第九章运算放大器

第九章理想运算放大电路及应用9-1．填空（1）理想集成运放的A od= ，r id= ，r od= ，K CMR= 。

（2）运算放大器组成运算电路必须引入反馈，在电压比较器中则应。

（3）欲实现电压放大倍数Au=-100应该选用电路。

（4）欲实现电压放大倍数Au=+100应该选用电路。

（5）比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地。

答案：（1）∞，∞，0，∞。

（2）负反馈，开环或加入正反馈。

（3）反相比例放大电路。

（4）同相比例放大电路。

（5）反相。

9-2．判断下列说法是否正确。

（1）运算电路中集成运放一般工作在线性区。

（）（2）反相比例运算电路输入电阻很大，输出电阻很小。

（）（3）虚短是指集成运放两个输入端短路。

（）（4）同相比例运算电路中集成运放的共模输入电压为零。

（）（5）单限比较器的抗干扰能力比迟滞比较器强。

（）（6）无源滤波电路带负载后滤波特性将发生变化。

（）（7）因为由集成运放组成的有源滤波电路往往引入深度电压负反馈，所以输出电阻趋于零。

（）(8)由于有源滤波电路带负载后滤波特性基本不变，即带负载能力强，所以可将其用作直流电源的滤波电路。

（）（9）无源滤波器不能用于信号处理。

（）（10）按照将积分运算电路置于集成运放的负反馈通路中就可实现微分运算的思路，将低通滤波电路置于集成运放的负反馈通路中就可实现高通滤波。

（）答案：（1）对；在运算电路中，为使集成运放工作在线性区，一定要引入负反馈，只有在引入深度负反馈的条件下，输出电压与输入电压运算关系才几乎仅仅决定于反馈网络和输入网络。

（2）错；反相运算电路输入电阻与反相输入端所接电阻大小有关。

（3）错；“虚短”的含义不是说两个端短路，而是指两个端电位近似相等。

（4）错；同相比例运算电路输入单端输入模式。

（5）错；迟滞比较器的抗干扰能力强于单限比较器。

（6）对；本题考查是否理解“有源”和“无源”滤波电路的特点。

有源滤波电路有其局限性，主要表现在：一是频率响应受组成它的晶体管、集成运放频率参数的限制。

运算放大器绪论运算放大器是电压控制型电压源模型，其增益（放大倍数）非常大。

运算放大器有5个端子、4个端口的有源器件。

其符号和内部结构如图1所示：图1 运算放大器模型和内部结构图图中电压VCC和VEE是由外部电源提供，通常决定运算放大器的输出电压等级。

符号“＋”和“—”分别表示同相和反相。

输入电压Vp和Vn以及输出电压Vo都是对地电压。

运算放大器的五个接线端构成了一个广义节点，如果电流按照图1所示定义，根据KCL （基尔霍夫电流定律）有如下公式：因此，为了保持电流平衡，我们必须将所有电流都包括进来，这是根据有源器件的定义得出的。

如果我们仅仅考虑输入和输出电流来列出KCL，则等式不成立，即：运算放大器的等效电路模型如图2所示。

电压Vi是输入电压Vp和Vn的差值即Vi＝Vp －Vn。

Ri是放大器的输入电阻，Ro是输出电阻。

放大参数A称为开环增益。

运算放大器的开环结构定义为：运算放大器的结构中不包括将输入和输出端连接起来的回路。

图2 运算放大器的等效电路模型如果输出端不接任何负载，输出电压为：该公式说明，输出电压Vo是与输入电压Vp和Vn之差的函数。

因此可以说该运算放大器是差值放大器。

大多数实际的运算放大器的开环放大倍数是非常大的。

例如，比较常用的741型运算放大器，它的放大倍数为200000Vo/Vi，甚至一些运算放大器的放大倍数达到108 Vo/Vi。

反映输入电压和输出电压关系的曲线称为电压传输特性，而且该曲线是放大器电路设计和分析的基础。

运算放大器的电压传输曲线如图3所示：图3 电压传输特性曲线注意：该曲线有2个变化区域，一个为在Vi＝0V附近时，输出电压和输入电压成正比例放大，称之为线性区域；另一个为Vo随Vi改变而不变的区域，称之为饱和区（或非线性区）。

可以通过设计让运算放大电路工作在上述的2个区域。

在线性区域Vo和Vi直线的斜率是非常大的，实际上，它与开环放大倍数A相等。

例如，741运算放大器正负电源电压为VCC=+10V，VEE=－10V，Vo的饱和值（最大输出电压）一般在±10 V，而当A＝200000 Vo/Vi 时，可以算出输入的电压非常小：10/200,000 = 50μV。

运算放大器1.运算放大器定义 (2)2.运算放大器工作状态 (2)3.运算放大器参数 (3)4.运算放大器分类 (10)5.运算放大器应用 (11)1.运算放大器定义运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出级与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。

运算放大器有4大分类：吸收电压并在输出端产生电压的电压放大器。

接收电流输入并产生电流输出的电流放大器。

将电压输入转换为电流输出的跨导放大器。

将电流输入转换为电压输出的跨阻放大器。

运算放大器的电路符号：2.运算放大器工作状态集成运放有两种工作状态：线性状态和非线性状态。

当给集成运算放大器加上负反馈电路时，工作在线性状态，如果给集成运算放大器加正反馈电路或当其在开环工作时，工作在非线性状态。

工作在线性状态的集成运放具有“虚短”与“虚断”的特点。

“虚短”：两个输入端的电压相等。

V p=V n开环电压放大倍数越大，两输入端的电位就越接近相等。

“虚断”：流入和流出输入端电流都为0，i p=i n=0集成运放具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端之间的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流很小，接近开路。

3.运算放大器参数1）输入阻抗和输入电容输入阻抗在正负输入端子之间测得，理想情况下，输入阻抗无穷大，使源负载尽可能小。

2）输出阻抗理想情况下，运算放大器的输出阻抗为零。

但实际上输出阻抗通常具有较小的值，这决定了它的电流驱动和电压缓冲能力。

输出端的内部等效小信号阻抗。

主要对容性负载的影响，负载电容越大，其过冲越大。

3）频率响应和带宽理想的运算放大器具有无穷大的带宽（BW），并且无论信号频率如何变化，都能保持高增益。

但实际上所有运算放大器都具有有限的带宽，通常称为“ -3dB”带宽，超过该带宽，放大器的增益以-20dB / decade 的速率随频率增加而下降。

运算放大器的应用1. 什么是运算放大器运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种集成电路，具有高增益、输入阻抗大、输出阻抗小的特点。

它是现代电子电路设计中最重要的模拟集成电路之一，广泛应用于各种电子设备和系统中。

运算放大器通常由差分级、电压放大级和输出级组成。

其输入具有正、负两个端口，输出为单端口，并提供了电源引脚。

它能够对输入信号进行放大、滤波、求和、积分、微分等运算，因此被称为运算放大器。

2. 运算放大器的基本原理运算放大器的基本原理是根据反馈原理进行不同运算。

在运算放大器的标准运算模式中，通常将负反馈应用于放大电路中，以提高放大器的稳定性和线性度。

运算放大器的负反馈电路将一部分输出信号通过反馈电阻或电容返回到放大器的输入端，从而减小放大器的增益。

根据反馈电路的选择和连接方式，运算放大器可以实现不同的功能，如比例放大、求和、积分、微分、滤波等。

3. 运算放大器的应用领域3.1 比例放大电路运算放大器广泛应用于比例放大电路中，可以将输入信号的幅值放大到所需的范围。

比例放大电路常用于测量、控制和通信系统中，如传感器信号放大、功率放大、电压放大等。

3.2 求和电路运算放大器可用于实现多个输入信号的求和功能。

通过将多个输入信号连接到运算放大器的反馈电阻上，可以将多个信号进行加和，得到它们的总和。

求和电路常用于音频混音、数据采集、测量等领域。

3.3 积分与微分电路运算放大器也可以实现信号的积分和微分。

通过将电容连接到运算放大器的输入端和反馈电容上，可以实现对信号的积分或微分运算。

积分与微分电路常用于信号处理、滤波、模拟计算等应用中。

3.4 滤波电路运算放大器可用于设计各种滤波电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。

滤波电路常用于信号处理、音频处理、功率放大等领域，可以对信号的频谱进行调整和改善。

3.5 控制电路运算放大器还可用于控制电路中。

通过将反馈信号与参考信号进行比较，可以实现控制电路的调节和反馈控制。

2012/5/201第九章模拟运算放大器低频差模增益混合信号系统中的一个完整部分。

大量的具有单位增益带宽运放的性能参数（1）1.差模开环增益Ad：运放工作于线性区时，其输出电压与差模输入电压之比，常用分贝dB表示。

2.开环带宽BW（小信号带宽）：开环增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）时所对应的信号频率。

也称f3dB 带宽。

3.全功率带宽BWP（大信号带宽）：运放跟随器连接时，当输入正弦大信号后，在额定负载、一定的失真条件下，运放输出电压幅度达到最大时所对应信号频率。

2012/5/2032012/5/204运放的性能参数（3）4.输出峰-峰电压V opp (输出摆幅)：指在特定负载条件下, 运放能输出的最大电压幅度, 即输出摆幅。

5.线性：运放开环有很大的非线性，全差动运放可以减小非线性，负反馈也可以减小非线性，开环增益越大，负反馈后带来的非线性就越小。

6.等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。

普通运放该值约为10～20uV运放的性能参数（7.输入失调电压V：在运放零输入时为使输出为零需在输入os端所加的直流电压。

通常以2012/5/206单级运算放大器第四章中的差分对就是单级运算放大器，图(a)、(b)分别是单端和双端输出形式，从前面学过的知识可知，两种结构的小信号增益相同，但因(a)比(b)多一个“镜像”极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于(b)的静态工作点不能“目测”，故还需共模反馈电路才能正常工作。

这种接法也称为跟随器连接方式+V≤V≤V-|V|+V S1o n I S S i n C M D D G S3T H1A=g(r//r)V0N0Pm1(2)2012/5/208“套筒式”共源共栅(Cascode)运放+o u t X T H 2b G S 4T H 2V ≤V +V =V -V V M 2饱和要求：o u t b T H 4V ≥V -V M 4饱和要求：输出电压范围注意：因V b 的限制，共模输入电压范围也很窄2012/5/2010利用自举电路扩展共模和输出电压范围b p 虚框内电路构成自举电路：当V incM -®V P -，因M 9流过的电流恒定，故V b ＝V GS9+V R +V P -，即V b 跟随输入共模电压的升高而“自举”提高，从而扩展了共模输入电压范围，同时也扩展了该电路接成跟随器时的输出电压范围。

运算放大器工作原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种重要的电子器件，它在现代电子电路中有着广泛的应用。

运算放大器的工作原理是基于差分放大器的基础上进行改进和优化，使得它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等优良特性。

本文将从运算放大器的基本原理、内部结构、工作特性以及应用领域等方面进行详细介绍。

一、基本原理运算放大器是一种差动放大器，它由多个晶体管、电阻、电容等元件组成。

在运算放大器的内部，有两个输入端和一个输出端。

其中一个输入端称为非反相输入端（+），另一个输入端称为反相输入端（-）。

运算放大器的输出端输出的是输入信号的放大值，其放大倍数由运算放大器的增益决定。

运算放大器的工作原理可以用简单的电路模型来描述。

在理想情况下，运算放大器的增益是无穷大的，输入阻抗是无穷大的，输出阻抗是零。

这意味着运算放大器可以放大微小的输入信号，并且不会对输入信号产生影响，同时输出的电压可以根据输入信号的大小进行线性放大。

二、内部结构运算放大器的内部结构非常复杂，一般由多个晶体管、电阻、电容等元件组成。

其中最核心的部分是差分放大器。

差分放大器由两个晶体管和若干电阻组成，它的作用是将输入信号进行放大，并将放大后的信号送入后级放大器进行进一步放大。

在运算放大器的内部，还有许多其他的电路，如反馈电路、偏置电路等，它们都起着至关重要的作用。

三、工作特性运算放大器具有许多优良的工作特性，这些特性使得它在电子电路中有着广泛的应用。

首先，运算放大器具有高增益。

在理想情况下，运算放大器的增益是无穷大，这意味着它可以对微小的输入信号进行高度放大。

其次，运算放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗。

这使得它可以接受各种不同的输入信号，并且可以驱动各种不同的负载。

此外，运算放大器还具有良好的线性特性、宽带宽等特点。

四、应用领域由于其优良的工作特性，运算放大器在电子电路中有着广泛的应用。

它可以用于信号放大、滤波、比较、积分、微分等各种电路中。

《运算放大器》PPT 课件目录CONTENTS•运算放大器概述•运算放大器的工作原理•运算放大器的应用•运算放大器的选择与使用•运算放大器的性能指标•运算放大器的设计实例01运算放大器概述0102运算放大器的定义它能够实现加、减、乘、除等基本算术运算，因此得名“运算放大器”。

运算放大器（简称运放）是一种具有高放大倍数的电路单元，其输出信号与输入信号之间存在一定的数学关系。

运算放大器的开环放大倍数极高，一般在10^4~10^6之间。

高放大倍数运算放大器的输入阻抗很大，使得它对信号源的影响很小。

输入阻抗高运算放大器的输出阻抗很小，使得它对负载的影响也很小。

输出阻抗低运算放大器对共模信号的抑制能力很强，能够有效地抑制温漂和干扰信号。

共模抑制比高运算放大器的基本特点可以分为通用型、高精度型、高速型、低功耗型等。

按性能指标分类按电路结构分类按工作原理分类可以分为分立元件型和集成电路型。

可以分为线性运放和开关电容型运放。

030201运算放大器的分类02运算放大器的工作原理1 2 3差分输入是指运算放大器使用两个输入信号的差值作为输入，以实现更高的精度和抑制噪声。

差分输入电路可以消除共模信号，只对差模信号进行放大，从而提高信号的信噪比。

差分输入电路的对称性和平衡性对放大器的性能有重要影响，因此需要精心设计和选择合适的元件。

差分输入放大倍数01放大倍数是运算放大器的重要参数，表示输出电压与输入电压的比值。

02运算放大器的放大倍数很高，通常在100dB以上，即放大10万倍以上。

03放大倍数可以通过外接电阻和电容进行调节，以满足不同的应用需求。

输出电压与输入电压的关系01输出电压与输入电压的关系是运算放大器的基本工作特性之一。

02当输入电压变化时，输出电压会相应地变化，以保持放大倍数恒定。

03输出电压与输入电压的关系是非线性的，但在一定的线性范围内，可以近似认为放大倍数是恒定的。

非线性范围是指输入电压超过一定范围时，输出电压与输入电压不再成正比关系，放大倍数发生变化。

19 运算放大器19.1 预备知识运算放大器因具有高增益、宽频带、高输入电阻、低输出电阻、高共模抑制比等优良品质，而得到广泛应用。

1．工作电源图19-1示出的是运算放大器的图形符号，±U 表示该器件正常工作的双工作电源，常见的有直流±9V ，±12V ，±15V 等。

2．输出电压的极限及线性放大区运算放大器可以放大直流信号，并可获得正、负两个极性的输出电压。

但由于其工作电源的电压取值有限，输出电压不可能无限制的增加，一般来讲，它的上、下极限电压略低或略高于工作电源电压。

例如µA741型运算放大器，其电源电压为±12V ，则输出电压的上限值约为10V （低于12V ），下限制约为－10V （高于－12V ）。

至于输出电压上下极限的确切取值，可用实验办法获得。

由于运算放大器的高增益特点，其输出对输入的线性放大区是非常有限的。

以µA741为例，它的直流电压增益达到105以上，设其输出极限电压为±10V ，电压增益o A =105，根据iU U A oo =容易推知 mV 1.010105oM iM ===o A U U 也就是说，该系列的运算放大器最多只能对（-0.1 mV ,+ 0.1mV ）范围以内的输入信号进行线性放大：mV 1.0 , i i <⋅=u u A u o o3．简单的非线性应用一个运算放大器组件可以直接用作鉴定两个模拟信号的大小（参见图19-2），这时分别接到运放输入端的两个信号1u 和2u 只要略有差异mV 1.0i 12≥=-u u u ,极高的增益就会使输出电压达到极限。

如果在其输出端外接适当的稳压管或稳压管组合，则可将输出电压控制在希望的数值上。

容易看出，比较器的输出与输入之间不具有线性关系，因此模拟信号比较器属于运算放大器的非线性应用范畴。

1u 2u 0u +U-Uu ou i+-+A 0图19-1 运算器图形符号⎩⎨⎧<>='12omin12omax ou u U u u U u ⎪⎩⎪⎨⎧='-='=min o omax o oZo V7.0U u U u Uu在运算放大器的非线性应用中，人们总是希望进一步缩小它的线性工作范围，于是出现了带有正反馈的运算放大器应用电路，例如滞迟比较器等。

运算放大器的工作原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种用于放大电压信号的集成电路。

它通常被用于各种电子设备中，如放大器、滤波器、比较器等。

运算放大器的工作原理是通过放大输入信号并输出一个放大后的信号，同时还具有一些特殊的性质，如高输入阻抗、低输出阻抗、大增益等。

在本文中，我们将详细介绍运算放大器的工作原理及其应用。

首先，让我们来了解一下运算放大器的基本结构。

一个典型的运算放大器通常由一个差分输入级、一个级联的电压放大器和一个输出级组成。

差分输入级通常由两个输入端和一个差动放大器组成，用于将输入信号进行放大。

电压放大器用于进一步放大信号，并控制放大倍数。

输出级则用于将放大后的信号输出到外部电路中。

运算放大器的工作原理基于反馈机制。

通过将一部分输出信号反馈到输入端，可以控制放大器的增益和性能。

负反馈可以使运算放大器的增益更加稳定，并且可以控制输出信号的精确度。

正反馈则可以用于产生振荡或者比较器等特殊应用。

运算放大器的工作原理可以用一个简单的数学模型来描述。

假设一个运算放大器的输入电压为Vin，输出电压为Vout，放大倍数为A，则有以下关系：Vout = A * (Vin+ - Vin-)其中Vin+和Vin-分别代表运算放大器的正输入端和负输入端的电压。

根据这个数学模型，我们可以看出，当Vin+大于Vin-时，输出电压Vout为正值；当Vin+小于Vin-时，输出电压Vout为负值。

这就是运算放大器的基本工作原理。

在实际应用中，运算放大器可以用于各种电子电路中。

比如，它可以被用作信号放大器，将微弱的信号放大到可以被测量或者控制的范围内。

它也可以被用作比较器，用于比较两个信号的大小。

此外，运算放大器还可以被用作滤波器，通过控制输入信号的频率来实现滤波效果。

总之，运算放大器是一种非常重要的电子器件，它的工作原理基于反馈机制，并且可以被用于各种电子电路中。

通过控制输入信号和反馈信号，可以实现对输出信号的精确控制。