2-集成运放及其基本应用
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。
集成运放的应用
自动控制系统中的集成运放应用
模拟计算
集成运放可以用于实现各种模拟计算， 如加减乘除、积分、微分等，以实现控 制系统中的信号处理和运算。
VS
比较器和触发器
集成运放还可以用作比较器和触发器，用 于检测信号的阈值和状态变化，触发相应 的控制动作。
医学仪器中的集成运放应用
生理信号监测
集成运放在医学仪器中广泛应用于生理信号 的监测，如心电图、脑电图、血压等，用于 诊断疾病或研究生理机制。
医学成像
集成运放也可以用于医学成像设备中，如超 声波、核磁共振等，以实现信号的放大和处 理，提高成像质量。
05
集成运放的未来发展与应用 趋势
高性能集成运放的研发
高精度集成运放
随着电子测量技术的发展，对高精度放大器 的需求日益增长。高性能集成运放能够提供 高精度、低噪声、低失真的放大信号，广泛 应用于科学实验、医疗仪器、通信设备等领 域。
02
集成运放的基本应用
放大电路
放大电路
集成运放作为放大器使用时，可 以实现对微弱信号的放大，广泛 应用于信号处理、音频放大、传 感器输出等领域。
放大倍数
通过改变反馈电阻的阻值，可以 调整放大倍数，实现不同需求的 信号放大。
输入输出阻抗
集成运放在放大电路中具有较高 的输入阻抗和较低的输出阻抗， 有利于信号的传输和隔离。
03
集成运放的特殊应用
模拟运算的应用
01
模拟运算放大器在模拟运算中发挥着重要作用现各种运算功能，广泛 应用于信号处理、控制系统等领域。
03
集成运放具有高精度、低噪声、低失真等特点，能 够提高运算精度和稳定性。
有源滤波器的应用
1
有源滤波器是集成运放的重要应用之一，用于实 现各种滤波功能，如低通、高通、带通、带阻等。
集成运放的分类及应用
集成运放的分类及应用集成运放（Operational Amplifier, OP-AMP）是一种基本的电子元件，具有非常广泛的应用。
根据性能特点和应用功能的不同，可以将集成运放分为以下几类。
1. 低噪声运放：低噪声运放在信号处理、放大和传输等领域中应用广泛。
这些运放通常具有非常低的输入等效噪声、电压噪声和电流噪声，能够保持信号的高精确度。
它们常用于音频放大器、传感器信号放大、音频电平计等高要求的应用上。
2. 高速运放：高速运放具有快速的频率响应和瞬态响应，可以实现高速信号处理。
这些运放主要应用于高速数据转换、通信、视频处理、宽带放大器等领域。
高速运放还常用于模拟环路控制系统、高速采样和保持电路等。
3. 低功耗运放：低功耗运放适用于需要长时间使用，对电源的耗电量要求较低的应用。
它们通常具有低功耗和低供电电压，能够降低系统的能耗。
这种运放广泛应用于便携式设备、传感器网络、能量收集系统等。
4. 高精度运放：高精度运放能够实现精确的信号测量和放大，具有高精度的增益、低偏移电压、低温漂移等特点。
这些运放适用于精密测量、自动控制、医疗仪器等需要高精度信号处理的应用。
5. 低电压运放：低电压运放适用于低电压供电系统，能够在低电源电压下正常工作。
这些运放通常具有低电源电压、低功耗和低电流功耗等特点。
它们广泛应用于便携式设备、电池供电系统、太阳能电池等。
6. 特殊功能运放：这类运放具有特殊的性能或功能，用于特定的应用。
例如，差分放大器用于抑制共模噪声，比较器用于信号比较和触发，自耦变压器用于隔离输入和输出信号等。
这些特殊功能运放能够满足特定应用的需求。
集成运放广泛应用于各种电路和系统中，包括：- 信号放大和处理：可以将微弱的传感器信号放大到合适的范围，如温度传感器、压力传感器等。
- 运算放大器：可以实现加法、减法、乘法、积分、微分等运算，用于信号处理、滤波和控制电路等。
- 比较器：用于信号比较和触发，常用于开关控制、触发器电路、模拟开关等。
集成运放的功能与应用
集成运放的功能及应用模拟计算机曾经是重要的计算工具，但是，现在是很少见到了，现在说起计算机就是数字计算机了。
随着数字计算机的发展，模拟方式的缺点也凸现出来，它的发展也就逐渐的停滞了。
虽然数字电路的应用越来越广泛，但是模拟运放放大器的优点还是很突出的。
例如它能够进行瞬时计算，因而在自动控制等领域仍有重要的应用。
其次，自然界的物理现象都是模拟的，所以我们用数字进行处理信号时，首先要利用各种传感器获取表征自然特性的模拟量。
这时运算放大器就具有不可替代的重要作用。
集成电路的分类集成电路的分类有多种方法。
按功能分类：数字集成电路和模拟集成电路。
按集成度分类：民用。
∙在军事，航空，航天等环境条件恶劣，装置密度高，对集成电路的可靠性要求极高，产品价格退后次要地位，这是军用品的特点。
∙民用品侧在保证一定可靠性能指标的前提下，有适当的性能价格比。
∙工业品测试介于二者之间的一种产品。
按器件类型分类：∙用二极管（NPN或PNP）造成的电路叫做双极型集成电路。
∙单级（MOS）型集成电路由PMOSFET或NMOSFET构造。
∙BiMOS型集成电路。
集成运放的分类按工作原理分类：∙电压放大型：视线电压放大，输出回路等效成由电压u i控制的电压源u o=A od u i 。
F007，F324，C14573是这种产品。
∙电流放大型：视线电压放大，输出回路等效成由电压i i控制的电压源i o=A i i i 。
LM3900，F1900是这种产品。
∙跨导型：将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由电压u i控制的电流源i o，i o=A iu u i，A iu为跨导，常记作g m。
LM3080，F3080属于这种产品。
∙互阻型：将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由电压i i控制的电流源u o，u o=A ui i i，A iu的量纲为电阻。
AD8009，AD8011属于这种产品。
按性能指标分类通用型集成放大电路：通用型放大电路时以通用为目的而设计的。
集成运放及其基本应用.pptx
选择题：对电流放大
电路，R0( A),带负载
能力越强。 A 越大 B 越小
第5页/共7页
3、通频带
第6页/共7页
两种信号源：
Rs vs
Rs越小越好
电压源等效电路
is
Rs
电流源等效电路
Rs越大越好
第2页/共7页
2.1.2 （动态）性能指标
任何放大电路均可看成二端口网络。
1. 放大倍数：
Auu
Au
U o Ui
Aii
Ai
Io Ii
第3页/共7页
Aui
U o Ii
Aiu
Io U i
2. 输入电阻和输出电阻
从输入端看进去的 等效电阻
Ri
U i Ii
Ro
U/共7页
将输出等效 成有内阻的电 压源，内阻就 是输出电阻。
输出电阻与带负载能力
所谓带负载能力，是指放大电路输出量 随负载变化的程度。当负载变化时，输出量 变化很小或基本不变表示带负载能力强。
选择题：对电压放大
电路，Ro(B ),带负载
能力越强。 A 越大 B 越小
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
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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。
2021/4/8
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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
集成运放电路应用及调测
集成运放电路应用及调测1. 集成运放电路的应用集成运放电路是一种非常常见而且非常有用的电子元器件。
它主要用于放大和信号过滤，它的主要优势是高增益、低失真和高输入阻抗。
这些优势让它成为许多电子应用领域的首选元件。
1.1 放大器集成运放电路最常用的应用是作为放大器。
它可以将输入信号的电压放大并输出到负载。
这样可以扩大信号的幅度，以便更轻松地对其进行处理。
放大器在音频放大器、视频放大器、传感器和天线放大器中被广泛使用。
1.2 滤波器另一种常见的应用是作为滤波器。
在此应用中，集成运放电路通常作为一个有源滤波器来实现。
有源滤波器比被动滤波器的优点在于它不会影响信号的输入阻抗，同时可以在滤波器的输出端提供高增益。
集成运放电路在低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器中都有用。
1.3 比较器集成运放电路还可以作为比较器。
在此应用中，在两个输入信号之间进行比较，并输出高电平或低电平。
这对于数字电路和控制电路非常有用。
1.4 可调放大器集成运放电路还可以实现可调放大器。
这种应用中，运放的放大增益可以通过控制电压来实现，使其非常适合在可调放大器和音量控制电路中使用。
2. 集成运放电路的调试2.1 输电阻抗集成运放电路的输入阻抗是非常高的，所以在调试前必须考虑信号源的传递阻抗。
当信号源的传输阻抗低于运放输入阻抗时，会出现信号失真和干扰。
2.2 输入偏置电压集成运放电路的输入偏置电压可能会影响其性能。
在调试时，必须测量输入偏置电压，并确保其在可接受的范围内。
如果输入偏置电压过高，则可能会影响电路的输出。
2.3 输出电平在调试集成运放电路时，必须注意输出电平。
输出电平应与预期输出相匹配。
如果输出电平不正确，则可能需要调整运放电路的增益。
2.4 反馈电路集成运放电路的反馈电路对其性能的影响非常大。
反馈电路的选择和调节是确保电路正常工作的关键。
在调试集成运放电路时，必须考虑反馈电路，以确定其是否正确运作。
总之，集成运放电路的应用非常广泛，是许多电子应用中必不可少的元器件。
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uI1 uI2 uI3 ) R1 R2 R3
与反相求和运算电路 的结果差一负号
第二章 集成运放及其基本应用
3. 加减运算
利用求和运算电路的分析结果 设 R1∥ R2∥ Rf＝ R3∥ R4 ∥ R5
uI3 uI4 uI1 uI2 uO Rf ( ) R3 R4 R1 R2
Rf Rf uI1 uO3 uI3 R3 R1
uO uO1 uO2 uO3
Rf Rf Rf uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
第二章 集成运放及其基本应用
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
利用叠加原理求解： 令uI2= uI3=0，求uI1单独 作用时的输出电压
第二章 集成运放及其基本应用
（2）工作在线性区的特点
由于uO为有限值，Aod＝∞，因而净输入电压uP－uN＝0， 即 uP＝uN ——虚短路
因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两 个输入端的输入电流也均为零，即
iP＝iN＝0 ——虚断路
“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的 应用电路的两个基本出发点。
uO Aod (uP uN )
开环差模增益 高达几十万倍 非线性区
输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM 若±UOM= ±14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性 区输入信号的范围为多少？
第二章 集成运放及其基本应用
三、理想运放及其动态等效电路
理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为∞、输出电阻ro为 0、开环差模增益Aod为∞、共模抑制比KCMR为∞、频带无限 宽、温度对参数无影响。
第二章 集成运放及其基本应用
一、差分放大电路的概念
1. 需求
测温 电桥
+V CC R R
uI1
Rt R
uI uI2
某一标准温度下 uI1＝uI２＝VCC/ 2 uI＝uI1－uI２＝0。
热电阻
环境温度变 化阻值变化
温度变化（即偏离标准温度）时， 产生ΔuI，这是放大的对象。
需要一种放大电路，对uI1和uI２共同的部分不放大，仅对 它们的差值放大。 —— 差分放大电路
1 uO RC
t2 t1
uI dt uO (t1 )
若uI在t1～t 2为常量，则 uO
1 uI (t 2 t1 ) uO (t1 ) RC
第二章 集成运放及其基本应用
利用积分运算的基本关系实现不同的功能
1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？
2) 输入为方波时的输出电压波形？ 3) 输入为正弦波时的输出电压波形？
第二章 集成运放及其基本应用
§2.1 放大的概念与放大电路的 性能指标
一、放大的概念 二、放大电路的性能指标
第二章 集成运放及其基本应用
一、放大的概念
VCC
至少一路直流电源 供电，是能源
输入信号为零时为静态。
放大的对象：变化量
常用正弦波做测试信号 放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现 能够控制能量的元件 放大的特征：功率放大 放大的基本要求：不失真——放大的前提
第二章 集成运放及其基本应用
模拟电子技术基础
Fundamentals of Analog Electronic
第二章 集成运放及其基本应用
第二章 集成运放及其基本应用
第二章 集成运放及其基本应用
§2.1 放大的概念与放大电路的性能指标 §2.2 集成运算放大电路 §2.3 理想运放组成的基本运算电路 §2.4 理想运放组成的电压比较器
扩音机的 fL和 fH为多少？
上限频率
下限频率
f bw f H f L
4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。 5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。
第二章 集成运放及其基本应用
§2.2 集成运算放大电路
一、差分放大电路的概念
二、集成运放的符号及电压传输特性 三、理想运放及其动态等效电路
第二章 集成运放及其基本应用
2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
i1 i2 i3 i4
uI1 uP uI2 uP uI3 uP uP R1 R2 R3 R4
必不可 少吗？
uI1 uI2 uI3 1 1 1 1 ( )uP R1 R2 R3 R1 R2 R3 R4
U o A ui I i
I o A iu U i
电压放大倍数是最常被研究和测试的参数
第二章 集成运放及其基本应用
2. 输入电阻和输出电阻
从输入端看进去的 等效电阻
Ui Ri Ii
输入电压与 输入电流有 效值之比。
U Uo U Ro ( 1) RL Uo Uo RL
uI1 uI2 uI3 uO iF Rf Rf ( ) R1 R2 R3
第二章 集成运放及其基本应用
1. 反相求和
方法二：利用叠加原理
首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所 有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
同理可得 uO2
uO1
Rf uI2 R2
uI1 uO1
差分放大电路
uI2 uO2
典型的差分放大电路有两个 输入端、两个输出端，它们均 不直接接地，这种电路形式称 为双端输入、双端输出接法。
第二章 集成运放及其基本应用
（1）加差模信号时
uI1
uI
uI/2
差分放大电路
uO1
RL
uI2
uO2
差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入 回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0，即为“地”。
第二章 集成运放及其基本应用
2. 研究的问题
（1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运 算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、 对数、指数等。 （2）描述方法：运算关系式 uO＝f (uI)
（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。
3、学习运算电路的基本要求
（1）识别电路； （2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。
第二章 集成运放及其基本应用
2. 共模信号和差模信号
共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号 大小相等、极性相同，则称之为共模信号。 差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号 大小相等、极性相反，则称之为差模信号。 对差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号
3. 典型差分放大电路方框图
一、概述
1.理想运放的线性工作区域
uO Aod (uP uN )
有限值 无穷小 无穷大 无源 网络
（1）电路结构 为保证理想运放工作在线 性区，必须引入负反馈。 uO ↑→ uN↑→ uO ↓
反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路 来影响输入量，称为反馈。 正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正 反馈；若反馈结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。
第二章 集成运放及其基本应用
2. 同相输入
uN uP uI
集成运放的 共模输入
uI iN iP 0, iRf iR R
uO iR ( R Rf )
Rf Rf uO (1 ) u N (1 ) u I R R
1) 输入电阻为多少？ Au 2) 电阻R’＝？为什么？ 3) 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗？为什么？ 4) 若要用同相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？
' o ' o
将输出等效 成有内阻的电 压源，内阻就 是输出电阻。
空载时输出 电压有效值
带RL时的输出电 压有效值
第二章 集成运放及其基本应用
3、通频带
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信 号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。
差分 放大电路
RL
uId
uO
集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分 放大电路。
第二章 集成运放及其基本应用
二、集成运放的符号及电压传输特性
集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。 高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、 共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小……
运算关系的分析方法：节点电流法
第二章 集成运放及其基本应用
同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器
uO uN uP uI
1) Ri ? Ro ? 2) uIc ?
第二章 集成运放及其基本应用
三、加减运算电路
1. 反相求和 方法一：节点电流法
u N uP 0 iF iR1 iR 2 iR 3 uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
判断电路能否放大的基本出发点
第二章 集成运放及其基本应用
二、性能指标：研究的是动态性能。
对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。
输入电流 信号源 内阻 信号源 输入电压 输出电压
输出电流
1. 放大倍数：输出量与输入量之比
U A o A uu u U i
I A o A ii i I i
（2）加共模信号时
uIc
差分 放大电路
RL
uO
差分放大电路具有理想 对称性，温度变化所引起 晶体管参数的变化可等效 为共模信号输入。
第二章 集成运放及其基本应用
4. 差分放大电路的放大倍数
差模放大倍数
uOd Ad uId
绝对值 越大越好
绝对值