电路与模拟电子技术基础(第2版)[查丽斌]第四章 模拟集成运算放大电路

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4.3 理想集成运算放大器
一、理想运放的参数：
差模输入电阻rid=∞、 输出电阻ro=0、 开环差模增益Aod=∞、 共模Aoc=0、 共模抑制比KCMR=∞、 频带无限宽、温度对参数无影响 问题： 1. 若将输入信号直接加在理想运放的输入 U- I-=0 端，则理想运放有可能工作在线性区吗？ (不能， 因Aod=∞，需引入负反馈) I+=0 2. 负载电阻的阻值变化时，理想运放的输 U+ 出电压变化吗？为什么？ (不变，输出等效为恒压源)
一、 集成电路运算放大器的内部组成单元
两个 输入端
一个 输出端
u+ + + uid u- － －
A
+
uo
若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单 端输出的差分放大电路。
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集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路：为各级 放大电路设置合适 的静态工作点。采 用电流源电路。 输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小， 输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能 力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真 输出电压尽可能大。 几代产品中输入级的变化最大！
U U 0 虚地 I1 I f
Ui I1 R1 If Uo Rf
Au
1) 电路的输入电阻为多少？
2) 运放的共模输入电压为多少？
3) Rp＝？为什么？ R =R∥R p f 保证输入级的对称性
R Uo f Ui R1
（可作为公式直接使用） 4) 若要Ri＝100kΩ，比例系数为－10，Rf＝？ 5) 若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？
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2. 共模信号和差模信号
共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小 相等、极性相同，则称之为共模信号。 差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小 相等、极性相反，则称之为差模信号。 设任意两个输入信号和，则
差模信号 uid ui1 ui2
共模信号
ui1 ui 2 uic Байду номын сангаас 2
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理想运放的符号与简化 电路模型如图所示

Uo + Aod(U+-U-) -
二、理想运放工作在线性区的特点
1. 电路结构 无穷大
反馈通路
无源 网络
uO Aod (u+ u- )
无穷小 有限值 为保证理想运放工作在线性区， 必须引入负反馈。
UU+ II+
+
∞
A Uo
UO ↑→ U_↑→ UO ↓
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反相 输入端
+UCC
输出端
u–
u+
同相 输入端
uo
–UEE
输入级 中间级 输出级 输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰 信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能 力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。
第4章 模拟集成运算放大电路
第4章 模拟集成运算放大电路
4.1 放大电路概述及其主要性能指标
4.2 模拟集成电路运算放大器
4.3 理想集成运算放大器 4.4 基本运算电路 4.5 集成运放的主要参数
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4.1 放大电路概述及其主要性能指标
一、 放大电路概述
VCC
至少一路直流电源 供电，是能源
二、差分放大电路的概念
1. 需求
测温 电桥
R +VCC R
u I1
Rt R
某一标准温度下 uI1＝uI２＝VCC/ 2 uI＝uI1－uI２＝0
温度变化（即偏离标准温度） 时，产生ΔuI，这是放大的对象。
uI u I2
热电阻
环境温度变 化阻值变化
需要一种放大电路，对uI1和uI２共同的部分不放大，仅对它们的差值 放大。 —— 差分放大电路
反馈通路
因为净输入电压为零，又因为输入电阻为 无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为 零，即 I+＝I_＝0
∞
A Uo
——虚断路
“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的 两个基本出发点。
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三、理想运放工作在非线性区的特点
1. 电路特征 •理想运放工作在开环状态 •引入正反馈，使其输出量的变化增大
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二、加减运算电路
方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有 结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
uO1
同理可得
Rf ui1 R1
Rf ui2 R2 Rf ui3 R3
uO2
uO uO1 uO2 uO3
Rf Rf Rf ui1 ui2 ui3 R1 R2 R3
输入信号为零时为静态。 放大的对象：变化量 ——常用正弦波做测试信号
放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现 放大的特征：功率放大
能够控制能量 的元件
判断电路能否放大的基本出发点
放大的基本要求：不失真——放大的前提
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二、 放大电路的方框图及其主要性能指标
研究的是动态性能。 对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。
带RL时的输出 电压有效值
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二、 放大电路的方框图及其主要性能指标
3、通频带
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。
由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较 低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。
下限频率
f bw f H f L
上限频率
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4.2 模拟集成电路运算放大器
1kΩ
Rs
100kΩ
Rs + uo + us 信号源
100KΩ
+
A
∞
RL
1kΩ
+ u -o
信号源
(a)
负载
(b)
负载
无电压跟随器时 负载上得到的电压
电压跟随器时
RL uo us Rs RL 1 us 0.01us 100 1
i+≈0，u+＝u根据虚短和虚断有
uo u u us
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二、加减运算电路
1. 反相求和 方法一：节点电流法
I I 0 U U 0 If I1 I 2 I 3
U o U i1 U i2 U i3 Rf R1 R2 R3
U o Rf (
U i1 U i2 U i3 ) R1 R2 R3
输入电流
输出电 流
信号源 内阻
信号源 输入电压 输出 电压
1. 放大倍数：输出量与输入量之比
U A o A uu u U i
I A o A ii i I i
U o A ui I i
I o A iu U i
电压放大倍数是最常 被研究和测试的参数
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二、 放大电路的方框图及其主要性能指标
2. 输入电阻和输出电阻
从输入端看 进去的 等效电阻
Ui Ri Ii
输入电压与输入 电流有效值之比。
' ' Uo Uo Uo Ro ( 1) RL U o RL Uo
将输出等效成 有内阻的电压 源，内阻就是 输出电阻。
空载时输出 电压有效值
势必工作在非线性区
无源网络
反馈通路
UIU+ I+
+
∞
A Uo
UU+
+ II+ -
∞
A Uo
电压传输特性
开环、正反馈
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2.理想运放工作在非线性区的特点：
输出电压只有高、低两种电平
U OH Uo U OL
U U U U
因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输 入端的输入电流也均为零，即 I+＝I_＝0
u+ + uid u- -
+ A 极性相反
+
uo
不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源 供电，有的两种情况均可。缺省时认为是±VCC （常为±15V ）供电。
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2．集成运算放大器的电路模型
集成运算放大器是电压放大器，因此可用双口网络来表示。
+
+ u+ u+ + uid rid + Aoduid ro + uo -
uO3
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二、加减运算电路
2. 同相求和
R R1 Ui1 Ui2 I If Rf
用节点电流法：
∞ U I1 A U +
+
Uo
R2 I2
I3 R3
必不可 少吗？
I If , I1 I 2 I 3 0 U U Uo R Rf U U U i1 U U i2 U U R1 R2 R3
i1 R1 i–
因虚短, 所以u–=u+= 0， R2 i+ 称反相输入端“虚 地”— 反相输入的重要 以后如不加说明，输入、 特点 输出的另一端均为地()。 因要求静态时u+、 u– 对 地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF
– +


+
+ uo –
4.4 基本运算电路
一、比例运算电路 1. 反相输入