第二章 集成电路放大电路 2015-9-11

主讲教师：孙云飞苏州科技学院电子学院

模拟电子技术课题组2.1集成电路运算放大器第二章

运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用Why？简介引言问题的引出目前应用最基

本、最广泛的放大电路是什么电路？本章讨论的主要问题运算放大器电路模型及外特性是怎样的？运算放大器构成的基本放大电路有哪些？用什么方法分析这些放大电路？运算放大器还可以构成哪些线性应用电路？教学基本要求会用虚短和虚断的概念，分析反相比例、同相比例、加、减、积分、微分等电路组成的各种运算电路。2.1集成电路运算放大器第二章

运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用§2.1集成电路运算放大器1.运放的内部组成单元：PN差分式放大电路对称性（抑制零漂）共射极放大电路提高电压增益输入级中间级输出级功率放大电路（互补功放）电压增益为1，向负载提供足够功率O以正、负电源的中间接点作为参考点位点

本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。▷表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。2.集成运算放大器的符号vN或v–：反相输入端，信号从此端输入(vP=0)，输出信号和输入信号反相。vP或v+：同相输入端，信号从此端输入(vN=0)，输出信号和输入信号同相。vO：输出端。vNvPvOvNvPvO图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号3.运算放大器的电路模型PN输入电阻模拟输入端口输出电阻与受控源模拟输出端口电源是运放必须的能源电源中间接点为参考电位点图2.1.3运算放大器的电路模型通常：

输入电阻

ri106Ω（很大）开环电压增益

Avo的105（很高）

输出电阻

ro100Ω（很小）

vO＝Avo(vP－vN)注意:输出电压vo不可能超过什么值？3.运算放大器的电路模型

输出电压（V－＜vO

＜V＋）

当Avo(vP－vN)V＋时

vO＝V＋

当Avo(vP－vN)

V-时

vO＝V-线性范围内

vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率3.运算放大器的电路模型当V-

Avo(vP－vN)V＋

vO＝Avo(vP－vN)正饱和线性区负饱和输出电压的正、负极限值输出电压正比于输入电压为什么ab段几乎是一条垂直于横坐标的直线？容易导致运放的性能不稳定，为使运放组成的各种应用电路稳定地工作在线性区，须引入负反馈输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即集成运放的工作区域线性区域：Aod为差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。3.运算放大器的电路模型uOuP-uN+UOM-UOM

例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?

(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。图2.1.3运算放大器的电路模型3.运算放大器的电路模型—例题

例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?3.运算放大器的电路模型—例题图2.1.3运算放大器的电路模型解：由当vo=±Vom=±12V时

例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。3.运算放大器的电路模型—例题解：取a点（+60μV,+12V），b点（-60μV,-12V），连接a、b两点得ab线段，其斜率Avo=2×105,∣vP-vN∣<60μV时，电路工作在线性区；∣vP-vN∣>60μV，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。Avo=2×105(+60μV,+12V)(-60μV,-12V)2.1集成电路运算放大器第二章

运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－

4.若V－<vO<V＋（未达到饱和值）则（vP－vN）0

vP=vN1.输入电阻ri

∞使iP≈0、iN≈0

2.输出电阻rO

0图2.2.1运放的简化电路模型2.2理想运算放大器+UOM-UOM理想特性vO/V(vP－vn)/mVOab理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)What？提问3.Avo→∞,即使（vP－vN）很小若（vP－vN）>0,

vO

+Vom=V+\若（vP－vN）<0,

vO

-Vom=V+riro工程上理想运放的参数

差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻

小1～2个量级即可。2.2理想运算放大器(1)虚短（vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0）

由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80

dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10

V～14

V。因此运放的差模输入电压不足1

mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。2.2理想运算放大器(2)虚断（ip＝-in

＝(vp－vn)/ri≈0）

由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1

M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1

A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。2.2理想运算放大器理想运放工作在线性区的两个重要法则：V–V+–+VoIi+Ii－(2)虚断Ii+=Ii－=0(orip≈-in)(1)虚短V+=V–(orvp≈vn)∵集成运放工作在线性区时有：又∵即∴输入偏流2.2理想运算放大器（虚短、虚断）B.理想运放工作在非线性区的特点：(2)Ii+=Ii－

=0虚断仍然成立(1)只要输入电压V+与V–不相等，输出电压就饱和。即有：对理想运算放大器，V+=V-是正负两种饱和状态的转换点。V–V+–+VoIi+Ii－2.2理想运算放大器2.1.12.1.2课外练习（P46）

综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，可将集成运放按理想运放对待，根据理想运放分别工作在线性区或者非线性区的特点来分析电路的工作原理。一般来说集成运放引入深度负反馈时，工作在线性区；集成运放引入正反馈或开环状态时，工作在非

线性区。2.2理想运算放大器小结2.1集成电路运算放大器第二章

运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路2.3.1同相放大电路1.基本电路（a）电路图

（b）小信号电路模型图2.3.1同相放大电路为什么叫同相放大电路？输入电压跟输出电压的关系是什么？2.3.1同相放大电路2.负反馈的基本概念

反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。如果不接R1可不可以?

开环

闭环

有负反馈必然有正反馈，如何判断正负反馈？2.3.1同相放大电路2.负反馈的基本概念

反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。

闭环

开环

瞬时电位变化极性-某时刻电位的斜率没有反馈时有

vo

＝Avo(vp－vn)引入反馈后vp(vi)不变，vn↑，→(vp－vn)↓→vo↓增益Av＝vo/vi下降了，使输出减小了，这时的反馈称为负反馈。(+)(+)(+)稳定电路为什么要引入负反馈？3.虚假短路（实际运放）

图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。这种现象称为虚假短路，简称虚短

由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的

ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，这种现象称为虚断。

由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。2.3.1同相放大电路虚短和虚断两个概念不仅适用于理想运放也适用于实际的放大器（闭环）理想运放理想运放跟实际运放都满足虚短的法则4.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av

根据虚短和虚断的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作为公式直接使用）2.3.1同相放大电路（2）输入电阻Ri

输入电阻定义根据虚短和虚断有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以（3）输出电阻Ro

Ro→02.3.1同相放大电路4.几项技术指标的近似计算5.电压跟随器（可作为公式直接使用）输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小。2.3.1同相放大电路电压跟随器作为放大器，其增益为1，那有什么用呢？vi,vp,vn

,vo本身是相对地的点位。电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vs2.3.1同相放大电路缓冲或隔离所以说电压跟随器接入电路中还是可以提高电压放大倍数的，例题中就把电压提高了100倍知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－

4.若V－<vO<V＋（线性范围内）则（vP－vN）0

vP=vN1.输入电阻ri

∞使iP≈0、iN≈0

2.输出电阻rO

0图2.2.1运放的简化电路模型1.理想运算放大器需要满足的条件+UOM-UOM理想特性vO/V(vP－vn)/mVOab理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)3.Avo→∞,即使（vP－vN）很小若（vP－vN）>0,

vO

+Vom=V+\若（vP－vN）<0,

vO

-Vom=V+riro知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是反馈、负反馈？如何判断正负反馈？

引入负反馈有哪些优点？2.反馈和负反馈2.负反馈的基本概念

反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。

瞬时电位变化极性-某时刻电位的斜率没有反馈时有

vo

＝Avo(vp－vn)引入反馈后vp(vi)不变，vn↑，→(vp－vn)↓→vo↓增益Av＝vo/vi下降了，使输出减小了，这时的反馈称为负反馈。(+)(+)(+)稳定电路引入负反馈的优点？知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是反馈、负反馈？如何判断正负反馈？

引入负反馈有哪些优点？（3）什么是“虚短”和“虚断”？

由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的

ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，这种现象称为虚断。

3.“虚短”、”虚断”由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80

dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10

V～14

V。因此运放的差模输入电压不足1

mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。(2)虚断（ip＝-in

＝(vp－vn)/ri≈0）(1)虚短（vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0）知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是“虚短”和“虚断”？（3）什么是负反馈？如何判断正负反馈？（4）同相放大电路的电路结构？

有哪些特点？什么是电压跟随器？（a）同相放大电路

4.同相放大电路

（b）电压跟随器1.基本电路

2.3.2反相放大电路（b）同相放大电路（a）反相放大电路2.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av根据虚短和虚断的概念有

vn≈

vp＝

0

，ii＝0所以i1＝i2

即（可作为公式直接使用）2.3.2反相放大电路2.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av根据虚短和虚断的概念有

vn≈

vp＝

0

，ii＝0所以i1＝i2

即（可作为公式直接使用）特点：反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低输出电阻小，带负载能力强要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M2.3.2反相放大电路2.几项技术指标的近似计算（2）输入电阻Ri

（3）输出电阻Ro

Ro→02.3.2反相放大电路√×当R2>>R3时，（1）试证明Vs＝(R3R1/R2)Im

解（1）根据虚短和虚断有

I1=0，Vp=

Vn=0所以I2=Is=Vs/

R1

（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，输入信号电压Vs＝100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)＝？（指针偏转角度跟Im是线性关系)所以当R2>>R3时，Vs＝(R3R1/R2)Im

（2）代入数据计算即可2.3.2反相放大电路—例题R2和R3相当于并联，所以R2和R3上的电压相等例2.3.1←I2所以–I2R2=R3(I2-Im)2.3基本线性运放电路（小结）作业:

2.3.1,2.3.2,2.3.3,2.3.4,2.3.5（a）同相放大电路（b）反相放大电路

例2.3.2T形网络代替R2构成前置放大电路：由虚地、虚断列n和M点方程：联立方程求解：将参数代入Av的表达式：故此时R4可用50KΩ电位器代替，设置阻值为35.2KΩ，使得Av=-100，即可通过调节R4的取值来改变电压增益的大小；例2.3.2例2.3.2用T形网络代替反馈电阻作用：可用低阻值电阻网络得到高增益的放大电路。2.1集成电路运算放大器第二章

运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路2.4.4积分电路和微分电路2.4.1求差电路（a）（b）

从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。当则

根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：若继续有则求差电路跟同相和反相放大电路在结构上有什么关系？2.4.1求差电路

(看成放大电路？)从放大器角度看时，增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）输入电阻Ri输出电阻Ro同理想运放的输出电阻输入电阻是有限的，我们希望输入电阻较大2.4.1求差电路一种高输入电阻的差分电路如何提高输入电阻???高输入电阻差分电路如图，求输出电压表达式。由叠加定理：当R1=R21时与单级差放电路相比，由于第一级是同相输入放大电路，输入电阻为无穷大例2.4.12.4.2仪用放大电路课堂作业为什么要学习仪用放大电路？or仪用放大电路有哪些优点？由差分输入关系知：输入信号都是从同相端输入，其输入电阻为无穷大2.4.3求和电路

根据虚短、虚断和N点的K