运算放大器完整版本

15.1运算放大器的工作原理5.2集成运算放大器的主要参数5.3运算电路的三种输入方式5.4加减运算电路5信号运算电路5.5积分电路和微分电路

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集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路

INTEGRATEDCIRCVITS3集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。IC4运算放大器外形图5运算放大器外形图67

集成运算放大器结构

（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差分式放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。8

集成运放的结构、分类和参数

集成运放的内部电路结构框图输入级偏置电路输出级中间级输入级—

差动放大器输出级—

射极输出器或互补对称功率放大器中间级—

电压放大器偏置电路—

由镜像恒流源等电路组成9

1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力。

4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

3.互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。

2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。10例如若第一级漂了100VV，则输出漂移1V。

若第二级也漂了100VV，则输出漂移10mV。假设

第一级是关键3.减小零漂的措施

用非线性元件进行温度补偿

调制解调方式。如“斩波稳零放大器”

采用差分式放大电路漂了100VV漂移

10mV+100VV漂移1V+10mV漂移1V+10mV11输入级偏置电路中间级输出级输出2.集成运放

741的电路原理图+VCCVo+–反相输入-VEE同相输入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C

12

通用集成运放的基本结构输入级中间级输出级-VEE+VCC

V＋Vo

V－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框图13T3T4T5T1T2IS

V＋

V－反相端同相端Vo与Vo反相与Vo同相14-VEE+VCC

V＋Vo

V－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,

输入阻抗ri尽可能大。15-VEE+VCC

V＋Vo

V－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级足够大的电压放大倍数16-VEE+VCC

V＋Vo

V－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。17＋－V－V+Vo集成运算放大器符号－＋＋

反相输入端V－同相输入端V+输出端Vo国际符号：国内符号：18

运算放大器的引线

运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或IN‘+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或IN“-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。19集成运算放大器的技术指标(1)开环差模电压放大倍数(开环增益)大

Ao(Ad)=Vo/(V+-V-)=107-1012倍;(2)共模抑制比高

KCMRR=100db以上;(3)输入电阻大

ri>1M,有的可达100M

以上;(4)输出电阻小

ro=几

-几十20理想运放：

集成运算放大器的分析方法—理想化Ao=

KCMRR=ri=

ro=021Vo=Ao(V+–V－)

Ao

V+–V－

0V+

V－Vo－＋＋

∞V－V+ib-ib+

V+

=V－

ib-=

ib+=0

ri

ib-

0ib+

0集成运算放大器的分析方法输出电压变化范围:最大+VCC~-VEE22集成运算放大器的分析方法:放大倍数与负载无关，Vo－＋＋

V－V+ib-ib+RL因为ro=0所以放大倍数与负载无关，放大倍数可以独立计算。ro23

通用型集成电路运算放大器24end简化电路255.2集成电路运算放大器的主要参数1.输入失调电压VIO2.输入偏置电流IIB3.输入失调电流IIO4.温度漂移（1）输入失调电压温漂

VIO/

T（2）输入失调电流温漂

IIO/

T5.最大差模输入电压Vidmax6.最大共模输入电压Vicmax7.最大输出电流Iomax261.静态功耗PCPC=VCCIC+VEEIE2.电源电压抑制比KSVR

5.2.5电源特性参数5.2集成运算放大器的主要参数一个理想的集成运放（简称理想运放）应当是：

Aod→∞,rid→∞,ro→0,fH→∞,SR→∞,IIB、VIO、IIO及其温漂为零，当vP=vN时，vo=0等。27运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。(4--28)运算放大器线性应用时的分析依据1.差模输入电阻,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。2.开环电压放大倍数

输出电压是一个有限值，即虚短。

3.如果信号从反向端输入，同相端接地

反相端近于“地”电位，即虚地。返回目录(4--29)运算放大器在饱和区时的情况当时，例题当V+＜V-注意：此时输入端的输入电流也等于零返回目录(4--30)例

F007运算放大器的正、负电源电压为±15V，开环电压放大倍数AV0=2105,输出最大电压（即Vo(sat))为±13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：－＋＋

V－V+

Vo

(4--31)解只要两个输入端之间的电压绝对值超过65µV，输出电压就达到正或负的饱和值。输出电压输出电压输出电压输出电压返回

(4--32)每两个运放共用一个偏置电阻四个运放共用VDD、VSS端C14578外引线排列图返回目录(4--33)

5.3信号的运算电路ViVoViVo+VOM-VOM

Ao越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。_+

+A05.1.1概述(4--34)运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，运放工作于线性状态。(4--35)F007（5G24）外引线图

反相输入端

同相输入端输出端接线图顶视图

(4--36)由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件：放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚开路(4--37)理想运放的符号_+

+

V+V-V0(4--38)5.3信号的运算电路(1)反相比例运算放大器_+

+

R2R1RPViVoi1i2i1=i2(4--39)_+

+

R2R1RPViVo电路的输入电阻：Ri=R1反馈方式：电压并联负反馈输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。RP=R1//R2(4--40)_+

+

R2R1RPViVo共模电压：电位为0，虚地。输入电阻小、共模电压为0以及“虚地”是反相输入的特点。(4--41)RR2R1FViVo电位为零，虚地电位为零

注意虽然但不能将反相输入端和同相输入端直接相联或者直接接地返回目录(4--42)(2)同相比例运算放大器_+

+

R2R1RPViVoV-=V+=Vi电压串联负反馈输入电阻高。共模电压：Vi没有虚地概念。例：图中同相比例运算电路求：(4--44)解：此电路为同相比例运算电路，于是式中的是指加在同相输入端的输入电压

(4--45)(3)差动放大器_+

+

R2R1R1Vi2VoR2Vi1解出：(4--46)_+

+

R2R1R1Vi2VoR2Vi1差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）,这是由于反相输入造成的。(4--47)(4)电压跟随器_+

+

R2ViVo此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。

当R1=

且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

–

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。VoVi++––++

–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压Vo不会随之变化。Vo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5k

例：例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压解答解：A1是电压跟随器，A2是差动运算电路，想一想：为什么要加A1？

(4--51)以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。(4--52)(5)反相求和运算：_+

+

R2R11R12Vi2VoRPVi1i11i12iF(6)同相求和运算：此电路如果以V+为输入，则输出为：V+~Vi1

、Vi2？R1RF++V

i1+_VoR21R22Vi2-1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：Vi2VoRFVi1Ri2Ri1++

–

R1+–Vi2VoRFVi1Ri2Ri1++

–

R2+–55例题.R1=10k

,R2=20k,Vi1=-1v，Vi2=1v。求:Vo

Vo_+

+

R2R1R1R2Vi1_+

+

Vi2_+

+

R2R1RPVo=(Vo2-Vo1)=(20/10)[3-(-1)]=8vR2R1Vo1=Vi1=-1vVo2=Vi2(1+R2/R1)=3v

例：三运放电路++A-+ARRRWVi1Vi2Vo1Vo2ab+R1R1-+AR2R2Vo+++A_+ARRRWVi1Vi2Vo1Vo2ab+

R1R1++AR2R2VoVo1Vo2

三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。(7)积分运算电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1VOCFViR2R1++––++

–

VC+–

当电容CF的初始电压为VC(t0)时，则有应用举例：tVi0

tVo01、输入方波，输出是三角波。i1iFV

i-++RR2CVo2.若输入信号电压为恒定直流量，即vi=Vi时，则VitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Vo(sat)VotO+Vo(sat)Vi=Vi>0Vi=–Vi<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故Vo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Vi–Vi33将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分

这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。VoCFViR2R1++––++

–

RF(8)微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifVitOVotOVi–ViVoC1ViR2RF++––++

–

(4--65)若输入：则：tVi0tVo0VoC1ViR2RF++––++

–

R1比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分

控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiC(4--67)思考如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。(4--68)8.5有源滤波器滤波电路的种类:按信号性质:模拟滤波器和数字滤波器按电路功能:低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按所用元件:无源滤波器和有源滤波器(4--69)传递函数：幅频特性相频特性filter(4--70)按频率特性进行分类：

低通高通带通带阻(4--71)RCR一阶低通滤波器(4--72)010.707

0截止频率此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。