电工学第十章集成运算放大器

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电工学第十章集成运算放大器及其应用

第十章集成运算放大器及其应用
10-1 概述
10-2
10-3 10-4 10-5
集成运放的主要参数和特性
具有负反馈的集成运算放大电路集成运放的线性应用集成运放的非线性应用
10-6 使用集成运放时应注意的几个问题本章小结
10-1 概述
分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。
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，组成一个不可分的整体。
当
u u 时， uO UOM u u uO UOM
不存在 “虚短”现象
10-3 具有负反馈的集成运算放大电路
一、反馈的基本概念二、集成运放的基本负反馈放大电路三、负反馈对放大电路性能的改善
一、反馈的基本概念
反馈 : 将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路，以改善放大电路的某些性能。信号的两种流向正向传输：输入输出 — 开环反向传输：输出输入
理想运放传输特性
2. 分析集成运放应用电路的基本准则由于 AO ,而uo是有限值, 故从式 uO A0ui A0 (u u ) ,可知 (u u ) 0 相当于两输入端之间短路, 但又未真正短路，故称 “虚短”
(1) u+= u– （虚短）
(2) 输入电流约等于 0
集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。集成运算放大器：具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。
输入端
输入级
中间级
输出级
输出端
集成运算放大器的组成框图
输入级：差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。

电工学集成运算放大器2讲课文档

导电类型：双极型、单极型
兼容型
信号类型：数字、模拟、混合优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高
模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成数模转
换电路
第三页，共51页。
16.1.1 集成运算放大器的特点
1. 尽量避免使用电容。 2. 输入级采用差动放大电路。
3. 电阻值大致为100Ω～ 30kΩ。
1、最大输出电压UOPP—能使输出电压与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—没有外接反馈时所测出的差模
电压放大倍数。
3、输入失调电压Uio—为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成，如前所述）
第八页，共51页。
4、输入失调电流Ii—当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。
饱和区：
uo≠Auo(u+-u-)
当u+ >u- 时,uo=＋uo(sat) 当u+ <u- 时,uo=－uo(sat)
但两输入端的输入电流仍为零。
第十三页，共51页。
+Uo(sat)
实际特性饱和区
饱和区
o -Uo(sat)
u+ - u-
P99例16.1.1
线性区
16.2 运放在信号运算方面的应用
工作点。
第五页，共51页。
在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最容易。
出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。
运放举例：LM741

第十章集成运算放大电路(简明电工学版)

集成运算放大电路
差分放大电路
• 两个特性相同的三极管T1 RC RC 和T2组成 uo - + T2 +u • 左右两边的集电极电阻R T1 ui1 + C - i2 阻值相等 RE • RE是两边发射极公共电阻 -UEE 基本差分放大电路 • 该电路采用双电源供电，信号分别从两个基极与地之间输入，从两个集电极之间输出。
u-
+
∞
+ uo
u+
解：由式uo=Auo（u+-u-）得： u+-u-= uo / Auo =±13V /2×105=±65μV 可见，只要两个输入端之间的电压绝对值超过65μV，输出电压就达到正或负的饱和值：（1）uo=2×105（15+10）×10-6V=+5V （2）uo=2×105（-5-10）×10-6V=-3V （3）uo=-13V （4）uo=+13V
为了使运算放大器工作在线性区，通常外接反馈电路将输出的一部分接回（反馈）到输入中去，这种工作状态称为“闭环运行”。
运算放大器分析 • 运算放大器反相输入端标“-”号，同相输入端和输出端标“+”号。它们对地的电压分别用u-、 u+、uo表示。 • 当运算放大器的输出信号uo和输入差值信号（u+-u-）是线性关系时，即uo=Auo（u+-u-）。运算放大器对输入信号源来说，相当于一个等效电阻，此等效电阻即为运算放大器的输入电阻rid；对输出端负载来说，运算放大器可以视为一个电压源。
R1－输入电阻 Rf－反馈电阻 R2－平衡电阻 R2= R1// R1
反相输入运算关系
if
Rf
ui
R u0 = – —f Af = — u i R1

电工学II——集成运放电路(10章)

结论：
(1) Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。
(2) Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关, 与运算放大器本身参数无关。 (3) | Auf | 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”。 (5) 输入电阻 ri = R1；输出电阻ro=0.
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
+ ui – R1 R2 – +
D
解：1. Auf = – RF R1
+
+ uo –
= –50 10 = –5 R2 = R1 RF
uo=(VC1+DVC1)-(VC2+DVC2)=0 注意：单端输出，无法抑制零点漂移
动态分析 1.共模信号 u11=u12 大小相等、极性相同输出电压恒为零（不具备放大能力）
u11 + 差分放大原理电路 R2
+UCC
R1 RC + T1 RC uo T2 R1 + R2 u 12 -
2.差模信号
输出端与运放电路反相输入端的关系
平衡电阻 R2 = R1 // RF
输入电压加在了同相输入端，输出电压对地为正
输出电压作用到该连接地的电路上，在R1右端产生电压u-，构成电压串联负反馈
uo RF Auf =1+ ui R1
uo RF 同相比例运算放大系数 Auf =1+ ui R1

集成运算放大器及其基本应用电路PPT课件

三运放电路
ui1 +
A+
–
ui2
A+ +
uo1
R
R1
a
RW b
R
R1
uo2
第21页/共48页
R2
–
uo
A+
+
R2
ui1 +
A+
–
ui2
A+ +
虚短路：
uo1
ua ui1 ub ui2
R 虚开路：
a
uo1 uo2 ua ub
RW
2R RW RW
b
ui1 ui2
R
RW
uo2 uo2 uo1
第3页/共48页
5. 传输特性（差放特性） (1)静态
vID=0 ； vO=0
零入零出
v0 v0H 正向饱和区
(2)放大区（线性区）窄！
0
vP－v N
线性应用
VOL/AVD<VID<VOH/AVD
(3)限幅区
负向饱和区 v0L
线性区
VOH 正向饱和
vo= VOL 负向饱和
非线性应用
第4页/共48页
(2) 全功率带宽BWP
。定义: 是在额定负载和全功率输出（Vom）时最大不失真频率
dvO (t) dt
max ω Vom
ω Vom SR
第29页/共48页
ω SR /Vom
BWP
SR
2π Vom
4.1.1 集成运放的主要直流和低频参数 (自学)
4.1.1.1 输入失调电压VIO
集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压称为输入失调电压VIO

电工电子技术课程集成运算放大器及其应用PPT课件

R2
输入电阻—— ri=R1
u f uo 为保证一定的输入电阻，
当放大倍数大时，需增大
共模电压为零
u u 0 2
R2，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。
第26页/共69页
比例运算
• 同向比例运算
i i 0 u u
if Rf
i1 R1
ui
R2
u f uo
uo
(1
4. 最大共模输入电压Uicmax
Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。
5. 差模输入电阻rid
rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。rid越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。
6. 输出电阻ro
RE5
T9 T11
RC4
第1级：差动放大器第3级：单管放大器
差动放大器
-UEE
第11页第/共46级9页：互补对称射极跟随器
集成运算放大器的特点
• 为满足运算精度的要求，理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大。零点漂移小。
• 差模输入电阻很高，一般在105～1011范围，如果用MOS集成电路，输入级的输入电阻高达 1011以上。
Rf ) R1
if
if Rf
i1 R1
ui
R2
u f uo
ui
R2
u f uo
Auf
uo ui
(1
0 ) 1 Auf
R1 第28页/共69页
uo ui
(1
Rf ) 1
加法运算
反向加法
i i 0 u u

集成运算放大器的基础知识图解课件

选择合适的集成运算放大器
01
02
03
04
根据应用需求选择合适的类型和规格。
考虑集成运算放大器的性能参数，如带宽增益积、精度、噪
声等。
考虑集成运算放大器的功耗和散热性能。
考虑集成运算放大器的封装形式和引脚排列，以便于电路设
计和连接。
05 集成运算放大器的常见应用电路
反相比例运算电路
总结词
02 集成运算放大器的基本结构与工作原理
差分输入级
差分输入级是集成运算放大器的核心部分，负责将差分输入信号转换为单端输出信号。
它通常由两个对称的晶体管组成，能够有效地抑制温漂和减小噪声干扰。
差分输入级的作用是提高放大器的输入电阻和共模抑制比，从而提高信号的信噪比。
电压放大级
电压放大级是集成运算放大器中用于放大输入信号的级，通常由
微分电路
总结词
微分电路是一种将输入信号进行微分运算的电路，通常用于测量变化快速的物理量。
详细描述
在微分电路中，输入信号通过电阻R1和电容C加到集成运算放大器的反相输入端，输出信号通过反馈电阻RF反馈到反相输入端。由于电容C的充电和放电过程，输出信号与输入信号的时间导数成正比，从而实现微分运算。微分电路常用于测量流量、振动等变化快速的物理量。
06 集成运算放大器的使用注意事项与故障排除
使用注意事项
避免电源电压过高或过低
集成运算放大器的正常工作电压范围有限，过高或过低的电压可能导致器件损坏。
输入信号幅度控制
输入信号幅度过大可能导致集成运算放大器过载，影响性能甚至损坏器件。
避免直流偏置
直流偏置可能导致集成运算放大器性能下降，甚至无法正常工作。

电工学课件集成运算放大器演示文稿

线性区： uo=Auo(u+-u-)
分析
两rid输→入∞端，的故输
入电流为零。
虚断
依据
Auo→∞ ，uo为有限值，
故 u+-u-=uo/Auo≈0
即 u+ ≈ u-
饱和区
o -Uo(sat)
线性区
虚短
u+ - u-
当有信号输入时，如同相端接地，即u+=0 则 u- ≈ 0
虚地
饱和区：
uo≠Auo(u+-u-) 当u+ >u- 时,uo=＋uo(sat) 当u+ <u- 时,uo=－uo(sat)
模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成数模转换电路
16.1.1 集成运算放大器的特点
1. 尽量避免使用电容。 2. 输入级采用差动放大电路。 3. 电阻值大致为100Ω～ 30kΩ。 4. 二极管都采用三极管构成。
16.1.2 电路的简单说明
一、运放构成
输入端输入级
下面的问题是从输出端将反
馈引到同相端还是反相端？
Z
答案是：引回到反相端
16.2.1 比例运算
i1
Ru1 -
if
-
∞Rf - ∞+
uo
1、反相输入
Rf —反馈电阻；
ui
u+ +
+
+
R2
uo
R2 —平衡电阻，用于消除
静态基极电流对输出电压的影
响。 R2= R1∥Rf 由KCL、KVL和运放工作在线性区的分析依据：
右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。

浙江工业大学现代电工学课件10集成运算放大器

判断是串联还是并联反馈？
输入端：反馈信号以电压形式出现, ui 与 uf 相比较,
ud= ui – uf, 串联反馈．(输入反馈不同端，一般来说是串联）
判断是正反馈还是负反馈？
反馈类型的判别 ——瞬时极性法
Rf
首先设输入电压的极性在某一瞬时对地为正；
然后确定电路其余各点的瞬时极性；
_ uf +
本例为电流并联负反馈电路
if
i + uL R3
负反馈类型的分析方法小结
1. 串并规律看输入
输入反馈不同端，一般来说是串联 uf 输入反馈相同端，一般来说是并联 if
2. 电压电流看输出
uf (if) 直接与uo成正比，电压反馈
uf (if) 直接与io 成正比，电流反馈
3. 正负规律看瞬时根据瞬时极性法，若净输入增加，则为正反馈; 若净输
3. 电流串联负反馈
uL
ui +
ud
+
A0
uf ui – uf
F
io – uf+
u Ｒ1
–
d
+
u+
–i
Ｒ2
ＲL
AO
i0
u0
在输出端， uf与 io成正比，为电流反馈；在输入端,信号以电压形式出现,uf与ui相比较,为串联反馈；
净输入信号 ud= ui – uf < ui ，为负反馈。
4.电流并联负反馈
1) 输入电阻低
4．最大输出电压UOM 额定负载标称电源电压，不明显失真的最大
电压，称为最大输出电压 (略小于电源电压，如 ±13V）。
5．输入失调电压Uio 为使输出电压为零，在输入端加一个补偿电压，

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Δ
o
+ uo － R
u
4、电流并联负反馈
①设输入信号ui（ii）瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，流经RF，反馈信号瞬时极性为负，即反馈信号削
i if R i ii i u
f 1 i d i
RF
－ +
∞
+ io
Δ
Rp

弱了输入信号的作用，故为负反馈。
1. 提高了放大倍数的稳定性 | Ao | | Af | = 1＋| F || Ao | d | Af | d | Ao | 1 = | Af | | Ao | 1＋| F || Ao | d | Af | d | Ao | ＜ | Af | | Ao | >1
若为深度负反馈, | F || Ao | >> 1 d | Af | d | Ao | << | Af | | Ao | 故放大倍数的稳定性提高了。
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集成电路:
将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。
集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。按集成度分集成电路分类：小规模(10~100元件/片)SSI 中规模(100~1000元件/片)MSI 大规模(1000~10万元件/片)LSI 超大规模(>10万元件/片)VLSI
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ⅲ 判别串、并联反馈：若输入信号与反馈信号进行电压的比较ud=ui－uf ，为串联反馈。若进行电流的比较id=ii－if ，并联反馈。（若反馈信号和输入信号加入集成运放不同的输入端，为串联反馈，反之为并联反馈。） ⅳ 判别电压、电流反馈：将放大电路的输出端交流短路（即令uo=0 ），若
一、理想化条件
开环电压放大倍数：Ao→∞ 开环输入电阻：ri→∞ 开环输出电阻：ro→0 共模抑制比：KCMR →∞
u－ u＋－－ uD ＋＋ ∞
＋
uO
理想运放的符号
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二、理想运放的特性
1. 工作在饱和区时的特点不加反馈时，稍有 uD 即进入饱和区。 (1) 当 u＋＞u－时，即 uD > 0
RL R
+ uo －
②输入信号ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而反馈信号if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。 ③将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但输出电流io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。
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第十章集成运算放大器
本章要求：
1、了解集成运放的相关概念
2、理解和应用集成运放器件
3、掌握集成运放应用电路的分析方法
4、了解反馈相关知识
10.1 集成电路
1959年第一块集成电路在得克萨斯仪器公司（TI）面世，
开创了电子器件与电路（系统）新篇章，在一小块半导体单晶
上，制成多个二极管、晶体管（场效应管）、电阻、电容等元器件，并将它们连接成能够完成一定功能的电子线路。
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四、集成运放的电压传输特性曲线
uO= f(uD) 线性区 uO = Ao uD = Ao ( u＋－u－) 饱和区正饱和电压： uO =＋UOM≈＋UCC 负饱和电压： uO =－UOM≈－UEE
u－－－ uD u＋＋＋
Ao
＋ uO
正饱和区
uO
+UOM O
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二、集成运放芯片
已经不用外形正在使用
三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装
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符号 u-
u-
国际符号
u+
－
Ao ＋

＋
uo
uo
u+
u－－ u+ ＋
uo
u+ u- u0 均为对地电压
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三、负反馈对放大电路性能的影响
XD = XI－XF xI xD xO Ao Xo Xo | Af | = = XD＋XF XI xF F Xo/ XD = 反馈示意图 1＋XF/ XD Xo/ XD | Af | < | Ao | = 1 XF Xo | Af | ≈ 1＋ |F| Xo XD 当|F ||Ao |1， | Ao | | Af | = 称为深度负反馈 1＋| F || Ao | 引入负反馈后，电压放大倍数降低。总目录章目录返回上一页下一页
∞
+
i
RL + uf f －
②将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但输出电流io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。
③输入信号ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而反馈信号uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。
uO
+UOM
uO = ＋UOM≈＋UCC
(2) 当 u＋＜u－时，即 uD < 0 uO =－UOM≈－UEE
O －UOM uD
理想运算放大器的电压传输特性
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2. 工作在线性区时的特点 (1) Ao→∞ uO uD = 反馈电路 Ao = 0 u＋ = u－ ∞ － uO 故称为虚短路，虚短。 u－ iD ＋ u＋＋ (2) ri→∞ uD 引入负反馈后的理想运放 iD = r = 0 i 故称为虚开路，虚断。 (3) ro→0 uOL= uOC 即输出电压不受负载的影响。
三、集成运放的组成
由多级共射极电路构成，目的是获得较高的电压放大倍数（1-100万倍）。
输入级
中间级偏置电路
输出级
采用互补对称放由差分放大电路构成，大电路和共集放大减小零点漂移，抑制干扰，提高输入阻抗ri 由各种恒流源电路构成，为上述各电路，ro 很小(几 (100-1000KΩ) 。级电路提供稳定、合适的偏置电流，十-几百欧)，带负载能力很强。决定各级的静态工作点。
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Δ
RF
ui

Rp
+ + ud －－ + uf －
∞
+ uo
Δ
R1
RF
解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经 RF 返送回反相输入端，反馈信号 uf 的瞬时极性为正，净输入信号 ud 与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。
u u
i
Rp
i
u uf
f
+
－
+ + ud －－
∞
+

Δ
uo
R1
RF
②输入信号ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而反馈信号uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。 ③将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电压uf=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。
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2、电压并联负反馈
①设输入信号ui（ii）瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，流经RF，反馈信号瞬 ui 时极性为负，即反馈信号削
R iii
1 i
iif
f
RF
id
－ +
∞
+
Δ
Rp
u
o
弱了输入信号的作用，故为负反馈。
②输入信号ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而反馈信号if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。 ③将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电流if=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。
1、反馈的类型 ⅰ 电压反馈与电流反馈
按反馈电路在放大电路输出端所采样的信号不同，分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，为电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，为电流反馈。
ud
ui uf
A=uo/ud F=uf /uo
uo ui
ud
uf
A=io/ud F=uf /io
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输入信号 xI
净输入信号放大电路 Ao xD 反馈信号反馈电路 xF F 反馈示意图
输出信号 xO
xO 开环放大倍数： Ao = xD xO 闭环放大倍数： Af = xI
xF 反馈系数： F = xO
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根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两大类型。
如果反馈信号与输入信号作用相同，使净输入信号Xd增加，
则称此反馈为正反馈;输出将越来越大，因此放大电路将出现不稳定，在放大电路中，不希望出现正反馈。
如果反馈信号与输入信号作用相反，使净输入信号Xd减小，
则称此反馈为负反馈，输出将稳定在某一值。
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二负反馈的类型及判别
iC UCC /RC
t
IC O
有负反馈时
t
4. 稳定了输出电压或输出电流
电压负反馈稳定输出电压。电流负反馈稳定输出电流。
5. 改变了输入电阻或输出电阻
串联反馈使输入电阻增加。
并联反馈使输入电阻减小。电压负反馈使输出电阻减小。电流负反馈使输出电阻增加。

电工学第十章集成运算放大器

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