数AD为：
uo1 uo1 RC AD1 （反相输出） ui 2uid1 2( RB Rbe ) uo2 uo2 RC AD2 （同相输出） ui 2uid2 2( RB Rbe )
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三、集成运放的符号、外特性和电路模型
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三、差动放大电路的几种形式 1、双端输入-双端输出
+UCC RC
(1) 静态分析
RB
IB + UBE – 2RE
IC + V1UCE – – UEE + IE
RB I B U BE 2RE I E U EE
前两项很小,可忽略。
U EE IC IE 2 RE
当T ICVC （两管变化量相等）
uo= (VC1 + VC1 ) – (VC2 + VC2 ) = 0
对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。
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2. 有信号输入时的工作情况
+UCC (1) 共模输入
RB2
RB1
RC
+ uo – V1 V2
微变等效电路
AD1 (ui1 ui 2 ) 双端输出电压放大倍数为： uo RC AD AD1 ui1 ui2 RB Rbe
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当两管之间接负载电阻 RL时：
AD
R '
L
RB Rbe
RL ( R L RC // ) 2
第一节
直接耦合放大器
+UCC
RB2 RB1 + ui –
RC1 V1
RC2 V2 RE2 +
uo
–
优点：能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。缺点：(1)前、后级静态工作点互相影响； (2)零点漂移。
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1、前后级静态工作点相互影响
+UCC RB2 RB1 + ui – RC1 VC1
(2)差模输入
+UCC
RB2 RC + uo – V1 V2 RC RB2 RB1 + ui2 –
①差模信号大小相等、极性相反 (uid1 = – uid2 )
RB1
+ ui1 –
差模信号 ② 在差模信号输入下：是有用信号 VC1 = – VC2 (集电极电位一增一减，呈等量异向变化) uo= (VC1 – VC1) – (VC2 + VC2 ) = –2 VC1 对差模信号有放大能力。
+ ui2 –
差动放大电路的电路结构
电路结构对称，两个输入、两个输出
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1. 零点漂移的抑制
+UCC RB2 RB1 + ui1 – RC VC1 + uo – V1 V2
RC R B2 VC2 R B1
+ ui2 –
静态时：ui1 = ui2 = 0
uo= VC1 – VC2 = 0
uod 1 ui d A 1mV AuA 1000 uod 1 ui d B 5mV AuB 200
所以采用A放大电路。
(3) 抑制零点漂移的措施 —— 差动放大电路
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第二节差动放大电路一、差动放大电路的基本形式
+UCC RB2 RB1 + ui1 – RC + uo – V1 V2 RC RB2 RB1
RC2
V2 RE2 + uo –
V1 VB2
VC1 VB2
RE2的接入，提高了V1基极电位，从而保证第一级有较高的静态电位，而不致于进入饱和区。但RE2 的接入使第二级电压放大倍数大大降低。
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2、零点漂移 —— 指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。 (1) 产生的原因
结论：差动放大电路的电压放大倍数与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模放大倍数与单管相同；若为单端输出，则为单管的一半。
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四种差分放大电路的比较
输入方式双端双端
RC
单端
输出方式
单端
双端
单端
RC RC RC 差模放大倍数AD RB Rbe 2( RB Rbe ) RB Rbe 2( RB Rbe )
第二章集成运算放大器及其应用
第一节直接耦合放大器
第二节
第三节第四节第五节第六节
差动放大器
集成运算放大器简介集成运放电路中的负反馈集成运放在信号运算电路中的应用集成运放在信号处理电路中的应用
第七节 *第八节
*第九节
集成运放在信号发生电路中的应用集成运放的选择与使用
集成运放应用实例
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即共模信号对输出有影响。
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二、典型差动放大电路(长尾式差动放大电路)
+UCC RC
RB + ui1 – V1 + uo – RP V2 RC RB
RE的作用：
(1) 抑制零点漂移，稳定静态工作点。 + —— 共模抑制电阻
ui2 –
RE – UEE +
(2)对差模信号无反馈作用。
U EE IB 2RE IE
单管直流通路
U EE RC U CE U CC RC I C U CC 2 RE VE 0（虚短）
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(2) 动态分析
由于RE对差模信号不起作用，则单管差模信号通路为：
RB + T1 RC uo1 单管交流通路
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(3) 比较输入 ——常作为比较放大来用
ui1 、ui2 大小和极性是任意的。
例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV 可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV ui2 = 8 mV － 2 mV
共模分量差模分量
ui1 = uic1 + uid1 ui2 = uic2 + uid2
uo1 RC AD1 ui1 RB Rbe
同理可得： uo 2 RC AD2 AD1 ui2 RB Rbe 双端输出电压为：