《电工与电子技术》 课件 第10章 集成运算放大器及其应用

第10章集成运算放大器及其应用10.1集成运算放大器

10.2反馈的基本概念

10.3集成运算放大器在信号运算方面的应用集成运算放大器及其应用

本章首先介绍集成运算放大器的组成、特性、参数和应用，理想集成运放的特点。引入反馈的概念、分类及及对电路的影响。在此基础上重点掌握集成运放工作在电压负反馈状态下的各种模拟运算电路，包括比例、加减、微积分电路的分析方法，第10章|

集成运算放大器及其应用10.1集成运算放大器10.1.1集成运算放大器的结构与性能

集成运算放大器简称集成运放，属于模拟集成电路，是一种高增益、高输入阻抗的直流放大器。图10-1为集成运算放大器CF741（UA741、F007）的外形、引脚图、符号和引脚说明。

其中2和3分别为反相输入端和同相输入端、6

为输出端、7

和4

分别为正负电源端、1

和5外接调零电位器，8

为空脚。图10-1

集成运算放大器的外形、符号和引脚说明a）外形b）引脚图c）引脚说明CF74121437856b）a）Auo1236745c）第10章|

集成运算放大器及其应用集成运放的组成集成运算放大器内部可分为四个部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图10-2所示。

输入级：采用差分放大电路，有同相和反相两个输入端，要求输入电阻高，差模放大倍数大，减小零点漂移和抑制干扰信号。

中间级：由共射电路进行电压放大，其放大倍数可达千倍以上。

输出级：由互补对称电路或射极输出器构成，具有输出电阻小，带负载能力强的特点。以上各级之间为直接耦合，可以通过低频或直流信号。偏置电路：由各种恒流源电路组成，为其他电路提供稳定和合适的偏置电流，输出足够大的电压和电流。输入级中间级输出级偏置电路输入端输出端图10-2

集成运算放大器组成第10章|

集成运算放大器及其应用10.1

集成运算放大器10.1.2电压传输特性和主要参数1.电压传输特性输出电压uO与输入电压（两输入电压之差）的关系称为电压传输特性，其关系为式中，Auo为开环电压放大倍数，uO

为输出电压，其最大值为±UOM线性区正饱和区负饱和区

图10-3所示为电压传输特性，分为线性区和非线性区（两个饱和区）。

例如：Auo=105，UOM=±13V

图10-3

集成运算放大器组成第10章|

集成运算放大器及其应用10.1

集成运算放大器（3）差模输入电阻rI：>1MΩ（2）最大输出电压UOM：保证输入和输出电压不失真关系的最大输出电压，接近电源电压。

（1）开环电压放大倍数Auo：开环状态下，差模输入时的电压放大倍数，定义为：A用对数形式表示，称为分贝（dB）表示法，即

（4）差模输出电阻rO：<1kΩ

（8）共模抑制比KCMRR：定义为差模放大倍数Ad

与共模放大倍数Ac

之比，即（5）最大共模输入电压UICM：两输入端连接后所加电压为共模输入电压，见图10-3a

所示。

（6）最大差模输入电压UIDM：两输入端之间所加电压为差模输入电压，见图10-3b

所示

（7）输入失调电压UIS：使uO=0时，在输入端的补偿电压，见图10-3c

所示2.主要参数图10-4

集成运放部分参数说明a）共模输入b）差模输入c）输入失调电压∞-++a）∞-++b）∞-++c）第10章|

集成运算放大器及其应用10.1

集成运算放大器因为实际运算放大器的指标非常接近理想状态，如表10-1所示，所以，对运算放大器进行分析时，一般视为理想运算放大器。

理想运算放大器的主要特点：开环电压放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比均视为无穷大，输出电阻视为零的直流放大器。表10-1

实际运放与理想运放指标比较图10-5为理想运算放大器的电压传输特性，除非两个输出完全相等（实际很难做到），输出一定工作在非线性区（正饱和区或负饱和区）。

3.理想运算放大器图10-5

理想运放的传输特性正饱和区负饱和区第10章|

集成运算放大器及其应用

10.1集成运算放大器

【例10-1】工作在开环状态下的运算放大器，其最大输出电压±UOM为±14V，当输出电压为不同取值时，分析实际运放（Auo=7×105）和理想运放（Auo=∞）的工作状态和输出电压大小、极性。

解：

实际运放中，如果│Auo（u+-u-）

│<UOM

，运放就工作在线性区，式uO=Auo（u+-u-）就完全成立。否则，运放就工作在非线性区，式uO=Auo（u+-u-）只反映正负极性。第10章|

集成运算放大器及其应用10.2放大电路中的反馈℃

1.温度控制系统

图10-6所示为冰箱、空调中温度控制系统，由电机-压缩机、传感器、温度设定等部分组成，其中“电机→压缩机→温度”为正向传输（正向控制）；“温度→传感器→电机”为反向传输（反向控制，反馈），构成闭环控制系统。10.2.1反馈的基本概念“反馈”即反向传输。在控制系统或放大电路中，如果输入对输出的控制称为“正向传输”，则输出对输入的反向作用，就称为反馈。

正向：电机转动-压缩机工作-改变温度压缩机电机转速nn调速传感器温度电信号图10-6

温度控制系统

反向：温度通过传感器转换为电信号，调节电机转速第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

2.电路中的反馈

含有反馈的电路包括基本放大部分（A）和反馈网络（F）两个部分，构成闭环系统。输入信号（XI）经过

A放大后产生输出信号（XO），称为正向放大；而输出信号（XO）通过

F产生反馈信号（XF），与输入信号叠加（XI）产生净输入信号入

,称为反馈，如图3-2所示，其中a为反馈电路框图，b

为引入反馈的晶体管放大电路，c为引入反馈的集成运放应用电路。反馈回路反馈电阻

b)∞-++c)反馈回路反馈电阻

图10-7

电路中的反馈a)反馈电路框图b)晶体管放大电路c)集成运放应用电路AFa)反馈回路反馈网络

10.2.2反馈的类型及判别方法

第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

例如：在温度控制系统中，如果电机转速n↑→℃↓→低于设定值→传感器→电机转速

n↓

→℃↑；

反之，如果电机转速

n↓

→℃↑→高于设定值→传感器→电机转速

n↑→℃↓结论：经过反馈，削弱了原来的变化趋势，即与原来电机转速变化趋势相反，为负反馈。负反馈可以使输出保持稳定（温度控制系统中保持所设定的恒温）。

如果电机转速n↑→℃↓→低于设定值→传感器→电机转速

n↑↑→℃↓↓（转速继续加快、温度继续下降）

反之，如果电机转速n↓

→℃↑→高于设定值→传感器→电机转速

n↓↓→℃↑↑（转速继续下降、温度继续升高）结论：经过反馈，增强了原来的变化趋势，即与原来电机转速变化趋势相同，为正反馈。正反馈可以使输出达到极值（最大或最小），但不能使输出保持稳定（温度控制系统中不能保持恒温）。

1.正反馈和负反馈

正反馈和负反馈称为反馈的极性。如果反馈增强了输入信号的作用，称为正反馈；反之，如果反馈削弱了输入信号的作用，则称为负反馈。

单级运放电路反馈极性的判断第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

图10-8电路中，输入增加→净输入增加→经过反馈→净输入减小，与净输入原来变化趋势相反，所以为负反馈。图10-9电路中，输入增加→净输入增加→经过反馈→净输入继续增加，与净输入原来变化趋势相同，所以为正反馈。u+-u-净输入电压u+-u-净输入电压+-+∞u+-u-uF图10-8

电路中的负反馈-++∞u+-u-uF图10-9

电路中的正反馈反馈到同相

输入端（u+）反馈反馈到反相

输入端（u-）反馈

多级运放电路反馈极性的判断

根据瞬时极性法：设定输入瞬时极性，按放大、反馈绕行一周，判断反馈对原设定的变化趋势是削弱还是增强。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

+假设输入瞬时为正，净输入电压减小-反相输入uO1为负+反相输入uO为正

假设某时刻输入（uI）增加，标记为正，因u-增加，所以净输入（u+-u-）减小，A1输出uO1为负，A2输出uO为正，反馈到A1的u+

端为正（增加），导致净输入（u+-u-）增加，与净输入原来减小的趋势相反，或者说削弱了原来的变化趋势，所以为为负反馈。

∞-++A2∞-++A1-

uF+图10-10

例10-2电路+

A1的u+为正，净输入电压增加，与原趋势相反。【例10-2】图10-10电路中，第2级输出经RF1反馈到本级，为局部反馈；第2级输出经RF2反馈到第1级的输入为极间反馈。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

-反相输入uO1为负+反相输入uO为正+

假设某时刻输入（uI）增加，u-为正，所以净输入（u+-u-）减小，A1输出uO1为负，A2输出uO

为正，反馈到A1的u-

端为正（增加），导致净输入（u+-u-）继续减小，与净输入原来变化趋势相同，或者说增强了原来的变化趋势，所以正反馈。

+假设输入瞬时极性为正，净输入电压减小。∞-++A2∞-++A1图10-11

例10-3电路反馈到u-为正净输入继续减小【例10-3】图10-6电路，第2

级含局部反馈；第2级到第1级为极间反馈，判断极间反馈的极性。2.交流反馈与直流反馈第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.1反馈的基本概念

+uF

-只能通过交流信号反馈电压为交流直流信号被C隔断反馈电压为直流

+uF

-交流信号被C短路+-+∞图10-12直流反馈+-+∞图10-13

交流反馈

反馈网络中的电容决定了反馈信号的成分，即直流反馈和交流反馈。如果电容并联在反馈回路中，交流短路，反馈信号只有直流成分，称为直流反馈（如图10-12所示）。如果电容串联在反馈回路中，隔断直流，反馈信号只有交流成分，称为交流反馈（如图10-13所示）。反馈回路没有接入电容，则交、直流反馈兼而有之。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用串联反馈∞-++XF反馈信号XF与输入信号uI在不同端—串联反馈反馈信号XF

取自输出电流iO

—电流反馈电流反馈∞-++XF3.2.1

反馈类型及判断根据基本放大电路（A）和反馈回路（F）的连接方式不同，在输出端分为“电压反馈”和“电流反馈”；在输入端分为“串联反馈”和“并联反馈”，如图10-14所示。并联反馈∞-++XF反馈信号XF

与输入信号uI

在同一端—并联反馈a）引入负反馈的放大电路图10-14

反馈的类型a）串联与并联反馈b）放大电路框图c）电压与电流反馈b）反馈信号XF

取自输出电压uO—电压反馈电压反馈∞-++XFc）第3章|

反馈与集成运算放大器的应用图10-15和图10-16两个电路在输出端是相同的，反馈信号（uF和iF）与输出电流（iO）无关，即使负载开路，iO=0，也存在反馈。反馈信号（

uF和iF）取自于输出电压（uO），如果uO=0则反馈消失。

所以都是电压反馈。

图10-15电路中反馈电压（uF）与输入电压（uI）不在同一端，所以为电压串联负反馈；图10-16电路中反馈电压（uF）与输入电压（uI）在同一端，所以为电压并联负反馈。反馈电压uF

与输入电压uI

在同一端—并联反馈uO图10-16

电压并联负反馈-++∞u-u+iOiF反馈电压

uF

与输入电压uI

在不同端—串联反馈uO图10-15

电压串联负反馈-++∞u-u+iO-

uF+1.电压串联负反馈与电压并联负反馈电压反馈电压反馈第3章|

反馈与集成运算放大器的应用3.2放大电路中的负反馈

2.电流串联负反馈与电流并联负反馈图10-18

电流并联负反馈-++∞u-u+iOiF并联反馈-++∞u-u+IO+uF-图10-17

电流串联负反馈串联反馈图10-17和图10-18两个电路在输出端是相同的，反馈信号（uF和iF）与输出电压（uO）无关，即使负载短路，uO=0，也存在反馈。反馈信号（

uF和iF）取自于输出电流（iO），如果iO=0则反馈消失。

所以都是电流反馈。

图10-17电路中反馈电压（uF）与输入电压（uI）不在同一端，所以为电流串联负反馈；图10-18电路中反馈电流（iF）与输入电压（uI）在同一端，所以为电流并联负反馈。电流反馈电流反馈第3章|

反馈与集成运算放大器的应用3.2放大电路中的负反馈

3.负反馈的基本关系式AF图10-19

反馈放大电路框图反馈基本关系式参数定义参数关系实数范围其中：为反馈深度。当

时，，称为深度负反馈。

首先根据负反馈放大电路框图（见图10-19所示），明确各输入、输出、反馈、放大等基本参数的定义及各参数间的关系。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.2放大电路中的负反馈

10.2.3负反馈对电路性能的影响1.直流负反馈直流负反馈可以稳定静态值，图10-20为分压式共射放大电路的直流通路，RE构成直流负反馈元件，B点电位由电源和分压电阻决定，E点电位由VB和

UBE决定，即：

+UCE-+UBE-IBQICQBE图10-20分压式放大电路的直流通路

当温度升高导致晶体管的β

增加时，VB

不受影响而稳定，电路中产生以下反馈过程

：℃↑→β↑→ICQ↑→VE

↑→

UBE↓→IBQ↓

ICQ

↓

ICQ稳定，所以，直流负反馈可以稳定静态值（静态工作点）。2.交流负反馈交流负反馈有稳定放大倍数，改善非线性失真，展宽频带，改变输入和输出电阻等作用。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.2放大电路中的负反馈

（1）稳定放大倍数

对负反馈的基本关系式求微分，可以得到

引入负反馈后，其放大倍数的相对变化量减小为原来的1/(1+AF），即放大倍数的稳定性得到提高。

如果1+AF=100，

A的相对变化为10%时，AF的相对变仅为1‰。引入负反馈后的带宽无反馈时的带宽

（2）展宽频带

图10-21所示为引入负反馈前、后放大电路的幅-频特性。

图10-21

负反馈对频带的展宽

第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.2放大电路中的负反馈

（3）改善非线性失真

图10-22所示为引入负反馈前后放大电路的输入和输出波形。引入负反馈前，放大电路的输出（XO）存在非线性失真（下半波略小）。

XF

（4）改变输入、输出电阻

负反馈对电路的输入电阻（ri）和输出电阻（ro）的影响，见图10-23所示。XIXOA图10-22

负反馈对非线性失真的改善

引入负反馈后，XO

经F

产生反馈信号XF

（仍是下半波略小），与输入电压比较，产生净输入信号（），上半波略小

，经过放大电路后，得到改善的输出波形（）

F+-并联负反馈使输入电阻减小串联负反馈使输入电阻增加AF图10-23

负反馈对输入、输出电阻的影响

电压负反馈使输出电阻减小电流负反馈使输出电阻增加第3章|

反馈与集成运算放大器的应用10.3模拟运算电路图10-24

比例运算电路的框图a）反相比例运算b）同相比例运算a）b）

输出电压和输入电压为比例关系，其中

A为比例系数。根据输入信号接在运算放大器的反相输入端还是同相输入端，其输出和输入可能为反相关系或同相关系，所以又分为反相比例运算和同相比例运算两种电路。图10-24a为反相比例运算，图10-24b为同相比例运算。10.3.1比例运算电路1.反相比例运算电路第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

-++∞虚地

IFI1u-图10-25

反相比例运算电路图10-25

为反相比例运算电路，其特点为：属于电压并联负反馈，输入和输出电阻都很小。因为反相端输入，所以输入与输出反相，A为负值。反相输入端（u-）为虚地。因“虚短”，“虚断”和“虚地”，所以即：如果：，则，即称为“反相器”第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

2.同相比例运算电路图10-26a

为同相比例运算电路，其特点为：属于电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小。因为同相端输入，所以输入与输出同相，A为正值且≥1。因“虚短”和“虚断”，所以即：-++∞IFI1u-u+a）图10-26

同相比例运算电路a）原理电路b）电压跟随器如果：RF=0（短路）或R1=∞（开路），则A=1，即：uO=uI

，称为“电压跟随器”见图10-25b

所示。-++∞b）第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

【例10-4】设计一个运算电路，其运算关系为解：考虑到比例系数A=+0.5，不能单独使用反相或同相比例电路，需采取两级电路实现，可选择：见图10-27电路所示。图10-27例10-4

电路-++∞-++∞uO1=-0.5

uI=0.5uI【例10-5】图10-28电路，UZ=12V，求输出电压。

解：12V稳压在分压后，通过电压跟随器输出。当电位器调到最上端时，输出电压最高；电位器在最下端时，输出电压最低。uO可在

(2~10)V间调节，电压跟随器属于电压串联负反馈，具有输入电阻大特点，所以接负载后，对分压后的电压精确度影响很小；又由于电压跟随器的输出电阻很小，作为基准电源带负载能力也得到提高。-++∞图10-28例10-5

电路10.3.2加法运算电路图10-29所示电路，在反相比例运算电路的同一输入端上并联多路输入信号，输出电压与各输入信号的电压之和有关，所以称为反相加法运算电路（反相求和电路）。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

因为“虚短”和“虚断”和“虚地”，所以如果

R1=

R2=

RF-++∞虚地

IFI2u-I1图10-29

加法运算电路第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

【例10-6】设计一个运算电路，其运算关系为解：这是一个三输入的加减混合运算，将其转换为反相加法电路的标准形式根据题目要求，在

uI1端加一级反相器，两个电阻相等，电路如图10-30所示；第二级为三输入加法电路，各电阻为图10-30

例10-6电路-++∞-++∞-uI12Ω5Ω6Ω30Ω10.3.3减法运算电路

图10-31所示电路，两个输入信号

和分别接到集成运放的同相输入端和反相输入端（差动输入方式），输出信号的电压与两输入信号的电压之差有关，称为减法运算电路。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

如果所有电阻都相等，得到代入-++∞IFu-I1u+图10-31

减法运算电路因为“虚短”和“虚断”，所以【例10-7】图10-32所示电路，说明各部分的运算功能，写出各级输出的表达式

第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

∞-++A1∞-++A2∞-++A3∞-++A4图10-32

例10-7电路A4：减法运算电路A1：反相比例运算电路A2：同相比例运算电路A3：加法运算电路10.3.4积分运算电路图10-33所示电路，将反相比例运算电路中的反馈电阻

RF换为电容C，利用电容上电压和电流的关系，构成积分运算电路，即：输出电压与输入电压的积分有关。第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集成运放在信号运算电路中的应用

电容端电压与流过电流的积分有关，即：根据“虚短”、“虚断”和“虚地”的结论所以，输出电压虚地

iCi1u-+uC

--++∞图10-33积分运算电路即：第3章|

反馈与集成运算放大器的应用

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3.3集