电子技术基础项目化教程课件 项目五 集成运算放大电路的应用 5.2.1 集成运算放大器的认识

5.2相关知识5.2.1集成运算放大器的认识总目录下页1．集成运算放大器的基本组成

集成运算放大器（简称集成运放）是模拟电子电路中最重要的器件之一，它本质上是一个高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的直接耦合多级放大电路，因最初它主要用于模拟量的数学运算而得此名。近几年来，集成运放得到迅速发展，有不同类型、不同结构的，但基本结构具有共同之处。5.2.1集成运算放大器的认识下页上页首页

集成运放内部电路由输入级、中间电压放大级、输出级和偏置电路四部分组成，如图5-1所示。下页上页首页图5-1集成运算放大器的内部组成电路框图

（1）输入级

对于高增益的直接耦合放大电路，减小零点漂移的关键在第一级，所以要求输入级温漂小、共模抑制比高，因此，集成运放的输入级都是由具有恒流源的差动放大电路组成。并且通常工作在低电流状态，输入阻抗较高。

（2）中间电压放大级

集成运放的总增益主要是由中间级提供的，因此，要求中间级有较高的电压放大倍数。中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。

（3）输出级

输出级应具有较大的电压输出幅度、较高的输出功率与较低的输出电阻的特点，并有过载保护。一般采用甲乙类互补对称功率放大电路，主要用于提高集成运算放大器的负载能力，减小大信号作用下的非线性失真。下页上页首页

（4）偏置电路

偏置电路为各级电路提供合适的静态工作电流，由各种电流源电路组成。此外，集成运算放大器还有一些辅助电路，如过流保护电路等。下页上页首页2．集成运放的封装符号与引脚功能

目前，集成运放常见的两种封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，其外型如图5-2（ａ）、（ｂ）所示。金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。下页上页首页图5-2集成运放的两种封装

金属封装器件是以管键为辨认标志，由顶向下看，管键朝向自己。管键右方第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器件，其余各引脚依次排列。双列直插式器件，是以缺口作为辨认标志（也有的产品以商标方向来标记）。由器件顶向下看，辨认标志朝向自己，标记右方第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器件，可依次数出其余各引脚。

集成运放的符号如图5-3（ａ）、（ｂ）所示。下页上页首页图5-3集成运放的符号

它的外引线排列，各制造厂家有自己的规范，例如图5-3（ｃ）所示的F007的主要引脚有：

引脚4、7分别接电源－VEE和＋VCC。

引脚1、5外接调零电位器，其滑点与电源－VEE相连。如果输入为零，输出不为零，调节调零电位器使输出为零。

引脚6为输出端。

引脚2为反相输入端。即当同相输入端接地时，信号加到反相输入端，输出端得到的信号与输入信号极性相反。

引脚3为同相输入端。即当反相输入端接地时，信号加到同相输入端，则得到的输出信号与输入信号极性相同。下页上页首页3.集成运算放大器主要参数

集成运算放大器的性能可用各种参数表示，了解这些参数有助于正确挑选和合理使用各种不同类型的集成运放。

（1）开环差模电压增益Auo

Auo是指集成运放在无外加反馈情况下，并工作在线性区时的差模电压增益，

，用分贝表示则是

。性能较好的集成运放Auo可达140dB以上。下页上页首页

（2）输入失调电压UIO及其温漂

理想集成运算放大器，当输入电压为零时，输出电压必然为零。但实际运算放大器的差分输入级很难做到完全对称，当输入电压为零时，输出电压并不为零。如果在输入端人为地外加一补偿电压使输出电压为零，则该补偿电压值称为输入失调电压UIO。失调电压的大小主要反映了差分输入级元件的失配程度，特别是UBE和RC的失配程度。UIO值一般为1～10mV，高质量的在1mV以下。下页上页首页

输入失调电压是随温度、电源电压或时间而变化的，通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入失调电压温度漂移。用

表示。一般以μV/℃为单位。

UIO可以通过调零电位器进行补偿，但不能使

为零。下页上页首页

（3）输入失调电流IIO及其温漂

在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流IIO，即IIO=∣IB1-IB2∣。

失调电流的大小反映了差分输入级两个晶体管β的失调程度，IIO一般以纳安(nA)为单位，高质量的运放IIO<lnA。

输入失调电流温度漂移

是指IIO随温度变化的平均变化率。一般以nA/℃为单位，高质量的为几个皮安每度(pA/℃)。下页上页首页

（4）输入偏置电流IIB

IIB是指在常温下输入信号为零时，两个输入端的静态电流的平均值，即

IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，信号源内阻变化引起的输出电压变化也越小，输入失调电流越小。

（5）差模输入电阻Rid

Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆欧(MΩ)。

（6）输出电阻Ro

运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。它的大小反映了运算放大器的负载能力。

（7）共模抑制比KCMR

它的定义在前面已给出，

，用dB表示，即为

。下页上页首页

（8）最大差模输入电压

UId(max)

UId(max)是指运算放大器同相输入端与反相输入端之间所能加的最大输入电压。当输入电压超过UId(max)时，运算放大器输入级的晶体管将出现反向击穿现象，使运放输入特性显著恶化，甚至造成运放的永久性损坏。

（9）最大共模输入电压UIc(max)

UIc(max)

是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。如果共模输入电压超过这个值，运算放大器的共模抑制比将显著下降，甚至使运放失去差模放大能力或永久性的损坏，因此规定了最大共模输入电压。高质量的运放UIc(max)值可达十几伏。下页上页首页

（10）最大输出电压Uo(P-P)

在给定负载（通常RL=2KΩ）上最大不失真输出电压的峰－峰值称为最大输出电压Uo(P-P)，一般它比电源电压低2V以上。

（11）开环带宽BW和单位增益带宽BWG

开环带宽是指集成运算放大器的外部电路无反馈时，差模电压增益下降3dB所对应的频率。理想集成运算放大器的BW趋于无限大。

单位增益带宽BWG是指集成运算放大器的开环差模电压增益下降到0dB时的频率。下页上页首页

（12）转换速率SR

在额定输出电压下，集成运算放大器输出电压最大变化速率称为转换速率SR，即

SR是反映集成运算放大器对于高速变化的输入信号响应情况的参数。只有当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出才线性反映输入变化规律。SR越大，表明集成运算放大器的高频性能越好。SR一般在1V/μs以下。下页上页首页4．理想集成运放

把具有理想参数的集成运算放大器叫做理想集成运放。它的主要特点为：

（1）开环差模电压放大倍数Auo→∞；

（2）输入阻抗Rid→∞；

（3）输出阻抗Ro→0；

（4）带宽BW→∞，转换速率SR→∞；

（5）共模抑制比KCMR→∞。下页上页首页5．集成运放的传输特性

（1）传输特性

集成运放是一个直接耦合的多级放大器，它的传输特性见图5-4所示曲线①。图中BC段为集成运放工作的线性区，AB段和CD段为集成运放工作的非线性区（即饱和区）。由于集成运放的电压放大倍数极高，BC段十分接近纵轴。在理想情况下，认为BC段与纵轴重合，所以它的理想传输特性可以由曲线②表示，则B/C/段表示集成运放工作在线性区，AB/和C/D段表示运放工作在非线性区。图5-4运放传输特性曲线

（2）工作在线性区的集成运放

当集成运放电路的反相输入端和输出端有通路时（称为负反馈），如图5-5所示，一般情况下，可以认为集成运放工作在线性区。下页上页首页图5-5带有负反馈的运放电路

由图5-4曲线②可知，这种情况下，理想集成运放具有两个重要特点：１）由于理想集成运放的Auo→∞，故可以认为它的两个输入端之间的差模电压近似为零，即uid=u--u+≈0，即u-=u+，而uo具有一定值。由于两个输入端之间的电压近似为零，故称为“虚短”。２）由于理想集成运放的输入电阻Rid→∞，故可以认为两个输入端电流近似为零，即i-=i+≈0，这样，输入端相当于断路，而又不是断路，称为“虚断”。下页上页首页

利用集成运放工作在线性区时的两个特点，分析各种运算与处理电路的线性工作情况将十分简便。

另外由于理想集成运放的输出阻抗Ro→0，一般可以不考虑负载或后级运放的输入电阻对输出电压uo的影响，但受运放输出电流限制，负载电阻不能太小。下页上页首页

（3）工作在非线性区的集成运放

当集成运算放大器处于开环状态或集成运放的同相输入端和输