集成电路运算放大器的主要参数
第六章 集成运算放大器
偏置电路是为集成运算放大器的输入级、中间级和输出级电路 提供静态偏置电流，设置合适的静态工作点。 运算放大器的图形符号如图6-2所示，其中反相输入端用“-”号 表示，同相输入端用“+”号表示 。器件外端输入、输出相应 地用N、P和O表示。
图6-2 运算放大器的图形符号
二、集成运算放大器的主要参数 1. 开环差模电压放大倍数 uo 开环差模电压放大倍数A
图6-4 反馈信号在输出端的取样方式 （a）电压反馈 （b）电流反馈
（4）串联反馈和并联反馈—─反馈的方式 如果反馈信号与输 入信号以串联的形式作用于净输入端，这种反馈称为串联反 馈，如图6-5（a）所示。如果反馈信号与输入信号以并联的 形式作用于净输入端，这种反馈称为并联反馈，如图6-5（b） 所示。可用输入端短路法判别，即将放大电路输入端短路， 如短路后反馈信号仍可加到输入端，则为串联反馈，如短路 后反馈信号仍无法到输入端，则为并联反馈。
图6-7 放大电路的传输特性1—闭环特性 2—开环特性
(3)展宽了通频带 放大器引入负反馈后，虽然放大倍数降低了，但放大器的稳定 性得以提高，由于频率不同而引起的放大倍数的变化也随 之减小。在不同的频段放大倍数的下降幅度不同，中频段 下降的幅度较大，而在低频段和高频段下降的幅度较小， 结果使放大器的幅频特性趋于平缓，即展宽了通频带。
(4)改变了输入输出电阻 负反馈对输入电阻的影响取决于反馈信号在输入端的连接方式。 并联负反馈是输入电阻减小，串联负反馈是输入电阻增大。 负反馈对输出电阻的影响取决于反馈信号在输出端的取样方 式。电压负反馈是输入电阻减小，电流负反馈是输入电阻增 大。电压负反馈有稳定输出电压的作用，电流负反馈有稳定 输出电流的作用。 电压串联负反馈使电压放大倍数下降，稳定了输出电压，改善 了输出波形，增大了输入电阻，减小了输出电阻，扩展了通 频带。电压并联负反馈使电压放大倍数下降，稳定了输出电 压，改善了输出波形，减小了输入电阻，减小了输出电阻， 扩展了通频带。电流串联负反馈使电压放大倍数下降，稳定 了输出电流，改善了输出波形，增大了输入电阻，增大了输 出电阻，扩展了通频带。电流并联负反馈使电压放大倍数下 降，稳定了输出电流，改善了输出波形，减小了输入电阻， 增大了输出电阻，扩展了通频带。
电工电子学_集成运算放大器
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9.3 集成运放在信号运算方面的应用
由于开环电压放大倍数Auo很高，集成运放开环工作时线性区很 窄。因此，为了保证运放处于线性工作区，通常都要引入深度负反馈。 集成运放引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间满足某种特定的 函数关系，实现特定的模拟运算。当反馈电路为线性电路时，可以实 现比例、加法、减法、积分、微分等运算。
图9.2.1 反馈放大电路框图
电路中的反馈是指将电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部 通过一定的电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号一同控制 电路的输出。可用图9.2.1所示的方框图来表示。
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2. 反馈的分类
（1）正反馈和负反馈 根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。 （2）直流反馈和交流反馈 根据反馈信号的交直流性质，可以将反馈分为直流反馈和交流反馈。 （3）电压反馈和电流反馈 根据输出端反馈采样信息的不同，可以将反馈分为电压反馈和电流反 馈。 （4）串联反馈和并联反馈 根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端联结方式的不同，可以将 反馈分为串联反馈和并联反馈。
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3. 输入和输出方式
差放电路有双端输入和单端输入两种输入方式。同样也有双端 输出和单端输出两种输出方式。因此，差动放大电路共有四种输入输 出方式。 （1）双端输入双端输出 （2）双端输入单端输出 （3）单端输入双端输出 （4）单端输入单端输出
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4. 共模抑制比
差动放大电路对差模信号和共模信号都有放大作用，但对差动 放大电路来说，差模信号是有用信号，共模信号则是需要抑制的。因 此要求差放电路的差模放大倍数尽可能大，而共模放大倍数尽可能小。 为了衡量差放电路放大差模信号和抑制共模干扰的能力，引入共模抑 制比作为技术指标，用KCMR表示。其定义为差模电压放大倍数与共 模电压放大倍数之比，即 A （9.1.11） K ud
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
运算放大器
运算放大器（英语：Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，减法等模擬运算电路中，因而得名。
通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（positive feedback）组态，相反地，在很多需要产生震荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
运算放大器有许多的规格参数，例如：低频增益、单位增益频率（unity-gain frequency）、相位边限（phase margin）、功耗、输出摆幅、共模抑制比（common-mode rejection ratio）、电源抑制比（PSRR，power-supply rejection ratio）、共模输入范围（input common mode range）、电压摆动率（slew rate）、输入偏移电压（input offset voltage，又译：失调电压）、还有噪声等。
目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。
一般用途的集成电路运算放大器售价不到一美元，而现在运算放大器的设计已经非常可靠，输出端可以直接短路到系统的接地端（ground）而不至于被短路电流（short-circuit current）破坏。
目录[隐藏]∙ 1 运算放大器的历史∙ 2 运算放大器的基础o 2.1 电路符号o 2.2 理想运算放大器的操作原理▪ 2.2.1 开回路组态▪ 2.2.2 负反馈组态▪ 2.2.2.1 反相闭回路放大器▪ 2.2.2.2 非反相闭回路放大器▪ 2.2.3 正反馈组态∙ 3 实际运算放大器的局限o 3.1 直流的非理想问题▪ 3.1.1 有限的开回路增益▪ 3.1.2 有限的输入阻抗▪ 3.1.3 大于零的输出阻抗▪ 3.1.4 大于零的输入偏压电流▪ 3.1.5 大于零的共模增益o 3.2 交流的非理想问题o 3.3 非线性的问题o 3.4 功率损耗的考量∙ 4 在电路设计中的应用∙ 5 直流特性∙ 6 交流特性∙7 运算放大器的应用∙8 741运算放大器的内部结构o8.1 电流镜与偏压电路o8.2 差分输入级o8.3 增益级o8.4 输出级∙9 CMOS运算放大器的内部结构∙10 其他应用∙11 参见∙12 参考资料与附注∙13 外部链接[编辑]运算放大器的历史第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
id
图3-3 差动放大电路的输入方式
共模信号 与差模信号
Ui1 Ui2
线性放 大电路
Uo
1 共模信号输入电压： U ic (U i1 U i 2 ) 2
差模信号输入电压：U
id
(U i1 U i 2 )
差模信号：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相反的信号。
共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相同的信号。
在放大器的两个输入端分别输入大小相等、 极性相同的信号，即 ui1 ui 2 时，这种输入方 式称为共模输入，所输入的信号称为共模 （输入）信号。共模输入信号常用 uic 来表 示，即 uic ui1 ui 2 。在放大器的两个输入端 分别输入大小相等、极性相反的信号，即 时这种输入方式为差模输入，所输 入的信号称为差模输入信号。差模输入信 号常用 u 来表示，即 ui1 uid / 2 ui 2 uid / 2
输入信号种类
ui1 = ui2 共模输入
(common mode)
uC ud
ui1 = -ui2 差模输入
(differential mode) 任意输入ui1, ui2（既非差模又非共模）
3.2 相关的理论知识
(2)共模输入
如图3-3（a）所示为共模输入方式，由图中可以看出，当差动放大器输 入共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电位变化相同，因而输出 电压 u oc 恒为零。
Rod 2RC
5.共模抑制比 如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路 加上一对共模输入信号。所以差模输入信号反映了要放大的有效信号，而共模输入信号 可以反映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差 模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。 共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。
01-集成运算放大器-xus
(2)虚断
rid
i i 0
运放的两输入端视为断路——虚断 “虚断”是指在分析理想运放处于线性状态时 ，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。
（动画8-2）
３.理想运放在非线性区工作时的特点
u u 时，uo U OPP u u时，uo U OPP
u0 Aod uid
RL
u0 Aod (dB ) 20 lg uid
RL
(2)开环共模电压放大倍数 指输入共模分量时输出电压与输入共模信号电 压之比，表示运放对共模信号的放大能力
u0 Aoc uic
(3) 共模抑制比 开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数 之比，综合评价运放的放大能力
K CMR
Aod Aoc
Aod K CMR (dB) 20 lg Aoc
１.2 理想运放
1.理想运放的技术指标 理想运放就是将集成运放的各项技术指标理 想化，理想运放的主要技术指标为： 开环差模增益 Aod 实际上Aod≥80dB 差模输入电阻 输出电阻 共模抑制比 路的 电阻大2～3个量级 ro 0 实际上ro比输出端外电 路的电阻小1～2个量级 K CMR
rid 实际上rid比输入端外电
在做一般原理性分析时，运算放大器都可以视为理想的
２.理想运放在线性区工作时的特点
(1)虚短
uo Aod (u “短路”——虚短 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时， 可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短 路，简称虚短。
1 集成运算放大器
• 1.1 集成运放的基本特性 • 1.2 理想运放
1.1 集成电路的基本特性
1.集成电路分类 数字集成电路 运算放大器 宽频带放大器 功率放大器 模拟乘法器 模拟锁相环 集成稳压器 …...
第9章 集成运算放大器
输入级一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大 电路，其目的就是减小放大电路的零点漂移、提高输入 阻抗。 中间级的主要作用是电压放大，使整个集成运算放 大器有足够的电压放大倍数。 输出级一般采用射极输出器，其目的是实现与负载 的匹配，使电路有较大的功率输出和较强的带负载能力。
偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定合适的偏 置电流，稳定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路 构成。 图9-2所示为 LM 741集成运算放大器的外形和管脚图。 它有8个管脚，各管脚的用途如下: (1)输入端和输出端
第二级为反相电路，则有 R21= RF =100 kΩ 平衡电阻为 Rb2= RF∥R21 =100∥100=50 kΩ
三、减法运算电路
如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。差 分运算在测量和控制系统中应用很多，其放大电路如图 9-12所示。 根据叠加原理可知，uo为ui1和ui2分别单独在反相 比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和， 即
四、微分运算电路和积分运算电路
1.微分运算电路 微分运算电路如图9-13（ a）所示。依据 u u ≈0，可得 iR=iC 所以
d(ui u ) u uo C dt，因此称为微分运算电路。 在自动控制电路中，微分运算电路不仅可实现数学 微分运算，还可用于延时、定时以及波形变换。如图913（ b）所示，当ui为矩形脉冲时，则uo为尖脉冲。
（2）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的输 入电流等于零（虚断）因为理想集成运算放大器的 rid→∞，所以由同相输入端和反相输入端流入集成运算 放 大器的信号电流为零，即 i i ≈0
u u
图9-3 理想集成运算放大器 的符号
图9-4 集成运算放大器的电 压传输特性
第3章 集成电路运算放大电路
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3.2集成运算放大电路简介
2.理想集成运放的两个重要结论
(1)因rid→∞有i+≈i-≈0，即理想运放两个输入端的输 入电流近似为零。 (2)因Auo→∞，故有u+≈u-即理想运放两个输入端的电 位近似相等。
请看动画
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3.2集成运算放大电路简介
3.集成运放的传输特性
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3.1 差分放大电路
3.动态特性
(1)差模特性 电路的两个输入端各加上一个大小相等、极性相反的 电压信号，称为差模输入方式。此时，uIl =uI /2，uI2 = - uI /2，若用uID 表示差模输入信号，则有uID =uI1 –uI2。 在差模输入信号作用下，差动放大电路一个管的集电极电 流增加，而另一管的集电极电流减少，使得uO1 和uO2 以相 反方向变化，在两个输出端将有一个放大了的输出电压 uO 。 这说明，差动放大电路对差模输入信号有放大作用。
1．通用型 2．低功耗型 3．高精度型 4．高阻型
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3.2集成运算放大电路简介
3.2.5 理想运算放大器
1.理想集成运放的特性
（1）开环电压放大倍数Aod = ∞ ；
（2）差模输入电阻rid = ∞ ； （3）输出电阻ro =0；
（4）共模抑制比KCMR = ∞ ；
（5）输入偏置电流IB1 =IB2 =0。
请看例题
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3.3集成运算放大器的基本运算电路
3.3.2 同相比例运算电路
如图3－7所示，输入信号ui经外接电阻R2送到同相输入 端，而反相输入端通过电阻R1接地。反馈电阻RF跨接在输出 端和同相输入端之间，形成电压串联负反馈。
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集成电路运算放大器的主要参数
1. 输入失调电压VIO
输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO 。
2. 输入偏置电流IIB
是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。
IIB=（IBN+IBP）/ 2
3. 输入失调电流IIO
是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差。
IIO=｜IBNIBP｜
4. 温度漂移
（1）输入失调电压温漂DVIO / DT
（2）输入失调电流温漂DIIO / DT
5. 最大差模输入电压Vidmax
集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。
6. 最大共模输入电压Vicmax
是指运放所能承受的最大共模输入电压。
7. 最大输出电流Iomax
是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。
8. 开环差模电压增益AVO
9. 开环带宽BW (fH)
10. 单位增益带宽BWG (fT)
11. 转换速率SR。