：集成运算放大器
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第16 章： 集成运算放大器
16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运放应注意的几个问题
分立电路与集成电路
分立电路：由各种单个元件联接成的电子电路； 集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接 同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整 体； 特点：体积小、重量轻、功耗低，电路的焊点大大减少， 可靠性高、成本低； 规模：又称集成度，有小规模（SSI）、中规模（MSI）、 大规模（LSI）、超大规模（VLSI）； 根据导电类型分类：双极型、单极型（场效应管）或两 者兼容型的； 根据功能分类：数字集成电路、模拟集成电路； 模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率电路、集成 稳压电源，模数或数模转换电路（有将此类电路称为混 合集成电路）；
1、u+ = +15uV，u- = -10uV； 2、u+ = -5uV，u- = +10uV； 3、u+ = 0V，u- = +5mV； 4、u+ = 5mV，u- = 0V。
十二、 9/27
16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
运算放大器在信号运算方面功能： 比例运算：输入信号乘以常数； 加减运算：双输入或多输入信号加减； 积分运算：输入信号积分； 微分运算：输入信号微分； 对数与反对数运算； 乘法与除法运算。
学会：用高等数学中极限的概念来思考问题
线性区：u0 = Au0 ( u+ - u- )；
由于rid →∞ ，则输入电流近似为零i1 = i2 ≈ 0，此称为“虚 断”；
由于Au0 →∞ ，则输入电压近似为零u+ - u- ≈0，即u+ ≈ u- ， 此称为“虚短”；当正输入端接地，即u+ =0 时，u- ≈ 0，
偏置电路
输入端 输入级
中间级
输出端 输出级
十二、 4/27
运放的外形、管脚与符号
外形：插脚、贴片； 管脚：电源脚、同相输入端、反相输入端、输出端、调 零端； 电源电压：一般在±15V范围内； 符号（业界常用），如图：
+VCC A
-VCC
+VCC B
C
十二、 5/27
16.1.3 主要参数
最大输出电压UOPP：输出不失真时的最大输出电压； 开环电压放大倍数AuO：没有外接反馈电路时的电压差模放 大倍数，通常在104~107； 输入失调电压UIO：使实际运放输出为零而在输入端所加的 补偿电压，一般为几毫伏； 输入失调电流IIO：输入信号为零时两个输入端静态基极电流 之差，一般在几十纳安； 输入偏置电流IIB：输入信号为零时两个输入端静态基极电流 之平均值，一般在几百纳安； 共模输入电压范围UICM：在规定共模抑制电压范围或正常工 作而不至于损坏器件下的最大共模电压。 其它参数：差模输入输出电阻、温漂、共模抑制比、静态功 耗，业已介绍过。
16.1.1 集成运算放大器的特点
一、集成电路工艺难以制造电感与电容，运放各级 放大电路之间采用直接耦合方式，而需要电感与电 容的场合通常采用外接的方法； 二、运放的输入级采用差动放大电路，在同一个硅 片上容易获得特性相近的差动对管，因此也容易制 成温漂很小的差动放大器； 三、集成电路中电阻合适的阻值在100? ~30k? ，但 在运放中往往用晶体管恒流源代替电阻 ； 四、集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发 射极、基极、集电极适当组配来使用。
十二、 3/27
16.1.2 电路的简单说明
集成运放：由输入级、中间级、输出级、偏置电路组成，如图： 输入级：要求输入阻抗高、零点漂移小及能抑制干扰信号，是放大器质量 的关键部分，由差动放大电路构成，有同相输入与反相输入两个输入端； 中间级：电压放大作用，要求放大倍数高，通常由共射放大电路构成； 输出级：要求输出电阻低、带载能力强、能输出足够大的电压与电流，一 般由互补对称的电路或射极输出器构成； 偏置电路：为上述各级电路提供稳定与合适的偏置电流（静态工作点）， 通常由各种恒流源电路构成。
i1 ui 1k?
i`1
1k? S
if
10k? A
uo
1k?
i2
Βιβλιοθήκη Baidu
R2
十二、 13/27
ui ? u? ? R1i1
u0 ? u? ? ? RF if
if ? i1
i1 ui R1
if
RF A
uo
R2
u0
?
?
RF R1
ui
Auf
?
u0 ui
?
? RF R1
当RF=R1时，Auf = -1，u0 = -ui，则称之为反相器。
十二、 12/27
例二
如图，分别计算开关S通与断时的电压放大倍数Auf。 提示： S通时，由于电阻值相等，故if=i`1=i2=i1/2。
十二、 1/27
16.1 集成运算放大器的简单介绍
运算放大器：简称运放； 运算放大器：具有高放大倍数并带有深度负反 馈的多级直接耦合放大电路； 功用：可完成加减、乘除、积分微分等运算； 随着集成度的提高与功能的完善，运算放大器 在信号运算、信号处理、信号测量、波形产生 等方面有着广泛应用。
十二、 2/27
十二、 10/27
16.2.1 比例运算
比例运算有反相输入与同相输入两种情况 反相输入：输入信号接反相输入端，输出信号 与输入信号极性相反； 同相输入：输入信号接同相输入端，输出信号 与输入信号极性相同。
十二、 11/27
反相输入
反相输入比例运算电路如图： 在线性工作区有：
u? ? u? ? 0
十二、 6/27
16.1.4 理想运算放大器及其分析依据
理想运算放大器：
开环放大倍数：Au0 →∞；
差模输入电阻：rid →∞； 开环输出电阻：ro →0；
共模抑制比：KCMRR →∞。
传输特性：输出电压与输入电压之间的关系特性曲线，其中有线 性区与饱和区。
u0
u+-u-
十二、 7/27
运放的重要关系式与重要概念
此称为“虚地”。 虚断与虚短： 电流为零，电压相等；
饱和区：输入电流近似为零i1 = i2 ≈ 0
u0 = sign(u+ - u- )*UO(sat)
十二、 8/27
例一
运放电源为±15V，开环放大倍数
Au0=2×105，最大输出电压 Uo(sat)为±13V，输 入电压如下，求输出电压及其极性；
16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运放应注意的几个问题
分立电路与集成电路
分立电路：由各种单个元件联接成的电子电路； 集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接 同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整 体； 特点：体积小、重量轻、功耗低，电路的焊点大大减少， 可靠性高、成本低； 规模：又称集成度，有小规模（SSI）、中规模（MSI）、 大规模（LSI）、超大规模（VLSI）； 根据导电类型分类：双极型、单极型（场效应管）或两 者兼容型的； 根据功能分类：数字集成电路、模拟集成电路； 模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率电路、集成 稳压电源，模数或数模转换电路（有将此类电路称为混 合集成电路）；
1、u+ = +15uV，u- = -10uV； 2、u+ = -5uV，u- = +10uV； 3、u+ = 0V，u- = +5mV； 4、u+ = 5mV，u- = 0V。
十二、 9/27
16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
运算放大器在信号运算方面功能： 比例运算：输入信号乘以常数； 加减运算：双输入或多输入信号加减； 积分运算：输入信号积分； 微分运算：输入信号微分； 对数与反对数运算； 乘法与除法运算。
学会：用高等数学中极限的概念来思考问题
线性区：u0 = Au0 ( u+ - u- )；
由于rid →∞ ，则输入电流近似为零i1 = i2 ≈ 0，此称为“虚 断”；
由于Au0 →∞ ，则输入电压近似为零u+ - u- ≈0，即u+ ≈ u- ， 此称为“虚短”；当正输入端接地，即u+ =0 时，u- ≈ 0，
偏置电路
输入端 输入级
中间级
输出端 输出级
十二、 4/27
运放的外形、管脚与符号
外形：插脚、贴片； 管脚：电源脚、同相输入端、反相输入端、输出端、调 零端； 电源电压：一般在±15V范围内； 符号（业界常用），如图：
+VCC A
-VCC
+VCC B
C
十二、 5/27
16.1.3 主要参数
最大输出电压UOPP：输出不失真时的最大输出电压； 开环电压放大倍数AuO：没有外接反馈电路时的电压差模放 大倍数，通常在104~107； 输入失调电压UIO：使实际运放输出为零而在输入端所加的 补偿电压，一般为几毫伏； 输入失调电流IIO：输入信号为零时两个输入端静态基极电流 之差，一般在几十纳安； 输入偏置电流IIB：输入信号为零时两个输入端静态基极电流 之平均值，一般在几百纳安； 共模输入电压范围UICM：在规定共模抑制电压范围或正常工 作而不至于损坏器件下的最大共模电压。 其它参数：差模输入输出电阻、温漂、共模抑制比、静态功 耗，业已介绍过。
16.1.1 集成运算放大器的特点
一、集成电路工艺难以制造电感与电容，运放各级 放大电路之间采用直接耦合方式，而需要电感与电 容的场合通常采用外接的方法； 二、运放的输入级采用差动放大电路，在同一个硅 片上容易获得特性相近的差动对管，因此也容易制 成温漂很小的差动放大器； 三、集成电路中电阻合适的阻值在100? ~30k? ，但 在运放中往往用晶体管恒流源代替电阻 ； 四、集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发 射极、基极、集电极适当组配来使用。
十二、 3/27
16.1.2 电路的简单说明
集成运放：由输入级、中间级、输出级、偏置电路组成，如图： 输入级：要求输入阻抗高、零点漂移小及能抑制干扰信号，是放大器质量 的关键部分，由差动放大电路构成，有同相输入与反相输入两个输入端； 中间级：电压放大作用，要求放大倍数高，通常由共射放大电路构成； 输出级：要求输出电阻低、带载能力强、能输出足够大的电压与电流，一 般由互补对称的电路或射极输出器构成； 偏置电路：为上述各级电路提供稳定与合适的偏置电流（静态工作点）， 通常由各种恒流源电路构成。
i1 ui 1k?
i`1
1k? S
if
10k? A
uo
1k?
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R2
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ui ? u? ? R1i1
u0 ? u? ? ? RF if
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i1 ui R1
if
RF A
uo
R2
u0
?
?
RF R1
ui
Auf
?
u0 ui
?
? RF R1
当RF=R1时，Auf = -1，u0 = -ui，则称之为反相器。
十二、 12/27
例二
如图，分别计算开关S通与断时的电压放大倍数Auf。 提示： S通时，由于电阻值相等，故if=i`1=i2=i1/2。
十二、 1/27
16.1 集成运算放大器的简单介绍
运算放大器：简称运放； 运算放大器：具有高放大倍数并带有深度负反 馈的多级直接耦合放大电路； 功用：可完成加减、乘除、积分微分等运算； 随着集成度的提高与功能的完善，运算放大器 在信号运算、信号处理、信号测量、波形产生 等方面有着广泛应用。
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十二、 10/27
16.2.1 比例运算
比例运算有反相输入与同相输入两种情况 反相输入：输入信号接反相输入端，输出信号 与输入信号极性相反； 同相输入：输入信号接同相输入端，输出信号 与输入信号极性相同。
十二、 11/27
反相输入
反相输入比例运算电路如图： 在线性工作区有：
u? ? u? ? 0
十二、 6/27
16.1.4 理想运算放大器及其分析依据
理想运算放大器：
开环放大倍数：Au0 →∞；
差模输入电阻：rid →∞； 开环输出电阻：ro →0；
共模抑制比：KCMRR →∞。
传输特性：输出电压与输入电压之间的关系特性曲线，其中有线 性区与饱和区。
u0
u+-u-
十二、 7/27
运放的重要关系式与重要概念
此称为“虚地”。 虚断与虚短： 电流为零，电压相等；
饱和区：输入电流近似为零i1 = i2 ≈ 0
u0 = sign(u+ - u- )*UO(sat)
十二、 8/27
例一
运放电源为±15V，开环放大倍数
Au0=2×105，最大输出电压 Uo(sat)为±13V，输 入电压如下，求输出电压及其极性；