实验8集成运算放大器组成的基本运算电路ppt课件

第21讲

6.3 简单的集成电路运算放大器

主要内容:

本节主要介绍了集成电路运算放大器。

基本要求：

了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。

教学要点：

1．集成电路运算放大器的组成

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。

（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。

此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等

2．简单的运算放大器

简单运算放大器的原理电路如图所示。

（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。

（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。

（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压vid=vi1-vi2为零时，输出电压vO=0的目的。

（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。

（5）电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用"-"号表示，同相输入端用"+"表示。器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。

（6）输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压vi1从反相输入端输入时（vi2=0），如vi1的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为：vC2（+）→vO2（–）→vB6（–）→vO（–）则输出信号电压vo与vi1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入vi2(vi1=0)时，可以检验，输出电压vo与vi2同相。

集成运算放大器的基本组成

集成运算放大器（Operational Amplifier，简称Op Amp）由多个晶体管、电阻器、电容器等器件组成的集成电路，主要包括以下部分：

1. 输入级：由差分放大器组成，用于接收输入信号并将其差分放大。

2. 中间级：用于增强输入信号的放大效果。

3. 输出级：由功率放大器组成，用于将中间级的信号放大到足够的输出电平。

4. 反馈网络：用于控制集成运算放大器的放大倍数和带宽等参数。

5. 电源电压稳定器：用于稳定集成运算放大器的工作电源。

6. 输入和输出保护电路：用于保护集成运算放大器免受过压、过流等损坏。

总之，集成运算放大器的基本组成包括输入级、中间级、输出级、反馈网络、电源电压稳定器以及输入和输出保护电路等组件，它们协同工作，使得集成运算放大器具有高精度、高稳定性、高带宽、低噪声等特点。

功 率 放 大 电 路

功率放大电路在多级放大电路的输出级，通常在大信号下工作，向负载提供尽可能大的功率，来推动负载工作。

功率放大电路的特点

1. 在负载允许的失真限度内尽可能的提供最大输出功率

2. 转换效率（直流电源供给功率）负载获得的功率VOPP)(高。

3. 非线性失真尽可能小。

4. 散热好

功率放大电路的工作状态

按三极管静态工作点Q在输出特性曲线上所处位置的不同，功率放大电路分为甲类、甲乙类、乙类三种工作状态。

甲类 Q

CEu

O Ci 当Q点选择在交流负载线的中点时，信号整个周期内都有静态电流流过，这种工作状态称为甲类。

在甲类状态下，无论有无信号，电源提供的功率为CCCIUP。无输入信号，即静态时，电源提供的功率全部消耗在管子和电阻上。有输入信号时，电源提供的功率一部分转化为有用的输出功率，信号越大，输出功率越大。

由于电流有较大的直流分量CI，可以证明，甲类功率放大电路的效率理论上最高只能达到50%

甲乙类

为了提高效率，在电源电压CU一定的条件下，可使Q点沿交流负载线下移，使CI减小，可得到如图所示的甲乙类工作状态。

若Q下移到0CI，此时静态管耗为最小，这种状态称为乙类。

功率放大电路工作在甲乙类和乙类，虽然降低了静态时的功耗，提高Q

CEu

O Ci 了效率，但却产生严重的波形失真。

乙类

为了减小波形失真，在电路形式上一般可采用互补对称射极输出器的输出方式。

乙类互补对称功率放大电路

如下图为乙类互补对称功率放大电路的原理图，图中T1为NPN型晶体管，T2为PNP型晶体管，它们的特性、参数对称。电路为正、负电源供电，信号从基极输入，从发射极输出，为一对射极输出器。

静态时0iu，两管均处于截止状态，有021BBII，021CCII，所以发射极电位021EEUU，输出电压0ou。

动态时，在输入正弦交流电压iu的正半周期T1导通，T2截止，流过负载电阻LR的电流约为1CLii；在iu的负半周期T1截止，T2导通，流过LR的电流约为2CLii。所以当正弦交流电压iu输入时，两管轮流CEu

40 模拟电子技术实验

实验八 集成运算放大器的基本应用(I)

─ 模拟运算电路

一、实验目的

1. 研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

2. 了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验设备与器件

器材名称 器材名称

±12V直流电源 函数信号发生器

交流毫伏表 直流电压表

集成运算放大器μA741×1 电阻器、电容器若干

三、实验原理

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。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。

1. 理想运放的特性

在大多数情况下，运放可被视为理想器件，就是将运放的各项技术指标理想化，理想运放需

要满足下列条件：

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。

理想运放在线性应用时的两个重要特性：

（1）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”。

（2）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。

2. 基本运算电路

（1）反相比例运算电路

实验八 集成运算放大器的基本应用(Ⅰ) 41

电路如图8－1所示。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

i

1F

OU

RR

U

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

2＝R

1 // R

F。

图8－1 反相比例运算电路 图8－2 反相加法运算电路

（2）反相加法电路

电路如图8－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为