电工电子技术基础课件：集成运算放大器

电工电子技术基础

集成运算放大器

教学目标集成运算放大器电工电子技术基础1理解集成运算放大器的电压传输特性，理解集成理想运算放大的基本分析方法。2理解基本运算电路（比例、加减、微分和积分电路）的工作原理并掌握其分析方法。3了解集成运算放大器基本组成及主要参数。4了解集成运算放大使用要点及注意问题。5理解负反馈基本概念和分类及负反馈类型判别方法。6理解负反馈对放大电路性能影响。集成运算放大器本章目录第一节集成运算放大器概述第二节放大电路中的负反馈第三节基本运算电路第四节正反馈振荡电路电工电子技术基础第7章基本放大电路电工电子技术基础下一页上一页章目录博观而约取，厚积而簿发。——苏轼思政引例

思政引例电工电子技术基础下一页上一页章目录

世界上第一台电子计算机占据167m2的大厅，如今手提式计算机可以用手提，手掌式计算机放在手心里。1958年，在美国德州仪器公司工作JackKillby发明了世界上第一个集成电路。集成电路有小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）和超大规模（VLSI）。以半导体芯片为代表“核心技术”竞争成为大国科技竞争制高点。2018年中兴通讯公司被美国制裁事件，引起了举国上下对半导体技术关注。集成电路华为海思麒麟980手机芯片，该芯片创造六个世界第一，全球领先，实现从追赶到超越美国高通公司。海思自主研发了包括麒麟手机5大类芯片，芯片制造上，中微半导体7nm蚀刻机已经商用，打破国际巨头垄断，增强学生的民族自尊心、自信心和自豪感，增强爱国热情。第7章基本放大电路8.1集成运算放大器概述

目前以硅材料器件为主，不能直接制成电感器，也难以生成大电容和大电阻，而易于生成晶体管、小电容和一般的电阻。集成电路把整个电路的元器件制作在一块基片上，构成的特定功能电路。特点体积小、性能好、成本低、易于软硬件结合工艺集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页章目录电工电子技术基础外形及封装按集成度小(SSI)、中(MSI)、大(LSI)和超大规模按导电类型双极（TTL）、单极（MOS）和混合型按信号数字、模拟和混合分类双列直插DIP扁平式FP金属管型T-下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述

集成运算放大器是模拟集成电路,基本组成部分如图：（1）输入级采用差分放大电路，对共模信号有很强的抑制能力。（2）中间级采用有源负载，提供高电压增益，保证运算精度。（3）输出级采用互补对称功率放大电路，以提高带负载能力。（4）偏置电路可提供稳定的偏置电流，以稳定各部分的工作点。一、集成运算放大器的组成下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述

集成运算放大器英文称为operationalamplifier，常常记为OP-AMP。同相输入端反相输入端输出端下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述二、集成运算放大器的主要参数及传输特性

表征运算放大器差分输入级电压不对称的程度。输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。

表征运算放大器差分输入级输入电流不对称的程度。是两输入端电流之差。

运算放大器无外加反馈条件下，输出电压与输入电压差值之比输入失调电压UIO(InputOffsetVoltage)输入失调电流IIO(InputOffsetCurrent)开环差模电压放大倍数AUd(OpenLoopVoltageGain)下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述共模抑制比KCMRR(CommonModeRejectionRatio)（dB）

运算放大器的其它参数还有：输入偏置电流IB、输入失调电压温漂、输入失调电流温漂、最大差模输入电压、最大共模输入电压、差模输入电阻、单位增益带宽、转换速率、等效输入噪声电压等。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述理想运算放大器（1）理想运算放大器的条件差模电压放大倍数AUd→∞差模输入电阻rid→∞共模抑制比KCMRR→∞

目前的运算放大器产品都可视为理想运算放大器。输出电阻ro→03个”∞”，1个”0”下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述（2）理想运算放大器的传输特性0理想特性实际特性（3）理想运算放大器的重要结论虚断虚短下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述型号

A741LM324OP07AD9618OP37OP177AD549OP290类型通用型通用型四运放通用型高速宽带高速宽带高精度高输入阻抗低功耗型失调电压1

mV2

mV10m

V0.5

mV10μ

V4μ

V0.25

mV50μ

V失调电流20

nA20

nA0.4

nA7

nA0.3

nA150pA0.1

nA开环增益100dB100dB120dB120dB单位增益带宽1MHz0.1MHz0.6MHz8000MHz63

MHz1MHz20KHZ共模抑制比120dB120dB126dB48dB126dB140dB100dB输入电阻>2MΩ>2MΩ>200GΩ>6MΩ>45MΩ>2000GΩ>50MΩ失调电压漂移10μV/°C7μV/°C0.2μV/°C0.2μV/°C30nV/°C5μV/°C0.3μV/°C失调电流漂移0.5nA/°C0.5nA/°C8pA/°C1.5pA/°C功率损耗50mW三、运算放大器的类型下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——集成运算放大器概述特别提示只有当集成运放工作于线性区时，才同时具有“虚短”和“虚断”的特点。当集成运放工作于非线性区时，“虚短”不再成立，而只有“虚断”的特点。分析和计算理想集成运放输出和输入之间运算关系的一般方法：利用“虚短”和“虚断”的特点，根据KCL列出输出电压与输入电压之间的关系式。有时借助于叠加定理进行分析和计算。8.2放大电路中的负反馈一、反馈的基本概念反馈系统的输出量重新回到（或称馈入）输入端的现象。

输出电压信号或电流信号的部分或全部重新进入到输入回路就是电子电路中的反馈现象。引入反馈后使得原输入信号的效果减弱的一类反馈。正反馈引入反馈后使得原输入信号的效果增强的一类反馈。负反馈下一页上一页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈反馈放大电路方框图表示信号的内容和流向表示信号的求和点原输入量输出量表示对信号的处理过程下一页上一页节首页章目录反馈量净输入量电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

由基本放大电路和反馈网络组成的一个闭合路径，称为环，有反馈的电路又称为闭环电路，无反馈时的电路称为开环电路。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈讨论

（1）若，则，即是引入反馈后，放大倍数减小了，这种反馈称为负反馈。

（2）若，则，即是引入反馈后，放大倍数增加了，这种反馈称为正反馈。

（3）若，则，这就是说，放大电路在没有输入信号时，也会有输出信号，称作放大电路的自激振荡，这也是放大电路的不稳定状态。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈二、反馈电路的类型（1）瞬时极性法判正、负反馈1）首先确定电路有无反馈，如果有反馈，找出放大电路和反馈网络构成的整个信号途径;（注意该途径中必须没有接信号地的点，否则电路就没有反馈了）2）设定放大电路输入点信号的瞬时极性;3）沿输入→放大→输出→反馈→输入的路径，依次确定各点的瞬时极性，如果为正极性，标上⊕号，为负极性，标号。瞬时极性法应用步骤下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

在一般情况下，经过无源器件时极性不改变；经过运算放大器时，从同相端进入到输出端不改变极性，反相端输入到输出端要改变极性；经过晶体管时，从基极进入集电极输出时要改变极性，从基极到发射极输出不改变极性。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

反馈组态：电压串联负反馈、电压并联负反馈电流串联负反馈、电流并联负反馈下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈判别图示整体反馈的正负。该电路的整体反馈途径该反馈过程的变化路线图该电路是负反馈下一页上一页节首页章目录[例题][解]电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈判断图示两级晶体管反馈放大电路的反馈正负。该电路的反馈途径该电路是负反馈下一页上一页节首页章目录[例题]电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈（2）串联反馈和并联反馈

可以从定义出发，根据反馈信号与原输入信号在输入端是以电压或电流合成的形式进行判别。另外可以直接根据电路的结构特征判别，若反馈信号与原输入信号接到放大器的同一输入端进入放大器则必然是以电流加减的形式进行合成，是并联反馈，反之是串联反馈。

在输入回路以电压相减（或加）得到净输入电压的反馈。

在同一个输入端以电流相减（或加）得到净输入电流的反馈。串联反馈并联反馈判别方法下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈分别判断图示电路的串并联反馈。[例题]串联反馈并联反馈下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈（3）电压反馈和电流反馈电压反馈取出的反馈电流是正比于输出电流电压负反馈可以稳定输出电压电流负反馈可以稳定输出电流取出的反馈电压是正比于输出电压电流反馈电压反馈下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

从定义判别电压或电流反馈，常采用负载短路法，即把负载电阻短路，如果反馈依然存在，则为电流反馈，反之为电压反馈。

在放大器件是运算放大器的情况下，反馈路径中包含负载电阻或其一部分为电流反馈，反之为电压反馈。电流反馈下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈分析判别反馈电路的反馈类型。反馈电阻反馈电阻电压串联负反馈电压并联负反馈下一页上一页节首页章目录[例题]电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈分析判别图示分压式偏置电路中的反馈过程。电流串联负反馈下一页上一页节首页章目录[例题]电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈三、负反馈对放大电路性能的影响

负反馈使放大电路的增益下降，但能从多方面改善放大电路的性能。（1）提高放大倍数的稳定性从数学表达式来看，当反馈很深时，即时，

可见，引人深度负反馈后，放大电路的放大倍数仅决定于反馈网络，而与基本放大电路的参数几乎无关。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

放大倍数的稳定性常用放大倍数相对变化之比来评定。在负反馈下只考虑大小时有上式两边对求导，得闭环电路放大倍数的相对变化率引入负反馈，提高放大倍数的稳定性下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈（2）减少非线性失真

大信号放大电路中，由于输入信号的幅度较大，在动态过程中，放大器件可能工作到它特性的非线性部分而产生失真。引人负反馈后正弦小大正弦略大略小略大略小略小略大下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈（3）扩展频带

频带宽度是放大电路的重要指标，引入负反馈是展宽频带的措施之一。

运算放大电路的频率特性开环深度负反馈闭环电路带宽下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

并联负反馈的输入电阻比无反馈时的输入电阻减小。（4）改变输入、输出电阻

串联负反馈下,反馈电压送回输入回路，与原输入电压串联，且极性相反，结果导致净输入电压减小，流过原输入电阻的电流变小，输入电阻比无反馈时增加。电压负反馈：放大电路输出电阻减小电流负反馈：放大电路输出电阻增高下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈（5）抑制干扰和噪声

干扰是指经电源线或电磁耦合进入放大器，并对放大电路的工作产生影响的其他信号。噪声是指放大器件工作中自身产生的不规则信号。对放大电路来说，干扰和噪声是有害的，负反馈对抑制干扰和噪声具有明显的效果。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈

综上分析可见：负反馈之所以能够改善放大电路的多方面的性能，归根结底是由于将电路的输出量（uo或io）引回到输入端与输入量（ui或ii）进行比较，从而随时对输出量进行自动调整的结果。|1+AF|越大，反馈愈深，这种调整作用就愈强。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——放大电路中的负反馈8.3基本运算电路

负反馈下工作的运算放大器的输入信号可以在很大的范围内变化而输出不会进入非线性范围，这些应用称为运算放大器的线性应用。线性应用电路分析的目的主要是确定电路的功能，即输入和输出的关系。

在深度负反馈的作用下，集成运算放大器的两输入端电位相等、电流为零。下一页上一页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路1.比例运算反相比例运算电路平衡电阻根据虚断和虚短根据电路，有下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路同相比例运算电路根据虚断和虚短根据电路，有下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路电压跟随器下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路2.加法运算反相输入求和电路根据虚断和虚短，有电路输出电压下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路同相输入求和电路根据虚断，有当时，有下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路下一页上一页节首页章目录3.减法运算根据虚断和虚短根据电路，有将上面两个式子整理得电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路4.积分运算根据虚断和虚短根据电路，有积分时间常数下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路积分电路输入为负阶跃信号积分电路输入为矩形波信号积分饱和下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路5.微分运算根据虚断和虚短，有电路输出电压下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路

由于微分电容在高频时容抗很小，电路对高频信号的放大倍数很大，所以纯微分电路对噪声和干扰敏感，实际电路往往在输入回路中加串电阻R1，使输出/输入信号的放大比例受Rf和R１的限制而不会太大。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——基本运算电路8.4正反馈振荡电路一、正弦信号产生电路

信号产生电路是指在没有输入信号的情况下，电路自身通过振荡产生信号输出。1.产生正弦振荡的条件

反馈中，当时，反馈深度等于零，电路有无限大增益，也就是在没有输入信号时，也将有信号输出，称为自激振荡状态。下一页上一页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路

正弦波振荡电路用来产生的正弦交流信号。频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。常用的正弦波振荡器LC振荡电路:输出功率较大、频率高。RC振荡电路:输出功率较小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。

无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。应用下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路(1)放大电路正弦波振荡电路的组成放大信号保证是正反馈，反馈信号是放大的输入信号保证输出为单一频率的正弦波，即使电路只在某一特定频率下满足振荡条件使电路能从起振

AF

>1，过渡到稳定振荡

AF

=1，从而达到稳幅振荡。(4)稳幅环节

(3)选频网络(2)反馈网络下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路

选出单一频率的信号（1）电路结构2.RC正弦波振荡电路同相比例放大电路RC选频网络正反馈网络下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路（2）RC串并联选频网络的选频特性选频网络反馈系数+–+–

分析上式可知：仅当=o时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，fo决定于RC。

下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路u1u2u2与u1波形相频特性

(f)fo幅频特性ffo13下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路（3）工作原理

输出电压

uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui

。1)起振过程下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路

A

=

0，仅在f

0处

F=

0满足相位平衡条件2)稳定振荡改变R、C可改变振荡频率RC振荡电路的振荡频率一般在200kHz以下。振荡频率由相位平衡条件决定3)振荡频率振荡频率下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路振荡频率的调整振荡频率++∞RFRCC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1

改变开关S的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率细调。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路（4）起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件

AuF

=1，|F|=1/3，则起振条件

AuF

>1，因为|F|=1/3，则

考虑到起振条件

AuF

>1,一般应选取RF

略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路带稳幅环节的电路

热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。

起振时，uO很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1,

AuF

>1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低，使得Au下降，当RF=2R1时，稳定于

AuF

=1，振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路R++∞RFR1CRC–uO–+

稳幅过程

思考

若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？uotRFAu下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路振荡幅度较大时正向电阻小带稳幅环节的电路IDU振荡幅度较小时正向电阻大

利用二极管正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1稳幅环节下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路

图示为RC桥式正弦波振荡电路，已知运算放大器为μA741，其最大输出电压为±14V。R=10kΩ，C=0.01μF，RF1=2.7kΩ，RF2=9.1kΩ，R1=5.1kΩ。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF11)设电路已产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管的正向压降约为0.6V，二极管导通电阻约2.7kΩ,试估算输出电压的峰值±UOM2）计算产生的正弦波的频率。[例题]下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路1）二极管导通时为0.6V的压降,2.7kΩ的电阻,所以由D1、D2和RF1

组成的并联支路的等效电阻近似为1.1kΩ,流过该并联支路和R１、RF2为同一电流,所以有2）产生的正弦信号的频率[解]R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路二、非正弦信号产生电路（1）非正弦信号产生电路的构成和分类

非正弦信号产生电路由迟滞比较器（施密特触发器）和延时电路组成，延迟电路一般采用简单的积分电路。下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路（2）非正弦信号产生电路的分析方法

分析重点是迟滞比较器和积分电路是否能正常工作，并分析积分电路的输出能否达到使迟滞比较器翻转的门限电平。进一步分析计算高低电平的持续时间T1和T2，由此计算得到信号的周期和频率。（3）方波三角波产生电路下一页上一页节首页章目录电工电子技术基础集成运算放大器——正反馈振荡电路由同相输入迟滞比较