第二章_集成运算放大器

RF。根据集成运算电路i1 的 “if 虚断”和“虚短”可得： u u 0
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由图2-7可得：
i1
ui
u R1
ui R1
if
u uo RF
uo RF
由此得出：uo
RF R1
ui
该电路的闭环电压放大倍
数为：
Auf
uo ui
RF R1
图2-7 反相比例运算电路
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电阻。如采用恒流源代替Rc,一般的中间放大级的电压增益
可达到60dB以上。
第三部分为输出级。其主要任务是输出足够大的电流， 能提高带负载能力。所以该级应具有很低的输出电阻和很高 的输入电阻，一般采用射极输出器的方式。
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2.2 外形与符号 集成运放的外形有圆形、扁平形和双列直插式三种，如
开环是指运放未加反馈回路时的状态，开环状态下的差
模电压增益叫开环差模电压增益Aud。Aud＝uod/uid。用分贝表 示 则 是 2 0 lg｜Aud｜(dB)。 高 增 益 的 运 算 放 大 器 的 Aud 可 达 140dB以上，即一千万倍以上。理想运放的Ａud为无穷大。
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4. 差模输入电阻rid
数为1，这时就成了电压跟随器，如图2-9所示。其输入电阻 为无穷大，对信号源几乎无任何影响。输出电阻为零，为一 理想恒压源，所以带负载能力特别强。它比射极输出器的跟 随效果好得多，可以作为各种电路的输入级、中间级和缓冲 级等。
该电路的反馈类型为串联电压负反馈。
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同相输入比例运算放大电路主要工作特点：
uo Au 0
0
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即
u u
由于集成开环放大倍数为无穷大，与其放大时的输出电
压相比，同、反相的输入电压差值可以忽略不计，同、反相
输入电压几乎相等，我们称这种现象为“虚短”。
“虚断”和“虚短”在集成运算放大电路分析中很有用 的概念。
运算放大器工作在饱和区时,输出电压不能用uo=Au0(u+u-)计算，输出电压只有两种可能，即+Uo(set)或-Uo (sat)。 当u+>u-时，uo=+Uo (sat)；当u+<u-时，uo=-Uo (sat)。
在分析运算放大器时，常将它看着一个理想运算放大器。
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理想运算放大器的条件是：
开环电压放大倍数
Au0→∞； 差模输入电阻rid→∞； 开环输出电阻ro→0； 共模抑制比KCMR→∞。
图2-5 理想运算放大器的图形符号
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由于实际的运算放大电路的技术指标接近理想运算放大 器，因此，在分析实际运算放大器时，常将它看成是理想的。
是指运放在输入差模信号时的输入电阻。对信号源来说，
差模输入电阻rid的值越大，对其影响越小。理想运放的rid
为无穷大。
5. 开环输出电阻ro
运放在开环状态且负载开路时的输出电阻。其数值越小，
带负载的能力越强。理想运放的ro = 0。
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6. 共模抑制比KCMR
KCMR
Aud Auc
，它是运放的差模电压增益与共模电压增益
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主讲：韩兆敏老师
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§2－1 集成运算放大器及其应用
2.1 基本结构组成及特点 集成电路的英文缩写为IC。它是利用先进的工艺技术，将各 种电子元器件构成的功能电路，制造在一块很小的半导体芯 片上而形成的微型电子器件。该技术诞生于二十世纪六十年 代初，是电子技术的重要突破。分为线性(模拟）集成电路 和数字集成电路两大类。线性集成电路主要有集成运算放大 器、集成功率放大器和集成稳压器等。
上式表明，电路的电压放大倍数只与外围电阻有关，而 与运放电路本身无关，这就保证了放大电路放大倍数的精确
和稳定。当RF无穷大(开环)时，放大倍数也为无穷大。式中
的“－”号表示输出电压的相位与输入电压的相位相反。
图中的R2为平衡电阻，R2=R1//RF，其作用是消除静态电
流对输出电压的影响。 该电路的反馈类型为并联电压负反馈。
图2-2所示。(a)图为圆形，(b)图为扁平形，(c)图为双列直 插式。目前常用的双列直插式型号有μA741(8端)、LM324(14 端)等,采用陶瓷或塑料封装。
图2-2 集成运放外形
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常用集成运算放大器µA741与LM324的外引线端子排列图 如图2-3所示。其端子排列为:从正面看，带半圆形或其它形 的标识端向左,则左下角的端子为1号端子,然后逆时针依次 排号,左上角的端子为最后一个,连接电路时注意不能接错。
运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：
（1）由于运算放大器的差模输入电阻rid→∞,故可认为
两个输入端的输入电流为零。即
i i 0
这种由于集成电路内部输入电阻无穷大而使输入电流几 乎为零的现象称之为“虚断”。
（2）由于运算放大器的开环电压放大倍数Au0→∞，而输
出电压是一有限数值，故：
u
u
i i 0
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二.基本运算电路 1.比例运算电路
（1）反相比例运算电路 当输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号 相位相反，这样比例运算电路就构成了反相比例运算电路。 如图3-19，同相输入端通过电阻R2接地，输入信号ui通 过R1送到反相输入端，输出端与反相输入端间跨接反馈电阻
图2-3 µA741与LM 324 的外引线排列图
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集成运放的符号如图2-4所示,有用方框式的(a),也有用 三角形的(b),本书以方框形为例。集成运放有两个输入端， “-”端叫反相输入端，“+”端叫同相输入端，输出端的电 压与反相输入端反相，与同相输入端同相。图中的运放工作 在线性状态时，输出电压与输入电压的关系为：
UIO IIO IIB rid Ci UIOR Aud ro IOS IS PC tτ K（V）
SR
测试条件 R S≤10KΩ
RL≥2 KΩ，U0≥±10V
Ui=20mv；RL=2 KΩ， CL≤100PF RL≥2 KΩ
最小 0.3 50000
典型 1.0 20 80 2.0 1.4 ±15
200000 75 25 1.7 50 0.3
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例2-1．在图2-7中， R1=10kΩ，RF=50kΩ，求Auf和R2； 若输入电压ui=1.5V，则uo为多大？
解：将数据代入上面的闭环电压放大倍数公式得：
AufRF R1Fra bibliotek50 10
5
uo Auf ui 51.5 7.5V
R2
R1 // RF
R1RF R1 RF
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反相输入比例运算放大电路主要工作特点：
1）它是深度电压并联负反馈电路，它的输入电阻不高，输出 电阻很低。
2）输出电压与输入电压的幅值成正比，而相位相反。
3）调节Rf、R1比值即可调节放大倍数Auf，比值｜Auf｜与集成 运放内部各基参数无关，其值可大于1也可小于1.若Rf＝R1， 则Af=-1，此电路便构成反相器。 4）u-≈u+≈0，即有“虚地”的特点，所以运放共模输入信号 uic≈0，对集成运放KCMR的要求较低，这也是所有反相运算电 路的特点。
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当它工作在线性区时，uo和(u+-u-)是线性关系，即 uo=Au0(u+-u-)
这时运算放大器是一个线性元件。由于它的放大倍数很 高，即使输入电压为毫伏级，也足以使电路饱和，其饱和电
压值为+Uo(sat)或-Uo (sat)，接近电源电压。
图2-6 运算放大器的传输特性
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1050 10 50
500 60
8.3k
当R1=RF时，Auf=1，电路为反相器。
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（2） 同相比例运算电路
如果输入信号从同相输入端引入，运放电路就成了同相 比例运算放大电路。如图2-8所示。根据理想运算放大器的 特性：u u ui i1 i f 得：
i1
u R1
ui R1
ｕo=Auo(ｕi2-ｕi1)。
图2-4 集成运放符号
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2.3 集成运算放大器的主要参数 在实用中，正确合理地选择使用集成运算放大器是非常
重要的。因此必须要熟悉它的特性和参数，这里只对集成运 放的主要常用参数作简单介绍。
1. 最大差模输入电压Ｕidmax
该参数表示运放两个输入端之间所能承受的最大差模电 压值，输入电压超过该值时，差动放大电路的对管中某侧的 三极管发射结会出现反向击穿，损坏运放电路。运放μA741 的最大差模输入电压为30V。
5.0% 0.5
最大 5.0 200 500
2.8 85
单位 mV nA nA MΩ PF mV V/V Ω mA mA mW μS
V/μs
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§2－2 基本运算电路 基本运算放大电路主要有：比例运算、加法减法运算、
乘除运算、积分运算、微分运算及对数反对数运算电路等， 这里只介绍比例运算电路、加减运算电路和积分微分电路。 在介绍集成运算电路的基本应用之前，先介绍一下理想运算 放大器的有关知识。 一. 理想运算放大器
集成运算放大器
集成运算放大器简称为运放，是发展最早、应用最广泛 的一种线性集成电路,它是直接耦合的高倍放大器,它具有高 的电压增益，高的输入电阻和低的输出电阻，内部电路采用 直接耦合的方式，能放大直流电压和较高频率范围的交流电 压。早期的应用主要是模拟数值运算，故称运算放大器。集 成运放种类较多，内部电路各有特点，但总体结构大致相同。 如图2-1是运放的电路组成框图。框图共分三部分：
同相输入端 反相输入端
差动 输入级
电压放大级
输出级