模拟电子技术(西电第三版)第4章 差动放大电路与集成运算放大器[精]
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差动放大电路与集成运算放大器
优缺点的比较
差动放大电路
差动放大电路具有结构简单、性能稳定 、噪声抑制能力强等优点，适用于对信 号质量要求较高的场合。但相对于集成 运算放大器，其增益较低，且对元件参 数对称性要求较高。
VS
集成运算放大器
集成运算放大器具有高精度、低噪声、低 失真等特点，适用于需要进行复杂运算和 处理的场合。但其电路结构较为复杂，且 对电源电压和温度稳定性要求较高。
差动放大电路的性能指标
• 差动放大电路的性能指标包括电压增益、输入电阻、输出电阻、 共模抑制比等。电压增益是指差动放大电路对差分信号的放大 倍数；输入电阻是指差动放大电路对输入信号的阻碍作用；输 出电阻是指差动放大电路的输出端的内阻；共模抑制比是指差 动放大电路对共模信号的抑制能力。
03 集成运算放大器
响应的重要参数。
04 差动放大电路与集成运算 放大器的两个输入信号进行差分输入，通过电路的对称性，将差分信号放大并转换为单端信号输出 的电路。其工作原理主要基于晶体管的共射输入输出特性，通过调整电路参数，实现差分信号的放大。
集成运算放大器
集成运算放大器是一种将多个晶体管、电阻、电容等元件集成在一块芯片上的模拟电路，具有高放大倍数、高输 入电阻、低输出电阻等特点。其工作原理基于负反馈和开环增益，通过反馈网络对输入信号进行比例放大，实现 信号的运算功能。
差动放大电路与集成运算放大器
目录
• 引言 • 差动放大电路 • 集成运算放大器 • 差动放大电路与集成运算放大器的比较 • 差动放大电路与集成运算放大器的应用实
例 • 结论
01 引言
主题简介
差动放大电路
差动放大电路是一种将差分信号转换 为单端信号的电路，具有抑制共模干 扰、提高信号动态范围等优点。
第4章差动放大电路及运算放大器
大连交通大学电信学院
电工教研室制作
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
当两管集电极之间接入 负载电阻RL 时，差模电 压放大倍数： R L Ad R B rbe 其中
1 R R C // R L L 2
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
电工教研室制作 大连交通大学电信学院
在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。为了全面 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力， 引入共模抑制比，以KCMRR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：
KCMRR =
或用对数形式表示：
Ad Ac
Ad Ac (dB)
KCMRR = 20 log
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.1 直耦放大电路的特殊问题
一、直接耦合
放大缓慢变化的信号、直流变化的信号； 把前级输出直接接到后级输入。
RB1
RC ＋UCC ＋ ＋ ui1 － RB2 RE ＋ uo1 － ui2 － ＋ uo2 － RB ＋UCC
RE
RL
特点：不仅能传送交流信号、而且还能传送直流变 化的信号。
一、电路结构
1. 组成: 左右两个结构、参 数完全相同的单管共射 放大电路组成； 2. 两个输入端、两个输出 端， uo = uo1－uo2 ； 3. 两个直流电源UCC和 - UEE 。
＋ ui1 －
＋ uo － ＋ ＋ uo1 uo2 － － RE
电工教研室制作
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
当两管集电极之间接入 负载电阻RL 时，差模电 压放大倍数： R L Ad R B rbe 其中
1 R R C // R L L 2
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
电工教研室制作 大连交通大学电信学院
在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。为了全面 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力， 引入共模抑制比，以KCMRR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：
KCMRR =
或用对数形式表示：
Ad Ac
Ad Ac (dB)
KCMRR = 20 log
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.1 直耦放大电路的特殊问题
一、直接耦合
放大缓慢变化的信号、直流变化的信号； 把前级输出直接接到后级输入。
RB1
RC ＋UCC ＋ ＋ ui1 － RB2 RE ＋ uo1 － ui2 － ＋ uo2 － RB ＋UCC
RE
RL
特点：不仅能传送交流信号、而且还能传送直流变 化的信号。
一、电路结构
1. 组成: 左右两个结构、参 数完全相同的单管共射 放大电路组成； 2. 两个输入端、两个输出 端， uo = uo1－uo2 ； 3. 两个直流电源UCC和 - UEE 。
＋ ui1 －
＋ uo － ＋ ＋ uo1 uo2 － － RE
电子技术精品课程-模拟电路-第4章 差动放大电路和集成运算放大电路 48页
输出电阻：
Ro = 2 RC
2019年9月23日星期一
回首页
16
② 双端输入、单端输出
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
RB
B1 C1
ib1
rbe1
ui1 uid
E
ib1
RC
uod1 uod
RB
Ad
u od u id
uod1 2ui1
1 2
Ad
1
1 RC
2 RB rbe
共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的
能力越强。
2019年9月23日星期一
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22
③ 单端输入、双端输出
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
RB
B1 C1
ib1
rbe1
ui1
E
ui
ib1
RC
输入信号分解后
具有共模信号分量和差
uOd1 模信号分量， 存在共模电压放
uOd 大倍数AC和差 模电压 放大倍数Ad
4.1.1 直接耦合特殊问题
R
1
R
2
R
C1
T1
u
i
零点漂移:
u
当 ui= 0 时：
o
+V
CC
R
C2
T2
u
o
R
E2
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t
0
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2
4.1.1 典型差动放大电路
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
+VCC
1、特点
RC
uo
RC
RB
Tu101
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
ui1 ui 2
id
图3-3 差动放大电路的输入方式
共模信号 与差模信号
Ui1 Ui2
线性放 大电路
Uo
1 共模信号输入电压： U ic (U i1 U i 2 ) 2
差模信号输入电压：U
id
(U i1 U i 2 )
差模信号：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相反的信号。
共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相同的信号。
在放大器的两个输入端分别输入大小相等、 极性相同的信号，即 ui1 ui 2 时，这种输入方 式称为共模输入，所输入的信号称为共模 （输入）信号。共模输入信号常用 uic 来表 示，即 uic ui1 ui 2 。在放大器的两个输入端 分别输入大小相等、极性相反的信号，即 时这种输入方式为差模输入，所输 入的信号称为差模输入信号。差模输入信 号常用 u 来表示，即 ui1 uid / 2 ui 2 uid / 2
输入信号种类
ui1 = ui2 共模输入
(common mode)
uC ud
ui1 = -ui2 差模输入
(differential mode) 任意输入ui1, ui2（既非差模又非共模）
3.2 相关的理论知识
(2)共模输入
如图3-3（a）所示为共模输入方式，由图中可以看出，当差动放大器输 入共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电位变化相同，因而输出 电压 u oc 恒为零。
Rod 2RC
5.共模抑制比 如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路 加上一对共模输入信号。所以差模输入信号反映了要放大的有效信号，而共模输入信号 可以反映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差 模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。 共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。
id
图3-3 差动放大电路的输入方式
共模信号 与差模信号
Ui1 Ui2
线性放 大电路
Uo
1 共模信号输入电压： U ic (U i1 U i 2 ) 2
差模信号输入电压：U
id
(U i1 U i 2 )
差模信号：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相反的信号。
共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相同的信号。
在放大器的两个输入端分别输入大小相等、 极性相同的信号，即 ui1 ui 2 时，这种输入方 式称为共模输入，所输入的信号称为共模 （输入）信号。共模输入信号常用 uic 来表 示，即 uic ui1 ui 2 。在放大器的两个输入端 分别输入大小相等、极性相反的信号，即 时这种输入方式为差模输入，所输 入的信号称为差模输入信号。差模输入信 号常用 u 来表示，即 ui1 uid / 2 ui 2 uid / 2
输入信号种类
ui1 = ui2 共模输入
(common mode)
uC ud
ui1 = -ui2 差模输入
(differential mode) 任意输入ui1, ui2（既非差模又非共模）
3.2 相关的理论知识
(2)共模输入
如图3-3（a）所示为共模输入方式，由图中可以看出，当差动放大器输 入共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电位变化相同，因而输出 电压 u oc 恒为零。
Rod 2RC
5.共模抑制比 如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路 加上一对共模输入信号。所以差模输入信号反映了要放大的有效信号，而共模输入信号 可以反映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差 模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。 共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。
最新模拟电子技术基础简明教程(第三版)第四章精品ppt课件
iC1 iB b iB1 VT1
c iC
iC2
iE1= iB2 VT2
iE e
与PNP型三极管等效
β = β1+β2+β1β2 ≈ β1β2
rbe= rbe1 +（1+ β1）rbe2
c
iB b
iB1
iC1= iB2
iC VT2
VT1
iC2
iE1
iE
e
与PNP型三极管等效
β = β1 （1 +β2）≈ β1β2
集成功率放大器的电路组成 集成功率放大器的主要技术指标 集成功率放大器的引脚和典型接法
下页 总目录
目前，利用集成电路工艺已经能够生产出品种繁多的集 成功率放大器。 集成功放除了具有一般集成电路的共同特点外，还有一 些突出的优点，主要有温度稳定性好，电源利用率高， 功耗较低，非线性失真较小等，还可以将各种保护电路 也集成在芯片内部，使用更加安全。 集成功放从用途划分，有通用型功放和专用型功放。 从芯片内部的构成划分，有单通道功放和双通道功放， 从输出功率划分，有小功率功放和大功率功放。
U C E 1 U E C 2 2 V C C
或 U C E 1 |U C E 2| 2 V C C
当VT2导电时， VT1截止，此时VT1的集电极承 受反向电压。当VT2饱和时， VT1的集电极电压 达到最大，此时：
U C E 1 2 V C C |U C E S 2 | 2 V C C
因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为
U(BR)CEO2VCC
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▼ 集电极最大允许耗散功率PCM 在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV， 一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则 消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率PT ，使 管子发热。
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
+
模拟电子技术第4章集成运算放大器[1]
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4.2 集成电流源电路
•图4-6 微电流源电路
•因为β>>1，则IR≈IE1，IC2≈IE2，所以
•(4-14)
•上式为一个超越方程，不可能解出IC2。但是， 若给定IR=(VCC-VBE1)/R和IC2的值，可以选择RE2 •已知VCC=9V，VBE1=0.7V，要使 IR=1mA, IC2=10μA，求R和RE2的值。
•图4-5 比例电流源电路
PPT文档演模板
•两管VBE相差60mV，不到VBE（约0.7V）的10%。 因此，可近似地认为VBE1=VBE2，由(4-5)式
•(4-9)
模拟电子技术第4章集成运算放大器 [1]
•第四章 集成运算放大器 •4.2.2 比例电流源
•VCC
4.2 集成电流源电路
•(4-9) •(4-10)
PPT文档演模板
•图4-6 微电流源电路
•∴
•(
*)
• 利用两管基—射极电压差△VBE可 以控制输出电流 IC2。由于△VBE的数值 很小，故用阻值不大的 Re2 即可获得微 小的工作电流，称为微电流源。
• 将(4-8)式代入(*)式，得到
模拟电子技术第4章集成运算放大器 [1]
•第四章 集成运算放大器 •4.2.3 微电流源
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模拟电子技术第4章集成运算放大器 [1]
•第四章 集成运算放大器
4.3 差动放大电路 •4.3.2.2 差模放大特性
• 如果差动放大器的两个输入端的输入电压大小相等，极性相反，即vid1= -vid2， 则将vid1、vid2分别称为输入端1和输入端2的差模输入信号。 • 由图4-10可以看出，若一侧基极电位升高vid1，使iE1增大，则另一侧基极电位 降低vid1，使iE2减小。在小信号情况下，射极电流增大量与减小量相等。这就是说， 小信号差模输入时，RE中的电流将保持静态值不变，即流过RE的差模信号为零。因 此，图4-11中RE被开路。
模拟电子技术(西电第三版)第4章 差动放大电路与集成运算放大器
集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构 比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要 掌握其外围电路的接法就可以了。
4
实图4.1 LM741的管脚排列及序号 (a) 外引脚排列顺序；(b) 符号
5
2. 负反馈的引入 由第3章可知，放大器引入负反馈后，可以改善很多性 能。集成运放若不接负反馈或接正反馈，只要有一定的输入 信号(即使是微小的输入信号)，输出端就会达到最大输出值 (即饱和值)，运放的这种工作状态称为非线性工作状态。非 线性工作状态常用在电压比较器和波形发生器等电路中，这 里暂不考虑。集成运放引入负反馈后，就可工作于线性状态。 线性状态时，输出电压Uo与输入电压Ui之间的运算关系仅取 决于外接反馈网络与输入端的外接阻抗，而与运算放大器本 身参数无关。这一点大家在实训中要充分体会。
6
3. 反相比例运算电路 依外接元件连接的不同，集成运放可以构成比例放大、 加减法、微分、积分等多种数学运算电路。本实训只进行其 中一种运算——反相比例运算的练习。 反相比例运算电路如实图4.2所示。输入信号Ui从反相 输入端输入，同相输入端经电阻接地。这个电路的输出与输 入之间有如下关系：
7
即输出电压与输入电压成比例，比例系数仅与外接电阻Rf、 R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3称为平 衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。
43
图 4.1.9 加调零电位器的差动放大器 (a) 射极调零；(b) 集电极调零
44
例4.1.2 图4.1.10(a)为带恒流源及调零电位器的差动 放大器，二极管VD的作用是温度补偿，它使恒流源IC3基本 不受温度变化的影响。设UCC=UEE=12 V，Rc=100 kΩ， RP=200 Ω，R1=6.8 kΩ，R2=2.2 kΩ，R3=33 kΩ，Rb= 10 kΩ，UBE3=UVD=0.7 V，各管的β值均为72，求静态时的 UC1，差模电压放大倍数及输入、输出电阻。
4
实图4.1 LM741的管脚排列及序号 (a) 外引脚排列顺序；(b) 符号
5
2. 负反馈的引入 由第3章可知，放大器引入负反馈后，可以改善很多性 能。集成运放若不接负反馈或接正反馈，只要有一定的输入 信号(即使是微小的输入信号)，输出端就会达到最大输出值 (即饱和值)，运放的这种工作状态称为非线性工作状态。非 线性工作状态常用在电压比较器和波形发生器等电路中，这 里暂不考虑。集成运放引入负反馈后，就可工作于线性状态。 线性状态时，输出电压Uo与输入电压Ui之间的运算关系仅取 决于外接反馈网络与输入端的外接阻抗，而与运算放大器本 身参数无关。这一点大家在实训中要充分体会。
6
3. 反相比例运算电路 依外接元件连接的不同，集成运放可以构成比例放大、 加减法、微分、积分等多种数学运算电路。本实训只进行其 中一种运算——反相比例运算的练习。 反相比例运算电路如实图4.2所示。输入信号Ui从反相 输入端输入，同相输入端经电阻接地。这个电路的输出与输 入之间有如下关系：
7
即输出电压与输入电压成比例，比例系数仅与外接电阻Rf、 R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3称为平 衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。
43
图 4.1.9 加调零电位器的差动放大器 (a) 射极调零；(b) 集电极调零
44
例4.1.2 图4.1.10(a)为带恒流源及调零电位器的差动 放大器，二极管VD的作用是温度补偿，它使恒流源IC3基本 不受温度变化的影响。设UCC=UEE=12 V，Rc=100 kΩ， RP=200 Ω，R1=6.8 kΩ，R2=2.2 kΩ，R3=33 kΩ，Rb= 10 kΩ，UBE3=UVD=0.7 V，各管的β值均为72，求静态时的 UC1，差模电压放大倍数及输入、输出电阻。
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。
模拟电子技术基础第4章集成运算放大电路
集成运算放大电路的参数分析
静态参数
包括失调电压、输入电阻、 输出电阻等，这些参数决 定了集成运算放大电路的 基本性能。
动态参数
包括带宽增益乘积、转换 速率等，这些参数反映了 集成运算放大电路的动态 响应特性。
温度稳定性
分析集成运算放大电路在 不同温度下的性能变化， 以确保其在各种温度条件 下都能保持稳定的性能。
集成运算放大电路的组成
集成运算放大电路通常由输入级、中间级和输出级三个基本部分组成。
输入级是差分放大电路，用于放大差分信号；中间级通常是一个电压放 大器，用于提供较高的电压增益；输出级通常是一个功率放大器，用于
提供足够的驱动能力。
此外，集成运算放大电路还包括一些辅助电路，例如偏置电路、相位补 偿电路和过电压保护电路等。
集成运算放大电路的发展前景
随着电子技术的不断发展，集 成运算放大电路的性能将不断 提高，应用领域将不断扩大。
新的材料和工艺将不断涌现， 为集成运算放大电路的发展提 供更多的可能性。
智能化和数字化将是集成运算 放大电路的重要发展方向，将 推动其在人工智能、物联网等 领域的应用。
THANKS
感谢观看
特点
高放大倍数、低输入阻抗、高输 出电压与电流、低输出阻抗、良 好的线性度与稳定性。
集成运算放大电路的应用
信号放大
用于信号源的电压或电 流放大，实现信号的传
输、处理和转换。
信号运算
实现加、减、乘、除等 基本运算功能，用于模 拟电路和数字电路之间
的接口。
有源滤波器
波形发生器
用于信号滤波，实现信 号的频率选择和噪声抑
03
集成运算放大电路的分析方法
理想集成运算放大电路的分析方法
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19
图4.1.3 基本差动放大器
20
2. 共模信号与差模信号 差动放大器的输入信号可以分为两种，即共模信号和差 模信号。 在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信 号，即Ui1=－Ui2时，这种输入方式称为差模输入，所输入的 信号称为差模输入信号。差模输入信号常用Uid来表示，即
21
图4.1.4 差动放大器的输入方式 (a) 共模输入；(b) 差模输入
系的测试，初步了解集成运放基本运算电路的功能。 (3) 进一步熟练示波器的使用，练习使用双踪示波器测
量直流及正弦交流电压，以及对两路信号进行对比。
2
(二) 预习要求 (1) 复习前一章中有关集成运放及其引入负反馈的有关
内容。 (2) 提前熟悉双踪示波器的使用方法。
3
(三) 实训原理 1. 集成运算放大器简介 集成运算放大器(简称集成运放或运放)是一种高放大倍
11
(3) 把R1、R2换成51 kΩ，其余条件不变，重复上述(1)、 (2)步的内容。
(4) 把R1、R2、R3、Rf均换成100 kΩ，其余条件不变，重 复上述(1)、(2)步的内容。
12
13
(五) 实训报告 (1) 整理数据，完成表格。 (2) 根据测量结果将实测值与计算值相比较，分析反相
8
实图4.2 反相比例运算电路
9
4. 调零问题 由于集成运放一般都存在失调电压和失调电流，因而 会影响运算精度。比如，反相比例运算电路中，输入电压 Ui=0 V时，输出电压Uo不为零，而是一个很小的非零数。此 时调整1、5脚连接的电位器RP，可使输出电压变为零。这 个过程就是运放的调零。调零之后再进行各种运算电路的测 量，测量结果才会准确。
10
(四) 实训内容 按实图4.2在模拟实验板上搭建电路，确定无误后，接
入±12 V直流稳压电源。首先对运放电路进行调零，即令 Ui=0，再调整调零电位器RP，使输出电压Uo=0。
(1) 按实表4.1指定的电压值输入不同的直流信号UI，分 别测量对应的输出电压UO，并计算出电压放大倍数。
(2) 将输入信号Ui改为f=1 kHz、幅值为200 mV的正弦交 流信号，用示波器观察输入、输出信号的波形，分析其是否 满足上述反相比例关系。
4
实图4.1 LM741的管脚排列及序号 (a) 外引脚排列顺序；(b) 符号
5
6
7
即输出电压与输入电压成比例，比例系数仅与外接电阻Rf、 R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3称为平 衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。
若使Rf=R1，Uo=－Ui，此时电路称为反相器，即输出电 压与输入电压大小相等而极性相反。
(3) 运放两个输入端为什么要“平衡”？ 后续理论课很快便会使这些问题得到解决。
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4.1 差动放大电路
4.1.1 直接耦合放大中的特殊问题 所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以
及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通 过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直 流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦合 电容和电感元件相当困难，所以后来发展起来的集成电路 (如集成运算放大器)，其内部电路都采用直接耦合方式。
22
设两管的电压放大倍数均为A(两管对称，参数相同)， 则两管输出端电位增量分别为
23
差动放大器总的输出电压为 差模电压放大倍数为
24
(4.1.1)
由单管共射放大器的电压放大倍数计算式(式(2.2.5)、 (2.3.17))，有
一般Rb>>rbe，于是
(4.1.2)
25
应当说明，当两管的输出端(即集电极)间接有负载RL时， 上式应为
等共模信号的。但是它还存在两方面的不足。首先，各个管 子本身的工作点漂移并未受到抑制。若要其以单端输出(也 叫不对称输出)，则其“两侧对称，互相抵消”的优点就无 从体现了；另外，若每侧的漂移量都比较大，此时要使两侧 在大信号范围内做到完全抵消也相当困难。针对上述不足， 我们引入了带射极公共电阻的差动放大器，如图4.1.5所示。
26
上述放大器的输入回路经过两个管子的发射结和两个电 阻Rs，故输入电阻为
(4.1.3) 放大器的输出端经过两个Rc，故输出电阻为
(4.1.4)
27
3. 共模抑制比 共模抑制比KCMRR的定义为 有时用对数形式表示
28
(4.1.5) (4.1.6)
4.1.3 实际差动放大器 1. 带射极公共电阻的差动放大器 上述基本差Байду номын сангаас放大器是利用电路两侧的对称性抑制零漂
比例运算电路是否符合相应的运算关系。 (3) 总结集成运放的调零过程。
14
(六) 思考题 经过实训，你肯定对下列问题产生了兴趣： (1) 在集成运放的运算电路中，为什么其输出电压与输
入电压之间的关系仅由外接元件决定，而与运放本身的参数 无关？
(2) 按照反相比例运算关系，加大比例系数是否可使输 出电压无限增大？ 这显然不会。那么，增大到什么程度就 不再增大了呢？
第4章 差动放大电路与集成 运算放大器
实训4 反相比例运算电路的组装与测试 4.1 差动放大电路 4.2 集成运算放大器基础 4.3 集成运算放大器的应用
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实训4 反相比例运算电路的组装与测试
(一) 实训目的 (1) 初步接触集成运算放大器,了解其外形特征、管脚设
置及其基本外围电路的连接。 (2) 通过反相比例运算电路输出电压与输入电压之间关
数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大器，具有 两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放 大。本实训所用LM741集成运放的外引脚排列顺序及符号如 实图4.1所示。它有8 个管脚，各管脚功能如图注所示。
集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构 比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要 掌握其外围电路的接法就可以了。
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图4.1.1 简单的直接耦合放大器
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图4.1.2 直接耦合放大器
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4.1.2 基本差动放大器 1. 工作原理 图4.1.3是基本的差动放大器，它由两个完全相同的单管
放大器组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外 接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样， 因此两边电路是完全对称的。输入信号从两管的基极输入， 输出信号则从两管的集电极之间输出。
图4.1.3 基本差动放大器
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2. 共模信号与差模信号 差动放大器的输入信号可以分为两种，即共模信号和差 模信号。 在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信 号，即Ui1=－Ui2时，这种输入方式称为差模输入，所输入的 信号称为差模输入信号。差模输入信号常用Uid来表示，即
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图4.1.4 差动放大器的输入方式 (a) 共模输入；(b) 差模输入
系的测试，初步了解集成运放基本运算电路的功能。 (3) 进一步熟练示波器的使用，练习使用双踪示波器测
量直流及正弦交流电压，以及对两路信号进行对比。
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(二) 预习要求 (1) 复习前一章中有关集成运放及其引入负反馈的有关
内容。 (2) 提前熟悉双踪示波器的使用方法。
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(三) 实训原理 1. 集成运算放大器简介 集成运算放大器(简称集成运放或运放)是一种高放大倍
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(3) 把R1、R2换成51 kΩ，其余条件不变，重复上述(1)、 (2)步的内容。
(4) 把R1、R2、R3、Rf均换成100 kΩ，其余条件不变，重 复上述(1)、(2)步的内容。
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(五) 实训报告 (1) 整理数据，完成表格。 (2) 根据测量结果将实测值与计算值相比较，分析反相
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实图4.2 反相比例运算电路
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4. 调零问题 由于集成运放一般都存在失调电压和失调电流，因而 会影响运算精度。比如，反相比例运算电路中，输入电压 Ui=0 V时，输出电压Uo不为零，而是一个很小的非零数。此 时调整1、5脚连接的电位器RP，可使输出电压变为零。这 个过程就是运放的调零。调零之后再进行各种运算电路的测 量，测量结果才会准确。
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(四) 实训内容 按实图4.2在模拟实验板上搭建电路，确定无误后，接
入±12 V直流稳压电源。首先对运放电路进行调零，即令 Ui=0，再调整调零电位器RP，使输出电压Uo=0。
(1) 按实表4.1指定的电压值输入不同的直流信号UI，分 别测量对应的输出电压UO，并计算出电压放大倍数。
(2) 将输入信号Ui改为f=1 kHz、幅值为200 mV的正弦交 流信号，用示波器观察输入、输出信号的波形，分析其是否 满足上述反相比例关系。
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实图4.1 LM741的管脚排列及序号 (a) 外引脚排列顺序；(b) 符号
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即输出电压与输入电压成比例，比例系数仅与外接电阻Rf、 R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3称为平 衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。
若使Rf=R1，Uo=－Ui，此时电路称为反相器，即输出电 压与输入电压大小相等而极性相反。
(3) 运放两个输入端为什么要“平衡”？ 后续理论课很快便会使这些问题得到解决。
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4.1 差动放大电路
4.1.1 直接耦合放大中的特殊问题 所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以
及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通 过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直 流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦合 电容和电感元件相当困难，所以后来发展起来的集成电路 (如集成运算放大器)，其内部电路都采用直接耦合方式。
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设两管的电压放大倍数均为A(两管对称，参数相同)， 则两管输出端电位增量分别为
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差动放大器总的输出电压为 差模电压放大倍数为
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(4.1.1)
由单管共射放大器的电压放大倍数计算式(式(2.2.5)、 (2.3.17))，有
一般Rb>>rbe，于是
(4.1.2)
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应当说明，当两管的输出端(即集电极)间接有负载RL时， 上式应为
等共模信号的。但是它还存在两方面的不足。首先，各个管 子本身的工作点漂移并未受到抑制。若要其以单端输出(也 叫不对称输出)，则其“两侧对称，互相抵消”的优点就无 从体现了；另外，若每侧的漂移量都比较大，此时要使两侧 在大信号范围内做到完全抵消也相当困难。针对上述不足， 我们引入了带射极公共电阻的差动放大器，如图4.1.5所示。
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上述放大器的输入回路经过两个管子的发射结和两个电 阻Rs，故输入电阻为
(4.1.3) 放大器的输出端经过两个Rc，故输出电阻为
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3. 共模抑制比 共模抑制比KCMRR的定义为 有时用对数形式表示
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(4.1.5) (4.1.6)
4.1.3 实际差动放大器 1. 带射极公共电阻的差动放大器 上述基本差Байду номын сангаас放大器是利用电路两侧的对称性抑制零漂
比例运算电路是否符合相应的运算关系。 (3) 总结集成运放的调零过程。
14
(六) 思考题 经过实训，你肯定对下列问题产生了兴趣： (1) 在集成运放的运算电路中，为什么其输出电压与输
入电压之间的关系仅由外接元件决定，而与运放本身的参数 无关？
(2) 按照反相比例运算关系，加大比例系数是否可使输 出电压无限增大？ 这显然不会。那么，增大到什么程度就 不再增大了呢？
第4章 差动放大电路与集成 运算放大器
实训4 反相比例运算电路的组装与测试 4.1 差动放大电路 4.2 集成运算放大器基础 4.3 集成运算放大器的应用
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实训4 反相比例运算电路的组装与测试
(一) 实训目的 (1) 初步接触集成运算放大器,了解其外形特征、管脚设
置及其基本外围电路的连接。 (2) 通过反相比例运算电路输出电压与输入电压之间关
数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大器，具有 两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放 大。本实训所用LM741集成运放的外引脚排列顺序及符号如 实图4.1所示。它有8 个管脚，各管脚功能如图注所示。
集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构 比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要 掌握其外围电路的接法就可以了。
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图4.1.1 简单的直接耦合放大器
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图4.1.2 直接耦合放大器
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4.1.2 基本差动放大器 1. 工作原理 图4.1.3是基本的差动放大器，它由两个完全相同的单管
放大器组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外 接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样， 因此两边电路是完全对称的。输入信号从两管的基极输入， 输出信号则从两管的集电极之间输出。