集成运算放大器内部电路
集成运放组成的基本运算电路
K2
C 1μF
R2 1M
K1 +15V
vS
－
R1 100K
A
vO
＋
R′ 100K
-15V
vo
1 R1
t
0 vsdt
积分运算电路
4. 积分运算电路
将实验数据及波形填入下述表格中：
vs波形
vs幅度值
vo波形
vo频率
vo幅度值
5. 用积分电路转换方波为三角波
电路如下图所示。图中电阻R2的接入是为了抑制由 IIO、VIO所造成的积分漂移，从而稳定运放的输出零 点。
A
vO
υS
＋
R′ 10K
-15V
v0
(1
RF R1
)vs
同相比例运算电路
2. 实现同相比例运算
将实验数据及波形填入下述表格中：
输入信号vs1 (V)
有效值
波形
输入信号vs2 (V)
有效值
波形
有效值
输出电压vo (V)
峰值
波形
注：上表针对正弦波输入，若是其他信号输入表作相应改变。
3. 减法器（差分放大电路）
减法器（差分放大电路）运算仿真电路
3. 减法器（差分放大电路）
减法器（差分放大电路）运算仿真电路
3. 减法器（差分放大电路）
将实验数据及波形填入下述表格中：
输入信号vs1 (V)
有效值
波形
输入信号vs2 (V)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有效值
波形
有效值
输出电压vo (V)
峰值
波形
注：上表针对正弦波输入，若是其他信号输入表作相应改变。
vs波形
运算放大器的常见电路
vi1 - vn vi2 - vn vn - vo
R1
R2
R3
- vo
R3 R1
vi1
R3 R2
vi2
若 R1 R2 R3 则有 - vo vi1 vi2
（该电路也称为加法电路）
2.4.4 积分电路和微分电路
1. 积分电路
根据“虚短”，得 vP vP 0
根据“虚断”，得
ii 0
因此
当Avo(vP－vN) V-时 vO＝ V-
电压传输特性 vO＝ f (vP－vN)
线性范围内 vO＝Avo(vP－vN)
Avo——斜率
end
2.2 理想运算放大器
1. vo的饱和极限值等于运放的电源电压 V＋和V－
2. 运放的开环电压增益很高 若（vP－vN）＞0 则 vO= +Vom=V＋ 若（vP－vN）＜0 则 vO= –Vom=V－
2. 运算放大器的电路模型
通常： ▪ 开环电压增益
Avo的105 （很高）
▪ 输入电阻 ri 106Ω （很大）
▪ 输出电阻 ro 100Ω （很小）
图2.1.3 运算放大器的电路模型
vO＝Avo(vP－vN)
（ V－＜ vO ＜V＋ ）
注意输入输出的相位关系
2. 运算放大器的电路模型
当Avo(vP－vN) V＋ 时 vO＝ V＋
引入反馈后
vn 0，vp(vi)不变
→ (vp－vn)↓ → vo↓
使输出减小了，增益Av＝vo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。
2.3.1 同相放大电路
3. 虚假短路 ▪ 图中输出通过负反馈的作用，使vn自动 地跟踪vp， 即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。这种现象 称为虚假短路，简称虚短
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_电子电路
集成运放：是一种高放大倍数的直接耦合 多级放大器。 直接耦合存在的最主要问题是：温漂问题 解决的办法：采用差动式放大电路
一．基本差动放大电路
（一）工作原理： 各元件相同：即T1，T2管对称 RS1=RS2=RS Rb1=Rb2=Rb Rc1=Rc2=Rc(两边严格对称)
优点：结构简单，符合集成电路特点
缺点：I。受Vcc、R、VBE影响，要使I。得到小电流， R必须很大，集成电路制作难。
二、微电流源电路
Io小电流，R值不太大，应使I。<IR
从PN结中伏安特性方程：
IE=Is(eUbe/UT-1)，当Ube》UT时，
第三节
一、 镜像电流源电路 VB1=VB2→IB1=IB2=IB
电流源电路
集成运算放大中，常用电流源提供偏置电路作为有源负载。
(Ic1=Ic2=Ic0)→IR=Ic1+2IB=Ic1(1+2/) =I0(1+2/β)或I0=IR/(1+2/β) 当 β 》2，Vcc》VBE I。=IR=（Vcc-VBE）/R≈Vcc/R 当Ir 大小固定时，电流源输出I。也相应恒定，故称镜像电流
当静态工作时：Ic1Q=Ic2 Q
温度升高：Ic1升，Uc1降(对称性)Uc1Q=Uc2Q， U。=Uc1Q-Uc2Q=0 Ic2升，Uc2降 克服温度变化而引起的零点漂移现象
（二） 放大倍数
1、 差模放大倍数Ad: 当输入信号Ui1及Ui2时（幅度相同； 极性相反）(Ui1=-Ui2)或Ui1=Ui/2,Ui2=-Ui/2 Ui1：T1放大，UC1与Ui2反相；Ui2：T2放大，Uc2与Ui2反相 （U。=UC1-UC2） （差动或） 设单管放大倍数为A1，则：UC1= Ui1 A1=1/2 UiA1 U。=UC1-UC2= UiA1
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
集成运算放大器电路
R1
C
If
－∞
Ui
Ii ′
＋
Uo
＋
R2
图6.8 微分运算电路
由于U+=0，I ′i =0，则
IC
I f , IC
If
C dUC dt
C dUi dt
Uo
I f
Rf
IC Rf
R
f
C
d Ui dt
（6.10）
由式（6.10）可以看出，输入信号Ui与输出信号Uo有微分关系， 即实现了微分运算。负号表示输出信号与输入信号反相，RfC为微 分时间常数，其值越大，微分作用越强。
6.1.6 运算放大器的基本电路有反相输入式、同相输入
式两种。反相输入式是指信号由反相端输入，同相输 入式是指信号由同相端输入，它们是构成各种运算电 路的基础。
1. 图6.1所示为反相输入式放大电路，输入信号经R1 加入反相输入端，Rf为反馈电阻，把输出信号电压Uo 反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。
Ui1
I1
R2
If
Ui2
I2
R3
－∞
＋
Uo
Ui3
I3
＋
R4
图6.4 反相加法器
各支路电流分别为
I1
Ui1 R1
,
I2
Ui2 R2
,
I3
Ui3 R3
,
I
f
Uio Rf
又由于虚断I i-=0，则
I f I1 I2 I3
即
Uo Ui1 Ui2 Ui3
R f R1 R2 R3
上式可模拟的代
理想运放，所以造成的误差很小，本章若无特别说明， 均按理想运放对待。
6.1.2
集成运算放大器电路原理
若单端输出时的负载接在一个输出端和地之间，计算Aud 时，总负载为R′L=RC‖RL。
b. 差模输入电阻 c. 差模输出电阻
Rid
Uid Iid
2Uid1 Iid
2rbe
双端输出时为 单端输出时为
Rod2RC Ro d(单） RC
K
第六章 集成运算放大器电路原理
2、共模抑制特性 共模信号： Ui1=Ui2=Uic
V4
IC 1Ir4IB 1(15)
IC 2IC 3IC 41(1 1( 15)5 )4IrIr
一般β1(1+β5)>>4 容易满足，IC2、IC3、IC4更接近 Ir，并 且受β的温度影响也小。
K
第六章 集成运算放大器电路原理
多集电极晶体管镜像电流源
UCC V2
V1
UCC V3
Rr
Ir
IC1 IC2
K
第六章 集成运算放大器电路原理
6.1 集成运算放大器的电路特点
集成运放：多级放大电路。
输
中
输
电路设计上的主要特点： Ui 入
间
出
级
级
级 Uo
(1) 高增益直接耦合。
(2) 用有源器件代替无源元件。
电流源电路
(3) 利用对称结构改善电路性能。 集成运放电路框图
理想运放：电压增益高、 输入电阻大、 输出电阻小、 工 作点漂移小、失调电压和失调电流为零等特点。
K
第六章 集成运算放大器电路原理
第六章 集成运算放大器电路原理
集成运算放大器是采用微电子技术，将晶体管、电阻、 电容及连线制作在硅片上的电路。
本章介绍集成运放的单元电路和典型集成运放芯片， 重点是差动放大器、恒流源和互补跟随输出级电路。掌握 不同输入输出类型的差动放大器的动特性分析：差（共） 模电压增益、输入输出电阻以及共模抑制比的求法；理解 恒流源的原理，熟悉几种典型恒流源的电路原理图。
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。
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集成运算放大器（以后简称集成运放）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，下图所示为
集成运放的内部电路组成框图。
图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差动放
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
输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
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。
输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器构成，以降
低输出电阻，提高带负载能力。
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电路等。
一个简单运算放大器的原理电路如下图a所示。
VT
1、VT
2
组成差动放大电路，信号由
双端输入，单端输出。
为了提高整个电路的电压增益，电压放大级由VT
3、VT
4
组成复合管
共射极电路。
由VT
5、VT
6
组成两级电压跟随器而构成电路的输出级，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u
id =u
i1
-u
i2
为零时，输出
电压u
o ＝0和二极管VD组成低电压稳压电路以供给VT
9
的基准电压，它与VT
9
一起构成电
流源电路以提高VT
5
的电压跟随能力。
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。
与此相对应，在下图b中画出了运算放大器的图形符号，其中反相输人端用“－”表示，同相输人端用“＋”表示。
该器件外端输入、输出相应地用N、P和0表示。
下面以741型集成电路运算放大器作为模拟集成电路的典型例子，其原理电路如下图a所示。
该电路由输入级、偏置电路、中间级和输出级组成。
图b是简化电路。
（1）偏置电路741型集成运放由24个晶体管、10个电阻和一个电容所组成。
在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故采用微电流源电路。
如图a所示，由＋V
CC →VT
12
→R
5
→VT
11
→- V
EE
构成主偏置电路，决定偏置电路的基准电
流I
REF 。
主偏置电路中的VT
11
和VT
10
组成微电流源电路（I
REF
≈I
C11
），由I
C10
供给输入级中
VT
2、VT
4
的偏置电流，且I
C10
远小于I
REF。
VT
8
和VT
9
为一对横向PNP型晶体管，它们组成镜像电流源（I
E8
＝I
E9
），供给输入级
VT
1、VT
2
的工作电流（I
E8
≈I
C10
），这里I
E9
为I
E8
：的基准电流。
于是I
C1
=I
C2
=（1＋2／β）
I
C8／2，I
C1
≈I
C3
＝I
C4
≈I
C5
＝I
C6。
必须指出，输入级的偏置电路本身构成反馈环。
可减小零
点漂移。
例如，当温度升高时，则产生如下的自动调整过程；
温度↑→（I
C3|4＋I
C4
）↑→I
E8
↑→I
E9
↑→I
C9
↑→I
3|4
↓→（I
C3
＋I
C4
）↓
因为：I
C9＋I
3|4
＝I
C10
≈常数
由此可见，由于I
C10恒定，上述反馈作用保证了I
C3
和I
C4
十分恒定，从而起到了稳定
工作点的作用。
提高了整个电路的共模抑制比。
VT
12和VT
13
构成双端输出的镜像电流源。
VT
12
是一个双集电极的横向PNP型晶体管，可
视为两个晶体管，它们的两个基－集结彼此并联。
一路输出为VT
13A 集电极，使I
C16
＋I
C17
＝
I
C13B ，主要作为中间放大级的有源负载；另一种输出为VT
13A
的集电极，供给输出级的偏置
电流，使VT
14、VT
20
工作在甲乙类放大状态。
（2）输入级：图b所示为741的简化电路，只是将图a中产生恒定电流的电路都用
恒流源来代替。
输入级是由VT
1～VT
6
组成的差动式放大电路。
由VT
6
的集电极输出。
VT
1
、
VT
3和VT
2
、VT
4
组成共集共基复合差动电路，纵向NPN型晶体管VT
1
、VT
2
组成共集电路可以
提高输入阻抗。