电工学 第十六章

(16-5)
集成运放的基本结构
与uo反相
T4
T3 T1 T2 T5
+UCC
反相输入端
uo
u－ u＋
同相输入端
IS
与uo同相
-UCC 输入级 中间级 输出级
(16-6)
T4 反相端 u－ T3 T5
+UCC uo
u＋
同相端
T1
T2
IS -UEE
输入级
尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。
+ ui –
R1
R2
– +

+
uo –
+
= –50 10 = –5 R2 = R1 RF
2. 因 Auf = – RF / R1 = – RF 10 = –10 故得 RF =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k

=10 50 (10+50) = 8.3 k
集成电路: 将整个电路的各个元件及连线均制造在
同一块半导体基片上，形成一个不可分 割的整体。
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、 重量轻、功耗小。
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路；

(16-2)
各类型号集成芯片
(16-3)
一、集成电路内部结构的特点：
(16-25)
例：试计算下图开关S断开和闭合时的Au
iF
10R
S闭合:
ui 2ui i1 RR 2 3R
+ Uo -
R + i1 Ui - i1
R
S
i2
+ i f
R1
+
i2 i1 2
R i2
(u uo ) uo iF 10 R 10 R
由
解：S断开:
RF Au R1 10 R 5 RR
O
– +
A uo
理想特性
+
uo
u+
饱和区
–Uo(sat) 非线性区(饱和区)： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)
线性区： uo = Auo(u+– u–)
理想运放工作在线性区的特点
i–
uo Auo (u u )
Auo
(16-32)
+ R
+
+
Uo R + + RL Uo -
2R
+15V 2R
+ i+=0
例：试计算Uo
-
R1
+ R3 a R2 + R4 +
Ui1
+
+
Uo
a + -
R3
+
+
Uo
-
Uao
R4
Ui2
+
Ro
解：
U ao
U O1 U O 2 U i1 U i 2 R1 R2 ( R1 // R2 )( ) 1 1 R1 R2 R1 R2 UO U ao U R4 RO R3 R4
电位为0虚地
RF
电压并联负反馈 输出电阻很小
_ + +

uo
4. 共模电压
u u 0 2
反相输入的重要特点: 因虚短, 所以u–≈u+= 0， 称反相输入端“虚地”
(16-23)
(16-24)
例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不变，要求Auf为 – 10，则RF 、 R2 应为 多少？ RF 解：1. Auf = – RF R1
信号的放大、运算 有源滤波电路
运放线性应用
§16.2 运放在信号运算方面的应用
反馈概念
凡是将放大电路输出端信号（电压或电流） 的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭 加，就称为反馈。
负反馈对放大电路的影响
串联负反馈 → ri ↑; 并联负反馈 → ri ↓; 电压负反馈 → ro↓; 电流负反馈 → ro↑;
(16-19)
§16.2.1 比例运算
作用：将信号按比例放大。
类型：同相比例放大、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。
(16-20)
一、反相比例运算电路 iF i1 ui R1 RP i+ RF uo
第十六章 集成运算放大器
(16-0)
第十六章 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 使用运算放大器应注意的几个问题
(16-1)
§16.1 集成运算放大器的简单介绍
调节反相求和电路的某一路信号的输入 电阻，不影响输入电压和输出电压的比例 关系，调节方便。
(16-36)
二、同相求和运算
R1 R21 R22 RF
+
uo
ui1
+
ui2
实际应用时可适当增加或减少输入端的 个数，以适应不同的需要。
(16-37)
-
R1 // RF R21 // R22
i2 iF 知：
ui uo 3R 10 R
uo Au 3.3 ui
(16-26)
例：求Au =? i2 R2 M R4 i4 i3 ui i1
虚短路
u u 0
i1 ≈ i2 uo
虚地 虚开路
R3
R1 RP
_ + +
vM ui R2 R1
u uo 1 1 1 vM ( ) ( ) R2 R4 R2 R3 R4
集成运算放大器的管脚和符号
信号传 输方向 +UCC 反相 输入端
实际运放开环 电压放大倍数
+UCC输出 8
1
u–
– +
Auo
+
7 6 F007 2 3
U-
5
4
uo
U+ -UEE
u+
同相 输入端
(b)引脚图 输出端
–UEE
u－ u+
－
＋
uo
(a) 符号图
三、集成运放的主要参数
1、最大输出电压UOPP
ui1 ui2
R11 R12
_ +
RF +
uo
RP R11 // R12 // RF
RP
实际应用时可适当增加或减少输入端的 个数，以适应不同的需要。
(16-35)
ui1 ui2
R11
iF
_ + RP
RF
i11 i12
u u 0
uo
R12
+
i11 i12 iF
RF RF uo ( ui1 ui 2 ) R11 R12
_ + +

uo
RP = R1 // RF
为保证一定的输 入电阻，当放大倍数 大时，需增大RF，而 大电阻的精度差，因 此，在放大倍数较大 时，该电路结构不再 适用。
(16-22)
平衡电阻：可使输入端对 地的静态电阻相等，保证 静态时输入级的对称性。
3. 反馈方式 iF i1 ui R1 RP
O
---线性区和饱和区 u– u+ – + A uo
uo
线性区 u +– u –
+
饱和区

–Uo(sat)
线性区： uo = Auo(u+– u–)
非线性区(饱和区)： u+ – u– >/2 时， uo = +Uo(sat) u+ – u– < -/2时， uo = – Uo(sat)
四、理想运放及其分析依据
(16-7)
T4 反相端 u－ T3 T5
+UCC uo
u＋
同相端
T1
T2
IS -UEE
输入级
中间级 足够大的电压放大倍数
(16-8)
T4 反相端 u－ T3 T5
+UCC uo
u＋
同相端
T1
T2
IS -UEE
输入级
中间级
输出级
主要提高带负载能力，给出足够的输出 电流io ，输出阻抗 ro小。
(16-9)
理想运算放大器图形符号 1. 开环电压放大倍数 2. 差模输入电阻 3. 开环输出电阻
u–
–
+


u+
+
uo
rid ro 0
Auo
4. 共模抑制比
K CMRR
实际运算放大器的技术指标接近理想化条件， 用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化!
理想运算放大器的两种工作状态 电压传输特性 uo= f(ui) uo +Uo(sat) ---线性区和饱和区 u– u +– u –
1. 电感元件难于制造。制造几十 pF 以下的小电 容用PN结的结电容构成，大电容需外接。 2. 输入级采用差放电路。由于电路元件制作在 一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温 度均一性好。
3. 电阻元件由硅半导体构成，范围从100Ω到 30KΩ，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元 件代替或外接。
4. 二极管一般用晶体管的发射结构成。
(16-4)
三、集成运放电路的组成
偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。多 采用恒流源电路。 输 入 级：常为差分放大电路。要求Ri大， Ad大， Ac小, 输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。 中 间 级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合 管。要求有足够的放大能力。 输 出 级：功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。 要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。
(16-31)

uo RF Au 1 u1 R1
当 R1= 或 RF = 0 时
Au 1
例：试计算Uo
+15V 2R 2R
解：由其为电压跟随器知:
Uo = U-=U+ =15 / 2 =7.5V
电源经两个电阻 分压后加在电压跟 随器的输入端，当 负载RL变化时，其 两端电压 uo不会随 之变化。
1. 放大倍数
i -= i + ≈ 0
i– _
u u 0
i1≈ iF
虚地 虚短路 虚开路
+
+
结构特点：负反馈引到反相
ui uo R1 RF
输入端，信号从
反相端输入。
uo RF Au u1 R1
(16-21)
iF
RF
2. 电路的输入电阻 ri = R1
i1 ui
R1 RP
(16-27)
vM ui R2 R1
uo 1 1 1 vM ( ) R2 R3 R4 R4
1 1 1 R4 ( ) uo R2 R3 R4 R2 R4 R4 Au ( 1) R1 ui R1 R2 R3 R2
该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用 大电阻。因R3的存在，削弱了负反馈。
输入信号为零时，两输入端静态基极电流之 差。此值一般在零点零几微安级，越小越好。
5、输入偏置电流IIB
输入信号为零时，两输入端静态基极电流平 均值。此值一般在零点几微安级，越小越好。
6、共模输入电压范围UICM
共模电压超出此范围时，运放的共模抑制 性能大大下降。
(16-12)
实际运算放大器的两种工作状态 电压传输特性 uo= f(ui) uo +Uo(sat) 实际特性
使输出电压和输入电压保持不失真关系 的最大输出电压。
2、开环电压放大倍数Auo
无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般 在104 107之间。Auo越高，所构成的运算电 路越稳定，运算精度越高。
3、输入失调电压UIO
使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电 压。此值越小越好。
(16-11)
4、输入失调电流IIO
(16-28)
二、同相比例运算电路
iF i1
ui RF i-≈ i+ =0 虚短路
i– _
+ +
u-≈ u+= ui
uo
R1 R2 i+
uo ui ui RF R1
虚开路
结构特点： 负反馈引到反相输入端， 信号从同相端输入。
RF uo (1 )ui R1
uo RF Au 1 u1 R1
(16-29)
(16-30)
三、电压跟随器

+ ui –
– + +
+ uo –
结构特点：输出电压全部引 到反相输入端，信号从同相 端输入。电压跟随器是同相 比例运算放大器的特例。
uo u u ui
此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中的 作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随 性能好。
(16-33)
RO ( R1 // R2 )
§ 16.2.2 加法运算电路
作用：将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。
类型：同相求和、反相求和。 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。
(16-34)
一、反相求和运算
u–
_

+

uo
u+ i+ 虚短路
+
u u
rid
ro 0
i i 0 虚开路(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。
理想运放工作在饱和区的特点
uo Auo (u u )
虚短路不成立：
+UOM
uo ui
-UOM
u u
i–
i i 0
虚开路成立
u–
u+ i+
_
+
+
(16-17)

uo
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+Uo(sat) uo 例:若Uo(sat)=12V，Auo=106， 则ui 满足什么条件时，运放 处于线性区?
O
u +– u –
|ui|<12V
–Uo(sat)
Auo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。