第五章 集成运算放大器的基本应用电路
大学电子电路基础 第五章
例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍 数的表达式。
解： 根据虚断 I-= I+ 0
根据虚短 V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 If = (V-－ Vo )/Rf -Vo/Rf ∵Ii If ∴ Vi/R1=-Vo/Rf
反相比例运算电路
II+
电压增益 Avf= Vo /Vi =－Rf /R1
rbe
差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 Rid是基本放大电路的两倍。
Rid 2Rs rbe
输出电阻
单端输出时， 双端输出时，
Ro Rc Ro 2Rc
5.3 集成运算放大器内部电路结构
5.3.1集成运算放大器的基本单元电路
1.电 流 源 电路
特点：输出电流恒定，它具有很高的输出电阻。 （1）、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒 流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 （2）、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 （3）、电流源电路一般都加有电流负反馈， （4）、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电 路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。
Aoc1越小，抑制共模信号的能力越强。
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
K CMR
K CMR
Aod Aoc
Aod dB 20 lg Aoc
(1) 双端输出时KCMR为无穷大
K
CMR
A A
od
oc
（2）单端输出时共模抑制比 re
K
CMR
集成运放电路习题答案
第五章集成运放电路习题答案(总13页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--集成运算放大器1．集成运算放大器的的特点（1）内部电路采用直接耦合，没有电感和电容，需要时可外接。
（2）用于差动放大电路的对管在同一芯片上制成，对称性好，温度漂移小。
（3）大电阻用晶体管恒流源代替，动态电阻大，静态压降小。
（4）二极管由晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。
2．集成运算放大器的组成（1）输入级：是双端输入、单端输出的差动放大电路，两个输入端分别为同相输入端和反相输入端，作用是减小零点漂移、提高输入电阻。
（2）中间级：是带有源负载的共发射极放大电路，作用是进行电压放大。
（3）输出级：是互补对称射极输出电路，作用是为了提高电路的带负载能力。
（4）偏置电路：由各种恒流源电路构成，作用是决定各级的静态工作点。
3．集成运放的理想模型集成运放的主要参数有：差模开环电压放大倍数A do ，共模开环电压放大倍数A co ，共模抑制比K CMR ，差模输入电阻r id ，输入失调电压U io ，失调电压温度系数 ΔU io /ΔT ，转换速率S R 等。
在分析计算集成运放的应用电路时，通常将运放的各项参数都理想化。
集成运放的理想参数主要有：（1）开环电压放大倍数∞=do A （2）差模输入电阻∞=id r （3）输出电阻0o =r（4）共模抑制比∞=CMR K理想运放的符号以及运放的电压传输特性)(do i do o -+-==u u A u A u 如图所示。
u ou －u +（a ）理想运放的符号 （b ）运放的电压传输特性图 理想运放的符号和电压传输特性4．运放工作在线性区的分析依据引入深度负反馈时运放工作在线性区。
工作在线性区的理想运放的分析依据为： （1）两个输入端的输入电流为零，即0==-+i i ，称为“虚断”。
（2）两个输入端的电位相等，即-+=u u ，称为“虚短”。
实验五 集成运算放大器的基本运算电路(2)
实验五 集成运算放大器的基本运算电路一、实验目的1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。
2、正确理解运算电路中各组件参数之间的关系和“虚短”、“虚断”、“虚地”的概念。
二、设计要求1、设计反相比例运算电路，要求|A uf |=10，R i ≥10K Ω，确定外接电阻组件的值。
2、设计同相比例运算电路，要求|A uf |=11，确定外接电阻组件值。
3、设计加法运算电路，满足U 0=-（10U i1+5U i2）的运算关系。
4、设计差动放大电路（减法器），要求差模增益为10，R i >40K Ω。
5、应用Multisim8进行仿真，然后在实验设备上实现。
三、实验原理1、理想运算放大器特性集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
当外部接入不同的元器件组成负反馈电路时，可以实现比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。
理想运放，是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。
开环电压增益 A ud =∞ 输入阻抗 r i =∞ 输出阻抗 r o =0 带宽f BW =∞失调与漂移均为零等。
理想运放在线性应用时的两个重要特性： (1)输出电压U O 与输入电压之间满足关系式U O ＝A ud （U +－U －）由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。
即U +≈U －，称为“虚短”。
(2)由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。
这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。
2、基本运算电路 (1)反相比例运算电路电路如图2.5.1所示。
对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1//R F 。
图2.5.1反相比例运算电路图2.5.2反相加法运算电路(2) 反相加法电路i 1F O U R R U -=电路如图2.5.2所示，输出电压与输入电压之间的关系为)U R RU R R (U i22F i11F O +-=R 3＝R 1//R 2//R F (3)同相比例运算电路图2.5.3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为i 1FO )U R R (1U +=R 2＝R 1//R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图2.5.3(b)所示的电压跟随器。
实验--集成运算放大器的基本应用 模拟运算电路
实验–集成运算放大器的基本应用模拟运算电路引言集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier，简称OPAMP）是一种重要的电子元件，它在模拟电路设计和实验中被广泛应用。
本文将介绍集成运算放大器的基本应用，并通过实验来验证其在模拟运算电路中的功能和性能。
集成运算放大器的基本原理集成运算放大器是一种高增益、差分输入和单端输出的电子放大器。
它具有很高的输入阻抗、低的输出阻抗和大的开环增益。
通过反馈电路，集成运算放大器可以实现各种电路功能，如放大器、比较器、滤波器等。
实验目的本实验旨在通过实际操作，掌握集成运算放大器的基本应用，包括放大器、比较器和无源滤波器。
实验器材•集成运算放大器IC•双电源电源•电阻•电容•示波器•多用电表实验步骤步骤1：放大器的基本应用1.按照电路图连接集成运算放大器，并接入双电源电源。
2.接入电阻、电容等元件，按照电路图搭建一个基本放大器电路。
3.将输入信号接入集成运算放大器的非反馈输入端，通过示波器观察输出信号。
4.调节输入信号的幅值和频率，观察输出信号的变化。
步骤2：比较器的应用1.断开反馈电路，使集成运算放大器工作在开环状态。
2.将输入信号接入集成运算放大器的非反馈输入端，通过示波器观察输出信号。
3.调节输入信号的幅值，观察输出信号的变化。
步骤3：无源滤波器的应用1.按照电路图连接集成运算放大器，并接入双电源电源。
2.接入电阻、电容等元件，按照电路图搭建一个无源滤波器电路。
3.将输入信号接入集成运算放大器的非反馈输入端，通过示波器观察输出信号。
4.调节输入信号的频率，观察输出信号的变化。
实验结果与分析在实际操作中，我们成功搭建了集成运算放大器的放大器、比较器和无源滤波器电路，并通过示波器观察到了相应的输入输出波形。
在放大器电路中，我们调节了输入信号的幅值和频率，观察到了输出信号的线性放大效果。
在比较器电路中，我们调节了输入信号的幅值，观察到了输出信号的高低电平变化。
讲义第5章集成运算放大电路
第5章集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。
）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。
（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。
模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。
）本章要求：（1）了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。
（2）理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。
（3）理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。
（4）理解电压比较器的工作原理和应用。
5.1集成运算放大器简介5.1.1集成运算放大器芯片集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。
集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。
集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。
早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。
现在，运放的应用已远远超过运算的范围。
它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。
1、集成电路的概念（1）集成电路：禾U用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。
集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。
（2）集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。
①模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。
（可分为线性集成电路和非线性集成电路。
）②线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。
③非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。
（3）线性集成电路的特点①电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。
②输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。
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
电工电子学(8)
第五章 集成运放
例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。
R
ui1 R1
RF
Δ Δ
ui2 R
∞
－
R2
∞
RP1
+
+
uo1
－
uo
Rp2
+
+
解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。
uo1 -ui2
uo
-( RF R1
ui1
+
RF R2
uo1)
RF R2
ui2
-
RF R1
ui1
第五章 集成运放
根据运放工作在线性区的两条分析
依据可知：
i1 if ， u- u+ ui
而
if RF
i1
0
- uR1
-
ui R1
if
u- - uo RF
ui - uo RF
R1 i1
ui
Rp
Δ
∞
－
uo
+
+
由此可得：
uo
(1+
RF R1
) ui
输出电压与输入电压的相位相同。
第五章 集成运放
同反相输入比例运算电路一样，为 了提高差动电路的对称性，平衡电
分析依据可知：i1 if ， u - u+ 0 而:
if RF
i1
ui
- uR1
ui R1
if
u- - uo RF
- uo RF
ui R1 i1 Rp
Δ
∞
－
uo
+
+
由此可得：u o
三极管与集成运算放大器.
第五章 三极管与集成运算放大器
〔3〕串联反响和并联反响 依据反响信号与输入信号连接方式〔也称比较方式〕 的不同，可分为串联反响与并联反响。
反响信号与输入信号的连接方式 a)串联反响 b)并联反响
第五章 三极管与集成运算放大器
在放大电路中主要是引入负反响，假设同时考虑反 响电路与输入、输出回路的连接方式，负反响放大器 可以归纳为以下四种类形：
第五章 三极管与集成运算放大器
三极管的工作区和限制区
第五章 三极管与集成运算放大器
六、用万用表检测三极管
1．确定基极和管型
确定三极管的基极 三极管的检测
第五章 三极管与集成运算放大器
2．确定集电极和放射极 在确定基极后，假设是NPN型管，可将红、黑表 笔分别接在两个未知电极上，表针应指向无穷大处 。
根本共射放大电路
第五章 三极管与集成运算放大器
2．电路中各元件的作用 〔1〕三极管VT 它是放大电路的核心，起电流放大作用，可将 微小的基极电流变化量转换成较大的集电极电流 变化量。 电路中基极→放射极为输入回路，集电极→放
第五章 三极管与集成运算放大器
〔2〕直流电源 VCC 为三极管和负载供给能源，同时为三极管供给实现电 流放大的外部条件，即放射结正偏，集电结反偏。 〔3〕基极偏置电阻RP 和 R b 协作 VCC 为三极管供给一个适宜的静态偏置电流 I B 使 三极管能不失真地放大沟通信号。 〔4〕集电极负载电阻 RC 将集电极电流的变化量转换成集电极电压电压的变化 量，从而实现电压放大。
放大电路的沟通通路
放大电路的输入电阻
第五章 三极管与集成运算放大器
3〕放大电路的输出电阻 4〕沟通电压放大倍数
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U- = U+ = 0
U i UO Ii = I f = = R1 R2
Auf =
UO R =- 2 Ui R1
10 输出与输入反相、运算电路输入电阻较小
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
平衡电阻 RN与RP
RN、RP：令vi和vo为零，分别 指从N（－）或P（＋）端到地
~ t2 (3s) 时，开关 S 接 b 点；而当 t > t2 (3s) 时，开关 S 接 c 点。已知运
算放大器电源电压 15 V，初始电压 uC(0) = 0，试画出输出电压 uo(t) 的 波形图。
27
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
28
5.5.2 微分器
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
25
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.5 5.5.1
积分器和微分器 积分器
uo (t ) = -
1 ui (t )dt RC
1 uo (t ) = (ui1 - ui2 )dt RC
差动积分器
26
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
【例 5.5.1】电路如图所示，当t = t1 (1s) 时，开关 S 接 a 点； 当t = t1 (1s)
15
输出与输入同相、运算电路输入电阻较大
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
同相比例放大器的特点：
(1) 信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；
(2) U+ = U- 0，反相端和同相端电压相等,即“虚短路”； (3) 闭环放大倍数大于等于1，可以设计成电压跟随器；
Auf
R2 uo = = 1+ ui R1
22
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.4
基本减法器及仪用放大器
5.4.1 基本减法器电路
R1 = R2 , R3 = R4 R3 R4 R3 R3 uo = = (ui1 - ui2 ) 1 + R R +R ui1 - R ui2 R1 1 2 4 1
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.2 反相比例放大器与同相比例放大器 5.2.1 1) 反相比例放大器 闭环增益与电压传输特性
结构特点：负反馈引到反相 输入端，信号从反相端输入。
利用虚短 和虚断得
' Ii
= Ii - I f 0
Ii = I f
Ui - U- Ui Ii = R1 R1
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
模拟电子电路及技术基础
第五章集成运算放大器的基本应用电路
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。
5.1 集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性
5.1.1 集成运算放大器的符号
同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；
反相比例放大器的特点： 1.信号从反相端输入，输出信号与输入信
号反相。共模输入为零。
2.U- = U+ = 0，因为同相端电压为零(接地)， 所以反相端呈现“虚地”特性。 3.闭环放大倍数 Auf = R2 R1
号同相。共模输入不为零。
2. U- = U+ ≠ 0，反相端与同相端电压相等， 呈现“虚短路”特性。 3.闭环放大倍数大于等于1。 4.闭环输入阻抗进一步增大， Rif → ∞，闭 环输入电阻为 Rif
【例5.2.2】有一运放组成的反相比例放大器，电源电压UCC=│UEE│=12V， 求输入信号分别为 ui1=1sinωt(V)和ui2=2sinωt(V) 时的输出波形图。
ui1
R2 16 k
ui
12 V
ui2
uo
Auf = -8
+1.5 V
1V
2V
R1
2 k
12 V
0
ui
0
-2 V
A
-12 V
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
反相电压传输特性
uid = ui- - ui +
7
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
含运算放大器电路分析的方法
节点法、回路法
虚断、虚短概念
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.2 反相比例放大器与同相比例放大器
比例运算电路
作用：将信号按比例放大。 类型：同相比例放大和反相比例放大。 方法：引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放 大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。
16
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
(4) 闭环输入阻抗进一步增大，趋向于理想条件，即Rif → ；
(5) 闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，即Rof → 0。
17
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.2.3
两种放大器比较
同相比例放大器的特点： 1.信号从同相端输入，输出信号与输入信
23
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
【例 5.4.1】利用减法器电路可以构成“称重放大器” 。 试问，输出电压 uo 与重量 ( 体现在 Rx 变化上) 有何关系。
24
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.4.2 精密相减器电路----仪用放大器
uo R3 2R Au = = (1 + 1 ) ui1 - ui 2 R2 RG
(2) U- = U+ = 0，因为同相端电压为零( 接地) ，所以反相端呈现“虚地”特性； (3) 闭环放大倍数 Auf = - R2 / R1；
(4) 闭环输入电阻较小，Rif R1，闭环输出电阻Rof →0。
12
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
【例5.2.1】设计一个放大器电路，要求输入电阻大于等于 50kΩ，uo =-6ui。
uo (t ) = ui (t )dt - 2 uo (t )dt - 10 uo (t )dt
29
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.6 电压一电流变换(V-I)和电流一电压变换(I-V)
5.6.1 V-I变换器
ui IL = R2
负载电流
I L与负载 Z L无关，而与输入信号 ui
电流和电压。一种方案是将它们直接相连 (如图(a) 所示) ；另一种方
案是在信号源与负载之间插入一级电压跟随器 ( 如图(b) 所示) 。试分 析两种方案负载 RL 所得到的电压 uL 和电流 iL 。
20
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.3 加法器
5.3.1 反相加法器
Rf Rf Rf uo = - ui1 - ui2 - ui3 R1 R2 R3
-1.5 V
uo
0
-12 V
uo1
8V
uo2
+12 V
0
0
-12 V
13
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.2.2
同相比例放大器
利用虚短和虚断得
vN = vP = vI 0 - vN = vN - vO
R1
R2
R1 uid = ui uO 0 R1 + R2
R2 uo Auf = = 1 + ui R1
vS2 vS1 R1 R2
RN =Rp
Rf RN Rp R3
– +
vO
之间的直流电阻。
R3 =R1 // R2 // Rf
Rf
vI
R1
vN
-
vP + R2
A
vO
R2 =R1 // Rf
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
2)
闭环输入电阻
反相比例放大器的特点：
(1) 信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；
成正比
30
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
5.6.2 I-V变换器
31
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
精密直流电压测量电路
【例 5.6.1】精密直流电压测量电路如图所示，一般要求电压测量仪表的输入电阻 要尽量大，否则测量精度会受影响。利用同相输入且施加负反馈的运算放大器电 路输入电阻大的特点，有助于提高测量精度。由图可见，流过 的电流 等于流过表 头的电流 ，若电阻 R1=100kΩ，表头最大量程电流IMm=100μA ，则被测电压ui的最 大值为10 V，即
3
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
输入电阻，反映了集成运放输入端向输入信号源索 取电流的能力，要求它愈大愈好；
输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带 负载能力要求它愈小愈好；
A 愈大愈好
第5 章
集成运算放大器的基本应用电路
Ri→
理 想 化
“虚断”
“虚断”： Ii+= Ii-=0
Ro→0 Avo→ KCMR→0 漂移→0
“虚短”
“虚短”：Auo→ vid→ 0
5.1.2
第5章 集成运算放大器的基本应用电路 集成运算放大器的电压传输特性
线性放大区：uo = Auo(ui+ - ui-) = Auouid
―虚短路”：Auo→ uid→ 0
6
限幅区：uo = UCC 或 UEE，uid 可以较大，不再“虚短路”。
uim =U+ =U- =U R1 =R1 I Mm =100 k100 A=10 V
U I = R1 I M
32