电工电子第8章 集成运算放大器

－ +
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。
u o1 u i 2 u o ( RF R1 u i1 RF R2 u o1 ) RF R2 ui2 RF R1 u i1
例：求图示电路中uo与ui的关系。
Δ
ui1
∞
A1 + R2 uo1 R4 R3 R3 +
+ －
Rf 0
∞
uo +
－ ui +
或
R1
时 ，
uo ui
1。 当 ， 即
电压跟随器
Δ
A uf 1 ， 这 时 输 出 电 压 跟 随 输 入 电
压作相同的变化，称为电压跟随器。
8.2.2 加法和减法运算电路
1、加法运算电路
根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：
i f i1 i 2
i1
u i1 R1
， i2
u i2 R2
， if
uo RF
ui1 ui2
R1 R2
i1 i2 Rp
if
Δ
RF ∞ + + uo
由此可得：
u o ( RF R1 u i1 RF R2 u i2 )
－
若
R1 R 2 R F
，则：
u o ( u i1 u i 2 )
RF u o 1 R1 u i
输出电压与输入电压的相位相同。
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 阻 R p R 1 // R F 。 闭环电压放大倍数为： uo RF A uf 1 ui R1 可见 同相 比 例运 算 电路 的 闭环 电 压 放大 倍 数 必定 大 于 或等 于
若 R3 （ 断 开 ） ， 则 ：
uo RF R1 u i1 RF u i 2 1 R1
RF ui1 ui2 R1 R2 + R3
∞
uo +
Δ
若 R1 R 2 ， 且 R 3 R F ， 则 ：
uo RF R1 ( u i 2 u i1 )
偏置电路
通常由互补对 称电路构成， 目的是为了减 小输出电阻， 提高电路的带 负载能力。
集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标 “+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入
时，输出信号与输入信号相位相同；标“－”的输入
端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信 号与输入信号相位相反。
Δ
反相输入端 u－ u+ 同相输入端
A uo +
－ +
8.1.2 集成运算放大器的主要参数及种类
1、集成运放的主要参数
（ 1） 差 模 开 环 电 压 放 大 倍 数 Ado。 指 集 成 运 放 本 身 （ 无 外 加 反 馈 回 路 ） 的 差 模 电 压 放 大 倍 数 ， 即 A do
8.2 模拟运算电路
8.2.1 比例运算电路
1、反相输入比例运算电路
根据 运 放 工 作 在 线 性 区 的 两 条 分 析 依 据 可 知 ： i1 i f ， u u 0 而
i1 if ui u R1 u uo RF ui R1 uo RF RF R1 ui
uo RF R1 u i1
u i2 单 独 作 用 时 为 同 相 输 入 比 例 运 算 ， 其 输 出 电压为：
R3 R 1 F uo u i2 R R R1 2 3
ui1 ui2 R1 R2 + R3
Δ
RF
∞
uo +
－
u i 1 和 ui 2 共 同 作 用 时 ， 输 出 电 压 为 ： R3 RF RF u o u o u o u i1 1 u i2 R R R1 R1 2 3
8.1.3 集成运算放大器的理想模型
集成运放的理想化参数： Ado=∞、 rid=∞、 ro=0 、KCMR=∞、等
uo UOM u－ u+ － + + uo 0
Δ
∞
理想特性 实际特性 u+－ u－
－ UOM 理想运放符号 运放电压传输特性
非线性区分析依据：
非线性区（饱和区）
当ｕi>0，即ｕ＋>ｕ－时，ｕo＝＋ｕOM
ui U 0 uo 0 t t
－UOM
2、微分运算电路
由 于 反 相 输 入 端 虚 地 ， 且 i i ， 由 图 可得：
当ｕi<0，即ｕ＋<ｕ－时，ｕo＝－ｕOM
集成运放的理想化参数： Ado=∞、 rid=∞、 ro=0 、KCMR=∞、等
uo UOM u－ u+ － + + uo 0
Δ
∞
理想特性 实际特性 u+－ u－
－ UOM 理想运放符号 运放电压传输特性
线性区分析依据：
线性区（放大区）
（1）虚断。由rid=∞，得i ＋ ＝i － ＝0，即理想运放两个输入端 的输入电流为零。 （2）虚短。由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想运放两个输入端的 电位相等。若信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，则 u－＝u＋=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。
∞
A3 + uo
－
Δ
R1
R2
－ ui2 A2 + + uo2
Δ
∞
R4
解 ： 电 路 由 两 级 放 大 电 路 组 成 。 第 一 级 由 运 放 A 1、A 2 组 成 ， 它们都是同相输 入，输入电阻很 高，并且由于电 路结构对称， 可 抑制零点漂移。根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：
u 1 u 1 u i1 u 2 u 2 u i2 u i1 u i 2 u 1 u 2 2R2 1 R1 R1 R1 2 R 2 ( u o1 u o2 )
2、集成运放的种类
（ 1） 通 用 型 。 性 能 指 标 适 合 一 般 性 使 用 ， 其 特 点 是 电 源电压适应 范围广， 允许有较大 的输入电 压等，如 等。 （ 2） 低 功 耗 型 。 静 态 功 耗 ≤ 2m W ， 如 X F253 等 。 （ 3） 高 精 度 型 。 失 调 电 压 温 度 系 数 在 1μ V／ ℃ 左 右， 能保 证 组成 的 电路 对 微弱 信号 检 测的 准 确性 ， 如 CF75、 CF7650 等 。 （ 4 ） 高 阻 型 。 输 入 电 阻 可 达 1 0 12 Ω ， 如 F 5 5 系 列 等 。 还有宽 带型、 高压型 等等 。使用 时须查 阅集成 运放 手 册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。 CF741
∞
uo +
－
Δ
2、同相输入比例运算电路
根据运放工作在 线性区的两条分 析 依据可知：
i1 i f ， u u ui
而
i1 if 0 u R1 u uo RF ui R1 ui uo RF
if R1 ui i1 Rp +
RF
∞
uo +
－
Δ
由此可得：
电压放大倍数为：
A uf uo u i1 u i 2 R4 2R2 1 R3 R1
8.2.3 积分和微分运算电路
1、积分运算电路
由 于 反 相 输 入 端 虚 地 ， 且 i i ， 由图可得：
iR iC
iR
ui R
， iC C
－
若
R1 R 2 R 3 R F
，则：
u o u i 2 u i1
由此可见，输出电压与两个输入电压 之 差成正比，实现了减法运算。该电路又称 为 差动输入运算电路或差动放大电路。
例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。
R ui1
Δ
R1 R2
RF
Δ
ui2
R RP1
∞ ∞
uo + + + － uo1 Rp2
uo u u
。 它体 现了集 成运放 的电压 放大能 力， 一
般 在 1 0 4 ～ 1 07 之 间 。 A do 越 大 ， 电 路 越 稳 定 ， 运 算 精 度 也 越 高 。 （ 2 ） 共 模 开 环 电 压 放 大 倍 数 A co 。 指 集 成 运 放 本 身 的 共 模 电 压 放 大 倍 数 ， 它 反 映 集 成 运 放 抗 温 漂 、 抗 共 模 干 扰 的 能 力 ， 优 质 的 集 成 运 放 A co 应 接 近 于 零 。 （ 3） 共 模 抑 制 比 KCM R。 用 来 综 合 衡 量 集 成 运 放 的 放 大 能 力 和 抗 温 漂 、 抗 共 模 干 扰 的 能 力 ， 一 般 应 大 于 8 0 d B。 （ 4 ） 差 模 输 入 电 阻 ri d 。 指 差 模 信 号 作 用 下 集 成 运 放 的 输 入 电 阻 。 （ 5 ） 输 入 失 调 电 压 U io 。 指 为 使 输 出 电 压 为 零 ， 在 输 入 级 所 加 的 补 偿 电 压 值。它反映差动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好，一般为毫伏级。 （ 6 ） 失 调 电 压 温 度 系 数 Δ U io ／ Δ T 。 是 指 温 度 变 化 Δ T 时 所 产 生 的 失 调 电 压 变 化 Δ U i o 的 大 小 ， 它 直 接 影 响 集 成 运 放 的 精 确 度 ， 一 般 为 几 十 μ V／ ℃ 。 （ 7） 转 换 速 率 SR。 衡 量 集 成 运 放 对 高 速 变 化 信 号 的 适 应 能 力 ， 一 般 为 几 V ／ μ s， 若 输 入 信 号 变 化 速 率 大 于 此 值 ， 输 出 波 形 会 严 重 失 真 。