模电第四章集成运算放大电路
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集成运算放大器电路-模拟电子电路-PPT精选全文完整版
第4章 集成运算放大器电路
4―3―2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参
数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接 并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极 耦合差动放大器。
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
第4章 集成运算放大器电路
IC2
R1 R2
Ir
(4―7) (4―8)
第4章 集成运算放大器电路
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
UCC
Ir
UCC U BE1 Rr R1
UCC Rr R1
(4―9)
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
＋
UBE1 －
IE1
R1
IB2 ＋
UBE2 － R2
(4―11)
Ir
IC1
IB3
IC1
IC3
IC1 IC2,
IC3
3 1 3
IE3
IE3
IC2
IC1
1
IC2
2
若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各
式可得
IC3
(1 2ຫໍສະໝຸດ 222)Ir
(4―12)
第4章 集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
Ro 2 rce
4―2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
模拟电子技术基础集成运算放大电路
2. 基本电流源电路
（以镜像电流源为例）
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T0 和 T1 特性完全相同。
基准电流
I R (VCC U BE ) R
IC
2
IR
若 2 ，则I C I R
4.2.2 改进型电流源电路
（以 加射级输出器的电流源为例） 已知：镜像电流源， IC IR 2
作业
4.3
4.9
§4.2 集成运放中的电流源电路
4.2.1、基本电流源电路 4.2.2、改进型电流源电路 4.2.3、多路电流源电路
4.2.1、基本电流源电路
（以镜像电流源为例）
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。 T0 和 T1 特性完全相同。 基准电流
I R (VCC U BE ) R
3 集成运放的种类及选择
为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要 求，除性能指标比较适中的通用型(F007、 A741)运放外，发展了适应不同需要的专用型集 成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分 类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入 电阻和低功耗等几种。
二、集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一 个双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路：为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。 输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad 大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最 大不失真输出电压尽可能大。
模拟电子技术第四章集成运算放大电路
§4.2 电流源电路
基本电流源电路（一定范围内的恒流源） 基本电流源电路（一定范围内的恒流源）
Rb 2 UB = Vcc RB1 + Rb 2 U B − U BE IO = Re
，
调节Re就可调节Io大小。 在运放中，通常工作电源为±15V，△U=30V，因此，负载 负载 电阻并不是任意值都可以的，否则BJT不能正常工作在线性区， 电阻 就构不成恒流源——因此为一定范围内的恒流源。 缺点： 缺点： ① Τ ↑→ U BE ↓→ I 0 ↑ ② 用了三个电阻，制作起来不方便，限制了集成度。
二、举例
对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流 通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。（F007）
若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电 流往往是偏置电路中的基准电流。
三级放大电路
双端输入、 双端输入、单端输出 共集-共基放大电路 共集 共基放大电路
以复合管为放大管、 以复合管为放大管、 恒流源作负载的共 射放大电路
二、集成运放电路的组成
输入级： 输入级：前置级，要求Ri大，Ad大， Ac小，KCMR高。多采用 双端输入的高性能差分放大电路。 中间级： 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求Au足够大 ， 多采用复合管，以恒流源作集电极负载电阻。 Au达千倍以上。 输出级： 输出级：多采用准互补输出级。要求输出线性电压范围宽， Ro小，非线性失真小。 偏置电路： 偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流 源电路为各级提供合适的集电极（或射极漏极）静态电流。
D1和D2起过流保护作用，未过 流时，两只二极管均截止。
U D1＝U BE14 + iO R9 − U R 7
模电
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பைடு நூலகம்
3.输入偏置电流 IB ： 输入偏置电流I 输入偏置电流 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值， 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，
用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 用于衡量差分放大对管输入电流的大小。
模拟电子技术第四章
I IB = 1 ( I B1 + I B 2 ) 2
模拟电子技术第四章
注意：在以后教学中， 注意：在以后教学中， 这两种符号都会出现， 这两种符号都会出现， 两者画法不同， 两者画法不同，但都表 示集成运放。 示集成运放。
V
+ －
A
∞
+
u o 输出端
国际符号： 国际符号：
集成运放的特点： 集成运放的特点： 开环电压增益高 Aod>105 开环电压增益高
不能太大
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二、运放的保护措施 输入保护
模拟电子技术第四章
二极管的钳位作用， 二极管的钳位作用，使差模输 入不超过范围。 入不超过 0.7V~0.7V范围。 范围
有效防止共模输入幅值过大
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输出保护电路
模拟电子技术第四章
双向稳压， 双向稳压，即可在必要时为 负载分流而起过流保护， 负载分流而起过流保护，也 能限制运放的输出电压不超 过稳压管的稳压电压。 过稳压管的稳压电压。
为运放设置合理的静态偏置电路和调零电路
为运放输入端设置合适的去耦电容以消除自激震荡
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选择集成运放时注意的问题： 选择集成运放时注意的问题：
不要盲目追求指标先进。 不要盲目追求指标先进。
模拟电子技术第四章
பைடு நூலகம்
3.输入偏置电流 IB ： 输入偏置电流I 输入偏置电流 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值， 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，
用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 用于衡量差分放大对管输入电流的大小。
模拟电子技术第四章
I IB = 1 ( I B1 + I B 2 ) 2
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注意：在以后教学中， 注意：在以后教学中， 这两种符号都会出现， 这两种符号都会出现， 两者画法不同， 两者画法不同，但都表 示集成运放。 示集成运放。
V
+ －
A
∞
+
u o 输出端
国际符号： 国际符号：
集成运放的特点： 集成运放的特点： 开环电压增益高 Aod>105 开环电压增益高
不能太大
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二、运放的保护措施 输入保护
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二极管的钳位作用， 二极管的钳位作用，使差模输 入不超过范围。 入不超过 0.7V~0.7V范围。 范围
有效防止共模输入幅值过大
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输出保护电路
模拟电子技术第四章
双向稳压， 双向稳压，即可在必要时为 负载分流而起过流保护， 负载分流而起过流保护，也 能限制运放的输出电压不超 过稳压管的稳压电压。 过稳压管的稳压电压。
为运放设置合理的静态偏置电路和调零电路
为运放输入端设置合适的去耦电容以消除自激震荡
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选择集成运放时注意的问题： 选择集成运放时注意的问题：
不要盲目追求指标先进。 不要盲目追求指标先进。
模拟电子技术第四章
第四章集成运算放大电路
2019/9/28
28
二、按可控性分类
1.可变增益运放 2.选通运放 三、按性能指标分类 1.高精度型
性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑 制比很高，误差小。（F5037）
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2.低功耗型
性能特点： 静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量 级(不超过毫瓦级)，要求电压很低， 有较高的开环差模增益和共模抑制比。 （TLC2552）
电路中， >>1时：
IC1
IE1
U BE 0 U BE 1 Re
I
U
IS (e UT
1) 正偏 I
U
ISe UT
UBE 0 UBE1 UT ln(I R IC1 )
IC1
UT Re
ln( IR
IC1 )
其中 ，IR
VCC
U BE 0 R
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对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输 出电流io 。即输出阻抗 ro小。
偏置电路：为各级设置合适的静态工作点
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4
4.1.3 集成运放的电压传输特性
集成运放的符号
uP －
同相输入端： uP、u＋
uN
＋Aod
反相输入端：uN、u
uo u－ － A＋o uo
电路增益
Au
uOd uId
iO 2i r B1 be
(rce2
//
rce4
//
RL
)
1
rce1
//
模电第四章 集成运算放大电路题解
集成运算放大电路自测题一、选择合适答案填入空内。
（1）集成运放电路采用直接耦合方式是因为。
A．可获得很大的放大倍数B. 可使温漂小C．集成工艺难于制造大容量电容（3）集成运放制造工艺使得同类半导体管的。
A.指标参数准确B.参数不受温度影响C．参数一致性好（4）集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以。
A．减小温漂B. 增大放大倍数C. 提高输入电阻（5）为增大电压放大倍数，集成运放的中间级多采用。
A．共射放大电路B.共集放大电路C．共基放大电路解：（1）C （2）B （3）C （4）A （5）A三、电路如图T4.3所示，已知β1=β2=β3=100。
各管的U BE均为0.7V，试求I C2的值。
图T4.3解：分析估算如下：100BE1BE2CC =--=R U U V I R μA100)2221(2C =≈++-=R R I I I ββμA习 题4.1 通用型集成运放一般由几部分电路组成，每一部分常采用哪种基本电路？通常对每一部分性能的要求分别是什么？(概念题目，直接看结果)解：通用型集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个部分组成。
通常，输入级为差分放大电路，中间级为共射放大电路，输出级为互补电路，偏置电路为电流源电路。
对输入级的要求：输入电阻大，温漂小，放大倍数尽可能大。
对中间级的要求：放大倍数大，一切措施几乎都是为了增大放大倍数。
对输出级的要求：带负载能力强，最大不失真输出电压尽可能大。
对偏置电路的要求：提供的静态电流稳定。
4.2 已知一个集成运放的开环差模增益A od 为100dB ，最大输出电压峰-峰值U opp ＝±14V ，分别计算差模输入电压u I （即u P －u N ）为10μV 、100μV 、1mV 、1V 和－10μV 、－100μV 、－1mV 、－1V 时的输出电压u O 。
解：根据集成运放的开环差模增益，可求出开环差模放大倍数5od od 10dB100lg 20==A A当集成运放工作在线性区时，输出电压u O ＝A od u I ；当A od u I 超过±14V 时，u O 不是＋14V ，就是－14V 。
模电基础 集成运算放大电路
一、有源负载共射放大电路
T2
IC2
Rb
+ u- i
+ IC1
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。
(4-9)
运放的特点：
ri 大:几十k 几百 k KCMR 很大 ro 小：几十 几百 A o 很大:104 107
运放符号：
理想运放：
ri KCMR ro 0 Ao
u－ u+
IC1
UT Re
ln IR IC1
可用图解法或累试法求解
例：P177
(4-16)
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
+VCC
IR R
IB
IC0
T0
ห้องสมุดไป่ตู้
2
T2
IE2 IB1
IB0
Re2
特点：利用T2管的电流放大 作用，减小了基极电流IB0 IC1 和IB1对基准电流IR的分流。
IC1 IC0 IR IB2
IR
IB2
IC
2 2 2 2 2
IC2
则即使在β很小时，也可认为IC2近似等于IR。
(4-18)
4.2.3 多路电流源电路
+VCC
IR R
IC1
IC2
IC3
IC0
T0
T1
T2
T3
Re0 IE0
Re1 IE1 Re2 IE2 Re3 IE3
特点：利用一个 基准电源可以获 得多个不同的输 出电流。
模拟电子技术基础
第四章
集成运算放大 电路
T2
IC2
Rb
+ u- i
+ IC1
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。
(4-9)
运放的特点：
ri 大:几十k 几百 k KCMR 很大 ro 小：几十 几百 A o 很大:104 107
运放符号：
理想运放：
ri KCMR ro 0 Ao
u－ u+
IC1
UT Re
ln IR IC1
可用图解法或累试法求解
例：P177
(4-16)
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
+VCC
IR R
IB
IC0
T0
ห้องสมุดไป่ตู้
2
T2
IE2 IB1
IB0
Re2
特点：利用T2管的电流放大 作用，减小了基极电流IB0 IC1 和IB1对基准电流IR的分流。
IC1 IC0 IR IB2
IR
IB2
IC
2 2 2 2 2
IC2
则即使在β很小时，也可认为IC2近似等于IR。
(4-18)
4.2.3 多路电流源电路
+VCC
IR R
IC1
IC2
IC3
IC0
T0
T1
T2
T3
Re0 IE0
Re1 IE1 Re2 IE2 Re3 IE3
特点：利用一个 基准电源可以获 得多个不同的输 出电流。
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第四章
集成运算放大 电路
模电 第四章 集成运放PPT课件
使IC1 与IR 可以保持很好 的镜像关系。
+ V cc
IR
IC 0 T0
R IB 2
IB 0 R e2
T2 IE 2
IB 1 IR e2
IC 1 T1
图 4 .5 微 电 流 源
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6
5. 威尔逊电流源
VBE1=VBE0
T0
IB1 = IB0
IC 0
IC 2IE 2IC= 1IC 0IR IR
VBEVT
lnIIES
(1)
V BE =V 0BE I1 ER 1 e1（ 2 ）
IR
IC 0 T0
+ V cc R IB 0 + IB 1 IC 1
IB 0 IB 1 R e1
T1 IE 1
IE1Re1
VTln
IE0
IE
1
此式是关于IC1的超越
方程
图4
，但
.
5微
IE1
电
流源
VT Re1
ln
IE0 IE1
IE1Re1
IE0Re0
VT
ln
IE0 IE1
IE0Re0
I R E0 e0
VTln
IE0 IE1
IC1 与 IR 成 比 例 变 化 。
图 4.4 比 例 电 流 源
I E1
Re0 Re1
I
E0
IC1R Ree01IR
(2)
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4
3. 微电流源
VBE
IE ISe VT
4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路
内容简介
4.3 集成运放电路简介 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
+ V cc
IR
IC 0 T0
R IB 2
IB 0 R e2
T2 IE 2
IB 1 IR e2
IC 1 T1
图 4 .5 微 电 流 源
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6
5. 威尔逊电流源
VBE1=VBE0
T0
IB1 = IB0
IC 0
IC 2IE 2IC= 1IC 0IR IR
VBEVT
lnIIES
(1)
V BE =V 0BE I1 ER 1 e1（ 2 ）
IR
IC 0 T0
+ V cc R IB 0 + IB 1 IC 1
IB 0 IB 1 R e1
T1 IE 1
IE1Re1
VTln
IE0
IE
1
此式是关于IC1的超越
方程
图4
，但
.
5微
IE1
电
流源
VT Re1
ln
IE0 IE1
IE1Re1
IE0Re0
VT
ln
IE0 IE1
IE0Re0
I R E0 e0
VTln
IE0 IE1
IC1 与 IR 成 比 例 变 化 。
图 4.4 比 例 电 流 源
I E1
Re0 Re1
I
E0
IC1R Ree01IR
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3. 微电流源
VBE
IE ISe VT
4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路
内容简介
4.3 集成运放电路简介 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
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§4.2集成运放中的电流源电路
集成运放中的电流源由晶体管或场效应管组成，其作用： 1、为各级放大器提供合适的静态工作点； 2、代替大电阻，以提高放大电路的放大能力。
一、基本电流源电路 1、镜像电流源
T 晶体管 是基准0 管，它的
工作在放大状态。
UBEQ0.7，V,UCE QUBE Q0.7V
T T 当 与 特性参数完全一致时，由
CUBE 0 R
T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为：
UBE0 UTlnIIES0
T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为：
(1)
UBE1 UTlnIIES1
由基极回路方程得：
(2)
U B 0E U B 1 E IE 1 R e (3 )
将式（1）,式（2）代入式（3），同时考虑IC0IE0 IC1IE1
2．静态偏置电路设计 分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜，成本远低于三极管。因此，分立元件放大电路中的偏置电路尽
量采用电阻分压器形式。而集成运放由于制作工艺的特点，制作一个大电阻所需的硅芯片面积要远高于制作晶体管 的面积。因此，在集成放大电路中会尽量少用电阻，一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。
模型替代后的电路模型如图(c)，显然，恒流源的内阻
2 、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图所示。 （1）多路电流源电路
以基准管的集电极面积为基准，
可得到一组与集电极面积成正
比的多个恒流源
。
IO1,IO2,IO3
（2）加射极输出器的电流源
T2
增加 管可以进一步减少恒流输出 与基准电流 之间的差值。 T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1，所以IB0 =IB1=IB 。
IC10URT4 lnIICR10236ln0I.C7103
IC1028A
T12与T13构成镜像电流源：
IC 1 3IC 1 2 2 IR 5 5 2 0 .7 m 3 0 A .5m 2A
图1
构成这类放大电路的主要元器件有三极管（场效应管）、电阻、 电解电容（耦合或旁路用）等。
图2是uA741运算放大电路的原理图，其中的电阻、电容和晶体管全部由单晶硅材料制作。 图2
R eU IE T 1ln IIE E1 0U IC T 1ln IIC R 1
(4)
基准 输出
例，当电源电压等于+15V，
，
若要产生
的I恒C1流源1，试0确A定电阻R1的值。
将参数代入式（4）可得
Re 11.97K
若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个 电阻R，但此时电阻阻值要求为：
三、集成运放的电压传输特性
集成运放符号
集成运放有两个输入端，一个输出端。当uP为正时，uo为正，称uP为“同相输入端”，当 uN为正时，uo为负，称uN为“反相输入端”。
集成运放的电压传输特性是开环时，uo与uPuN之间关系。
即：
u 0 A 0 （ du P u N ） A 0 du id
式中Aod为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。
0
1
可推得
IB 0 IB 1 IB IC 0 IC 1 Io
UBE0 UBE1
Io
由基极输入回路得，
VCC I R
UBE R
I0
2IB
I0
2
I0
所以， 输出电流
基准电流
1 I0 1 2 IR
当
时，
。I 0 I R
IO和IR呈镜像关系，此电路称为镜像电流源。
T 恒流输出管 的交流通1 路如图(b)所示，将晶体管用微变等效
IR
UCE1QUBE3UBE 1 1.4V工作在放
当T1，T2，T3均工作在放大状态 , 时
各电流之间关系为：
IC
IE3
IC
IR怎么算？ 整理后可得
Io更加稳定
Io 2 2 222IR
三、微电流源
T 晶体管 是基准0 管，它的
工作在放大状态。
UBEQ0.7，V,UCE QUBE Q0.7V
IC0IRVC
IC1IC0IRIB2IR1IE2IR12IB1 IR（ 12IC ） 1
IC11（ 1 IR2）
当＝2时，基本镜像I恒 O 流 I2R
IR怎么算？
增T 加 2管 后 IO ， 4 3IR， 更I接 R。
二.威尔逊恒流源电路，试计算恒流输出值。
T1管是基 UB1 E 准 UBE 管 Q0.7V,
因此，集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路。集电极负载也不采用电阻，而是采用恒流源作为 负载。
3．级间耦合设计 放大电路的主要性能指标有：电压放大倍数，电流放大倍数，输入电阻，输出电阻和通频带等。不同组态的单
此阻值远大于微电源电路中电阻R与Re之和，意味着需要占用 更多的芯片面积。
例题： 求图示电路各管的集电极电流。它们的β均为5，它们b-e间的电压值约为0.7V。
解：先求基准电流，R5上的电流为基准电流。
IR
2VCC
UBE12 R5
UBE11
300.70.7 0.73mA 39
T10与T11构成微电流源：
分立元件放大电路中常用的大容量（大于1 ）电容通常是铝质电解电容，小容量电容有瓷片电容等，成本一 般都较低。设计时可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直流隔直作用(图1中的C1，C2)。而集成运放中， 利用PN结电容效应很难制作出容量稍大的电容。
由于制造工艺的限制，分立元件放大电路中不同三极管特性参数的离散性很大，例如，即使同一批次三极管的 放大倍数 可能在200～400之间，设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同一基片上可以制作参数一致性 好的晶体管。
模电第四章集成运算放大电路
1
二、集成运放的电路组成
3、输出级：双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压 和电流的动态范围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流。 4、偏置电路：运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒 流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。
u 为净输入电压，即差模输入电压, id
uiduPuN
设A0d 105
uo的最大值Uom=10V。
则 uId10 4V0.1mV
电压传输特性
则uid在0.1m V范 围 内 ， 运 放 工 作 在 正 负 态饱 和 状 (非线性状 )。态
所以线性区很窄。