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使用运算放大器应注意的几个问题
第16章集成运算放大器
本章要求
1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。
2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想
运算放大器并掌握其基本分析方法。
3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和
积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。
4. 理解电压比较器的工作原理和应用。
集成运算放大器的简单介绍
16.1.1 集成运算放大器的特点
集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。
特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸A u o 高: 80dB~140dB
r id 高: 105 ~ 1011Ω
r o 低: 几十Ω~ 几百ΩK CMR 高: 70dB~130dB
集成运放的符号：
u o
+
+
A uo
u +
u –。。。+U CC
–U EE
–?
U CC –U EE
u o
u –
u +
16.1.2 电路的简单说明
输入级中间级输出级
同相输入端
输出端
反相输入端
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。
16.1.3 主要参数
1. 最大输出电压U OPP
能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益A u o
运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。A u o 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围U ICM
运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
愈小愈好3. 输入失调电压U IO
4. 输入失调电流I IO
5. 输入偏置电流I IB
理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器
A u o →∞，r id →∞，r o →0 ，K CMR →∞
2. 电压传输特性u o = f (u i )
线性区：
u o =A u o (u +–u –)
非线性区：
u +> u –时，u o = +U o(sat)u +< u –时，u o = –U o(sat)
+U o(sat)u +–u –u o
–U o(sat)
线性区
理想特性
实际特性
u o
+
+
∞u +
u –+U
CC
–U EE
–
?
饱和区O
理想运放工作在线性区的特点
因为u o =A u o (u +–u –)(1) 差模输入电压约等于0即u += u –,称“虚短”输入电流约等于0即i += i –≈0 ,称“虚断”
电压传输特性
A u o 越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。
++∞
u o u –u +i +
i ––
?
u +–u –
u o
线性区
–U o(sat)
+U o(sat)O
4. 理想运放工作在饱和区的特点
(1) 输出只有两种可能, +U o(sat) 或–U o(sat) (2) i += i – 0,仍存在“虚断”现象
电压传输特性
当u +> u –时，u o = + U o(sat)
u +< u –时，u o = –U o(sat) 不存在“虚短”现象
u +–u –
u o –U o(sat)
+U o(sat)
O
饱和区
运算放大器在信号运算方面的运用
集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体
器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进
行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反
对数、乘法和除法等运算。
运算放大器工作在线性区时，通常要引入深
度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的
关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和
参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。
改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以
实现不同的运算。
比例运算
1.反相比例运算1
i 1R u u i --=F o f
R u u i -=-（1）电路组成
以后如不加说明，输入、
输出的另一端均为地(⊥)。（2）电压放大倍数因虚短,所以u –=u += 0，
称反相输入端“虚
地”—反相输入的重要
特点
因虚断，i += i –= 0，i f i 1i –
i +u o R F
u i R 2R 1+
+–
–
+
+
∞
–?
所以i 1 ≈i f
因要求静态时u +、u –对地电阻相同，
所以平衡电阻R 2= R 1// R F
16.2.1 比例运算
1.反相比例运算
电压放大倍数
u o R F
u i R 2
R 1+
+–
–
+
+
∞
–
?
⊕－
－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈
输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈
反馈信号使净输入信号减小—负反馈
电压并联负反馈
输入电阻低，共模电压≈0
⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，
r i = R 1。共模输入电压低。
结论：
①A u f 为负值，即u o 与u i 极性相反。因为u i 加在反相输入端。
②A u f 只与外部电阻R 1、R F 有关，与运放本身参数无关。
③| A u f | 可大于1，也可等于1 或小于1 。④因u –= u += 0 ，所以反相输入端“虚地”。
例：电路如下图所示，已知R 1= 10 k Ω，R F = 50 k Ω。求：1. A u f 、R 2 ；
2. 若R 1不变，要求A u f 为–10，则R F 、R 2 应为多少？
解：1. A u f = –R F /R 1= –50 /10 = –5R 2=R 1//R F
=10 ?50 /(10+50) = 8.3 k Ω
2. 因A uf = –R F /R 1= –R F /10= –10 故得R F = –A u f ?R 1= –(–10) ?10 =100 k Ω
R 2= 10 ?100 /(10 +100) = 9. 1 k Ω
u o R F
u i R 2
R 1++
–
–
+
+
∞
–?
同相比例运算o
F
11
u R R R u +=-因虚断，所以u += u i
i
1
F
o )1(u R R u +=（1）电路组成
（2）电压放大倍数
1
F
i o f 1R R u u A u +
==u o R F
u
i R 2R 1++–
–
++∞–
?
因虚短，所以u –= u i ，反相输入端不“虚地”
因要求静态时u +、u -对地电阻相同，
所以平衡电阻R 2=R 1//R F
u +
u –
输入电阻高共模电压= u i
电压放大倍数
⊕⊕电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈
反馈电路直接从输
出端引出—电压反馈
因虚短，所以u –= u i ，
反相输入端不“虚地”
⊕1
F
i o f 1R R u u A u +
==i
1
F
o )1(u R R u +=反馈信号使净输入
信号减小—负反馈u o R F
u i R 2R 1
+
+–
–
+
+
∞
–
?
⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。
结论：
①A u f 为正值，即u o 与u i 极性相同。因为u i 加在同相输入端。
②A u f 只与外部电阻R 1、R F 有关，与运放本身参数无关。
③A u f ≥ 1 ，不能小于1 。
④u –= u +≠ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。
当R 1= ∞且R F =0 时，u o = u i ，A u f = 1，
称电压跟随器。u o R F
u i R 2R 1++––++∞–?
由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。
u o u i
++––++∞–?
左图是一电压跟随器，
电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载R L 变化时，其两端电压u o 不会随之变化。u o +–+
+∞–?
15k Ω
R L 15k Ω
+15V 7.5k Ω
例：
负载电流的大小与负载无关。11L R u i i --==例2：负载浮地的电压-电流的转换电路
1.能测量较小的电压；
2.输入电阻高，对被测电路影响小。
流过电流表的电流1
x
G R U I =
I G
U x R 2R 1+–++∞
–?
R L
u i
R 2R 1+–
++∞
–
?
i L i 11
i R u -=
加法运算电路
1. 反相加法运算电路因虚短, u –= u += 0
F o 2i 2
i 1i 1i R u R u R u -
=+故得)
(2i 2
i F 1i 1i F o u R R
u R R u +-=平衡电阻：R 2= R i1// R i2// R F
i i2i i1i f F
o
2i 2i 1i 1i R u u R u u R u u -=-+----u i2
u o R F
u i1
R i2R
i1
+
+
∞
–?
R 2
+–
因虚断，i –= 0
所以i i1+ i i2 = i f
同相加法运算电路
方法1: 根据叠加原理u i1单独作用(u i2＝0)时，
1
i 2i 1i 2i u R R R u +='+同理，u i2单独作用时
1F
o )1(+
'+='u R R u ?
='+u 2i 2
i 1
i 1i 1
F o )1(u R
R R R R u ++=''1i 2i 1i 2i 1F )1(u R R R R R ++=)
)(1(2i 2
i 1i 1
i 1i 2i 1i 2i 1F o u R R R u R R R R R u ++++=u i2
u o R F
u i1R i2R i1
+
+∞–
?
R 1
+–