集成运算放大器原理 集成运算放大器原理图解

1）Up = Ua*Rf/(R1+Rf)，Un = Up；

集成运算放大器原理 集成运算放大器原理图解

按节点电压法有：Un*(1/R1 + 1/Rf) = Ub/R1 + Uo/Rf；

代入整理得： Uo = (Rf/R1)*(Ua - Ub)；

2）Ub = Ui*R/(R+R) = Ui/2； Ua = Ui*/(2+δ）；

所以：Uo = (Rf/R1)*(Ua - Ub) =(Rf/R1)*[ Ui/(2+δ）- Ui/2 ]；

图上序号不清楚，无从分析。

运算放大器（常简称为“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”，此名称一直延续至今。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，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

编辑本段历史

运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。

第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。

编辑本段原理

运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,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。

运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨（rail-to-rail）输出运算放大器。

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。

集成运算放大器

一：零点漂移

零点漂移可描述为：输入电压为零，输出电压偏离零值的变化。它又被简称为：零漂

零点漂移是怎样形成的： 运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化 象：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。

产生零漂的原因是：晶体三极管的参数受温度的影响。解决零漂最有效的措施是：采用差动电路。

二：差动放大电路

1、差动放大电路的基本形式 如图（1）所示

基本形式对电路的要求是：两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。

它的工作原理是：当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。

它的放大作用（输入信号有两种类型）

（1）共模信号及共模电压的放大倍数 Auc

共模信号---在差动放大管T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号。如图（2）所示

共模信号的作用，对两管的作用是同向的，将引起两管电流同量的增加，集电极电位也同量减小，因此两管集电极输出共模电压Uoc为零。因此：。

于是差动电路对称时，对共模信号的抑制能力强

（2）差模信号及差模电压放大倍数 Aud

差模信号---在差动放大管T1和T2的基极分别加入幅度相等而极性相反的信号。如图（3）所示

差模信号的作用，由于信号的极性相反，因此T1管集电极电压下降，T2管的集电极电压上升，且二者的变化量的绝对值相等，因此：

此时的两管基极的信号为：

所以：，由此我们可以看出差动电路的差模电压放大倍数等于单管电压的放大倍数。

基本差动电路存在如下问题： 电路难于绝对对称，因此输出仍然存在零漂；管子没有采取消除零漂的措施，有时会使电路失去放大能力；它要对地输出，此时的零漂与单管放大电路一样。

为此我们要学习另一种差动放大电路------长尾式差动放大电路

2：长尾式差动放大电路

它又被称为射极耦合差动放大电路，如右图所示：图中的两个管子通过射极电阻Re和Uee耦合。

下面我们来学习它的一些指标

(1)静态工作点

静态时，输入短路，由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和，且电路对称，IE1=IE2，

因此：

(2)对共模信号的抑制作用

在这里我们只学习共模信号对长尾电路中的Re的作用。由于是同向变化的，因此流过Re的共模信号电流是Ie1+Ie2=2Ie，对每一管来说，可视为在射极接入电阻为2Re。

它的共模放大倍数为： （用第二章学的方法求得）

由此式我们可以看出Re的接入，使每管的共模放大倍数下降了很多（对零漂具有很强的抑制作用）

(3)对差模信号的放大作用

差模信号引起两管电流的反向变化（一管电流上升，一管电流下降），流过射极电阻Re的差模电流为Ie1-Ie2，由于电路对称，所以流过Re的差模电流为零，Re上的差模信号电压也为零，因此射极视为地电位，此处“地”称为“虚地”。因此差模信号时，Re不产生影响。

由于Re对差模信号不产生影响，故双端输出的差模放大倍数仍为单管放大倍数：

(4)共模抑制比(CMRR)

我们一般用共模抑制比来衡量差动放大电路性能的优劣。CMRR定义如下：

它的值越大，表明电路对共模信号的抑制能力越好。

有时还用对数的形式表示共模抑制比，即：，其中为差模增益。CMR的单位为：分贝 （dB）

(5)一般输入信号情况

如果差动电路的输入信号，即不是共模也不是差模信号时：我们要把输入信号分解为一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动电路的输入端。

例1：如右图所示电路，已知差模增益为48dB，共模抑制比为67dB，Ui1=5V，Ui2=5.01V，

试求输出电压Uo

解：∵=48dB，∴Aud≈-251，

又∵CMR=67dB

∴CMRR≈2239

∴Auc=Aud/CMRR≈0.11

则输出电压为：

三：集成运放的组成

它由四部分组成：

1、偏置电路；

2、输入级：为了抑制零漂，采用差动放大电路

3、中间级：为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。

4、输出级：为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路

四：集成运放的性能指标

1、开环差模电压放大倍数 Aod

它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。

2、最大输出电压 Uop-p

它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。

3、差模输入电阻rid

它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。

4、输出电阻 rO

它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。

5、共模抑制比 CMRR

它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。

五：低频等效电路

在电路中集成运放作为一个完整的独立的器件来对待。于是在分析、计算时我们用等效电路来代替集成运放。

由于集成运放主要用于频率不高的场合，因此我们只学习低频率时的等效电路。

右图所示为集成运放的符号，它有两个输入端和一个输出端。

其中：标有的为同相输入端(输出电压的相位与该输入电压的相位相同) 标有的为反相输入端(输出电压的相位与该输入电压的相位相反)

六：理想集成运放

一般我们是把集成运放视为理想的（将集成运放的各项技术指标理想化） 开环电压放大倍数： 输入电阻： 输入偏置电流：

共模抑制比： 输出电阻： -3dB带宽：

无干扰无噪声 失调电压、失调电流 及它们的温漂均为零

七：集成运放工作在线性区的特性

当集成运放工作在线性放大区时的条件是： (1) (2)

注：(1)即:同相输入端与反相输入端的电位相等，但不是短路。我们把满足这个条件称为"虚短"

(2)即:理想运放的输入电阻为∞,因此集成运放输入端不取电流。

我们在计算电路时，只要是线性应用，均可以应用以上的两个结论，因此我们要掌握好！

当集成运放工作在线性区时，它的输入、输出的关系式为：

八：集成运放工作在非线性工作区

当集成运放工作在非线性区时的条件是：集成运放在非线性工作区内一般是开环运用或加正反馈。它的输入输出关系是：

它的输出电压有两种形态：（1）当时， （2）当时，

它的输入电流仍为零（因为）即：

集成运放工作在不同区域时，近似条件不同，我们在分析集成运放时，应先判断它工作在什麽区域，然后再用上述公式对集成运放进行分析、计算。

九：比例运算电路

定义：将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。

分类：反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。（按输入信号加入不同的输入端分）

比例放大电路是集成运算放大电路的三种主要放大形式

(1)反向比例电路

输入信号加入反相输入端,电路如图(1)所示:

输出特性：因为：，

所以：

从上式我们可以看出：Uo与Ui是比例关系，改变比例系数，即可改变Uo的数值。负号表示输出电压与输入电压极性相反。

反向比例电路的特点：

(1)反向比例电路由于存在"虚地",因此它的共模输入电压为零.即:它对集成运放的共模抑制比要求低

(2)输入电阻低:ri=R1.因此对输入信号的负载能力有一定的要求.

(2)同相比例电路

输入信号加入同相输入端,电路如图(2)所示:

输出特性：因为：（虚短但不是虚地）；；

所以：

改变Rf/R1即可改变Uo的值，输入、输出电压的极性相同

同相比例电路的特点：

(1)输入电阻高；(2)由于(电路的共模输入信号高)，因此集成运放的共模抑制比要求高

(3)差动比例电路

输入信号分别加之反相输入端和同相输入端,电路图如图(3)所示:

它的输出电压为：

由此我们可以看出它实际完成的是：对输入两信号的差运算。

十 ：和、差电路

(1)反相求和电路

它的电路图如图(1)所示:（输入端的个数可根据需要进行调整）其中电阻R'为:

它的输出电压与输入电压的关系为：

它可以模拟方程：。它的特点与反相比例电路相同。它可十分方便的某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。

（2）同相求和电路

它的电路图如图（2）所示：（输入端的个数可根据需要进行调整）

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。

（3）和差电路

它的电路图如图(3)所示：

此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和，对Ui3、Ui4进行同相求和，然后进行的叠加即得和差结果。

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（4）所示

它的输入输出电压的关系是：

它的后级对前级没有影响（采用的是理想的集成运放），它的计算十分方便。

十一：积分电路和微分电路

(1)积分电路

它可实现积分运算及产生三角波形等。积分运算是：输出电压与输入电压呈积分关系。它的电路图如图(1)所示：它是利用电容的充放电来实现积分运算

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。

(2)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。电路图如图（2）所示：

它的输入、输出电压的关系为：

十二：对数和指数运算电路

(1)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（3）所示：

它的输入、输出电压的关系为：（也可以用三级管代替二极管）

(2)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(4)所示

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

十三：滤波电路的基础知识

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：（按工作频率的不同）

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，而允许此频带以外的信号衰减。

我们在电路分析课程中已学习了，利用电阻、电容等无源器件构成的滤波电路，但它有很大的缺陷如：电路增益小；驱动负载能力差等。为此我们要学习有源滤波电路。

十四：有源滤波电路

(1)低通滤波电路

它的电路图如图(1)所示:(我们以无源滤波网络RC接至集成运放的同相输入端为例)

它的幅频特性如图(2)所示：

它的传输函数为：

其中：Aup为通带电压放大被数，；通带截止角频率

对于低有源滤波电路，我们可以通过改变电阻Rf和R1的阻值来调节通带电压的放大被数。

(2)高通滤波电路

它的电路图如图(3)所示:(我们以无源滤波网络接至集成运放的反相输入端为例)

同样我们可以得到它的幅频特定如图(4)所示:

它的传输函数为:

其中:(通带电压放大被数)；(通带截止角频率)

(3)带通滤波电路和带阻滤波电路

将低通滤波电路和高通滤波电路进行不同组合，即可的获得带通滤波电路和带阻滤波电路，它们的电路图分别为：如图（5）所示带通滤波电路；如图（6）所示带阻滤波电路：

十五：电压比较器的基础知识

电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)

电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。

注：电压比较器中的集成运放通常工作在非线性区。及满足如下关系：

U->U+ 时 UO=UOL

U-

简单电压比较器

我们把参考电压和输入信号分别接至集成运放的同相和反相输入端，就组成了简单的电压比较器。如图（1）、（2）所示：

下面我们对它们进行分析一下（只对图（1）所示的电路进行分析）

它的传输特性如图（3）所示：

它表明：输入电压从低逐渐升高经过UR时，uo将从高电平变为低电平。相反，当输入电压从高逐渐到低时，uo将从低电平变为高电平。

阈值电压：我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压的值。它还被称为门限电压。简称为：阈值。用符号UTH表示。

利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。

例：电路如（1）所示，输入电压为正弦波如图（4）所示，试画出输出波形

解：输出波形与UR有关，输出波形如图（5）所示

简单的电压比较器结构简单，灵敏多高，但是抗干能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。在此对它们不作要求。

我们前面学习的比较器都是用集成运放构成的，它存在着一定的缺点。我们一般用集成电压比较器来代替它。集成电压比较器的固有特点是：

可直接驱动TTL等数字集成电路器件；

它的响应速度比同等价格集成运放构成比较器快；

为提高速度，集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。

集成运放的工作原理如下：

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器，主要由输入、中间、输出三部分组成。输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端；前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致，后者则相反。中间部分提供高电压放大倍数，经输出部分传到负载。它的引出端子和功能如图所示。其中调零端外接电位器，用来调节使输入端对地电压为零(或某一预定值)时，输出端对地电压也为零(或另一个预定值)。补偿端外接电容器或阻容电路，以防止工作时产生自激振荡(有些集成运算放大器不需要调零或补偿)。供电电源通常接成对地为正或对地为负的形式，而以地作为输入、输出和电源的公共端。

集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

《模拟电子技术基础》运算放大器一章

运算放大器是实际上是一个高增益直接耦合放大电路，当给它加上一定形式的深度负反馈，就能完成加法、减法、积分、微分等数学运算，所以称为运算放大器。它还可以构成有源滤波电路、电压比较器、非正弦波发生器等。如果工作在开环状态或加正反馈，就工作在非线性区。