模拟电子技术 课程课件第4章集成运算放大电路
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第4章集成运算放大器ppt课件46页PPT
第四章 集成运算放大器
电路结构
模拟输入信号
模拟开关 控制信号
电压跟随器
采样存储 电容
用于数据采集、模数转换、数字电路、计算机控制等。
第四章 集成运算放大器
工作原理
采样脉冲 输出电压 输入电压
① 采样状态： uG为高电平， 场效应管导通，uI对 存储电容C充电， uO= uC = uI 。 ② 保持状态： uG为低电平，场效应管截止，输出 电压保持前面采样的值不变。
u uI3uI4uO R R3 R4 RF
第四章 集成运算放大器
由于 u–≈ u+= 0，且调节R5，使R+=R-
可得 如果
uORF(u R I11u RI22u RI33u RI44)
R 1 R 2 R 3 R 4 R F R
可以实现普通的加减运算
u O (u I 1u I) 2 (u I3 u I) 4
电压增益的模为
Au
1 RF R1
1 ( ω )2 ωH
Au0 1 ( ω )2
ωH
当ω 当ω
0时, Au Au0 1
ωH时,
Au
1 2
Au0
RF
R1 电路使频率小于H
的信号通过 ，抑制大于
当ω 时, Au 0
H的信号，称为有源低
通滤波器。
第四章 集成运算放大器
第四章 集成运算放大器
集成运放能组成各种运算放大器，当输入 电压变化时，输出电压将按一定的数学规律变 化，反映输入电压的某种运算结果。这时，集 成运放工作在线性区，利用外接反馈网络实现 各种数学运算。
第四章 集成运算放大器
一、反相比例运算放大器
电路组成 平衡电阻 R2 = R1 // RF
电子技术基础第四章 集成运算放大电路
输出电流加倍，使电压放大倍数增大。
共模输入时，
从 以上分析可知，共模信号基本不传递到下一 级，提高了整个电路的共模抑制比。 此外，输入级静态电流增加时，T8与T9管集电 极电流会相应增大，但因为IC10=IC9+IB3+IB4，且IC10 基本恒定，所以IC9的增大势必使IB3 、 IB4减、小，从 而导致输入级静态电流减小，最后使它们基本不变。 综上所述，输入级是一个输入电阻大、输入端耐 压高、对温漂和共模信号抑制能力强、有较大差模放 大倍数的双端输入、单端输出差分放大电路。
说明电流 几乎全部流向了负载。 有源负载使电压放大倍数大大提高。
二、有源负载差分放大电路
图 4.2.11
以上分析说明,用镜像电流源做有源负载, 不但可将T1管的电流变化转换为输出电流,而 且还将使所有的变化电流流向负载RL。 图中的晶体管也可用合适的场效应管代替。
4.3 集成电路运放电路简介
本质:高性能的直接耦合放大电路。品种繁多， 内部电路不同，但基本组成部分、结构 形式、组成原则基本一致。 4.3.1 双极型集成运放 一、F007电路分析
图4.2.3
在设计电路时，首先应确定电流IR和IC1的数值， 然后求出R和Re的数值。在4.2.3电路中,若VCC=15V, IR=1mA,UBE0=0.7V,UT=26mV,IC1=20μA;则可以求得 R=14.3kΩ,Re5.09kΩ。 所以，在微电流源中，能输出很小的电流（20 μA ）， 但电阻却不是很大（几~十几kΩ ）。
图 4.2.6
图4.2.7所示为多集电极 管多路电流源。S0、S1和S2 是各集电区的面积，则
图 4.2.7 图4.2.8所示为场效应管 多路电流源,S0~S3是各管导 电沟道的宽长比,则
模拟电子技术 第四章 集成运算放大电路
1 R2 R4 R2 // R4 1 1 R2 R4 uo (1 )uI R R R R uI RI R3 3 4 1 2
在电路中电阻的阻值不至太高的情况下，可同时获得较 高的电压放大倍数和较高的输入电阻。
28
2.同相比例运算电路
电路中引入了电压串联 负反馈。 根据“虚短”和“虚断” 的特点
6
三、集成运放的符号
(a) (b) 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 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‘+’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‚-‛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。
29
i1 R1i f i u
+
Rf
+
uo
说明
R1
Rf
特例：电压跟随器
当同相比例电路的比例系数为1时则有：
uo
ui R2
uo=ui
Rf
uo (1
Rf R1
)ui
uo
ui R2
ui R2
R1=∞
Rf=0
R1
uo
ui R2
uo
Rf=0 且R1=∞
30
有分压电阻的同相比例运算电路
但线性区范围很小。
uO
例如：F007 的 UoM = ± 14 V，Auo 2 × 105 ， 线性区内输入电压范围
实际特性
在电路中电阻的阻值不至太高的情况下，可同时获得较 高的电压放大倍数和较高的输入电阻。
28
2.同相比例运算电路
电路中引入了电压串联 负反馈。 根据“虚短”和“虚断” 的特点
6
三、集成运放的符号
(a) (b) 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 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‘+’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‚-‛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。
29
i1 R1i f i u
+
Rf
+
uo
说明
R1
Rf
特例：电压跟随器
当同相比例电路的比例系数为1时则有：
uo
ui R2
uo=ui
Rf
uo (1
Rf R1
)ui
uo
ui R2
ui R2
R1=∞
Rf=0
R1
uo
ui R2
uo
Rf=0 且R1=∞
30
有分压电阻的同相比例运算电路
但线性区范围很小。
uO
例如：F007 的 UoM = ± 14 V，Auo 2 × 105 ， 线性区内输入电压范围
实际特性
模拟电子电路模电课件清华大学华成英4集成运算放大电路
注意集成运算放大器的散热问题，采取适当的散热措施，避免过热导致性能下降或损坏。
在电路设计时考虑噪声干扰的影响，采取措施减小噪声干扰，如使用屏蔽、远离噪声源等。
在使用过程中注意避免突然的电压或电流冲击，以免造成集成运算放大器的损坏。
谢谢
THANKS
详细描述
共模抑制比是集成运算放大器性能的重要指标之一，它影响着电路的稳定性和性能。
总结词
在实际应用中，电路中的干扰和噪声通常是共模的，因此共模抑制比的大小直接影响到电路的性能和稳定性。在选择集成运算放大器时，需要根据实际需求来选择具有较大共模抑制比的型号。
详细描述
集成运算放大器的使用注意事项
了解集成运算放大器的规格书，确保其满足电路的性能要求。
良好的线性度
集成运放的内部电路设计使得它在放大信号时产生的噪声较低。
低噪声
集成运放的输入阻抗一般都在兆欧姆级别，使得它对信号源的影响较小。
高输入阻抗
按功能
可以分为通用型和专用型两类。通用型集成运放适用于多种场合，而专用型集成运放则是针对特定应用设计的，如仪表放大器、音频放大器等。
按性能指标
可以分为低噪声、高精度、高速型等不同类型。低噪声型集成运放主要用于信号放大，高精度型用于高精度的测量和运算，高速型则用于高速信号处理和传输。
电压-频率转换
电压-电流转换
集成运算放大器的性能指标
详细描述
开环电压增益的数值越大，意味着对微弱信号的放大能力越强，因此开环电压增益是衡量集成运算放大器性能的重要参数之一。
总结词
开环电压增益是衡量集成运算放大器放大能力的重要指标。
详细描述
开环电压增益是指在无反馈情况下，输入信号经过集成运算放大器放大后的输出电压与输入电压的比值。这个比值越大，说明放大器的放大能力越强。
模拟电子技术(第四版)课件：集成运算放大器
内部组成原理框图用图4.9表示,它由输入级、中间级、输出级 和偏置电路等四部分组成。
集成运算放大器 图4.9 集成运算放大器内部组成原理框图
集成运算放大器
1． 输入级是提高运算放大器质量的关键部分, 要求其输入 电阻高, 为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号, 输入级都 采用具有恒流源的差动放大电路, 也称差动输入级。
式中的“-”
Aud1
1 2
Aud
1 2
Rc
rbe
图4.8(b)的差模电压放大倍数的表达式为
Aud2
1 2
Aud
1 2
Rc
rbe
(4.14)
式中无“-”号表示输出电压与输入电压同相。
可以看出： 单端输入单端输出差动放大电路在输出端确定 的前提下， 可根据不同的输入端得到同相和反相的关系。
集成运算放大器
I RE
0.7 (U EE ) Re
U EE 0.7 Re
1 I EQ1 I EQ2 2 I Re
I EQ1 I EQ2 I EQ
I BQ1
I BQ2
I CQ1
集成运算放大器 U CE1 U CE2 U CC ICQ1Rc (0.7) U CC I CQ1Rc 0.7
也是相同的，因此其输出电压为0， 输出电压没有漂移， 其 过程表示如下：
IC1↑
UC1↓
T↑
UC1＝UC2
UO＝UC1－UC2＝ 0
IC2↑
UC2↓
可以看出，差动放大电路是利用电路的对称性来抑制零点
漂移的。差动放大电路两边对称性愈好，对零点漂移的抑制作
用就愈强。
集成运算放大器
差动放大电路不仅可以抑制由于外界因素变化所引起的 输出电压的变化，而且还可以抑制两输入端输入的大小相等、 方向相同的信号对输出端的影响， 这样的信号可以表示为
集成运算放大器 图4.9 集成运算放大器内部组成原理框图
集成运算放大器
1． 输入级是提高运算放大器质量的关键部分, 要求其输入 电阻高, 为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号, 输入级都 采用具有恒流源的差动放大电路, 也称差动输入级。
式中的“-”
Aud1
1 2
Aud
1 2
Rc
rbe
图4.8(b)的差模电压放大倍数的表达式为
Aud2
1 2
Aud
1 2
Rc
rbe
(4.14)
式中无“-”号表示输出电压与输入电压同相。
可以看出： 单端输入单端输出差动放大电路在输出端确定 的前提下， 可根据不同的输入端得到同相和反相的关系。
集成运算放大器
I RE
0.7 (U EE ) Re
U EE 0.7 Re
1 I EQ1 I EQ2 2 I Re
I EQ1 I EQ2 I EQ
I BQ1
I BQ2
I CQ1
集成运算放大器 U CE1 U CE2 U CC ICQ1Rc (0.7) U CC I CQ1Rc 0.7
也是相同的，因此其输出电压为0， 输出电压没有漂移， 其 过程表示如下：
IC1↑
UC1↓
T↑
UC1＝UC2
UO＝UC1－UC2＝ 0
IC2↑
UC2↓
可以看出，差动放大电路是利用电路的对称性来抑制零点
漂移的。差动放大电路两边对称性愈好，对零点漂移的抑制作
用就愈强。
集成运算放大器
差动放大电路不仅可以抑制由于外界因素变化所引起的 输出电压的变化，而且还可以抑制两输入端输入的大小相等、 方向相同的信号对输出端的影响， 这样的信号可以表示为
模拟电子技术—集成运算放大器应用知识与技术教育培训课件PP49页
同时Rid ∞， 可认为其输入电流I+ = I- =0 即流入每个输入端的电流趋于零 称 虚断
2. 理想运算放大器在线性区 和非线性区时的分析特点:
在线性区：V+ = V_
I=0
在非线性区：如电压比较器，只有在输出状态 转换过程中运放才工作在放大区 V+= V- 才适用
ξ1.2 集成运放的基本应用电路
模拟电子
集成运算放大器应用知识与技术
教育培训课件
集成运算放大器应用
ξ1.1 理想集成运算放大器 ξ1.2 集成运放的基本应用电路 ξ1.3 集成运放在信号模拟运算的应用 ξ1.4 集成运放在有源滤波电路中的应用 ξ1.5 集成运算放大器在信号变换中的应用 ξ1.6 集成运算放大器在电压比较
电路中的应用 例题
条件: W1>W2
2. 文氏桥带通滤波器
ξ1.4 集成运放在有源滤波电路中的应用
四. 二阶有源滤波器 1. 二阶低通
2. 二阶高通
ξ1.5 集成运算放大器在信号变换中的应用
线性变换 —— 是电压源与电流源之间的变换
非线性变换—— 完成整流，限幅等
一. 线性变换电路中的应用 1. V/V变换器
把低电压 高电压，或高电压 低电压 如同前面讲的反相放大器和同相放大器 2. V/I变换器 有些控制系统中，负载要求电流源驱动
而实际的信号可能是电压源信号 则要用V/I变换器
ξ1.5 集成运算放大器在信号变换中的应用
如图 则有
如图 若R1R3=R2R4 则有
ξ1.5 集成运算放大器在信号变换中的应用
3. I/V变换器 （a）光电流电压
Vo = 2IDR
ξ1.5 集成运算放大器在信号变换中的应用
模拟电子技术基础课件第4章多级放大电路和集成运算放大电路
将放大电路的前级输 出端通过电容接到后级 输入端。 特点： 1）各级静态工作点相 互独立,静态分析、设计 和调试方便； 2)交流信号在传输过程中损失小；
2. 阻容耦合
3）耦合电容的隔直 作用使电路的温漂很小； 4）低频特性差，不 能放大变化缓慢的信号；
5）大电容的存在，阻容耦合放大电路不便于集成。
4.2 差动放大电路
4.2.1 电路组成及抑制零漂原理
1. 电路的组成 特性相同的管子， 组成两半结构完全 对称的电路。
信号从两管基极输入，从两管集电极输出。
2. 抑制零点漂移的原理 因为两个管子的特 性相同，当外界条件 变化时，两管的集电 极电位始终相等，使 输出端电压为0，如此 抑制了零点漂移。
1. 静态工作点的分析 阻容耦合电路各级静态工作点相互独立,计算方法 同单管放大电路。 直接耦合电路各级静态工作点相互影响,需列方程 组求解，常以特殊电位点做为突破口,简化求解过程。
例4-1 求图示电路的静态工作点。已知：1、 2、UBEQ、UZ。
I1 I2 VCC U BEQ1 RB U BEQ1 R1
本章重点与难点
难点:
1. 组成多级放大电路的各级电路的输入电阻和 输出电阻及其对多级放大电路动态参数的影响。
2. 单端输出差分放大电路静态和动态的分析。
4.1 多级放大电路的耦合方式及分析
多个基本放大电路连接构成了“多级放大电路”， 每一个基本放大电路叫一“级”，级与级之间的连 接方式叫“耦合方式”。 常见耦合方式有四种: 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合
静态工作点稳定电路 +VCC RB1 RC C1+ +
Ui
+C2
VT
+
2. 阻容耦合
3）耦合电容的隔直 作用使电路的温漂很小； 4）低频特性差，不 能放大变化缓慢的信号；
5）大电容的存在，阻容耦合放大电路不便于集成。
4.2 差动放大电路
4.2.1 电路组成及抑制零漂原理
1. 电路的组成 特性相同的管子， 组成两半结构完全 对称的电路。
信号从两管基极输入，从两管集电极输出。
2. 抑制零点漂移的原理 因为两个管子的特 性相同，当外界条件 变化时，两管的集电 极电位始终相等，使 输出端电压为0，如此 抑制了零点漂移。
1. 静态工作点的分析 阻容耦合电路各级静态工作点相互独立,计算方法 同单管放大电路。 直接耦合电路各级静态工作点相互影响,需列方程 组求解，常以特殊电位点做为突破口,简化求解过程。
例4-1 求图示电路的静态工作点。已知：1、 2、UBEQ、UZ。
I1 I2 VCC U BEQ1 RB U BEQ1 R1
本章重点与难点
难点:
1. 组成多级放大电路的各级电路的输入电阻和 输出电阻及其对多级放大电路动态参数的影响。
2. 单端输出差分放大电路静态和动态的分析。
4.1 多级放大电路的耦合方式及分析
多个基本放大电路连接构成了“多级放大电路”， 每一个基本放大电路叫一“级”，级与级之间的连 接方式叫“耦合方式”。 常见耦合方式有四种: 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合
静态工作点稳定电路 +VCC RB1 RC C1+ +
Ui
+C2
VT
+
第四章集成运算放大电路
( R L // rce 2 // rce 4 )
rbe
若RL<<(rce1∥rce2)， 则
Au
RL
rbe
返回
4.3 集成运放电路简介
图4.3.1 F007电路原理图
图4.3.2 F007电路中的放大电路部分
1. 输入级 在输入级中，T1 、T3 和T2 、T4 组成共集-共基差分放大电 路， T5~T7和电阻R1~R3构成改进型电流源电路，作为差放的有
号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作
速度的参数，单位为V/μs。在实际工作中，输入信号的变化律
一定不要大于集成运放的SR。信号幅值越大、频率越高，要求 集成运放的SR就越大。
理想运算放大器
理想运放的技术指标
在分析集成运放的各种应用电路时，常常将集成运放看成 是理想运算放大器。所谓理想运放, 就是将集成运放的各项技术
图4.2.2 比例电流源
图4.2.3 微电流源
二、 改进型的镜像电流源(获得稳定输出的电流）
1. 加射极输出器的电流源
2. 威尔逊电流源
三、 多路电流源电路
IR IE0 I C1 I E1 IC 2 IE2 IC3 IE3 Re0 R e1 Re0 Re2 Re0 Re3 IR
IR I c1 V CC U R
BE
2
IR IR
2. 比例电流源
IR V cc U
BE 0
3. 微电流源
Re0 R e1 IR
I C1 I E1 U BE 0 U BE 1 Re
IC1 UT Re 1n IR IC1
R Re0
, I c1
模拟电子技术基础第4章
图4.2.2 同相输入放大电路
放大电路的输入电阻Ri→∞ 放大电路的输出电阻Ro=0 图4.2.3 电压跟随器
4.2.3 差动输入(Differential input)放大电路
图 4.2.5 所示为差动输入放大电路，它的两个输入端都有 信号输入。 ui1通过R1接至运放的反相输入端，ui2通过R2、R3分压后接 至同相输入端，而uo通过Rf、R1反馈到反相输入端。
三、开方运算
平方根运算电路如图4.3.5 所示，与图4.3.2所示的除法电路比 较可知，它是上述除法电路的一个特例，如将除法电路中乘法 器的两个输入端都接到运放的输出端，就组成了平方根运算电 路。
图4.3.5 平方根运算电路
4.4
有源滤波器
滤波器的功能及其分类
4.4.1
滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过， 而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路。 只用无源器件R、L、C 组成的滤波器称为无源滤波器,采用 有源器件和R、C元件组成的滤波器称为有源滤波器。 同无源滤波器相比，有源滤波器具有一定的信号放大和带 负载能力可很方便的改变其特性参数等优点； 此外，因其不使用电感和大电容元件，故体积小，重量轻。 但是由于集成运放的带宽有限，因此有源滤波器的工作频率较 低，一般在几千赫兹以下，而在频率较高的场所，采用LC无源 滤波器或固态滤波器效果较好。
通常用分贝数dB表示，则为
一般情况希望Aod越大越好， Aod越大，构成的电路性能 越稳定，运算精度越高。 Aod一般可达100dB,最高可达140dB 以上。 2、输入失调电压UIO及其温漂 dUIO/dT 如果集成运放差动输入级非常对称，当输入电压为零时，
输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入
模电课件-第四章集成运放
与uo反相
反相 输入端
u–
同u相+
输入端
T1
T2
IS
+UCC
T4
uo
T3
T5
与uo同相
输入级
UEE
中间级 输出级
对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMR , 输入阻抗 ri 尽可能大。
反相 输入端
u–
同u相+
输入端
T1
T2
IS 输入级
+UCC
T4
uo
T3
T5
UEE
中间级 输出级
对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
IE
U BE
ISe UT
U BE
UT ln
IE IS
U BE0
U BE1
UT
ln
I E0 I E1
当β>>2 时， IC0≈IE0≈IR , IC1≈IE1，代入(a)式得：
I C1
Re0 Re1
IR
UT Re1
ln
IR I C1
IC在 对1一数定项范可RR围忽ee10内略I R
三、微电流源
在入端加直流偏置电压，以设置合适Q点。
4. 消除自激振荡 一般应在运放的电源端加去耦电容。有的
除此之外还需加频率补偿电容。
二、保护措施
防 uId 过大
防 uIc 过大
输入保护措施
输出保护电路
电源端保护
最大输入电压 (uP－uN) 的数值仅为几十～一百多μV，当其大
于此值时，集成运放的输出不是＋ UOM , 就是－UOM 。
总而言之：
从外部看，集成运放是一个双端输入、单端 输出、高差模放大倍数、高输入电阻、低输 出电阻、很好抑制温漂的差动放大电路；
电子教案-《模拟电子技术》(王连英)电子教案、习题解答-第04章080729 电子课件
第4章集成运算放大器本章基本内容、教学要点及能力培养目标本章简要地介绍了集成运算放大电路的组成、基本特性、主要参数及多级直接耦合放大电路的基本单元电路－－差分放大电路。
通过本章的学习，要求能掌握差分放大电路的基本构成，能分析常用的几种基本差分放大单元电路；能讲述集成运算放大器的结构、组成，能分析集成运算放大器的基本特性和主要参数。
本章要讨论的问题●差分放大电路与其它基本放大电路有什么区别？为什么它能抑制零点漂移？●差分放大电路的基本构成及几种常用的基本单元电路？●集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？●集成运放的电压传输特性有什么特点？为什么？●集成运放有哪些主要技术指标？如何评价集成运放的性能？4.1 差分放大电路重点内容1、差分放大电路的组成及基本单元电路；2、差模信号、共模信号；3、带恒流源的改进型差分放大电路。
难点内容差分放大电路的分析、计算。
例题详解【案例分析4.1.1】在图4.1.1所示电路中，已知三极管β1＝β2＝50，r be≈2kΩ，R e＝2kΩ，R c＝10kΩ，R L＝20kΩ。
试求：该电路的差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数。
分析、求解：本案例分析试图通过具体电路的分析计算，来说明差分放大电路差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数的求取。
由于整个差分放大电路双端输出时的差模放大倍图4.1.1基本差分放大电路数A vd 等于单管放大电路的电压放大倍数，故可通过单管，对称的一半电路（简称半边电路）的微变等效电路求出A vd 。
在差模输入时，两管集电极电流变化量大小相等、方向相反，负载R L 的中点电位是不随信号变化的零电位，即中点可等效看作交流地，于是有差模信号的交流通路，如图4.1.2（a ）所示。
因为半边电路的负载为R L /2，于是有半边电路的差模交流小信号微变等效电路如图4.1.2（b ）所示。
从图4.1.2（a ）中可以看出，从电路的两个输入端看进去的等效电阻，即电路的差模输入电阻R id 为R id ＝2r be此处， R id ≈2×2k Ω＝4k Ω从电路的两个输出端看进去的等效电阻，即电路的差模输出电阻R od 为R od ＝2R c此处， R od ＝2×10k Ω＝20k Ω从图4.1.2（b ）中可以看出双端输出时的差模电压放大倍数A vd 为be Lc Id1Od1vd1vd 2//ΔΔr R R βv v A A -=== 此处， 2210//1050vd ⨯-=A ＝－125【案例分析4.1.2】在图4.1.1所示电路中，若电路参数同案例分析4.1.1，且输入信号v I1＝5.25V ，v I2＝5V ，试求：该电路的差模输入信号，共模输入信号；双端输出和单端输出时的共模电压增益，共模输入电阻和共模输出电阻。
模电集成运算放大器课件
增益，确保电路稳定性和滤波效果。
应用场景
03
音频信号处理、通信系统等。
CHAPTER 05
集成运算放大器非线性应用及信号 处理功能扩展
电压比较器原理及应用举例
电压比较器原理
利用集成运算放大器的开环放大特性，实现输入信号与参考电压的比较，输出 高低电平表示比较结果。
应用举例
过零比较器、滞回比较器等，用于检测输入信号是否超过阈值、实现信号整形 等。
现状
目前，集成运算放大器已经形成了多 种系列和规格，适应了不同领域的需 求。随着科技的进步，其性能和质量 也在不断提高。
应用领域与前景展望
应用领域
广泛应用于通信、仪器仪表、自动控制、医疗电子、消费电 子等领域。例如，在通信系统中用于放大信号、滤除噪声； 在仪器仪表中用于信号调理、数据采集；在自动控制系统中 用于信号比较、调节等。
设计要点
选择合适的电阻和电容值，确 定积分或微分时间常数，确保 电路稳定性和精度。
应用场景
信号处理、控制系统等。
有源滤波器设计
设计思路
01
利用运算放大器和电阻、电容等元件组成滤波器电路，对输入
信号进行滤波处理，输出特定频率范围的信号。
设计要点
02
选择合适的滤波器类型和元件参数，确定滤波器的截止频率和
模电集成运算放大器课 件
CONTENTS 目录
• 集成运算放大器概述 • 集成运算放大器基本原理 • 集成运算放大器电路分析方法 • 集成运算放大器典型应用电路设计实
例
CONTENTS 目录
• 集成运算放大器非线性应用及信号处 理功能扩展
• 集成运算放大器选型、使用注意事项 及故障排查方法
CHAPTER 01
第四章差动与集成运算放大电路
其中R′L=Rc∥(1/2RL)。这里R′L≠Rc∥RL，其原因是由于两 管对称，集电极电位的变化等值反相， 而与两集电极相连的
RL的中点电位不变，这点相当于交流地电位。因而对每个单管 来说， 负载电阻（输出端对地间的电阻）应是RL的一半，即
RL/2，而不是RL。
差动放大器对共模信号无放大，对差模信号有放大，这意 味着差动放大器是针对两输入端的输入信号之差来进行放大的，
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
如图4.1.1（b）所示。不过，若采用图4.1.1（b）所示电路， 后级的集电极电位逐级高于前级的集电极电位，经过几级耦合 之后， 末级的集电极电位便会接近电源电压，这实际上也是限 制了放大器的级数。
所谓零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号不为零， 而是一个随时间漂移不定的信号。零点漂移简称为零漂。产生 零漂的原因有很多，如温度变化、电源电压波动、晶体管参数 变化等。其中温度变化是主要的，因此零漂也称为温漂。 在阻 容耦合放大器中，由于电容有隔直作用，因而零漂不会造成严 重影响。但是，在直接耦合放大器中，由于前级的零漂会被后 级放大，因而将会严重干扰正常信号的放大和传输。比如，图 4.1.1所示直接耦合电路中，输入信号为零时（即ΔUi=0），输 出端应有固定不变的直流电压Uo = UCE2。
所示。
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
由图4.1.4（a）可以看出，当差动放大器输入共模信号时， 由于电路对称，其输出端的电位Uc1和Uc2的变化也是大小相等、 极性相同，因而输出电压Uoc保持为零。可见，在理想情况下 （电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出 电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零， 或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作 用。实际上，上述差动放大器对零漂的抑制作用就是它抑制共 模信号的结果。因为当温度升高时，两个晶体管的电流都要增 大，这相当于在两个输入端加上了大小相等、 极性相同的共模 信号。换句话说，产生零漂的因素可以等效为输入端的共模信 号。显然，Ac越小，对零漂的抑制作用越强。
电子应用技术：第四章集成运算放大电路
结束
(1-2)
第4章 集成运算放大电路
§4.1 集成运算放大电路概述
集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导
体基片上。
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小。
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路；
结束
(1-3)
第4章 集成运算放大电路
T0、T1和T2特性完全相同
0 1 2
IC1
IC0
IR
IB2
IR
IE2
1
I
R
2 I B1
1
I
对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足 够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。
集成运放的结构
（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二 级一般采用差动放大器。
（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。
Re0 0
IC1
Re 0 Re1
IR
UT Re1
ln
IR IE1
UT ln IR Re IC1
IR = VCC UBE0 R
UBE1 = UBE0 IB1 = IB0 IB 图4.2.3 微电流源
结束
(1-17)
第4章 集成运算放大电路
4.2.2 改进型电流源电路
一.加射极输出器的电流源
第4级：互补对称射极跟随器
-VEE
结束
(1-8)
第4章 集成运算放大电路
4.1.3集成运放的电压传输特性
(1-2)
第4章 集成运算放大电路
§4.1 集成运算放大电路概述
集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导
体基片上。
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小。
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路；
结束
(1-3)
第4章 集成运算放大电路
T0、T1和T2特性完全相同
0 1 2
IC1
IC0
IR
IB2
IR
IE2
1
I
R
2 I B1
1
I
对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足 够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。
集成运放的结构
（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二 级一般采用差动放大器。
（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。
Re0 0
IC1
Re 0 Re1
IR
UT Re1
ln
IR IE1
UT ln IR Re IC1
IR = VCC UBE0 R
UBE1 = UBE0 IB1 = IB0 IB 图4.2.3 微电流源
结束
(1-17)
第4章 集成运算放大电路
4.2.2 改进型电流源电路
一.加射极输出器的电流源
第4级：互补对称射极跟随器
-VEE
结束
(1-8)
第4章 集成运算放大电路
4.1.3集成运放的电压传输特性
模拟电路集成运算放大电路(m).ppt
T 17
R6
R 7
Rp
T15 T18
T21
T24
+VCC
7
T 14
R9 +V O
R10 6
T20
T23
4
-V EE
输入级 偏置电路 中间级 输出级
分析：
1. 偏置电路：
T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：
I REF
VCC
(VEE ) UBE12 R5
U BE11
其他偏置电流都与基准电流有关。
+∞
A －
+
uo 输出端
V
国际符号：
u- － u－+ ＋
集成运放的特点：
•电压增益高
uo •输入电阻大
•输出电阻小
三. 集成电路特点
（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的， 邻近的器件具有良好的对称性， 而且受环境温度和干扰的 影响后的变化也相同， 因而特别有利于实现需要对称结构 的电路。
（2）一般采用直接耦合方式
（3）常采用具有补偿特性的差动放大电路，抑制温漂
（4）三极管（或场效应管）代替电容、电阻和二极管。
集成工艺制造的电阻、 电容数值范围有一定的限制。集成电路中 的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的， 因而很难制造大的电阻， 其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间; 集成电路中的电容是用 PN结的结电容作的。
4.低功耗型
要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在 几伏以下。 典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。
5. 大功率型
大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流 几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典 型 产 品 有 LH0021 、 MCEL165 、 HA2645 、 LM143 、 ICH8515等。
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11
第四章
三、微电流源
R为限流电阻， Re2
用来控制Io的大小。
IR
U CC U BE1 R
U CC R
当参考电流IR和所需 的输出电流Io确定后， 可求出Re2及限流电 阻R的值。
12
第四章
4.2.2 改进型电流源电路
I o I C3
2 I R (1 2 ) 2 2
2
第四章
4.1.2 集成运放的组成及其各部分的作用
+ uid
输入级
中间级 偏置电路
输出级
uo
输入级：输入电阻高、静态电流小、共模抑制比高，常 采用差动放大电路。 中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。 输出级：线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、 非线性失真小等。常用互补共集放大电路构成。 偏置电路：为各级设置合适的静态工作点，镜像电流源， 微电流源。 3
为什么要考虑 h22?
Au
1 (rce1 ∥ rce2 ∥ RL )
Rb rbe1
15
第四章 二、有源负载差分放大电路 电路的输入、输出方式？ 如何设置静态电流的？ 静态时iO约为多少？
动态：iC1 iC2 iC4 iC3 iC1 iO iC4 iC2 2iC1
当(β2+2β+2)>>2时
I o I C3 I R
U CC U BE3 U BE2 R
13
第四章
4.2.3 多路电流源
根据所需静态电流，来选取发 射极电阻的数值。
根据所需静态电流，来确 定集电结面积。 根据所需静态电流， 来确定沟道尺寸。
14
第四章
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 一、有源负载共射放大电路 哪只管子为放大管？ 其集电结静态电流约为多少？ 静态时UIQ为多少？
第四章
4.1.3
集成运放的电压传输特性
一、 集成运放的符号 uN uP
+
＋
uo
uN uP
-
＋
国际符号
uo
国内符号
uN — 反相输入端
uP — 同相输入端
4
第四章
二、集成运放的电压传输特性 4.1.3 集成运放的电压传输特性
集成运放的输出电压和输入电压之间的关系曲线。 uo ＝ f (uN - uP) = f ( uI)
∞ ∞
17
电 流 源 概 述
一、电流源电路的特点：输出电流恒定，它具 有很高的输出电阻。直流电阻小，交流电阻大。
二、电流源电路的用途：
1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置 电流，以获得极其稳定的Q点。 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增 大动态范围。
9
第四章
4.2.1 基本电流源电路
一、 镜像电流源
使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端 输出时的差模放大倍数。
16
第四章
4.4 集成运放的主要性能指标
理想值 ∞ ∞ ∞ 0 0 0 0
Байду номын сангаас
指标参数 F007典型值 开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2MΩ 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 最大差模输入电压 UIdmax ±30V -3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS
第四章
4.1 集成运算放大电路概述
4.1.1 集成运放的电路结构特点
一、级间为直接耦合，因硅片上不能制作大电容 二、大量采用差分放大电路，如输入级和恒流源 三、常采用晶体管和场效应管复合的形式,取长 补短 四、常用有源器件代替电阻 五、集成运放的体积越来越小，功能却越来越强。 因为增加元器件制作电路复杂的集成运放，其制 造工序并未变复杂
如改变uI 的极性，可得 另一条图中虚线所示的 曲线，它与实线完全对 称。 集成运放有线性区（放大区）和非线性区（饱和区）两部分
5
uo
uI
第四章
三、 集成运放的主要参数
ri 大: 几十k 几百 k
理想运放：
ro 小：几十 几百
A
od
ri ro 0
Aod
很大: 104 107
当β>>2， U CC U BE2 时，
I o I C2 U CC IR R
10
镜像电流源具有一定的温度补偿作用
第四章
二、比例电流源 当≥2 时，
IC1≈IE1≈ IR，IC2 ≈IE2
从而，
I o I C2 U T IR IR ln Re2 Re2 I o Re1
KCM R ： 很大
KCMR
6
第四章
四、集成运放的封装和引脚排列
封装形式: 金属圆形、双列直插式、扁平式 封装材料: 陶瓷、金属、塑料
例: 塑封双列直插式(DIP)CF741 DIP—Dual In-Line Pakage
7
运 算 放 大 器 外 形 图
8
第四章
4.2 集成电路运算放大器中的电流源