第2章 集成运放及其基本应用
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第二章
集成运放及其基本应用
集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
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。
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！
-UOM
线性放大区
* 在分析信号运算电路时对运放的处理
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。 ∞ uo Ao ( u u ) u i– （1） Ao – – uo + i 得： u u “虚短” + u+ +
理想运算放大器
一、三条件
1. Avd=（实际上Avd≥80dB即可）
2.差模输入电阻Rid=
3.输出电阻Ro=0
二、两特性
条件：线性运用(负反馈）
(1)虚短
两输入端视为等电位（ V V ）
(2)虚断
两输入端视为等效开路（I I 0）
下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。
信号的运算与处理电路
* 运放工作在线性区时的特点
_
ui Ao + +
U OM uo max EC
例：若UOM=12V，Ao=106， 则|ui|<12V时，运放 处于线性区。
uo
Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之 间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。
uo
+UOM
ui
集成电路运算放大器
集成运算放大器是一种高电压增益，高输入 电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
运算放大器方框图
来自百度文库
1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必 须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输 入双端输出的形式。
2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益放大器。 3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。
F007内部结构图
输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制 能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。
三、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • • 指标参数 F007典型值 理想值 20lg│Aod│ 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 超过此值不能正常放大 20nA 0 差模信号 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 超过此值输入级放大管击穿 最大差模输入电压 UIdmax ±30V -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化 的偏置电流，以稳定工作点。 另举例说明集成运放内部结构
集成运放内部结构（举例）
极 性 判 RC1 断 RC2
第4级：互补对 称射极跟随器
+UCC
RC3 T5 T6
RE3 T7
T1 T2
R1
T10
T8
RE4
RE5 T11
+ T3 T4 R3
第1级：差动放大器
集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区： uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是 ＋UOM , 就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。
RL
RE2
RC4
T9
R2
第2级：差动放大器
第3级：单管放大器
-UEE
集成运算放大器符号
国内符号：
反相输入端 u－ 同相输入端 u+
－ ＋ ＋
输出端 uo
同相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相同
反相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相反
美国符号：
u－ u+
－
＋
uo
运 算 放 大 器 外 形 图
(2)虚断
由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放 的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端 越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状 态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称 为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正 断路。
理想运算放大器的条件
1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。
2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大2～3个量级即可。 3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小1～2个量级即可。
4.带宽足够宽。
5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放 大器的某个技术指标明显下降即可。
理想运算放大器的特性
理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性， 这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为 了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。
(1)虚短
由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以 上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V～14 V。 因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等 电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两 输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时， 可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简 称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
若两输入端任一电位为零，则另一
端电位也为零 （2） ri
“虚地”
i += i – 0
ro 0
“虚断”
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。
（3）
集成运放及其基本应用
集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
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。
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！
-UOM
线性放大区
* 在分析信号运算电路时对运放的处理
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。 ∞ uo Ao ( u u ) u i– （1） Ao – – uo + i 得： u u “虚短” + u+ +
理想运算放大器
一、三条件
1. Avd=（实际上Avd≥80dB即可）
2.差模输入电阻Rid=
3.输出电阻Ro=0
二、两特性
条件：线性运用(负反馈）
(1)虚短
两输入端视为等电位（ V V ）
(2)虚断
两输入端视为等效开路（I I 0）
下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。
信号的运算与处理电路
* 运放工作在线性区时的特点
_
ui Ao + +
U OM uo max EC
例：若UOM=12V，Ao=106， 则|ui|<12V时，运放 处于线性区。
uo
Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之 间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。
uo
+UOM
ui
集成电路运算放大器
集成运算放大器是一种高电压增益，高输入 电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
运算放大器方框图
来自百度文库
1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必 须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输 入双端输出的形式。
2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益放大器。 3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。
F007内部结构图
输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制 能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。
三、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • • 指标参数 F007典型值 理想值 20lg│Aod│ 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 超过此值不能正常放大 20nA 0 差模信号 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 超过此值输入级放大管击穿 最大差模输入电压 UIdmax ±30V -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化 的偏置电流，以稳定工作点。 另举例说明集成运放内部结构
集成运放内部结构（举例）
极 性 判 RC1 断 RC2
第4级：互补对 称射极跟随器
+UCC
RC3 T5 T6
RE3 T7
T1 T2
R1
T10
T8
RE4
RE5 T11
+ T3 T4 R3
第1级：差动放大器
集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区： uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是 ＋UOM , 就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。
RL
RE2
RC4
T9
R2
第2级：差动放大器
第3级：单管放大器
-UEE
集成运算放大器符号
国内符号：
反相输入端 u－ 同相输入端 u+
－ ＋ ＋
输出端 uo
同相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相同
反相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相反
美国符号：
u－ u+
－
＋
uo
运 算 放 大 器 外 形 图
(2)虚断
由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放 的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端 越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状 态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称 为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正 断路。
理想运算放大器的条件
1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。
2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大2～3个量级即可。 3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小1～2个量级即可。
4.带宽足够宽。
5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放 大器的某个技术指标明显下降即可。
理想运算放大器的特性
理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性， 这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为 了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。
(1)虚短
由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以 上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V～14 V。 因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等 电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两 输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时， 可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简 称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
若两输入端任一电位为零，则另一
端电位也为零 （2） ri
“虚地”
i += i – 0
ro 0
“虚断”
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。
（3）