运放原理图

产品特性● 低功耗● 宽共模（最高为V CC +）、差模电压范围 ● 低输入偏置和失调电流 ● 输出短路保护● 高输入阻抗JFET 输入级 ● 内部频率补偿 ● 无闩锁 ● 高转换速率产品概述该电路为高速JFET 输入双通道运算放大器，单片集成了高匹配、高压JFET 和双极型晶体管。

该器件的特点有高转换速率、低输入偏置和失调电流、低失调电压漂移。

引脚描述（1）金属圆8线 （2）陶瓷双列8线图1 LF353引出端排列（俯视图）电原理图图2 电原理图电参数表表1. LF353电特性，若无其他说明，工作温度为-55℃~+125℃，V CC=±15V。

注1：输入偏置电流是结漏电流，结温每增加10℃，电流值约增加一倍。

绝对最大额定值表2 绝对最大额定值注1：除差模电压外，其他所有电压都是相对于零参考电压（地），即V CC和V CC的中间值。

注2：输入电压的幅度不得超过电源电压和15V二者的较低值。

注3：差分电压是指正相输入端相与反相输入端的电压差。

注4：短路会导致过热和破坏性损耗，各数值为典型值。

注5：输出可能会短路到地或者任一电源，温度或电源电压必须有所限制以保证耗散值不会过大。

应用手册●电压跟随器图3 电压跟随器电路●增益为10的反相放大器图4 增益为10的反相放大器电路封装信息器件采用8引线D型封装和8引线T型封装。

D型封装外形尺寸按GB/T 7092-1993的规定，未注公差的尺寸按GB/T 1804-2000执行，外形尺寸如图5和表3所示。

T型封装外形尺寸按图6和表4的规定。

图5 D型（D08S2）陶瓷双列8线表3 D型（D08S2）封装外形尺寸图6 T型（T08A4）金属圆8线。

运算放大器的原理、特点及简单应用10021187 何堃熙一、运算放大器简介：运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

二、运算放大器的原理运放如图有两个输入端a（反相输入端），b(同相输入端)和一个输出端o。

也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。

当电压U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。

)之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U 实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。

当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。

为了区别起见，a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。

电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。

反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。

对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。

采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。

经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。

这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。

运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如100dB，即100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。

运算放大器基本原理及应用一． 原理(一） 运算放大器1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件;当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时;可以灵活地实现各种特定的函数关系..在线性应用方面;可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路..运算放大器一般由4个部分组成;偏置电路;输入级;中间级;输出级..图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线;一般用到的只是曲线中的线性部分..如图2所示..U -对应的端子为“-”;当输入U -单独加于该端子时;输出电压与输入电压U -反相;故称它为反相输入端..U +对应的端子为“＋”;当输入U +单独由该端加入时;输出电压与U +同相;故称它为同相输入端..输出：U 0= AU +-U - ； A 称为运算放大器的开环增益开环电压放大倍数.. 在实际运用经常将运放理想化;这是由于一般说来;运放的输入电阻很大;开环增益也很大;输出电阻很小;可以将之视为理想化的;这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数..2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud U +－U －;由于A ud =∞;而U O 为有限值;因此;U +－U －≈0..即U +≈U －;称为“虚短”..由于r i =∞;故流进运放两个输入端的电流可视为零;即I IB ＝0;称为“虚断”;这说明运放对其前级吸取电流极小..上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则;可简化运放电路的计算.. 3. 运算放大器的应用 1比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路;比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路.. a 反向比例电路反向比例电路如图3所示;输入信号加入反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放;该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：为了减小输入级偏置电流引起的运算误差;在同相输入端应接入平衡电阻R ’＝R 1 // R F ..输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系;方向相反;改变比例系数;即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值..反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求.. b 同向比例电路同向比例电路如图4所示;跟反向比例电路本质上差不多;除了同向接地的一段是反向输入端:图4 同相比例电路电路图它的输出电压与输入电压之间的关系为：； R’＝R 1 // R F只要改变比例系数就能改变输出电压;且U i 与U 0的方向相同;同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高.. c 差动比例电路差动比例电路如图5所示;输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:图5 差动比例电路电路图其输入和输出的关系为：i1f O U R R U -=i1fO )U R R (1U +=可以看出它实际完成的是：对输入两信号的差运算.. 2和/差电路 a 反相求和电路其电路图如图6所示输入端的个数可根据需要进行调整:图6 反相求和电路图其中电阻R'满足：它的输出电压与输入电压的关系为：它的特点与反相比例电路相同;可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻;来改变电路的比例关系;而不影响其它支路的比例关系.. b 同相求和电路其电路如图7所示输入端的个数可根据需要进行调整:图7 同向求和电路图它的输出电压与输入电压的关系为：它的调节不如反相求和电路;而且它的共模输入信号大;因此它的应用不很广泛.. c 和差电路其电路图如图8所示;此电路的功能是对U i1、U i2进行反相求和;对U i3、U i4进行同相求和;然后进行的叠加即得和差结果..图8 和差电路图它的输入输出电压的关系是：由于该电路用一只集成运放;它的电阻计算和电路调整均不方便;因此我们常用二级集成运放组成和差电路..它的电路图如图9所示:图9 二级集成和差电路图它的输入输出电压的关系是：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=22114433f 0R U R U R U R U R U i i i i它的后级对前级没有影响采用理想的集成运放;它的计算十分方便.. 3 积分电路和微分电路 a 积分电路其电路图如图10所示：它是利用电容的充放电来实现积分运算;可实现积分运算及产生三角波形等..图10 积分电路图它的输入、输出电压的关系为：其中: 表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方形;则产生三角波形输出.. b 微分电路微分是积分的逆运算;它的输出电压与输入电压呈微分关系..电路如图11所示:图11 微分电路图R u -=0它的输入、输出电压的关系为： 4 对数和指数运算电路 a 对数运算电路对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数..我们把反相比例电路中Rf 用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路..电路图如图12所示：图12 对数运算电路它的输入、输出电压的关系为也可以用三级管代替二极管: b 指数运算电路指数运算电路是对数运算的逆运算;将指数运算电路的二极管三级管与电阻R 对换即可..电路图如13所示:图13 指数运算电路它的输入、输出电压的关系为： 利用对数和指数运算以及比例;和差运算电路;可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路..二无源滤波电路0101=+-=⎰t c t t i u dt u RC u r iu u S I u Re 0-=滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过..滤波电路的分类：低通滤波器：允许低频率的信号通过;将高频信号衰减； 高通滤波器：允许高频信号通过;将低频信号衰减；带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过;将此频带外的信号衰减； 带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过;允许此频带以外的信号衰减；仅由无源元件电阻、电容、电感组成的滤波电路;为无源滤波电路..它有很大的缺陷如：电路小;能力差等..为此我们要学习有源滤波电路.. 三有源滤波电路有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路;可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面..但因受运算放大器频带限制;这种滤波器主要用于低频范围..1一阶有源低通滤波器其电路如图14-a 所示;它是由一级RC 低通电路的输出再接上一个同相输入比例放大器构成; 幅频特性如图14-b 所示; 通带以外以dB 20-/十倍频衰减:图14-a 一阶有源低通滤波电路 图14-b 一阶有源低通幅频特性该电路的传递函数为: 式中RC 10=ω称为截止角频率;传递函数的模为2)(1)(o vo v A j A ωωω+=幅角为00arctg ωωϕ-=)(.. 2二阶有源滤波电路为了使输出电压以更快的速率下降;以改善滤波效果;再加一节RC 低通滤波环节;称为二阶有源滤波电路..它比一阶低通滤波器的滤波效果更好..二阶有源滤波器的典型结构如图15所示：图15 二阶有源滤波器典型结构 图中;Y 1～Y 5为导纳;考虑到U P ＝U N ;可列出相应的节点方程式为： 在节点A 有： 在节点B 有： 联立以上二等式得：考虑到： 则：AS 即是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式..只要适当选择Y i i ＝1～5;就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器..)(ba aO N P R R R U U U +=≈。

集成运放的电路组成及其各部分的作用
集成运放是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路，由四部分组成：输入级、中间级、输出级和偏置电路，原理框图如图1所示。

它有两个输入端，一个输出端，如图中所标up 、un、uo。

均以“地”为公共端。

图1 集成运放原理框图1、输入级
输入级往往是一个高性能的双端输入差动放大电路。

一般要求其输入电阻高，差模电压放大倍数大，抑制共模信号的力量强，静态电流小。

输入级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如输入电阻、共模抑制比等。

2、中间级
中间级的作用是使集成运放具有较强的放大力量，多采纳共射（或共源）放大电路。

而且为了提高电压放大倍数，常常采纳复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。

其电压放大倍数可以达到千倍以上。

3、输出级
输出级应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载力量强）、非线性失真小等特点。

集成运放的输出级多采纳互补对称功率放大电路。

4、偏置电路
偏置电路用于设置集成运放内部各级电路的静态工作点。

与分立元件不同，集成运放通常采纳电流源电路为各级供应合适的集电极（或
放射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。

运放输出过流保护电路原理
图1所示为运放芯片输出过流保护电路，在因某种原因(如输出短路等)使集成运放输出过流时，保护电路即成恒流源，使集成运放不至因输山过流而损坏。

图中，场效应管3DJ7按在集成运放输出端，并采用近似恒流源的接法。

当电路工作正常时，场效应管呈现低阻抗，基本不影响电路的输出电压范围。

当电路输出端短路时，场效应管呈现高阻抗，使电路输出电流得到了限制。

二极管D1的作用是，在电能输出负电压时，与场效应管一起构成恒流源。

D2与D1相同，则是在电路输出正电压时，与场效应管一起构成恒流源。

场效应管应取其饱和漏源电流IDSS略大于集成运放输出电流的管子，因为大多数集成运放的输出电流都不超过±10mA，所以可选用如 3DJ6H、3DJ7G等管子。

Idss不能取得过大或过小，如果Idss过大，保护作用则会减弱Idss过小，在集成运放输出电流稍大时，恒流源阻抗增大，限制了电路的输出幅度范围。

当电路输出幅度不大、负荷较轻时，可用一阻值为500Ω左右的电阻代替场效应管，也能同样取得理想的效果。

图1 运放电路原理图一．手工计算不妨设2O O V k V =×--------------(1)由运放算式（2）151521123192123()()(1)O O i R R R V V V R R R R =×−+×++-------------(2) 可得当电阻确定后，O V 取最大值，i V 取最小值时min 1.65i V =，1O V 取得最小值1min 0.61O V =。

15123()/()O i O i R V V V V R ββ=−−+----------（3）代入数值得 15R 1()O i O i V V V V βαβ=−×+----------（4）1523R R α=，211921R R R β=+ 可知：当i O V V β>时，1O V 与α成正向关系。

反之，则成反向关系。

因为0α>由（3）式可知1O i O V V V β<<或者1O i O V V V β<<-------------（5）为满足式（5）需要调整19R 和21R ， 假设1O i O V V V β<<，取(0,2.63)O V ∈则(0.37,0.98)β∈，取0.4β=，则212000R =，193000R =1(0.61,31.5)O V ∈将0.4β=代入（3）得0.05α=，所以152550R =。

二．PSPICE 仿真电路根据手工计算的结果，对电路中的电阻进行调整。

电路图如下：VCB_RLDFMOUT图2 pspice 仿真电路。

2.1结果比较：FMOUT VCB_RLD 手工（V1out ，V2out ） 仿真（V1out ，V2out ）0 3.3 （1.386,3.036） （1.386,3.036） 0.5 2.5 （1.0256,2.675） （1.025，2.676） 2.6 3.3 （1.256,2.906） （1.256,2.906） 0 1.65 （0.693,2.343）（0.693,2.344）从两个结果比较看，按照理想运放处理，手工计算和仿真在保留精度范围内，两个结果是一致的。

LM324原理和引脚LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

lm324引脚图见图2。

图1图2由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

下面介绍LM324应用实例。

--------------------------------------------------------------------------------反相交流放大器电路见附图。

此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。

电路无需调试。

放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。

放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。

负号表示输出信号与输入信号相位相反。

按图中所给数值，Av=-10。

此电路输入电阻为Ri。

一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。

Co 和Ci为耦合电容。

同相交流放大器见附图。

同相交流放大器的特点是输入阻抗高。

其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。

R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。

--------------------------------------------------------------------------------交流信号三分配放大器此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。

运放内部结构运算放⼤器的结构运算放⼤器⽤差分放⼤器作输⼊级。

运放的特性使它们在电⼦线路中很有⽤。

运放有如下的特性：1.抑制共模信号：有利于降低交流哼声和噪声。

2.⾼输⼊阻抗：容易与⾼阻抗信号源配合使⽤。

3.⾼增益：运放有很⾼的增益，使⽤时增益常常通过负反馈减少。

4.输出阻抗低：能向⼀个低阻抗的负载输出⼤的信号电流。

单级放⼤器不可能具备以上全部优良的性能。

实际上运算放⼤器是⼏级放⼤器的结合。

如图13－11所⽰，多级电路中的第⼀级是差分放⼤器。

差分放⼤器有⾼共模抑制⽐和⾼输⼊阻抗。

有些运算放⼤器为了得到更⾼的输⼊阻抗在第⼀级⽤了场效应管。

具有BJT和FET两种器件结合的运算放⼤器称之为BIFET运算放⼤器。

图13－11的第⼆级也是差分放⼤器，使第⼀级以差动⽅式输出，得到最好的共模抑制性能和差动电压增益。

图13－11的第三级是共集电极电路，或射极跟随器，这种组态输出阻抗低。

注意输出是信号的终端，可以不⽤差动输出，⽽⽤单端输出。

在很多电⼦学的应⽤中只要求单端输出。

图13－11中注明，⼀个输⼊端是同相输⼊端，另⼀个输⼊端是反相输⼊端。

同相输⼊端指由该端输⼊信号与输出端同相。

反相输⼊端指输⼊信号与输出端信号相差180°。

图13－12⽤简化的⽅法显⽰了放⼤特性。

注意三⾓形，在电路原理图中常⽤三⾓形表⽰放⼤器。

同时要注意反相输⼊端⽤（－）号标明，同相端⽤（＋）标明，这是通常的习惯。

Created by Readiris, Copyright IRIS 2005图13－13是国产通⽤集成运放F007的内部电路原理图，国外同类器件有µA741、LM741等。

该器件有⼀个同相输⼊端、⼀个反相输⼊端和⼀个单端输出端。

T1、T2、T3、T4组成差分输⼊级；T5、T6是恒流源；TI6、T17是电压放⼤级、T18、T19、T23、T14、T20组成互补输出功率放⼤器；T15、T21、R6、R7组成输出过流保护电路，它的⼯作原理我们将在⼗五章讨论；其他晶体管和电阻组成恒流源与偏置电路；Cφ是内部频率补偿电容。

通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器有F001(BG301，5G922，μA702)、FC3(μA709)、F007(5G24，μA741，BG308)、4E325(AD508)……多种类型，作为例子，下面介绍F007电路的组成和工作原理。

图5.3.1为F007的内部电路图，由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成，是一个中等增益的通用型集成运算放大器。

它的主要指标为：开环差模电压放大倍数106dB(2′106)，差模输入电阻2MΩ，输出电阻75Ω，最大输出电压±13V，最大共模输入电压±13V，共模拟制比90dB(3′105)，静态电流1.7mA，静态功耗50mΩ。

图中序号为管脚号，下面分析其工作原理。

1. 偏置电路由T10、T11和R4、R5购成的微电流源作主偏置电路，流过R5的电流为参考电流运用式(2.6.10)试探求得图5.3.1 F007型集成运放的原理电路T 8、和T9为横向PNP型管，组成镜象电流源。

由IC9→2IC1→2IB3→IC9的反馈回路，可列方程组式中b P为横向PNP型管的电流放大系数，取b P=4，列方程组时参考了式(2.6.4)。

又因T1和T2为NPN型管，其b很大，可认为I c1≈I E1，联立求解方程组，可得电流必须指出，输入级的偏置电路本身构成反馈环，可减小零点漂移。

例如，当温度长升高时，引起I c3、I c4的增加，则产生如下的自动调整过程：由此可见，由于I c10的恒定，上述反馈作用保证了I c3和I c4十分恒定，从而起到了稳定工作点的作用，提高了整个电路的共模拟制比。

T12和T13构成双端输出的镜象电流源，T13是一个双集电极的横向PNP型三极管，可视为两个发射结并联的三极管，集电极T13B供给T17的偏置电流，同时又作为复合管T16和T17中间放大级的有源负载；集电极T13A供给输出级的偏置电流。

T13A集电结面积小于T13B集电结面积，T13的两集电极电流分别为IC13A≈0.18mA，IC13B≈0.5mA2.输入级输入级由T1~T8组成，其中T1~T4构成共集—共基单端输出差动电路，输入电阻很大，约2MW。