§2 运算放大器

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。

第二章运算放大器4学时基本要求：了解理想运放的主要特点；掌握同相比例放大电路、反相比例放大电路、求和电路、求差电路、积分、微分电路的原理。

重点：理想运放的特点；利用虚断、虚短求解深度负饱和下的运放电路。

难点：虚短、虚断的理解及应用。

教学过程运算放大器是采用一定的制造工艺，将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间的连线制作在小块单晶硅的芯片上，具有一定功能的电子电路。

它是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。

2.1 集成电路运算放大器1.集成电路运算放大器的内部组成单元(1)输入级：差动放大电路组成。

P 端:同相输入端。

v O1=A V1(v P-v N)N 端:反相输入端。

优点：差动放大电路的对称性可以抑制温度变化和电源电压波动带来的影响，从而提高整个电路的性能。

(2)中间级：高增益电压放大。

v O2=A V1A V2(v P-v N)(3)输出级：无电压放大功能，但可以提高带负载的能力。

v O=A V1A V2(v P-v N)开环电压增益:A VO=A V1A V2开环电压增益:A VO=A V1A V2v O=A VO (v P-v N)运放的代表符号(a) 国家标准符号(b)国内外常用符号2.运放的电路模型特点：●A VO：通常很高，在104以上●r i ：通常很大，在106Ω以上●r O：通常很小，在100Ω以下●电路模型中的输出电压v O，不可能超过正负电源电压。

●v O的正饱和极限值+V Om=V+,负饱和极限值-V om=V-。

3.运放的电压传输特性由于A VO很高，容易导致性能不稳定。

比如：电源电压±V CC=±10V。

运放的A VO=104则:│V i│≤1mV时，运放处于线性区。

2.2理想运算放大器理想运放的特点：1.输出电压的饱和极限值等于运放的电源电压，即:+V om=V+，-V om=V-2.由于Avo 无穷大，尽管(v p-v n)很小，仍驱使运放处于饱和区。