第2章.集成运算放大器1

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比例运算电路 作用：将信号按比例放大。 类型：同相比例放大和反相比例放大。 方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。
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2.3.1 同相运算放大器
1.基本电路
输入是从同相端输入
vp
RP
vid
-
(+)
＋
－
Avo (v p vn )
工作在线性区有线性区的作用；工作在饱和区有饱
和区的作用；
线性区是指的输出是随着输入的变化而变化; 饱和区是指的输入信号达到一定值以后输出电 压饱和在某个值上； 这就是 传输特性曲线，传输特性曲线是指的
vo与vi之间的关系。
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电路模型中的输出电压 v0 不可能超越正负 电源电压值：
Vom V , Vom V ,
若干级电 压放大
带负载能力强， 电流放大
运算放大器方框图 1. 输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响， 提高整个电路共模抑制比。 2. 中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复 合管可提高电压增益。 3. 输出级：互补对称功放。 4. 偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路 组成。
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集成运算放大器的电路符号
运放既然是个器件，当然有符号，下面是运算放大器的 符号，里面画个三角，表示这是运算放大器； 有反向输入端、同相输入端、还有输出端，同相输入端 和输出端是相位相同，所以都写了一个加号（＋），反向输 入端和输出端相位相反，写了一个减号（－）， Avo表示他 的放大倍数； 有时候在一些工程类的书上，也看到右边的符号，一个 大的三角，输出vo,负的（ v－ ) 反向输入端，正的(v+ ) 同相输入端. v－ － Avo v
end
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这是一个运算放大器，他的输入和输出到底有什么样的关系？
vo
vi
vN vP
－
＋
vo
+VOM
vi -VOM
VOM vo max Ec

线性放大区
通过测试得到，他的输入和输出满足这么一个曲线的关系， 这个关系曲线叫做传输特性曲线，这个曲线分为两个区，横 坐标是vi ，纵坐标是vo 。
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成的比例运算电路。
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什么是比例运算电路？
比例运算电路是将信号按比例进行放大； 例如：输入信号是5V，按2倍的比例进行放大， 输出就是10V，这就是同相的比例放大； 如果是负2倍的放大，输出就是负10V，这就叫 做反相比例放大； 比例运算电路分为两类： 同相比例放大、反相比例放大。 比例运算电路需要引入负反馈，他主要引入的 是电压负反馈，引入的负反馈还是深度负反馈，如 果是深度负反馈和开环的放大倍数无关，只和反馈 系数有关。
vi
注意vi是什么？
vN vP
－
＋
vo
vi是同相输入端减去反向输入端，就是差模信号。 vi＝ vP － vN
N(negative)型 P(positive)型
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如果vi很小的化，由于放大倍数很大， vo和vi是什么关系？
线性关系，在这里把这个区域叫做线性区，当vi达到一定 值的时候，输出就饱和了，把这个区域叫做饱和区。
输出电阻
ro ≤100Ω （很小）
图2.1.3 运算放大器的电路模型
vO＝Avo(vP－vN) ，当（V－＜ vO ＜V＋）
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2. 运算放大器的电路模型
当Avo(vP－vN) ≥V＋ 时 vO＝ V＋ 当Avo(vP－vN) ≤ V-时 vO＝ V-
电压传输特性 vO＝ f (vP－vN)
线性范围内 vO＝Avo(vP－vN) Avo——斜率 非线性（饱和）范围内？
若：Avo (vP vN ) V
若：Avo (vP vN ) V
0
(vP vN ) mV
负饱和 b
Vom V
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例：若VOM=12V，Avo=106，则|vi|<12V时，运放处于线性 区,否则就处于饱和区。 解： v
v0 Avo (vP vN )
o
饱和区
vo
+VOM
vi -VOM

线性放大区
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饱和的电压是什么？ 饱和的电压就是电源电压; 为什么会饱和？ 因为电压大到一定值的时候，放大倍数很大，输出不会再 随着输入继续增加，就达到了正负饱和电压， +VOM和-VOM,在 这里称作正负饱和电压. vo
饱和区
vi
vN vP
+VOM
－
＋
vo
vi -VOM
输出端的电阻 r0 0 输出电压 vo Avo (vP vN )
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理想运放的条件
运放工作在线性区的特点
Avo
vo Avo (vP vN )
iP i N 0
虚开路
虚短路
r0 0
vNLeabharlann vpip－ri
vP v N
iN
＋
＋
vo
放大倍数与负载无关，可 以分开分析
• 二极管用三极管的发射结代。如由NPN型三极管短路其中 一个PN结构成。
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运算放大器外形图
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2.1 集成运放概述
集成电路 —— 把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上， 构成具有某种特定功能的电子电路。 1. 集成电路运算放大器的内部组成单元
图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图
特点：电路对称性，提 高整个电路的性能
还有微分和积分运算等
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如果运放用于信号运算，我们主要是 指的运放工作在线性区，利用虚拟短路 和虚拟断路的分析依据，这两条一定要 记住。 如何让他工作在线性区，加入负反馈， 他的应用范围一个就是信号运算，一个 还可以作为滤波器。
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1.输出电压 vo 的饱和极限等于运放的电源电压，即 和 Vom V Vom V 2.运放的开环电压增益很高，以至差分输入电压 (vP vN ) 的值尽管很小，仍可驱使运放进入饱和区。 即:若 (vP vN ) 0则 vo 将趋于正饱和极限
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解： （1）输入电压的最小幅值
vP vN vo Avo
当 v0 V0 m 12V 时，
vP vN 12V (2 105 ) 60V
（2）输入电流
ii (vP vN ) ri 60V 0.6 106 100nA
画传输特性曲线
a点（ 60V ,12V），b点（－60V ,－ 12V）
V
P
＋
V1
＋
vP
vN
N
－ － ＋
ri
－
r0
＋ －
Avo (vP vN )
电 源 ＋
v0
－
V2 V
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将上述近似理想的运放的性能参数理想化， 便可得到如图所示的理想运放的电路模型。
V
vP
iP 0
＋ ＋ A (v v ) vo P N －
V
v0
i 0 v NN －
它表示输入电阻是开路的，即 ri
b
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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 运放工作在线性区的特点
Ao
ri ro 0
vo Ao ( v v )
I i 0 虚开路
虚短路
v v
放大倍数与负载无关。分析多 个运放级联组合的线性电路时 可以分别对每个运放进行。
12 106 ( v P v N )
12 10 vi
6
+VOM
vi -VOM
vi 12 106

反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。
线性放大区
Avo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负
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例：电路如图所示，运放 的开环电压增益 Av 0 2 105 输入电阻 ri 0.6M ， 电源电压 V 12V V 12V

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旁边两个区叫饱和区，中间叫线性区. 正负饱和电压能达到什么值？ 输出的正负饱和电压最大等于电源电压，不会超过电源电 压。 这个特性曲线是传输特性曲线，传输的是vi与vo之间的关系。
VOM vo max Ec
vo
+VOM
饱和区
vi -VOM

线性放大区
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这么两个区就使得运放具有不同的作用，运放
放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压 电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。
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模拟集成电路的特点：
•电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千
欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；
• 电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。需要大电容时，
通常在集成电路外部连接。级与级之间用直接耦合；
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2.2 理想运算放大器
运算放大器在工程上应用是非常广的，就是应为他有各 种各样的特性，可以完成各种各样的功能。这些功能是在
测试系统中不可缺少的功能，所以他的应用非常广，我们
分为几类去进行介绍运算放大器的应用。 运算放大器既然是运算，他可以完成加减乘除运算， 乘除都是通过加减来的，还可以完成对数和反对数的运算， 还可以完成积分和微分运算，我们只介绍加减，比例放大，
3.若 vo未达到饱和极限，则差分输入电压(vP vN ) 必 趋近于0值。当 vo处于 V 与 V 之间，则运放必 将工作在线性区。
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Vom V V 0则 vo 将趋于负饱和极限 即:若 (vV v P om N)
非线性区
限幅区