大学电工电子技术《集成运算放大器》教学课件

电工电子技术课程集成运算放大器原理·模型·电路·应用2026年09月课程导览01认识集成运放内部结构、引脚功能与理想化模型02掌握分析方法虚短虚断与线性区分析工具03解析典型电路运算电路与信号处理电路04拓展非线性应用比较器与波形产生电路05综合应用训练实际电路设计与例题精讲章节导览01认识集成运放读懂内部，才能用好外部从结构到模型，建立分析基础集成运放的组成与结构高增益、直接耦合的多级放大电路集成运放把多级放大电路集成于同一硅片，因最初用于模拟计算机实现数学运算而得名，其内部由四个部分协同构成。四部分协同，构成完整的高增益放大通路。四部分组成与核心功能组成部分核心功能输入级差分放大电路，抑制零点漂移，决定输入电阻与共模抑制比中间级电压放大，提供很高的开环电压增益输出级互补对称功率放大，输出电阻低，带负载能力强偏置电路为各级提供稳定可靠的静态工作点封装形式与引脚识别外形各异，引脚功能须先认准识别前提引脚识别是正确接线的第一前提常见封装形式金属圆壳封装双列直插式封装贴片式封装引脚功能分类输入端电源端、反相输入端、同相输入端输出与调节端输出端、调零端、相位补偿端识别方法以封装缺口或标记点为起点，按逆时针方向依次编号不同封装编号规则需查阅手册确认代表器件通用型代表器件

μA741

同时具有双列直插与金属圆壳两种封装形式，正确识别引脚是搭建实验电路、避免器件损坏的第一步电路符号与传输特性符号简洁，特性曲线分三区线性区极其狭窄，是运放传输特性的关键事实电路符号2项三角形表示放大作用反相输入端标减号，同相输入端标加号输出端与电源端只有一个输出端，电源端在符号中通常省略不画电压传输特性3项三段分区分线性区、正饱和区、负饱和区线性区斜率即开环电压增益，增益极大→线性区极其狭窄输出饱和电压接近正负电源电压，由供电电压决定理想化模型的五个条件理想化是为了抓住主要矛盾理想化处理的五个条件开环电压增益趋于无穷大差模输入电阻趋于无穷大输出电阻趋于零共模抑制比趋于无穷大开环带宽趋于无穷大参数理想条件实际器件特点开环电压增益无穷大有限但数值很高差模输入电阻无穷大较大但有限输出电阻零很小但不为零主要性能参数参数决定电路精度与适用场合选型时需根据精度、速度与成本综合权衡开环差模电压增益衡量放大能力，数值越大越好输入失调电压与电流反映输入级对称性，数值越小运算精度越高输入偏置电流影响高内阻信号源电路的误差共模抑制比衡量抑制共模信号能力，数值越大抗干扰越强转换速率反映输出跟随快速信号能力，影响高频与大幅度信号性能章节导览02掌握分析方法虚短虚断，分析利器两条法则打通线性区分析运放的工作区与判断反馈决定工作区，工作区决定方法引入负反馈线性区工作区工作区：线性区输出特性输出电压与输入电压呈线性关系无反馈/引入正反馈非线性区工作区工作区：非线性区（饱和区）输出特性输出只有正、负饱和两个取值反馈方式决定了运放所处的工作区，而工作区又决定了分析时该采用的方法。工作区判断是分析任何运放电路的第一步，判断错误会导致整个分析失效。虚短与虚断两条黄金法则，线性分析利器线性分析虚短与虚断是理想运放线性分析的两条核心依据。短虚短理想运放工作在线性区时，开环增益趋于无穷大而输出电压为有限值，故两输入端差模电压趋于零，即同相端与反相端电位近似相等。断虚断理想运放输入电阻趋于无穷大，流入两个输入端的电流近似为零。使用前提虚短必须在深度负反馈即线性区条件下才能使用虚断在两种工作区中均成立线性区电路分析步骤判区、虚短、虚断、列方程分析要点反相输入端所在节点往往是列方程的关键节点列式时须注意各支路电流方向与节点电位的关系，保证符号一致第1步判断判断工作区运放工作在线性区还是非线性区第2步选法则选用分析法则线性区用虚短+虚断；非线性区只用虚断，输出取饱和值第3步列方程列节点方程对关键节点列基尔霍夫电流方程第4步求解联立求解联立方程求解输出电压章节导览03解析典型电路从比例到积分，运算皆可解运算电路与信号处理电路系统解析运算电路分析总览反馈元件不同，电路功能不同按输入方式分为反相输入、同相输入和差分输入三类，输入方式决定输出与输入的极性关系以及输入电阻的大小反馈元件典型功能电阻比例运算、加法运算、减法运算电容积分运算、微分运算电阻电容组合有源滤波与信号处理反相比例运算电路虚地是核心，输出与输入反相由虚断、虚短导出

uo=-(Rf/R1)ui，输出与输入反相电路结构输入信号经电阻接入反相输入端反馈电阻跨接输出端与反相输入端之间同相端经平衡电阻接地分析过程虚断：同相端电流为零且接地，电位为零虚短：反相端电位近似为零，即虚地节点方程：uo=-(Rf/R1)ui电路特点输出与输入相位相反反相端为虚地，电位近似为零输入电阻较小，约等于输入支路电阻同相比例运算电路输入电阻高，输出与输入同相同相比例运算电路——虚断与虚短联立，推出

uo=(1+Rf/R1)ui电路结构输入信号直接接入同相输入端，反馈网络由两只电阻组成，接在输出端与反相输入端之间。分析过程由虚断，输入电流为零，同相端电位等于输入电压由虚短，反相端电位等于同相端电位列方程得

uo=(1+Rf/R1)ui电路特点输出与输入相位相同闭环增益恒大于

1输入电阻很高，对信号源影响小电压跟随器增益为1，专司隔离缓冲输出电压与输入电压大小相等、相位相同，是增益为1的隔离缓冲电路电路结构同相比例电路的特殊情形反馈电阻为零或输出端与反相输入端直接相连分析要点由虚断和虚短，输出端电位直接等于同相端电位输出电压与输入电压大小相等、相位相同电路特点与应用3项电压增益为1阻抗特性输入电阻极高，输出电阻极低应用场景用于阻抗匹配与信号隔离缓冲，避免后级电路影响前级信号源加法运算电路反相加法器，实现信号叠加输出表达式为

uo=-(RF/R1·ui1+RF/R2·ui2+…)，按电阻比加权求和电路结构多个输入信号分别经各自的输入电阻接到反相输入端反馈电阻跨接在输出端与反相端之间分析要点反相端仍为虚地，各输入支路电流相互独立各输入支路电流之和等于反馈支路电流按电阻比加权求和得到输出特殊情况与应用各输入电阻相等时，输出等于反馈电阻与输入电阻之比乘以两输入电压之和的负值，实现等权相加应用于信号叠加、模拟加法运算、数模转换中的加权求和减法运算电路差分输入，实现信号相减差分输入方式下，当外接电阻对称匹配时，输出表达式简化为

uo=(Rf/R1)(u2−u1)电路结构两路输入信号分别经电阻接入反相输入端和同相输入端构成差分输入方式分析要点用叠加定理分别求两路输入单独作用时的输出，再叠加当外接电阻对称匹配时，输出表达式简化为

uo=(Rf/R1)(u2−u1)电路特点实现两信号之差的比例运算具有一定抑制共模信号的能力要求电阻严格匹配以保证运算精度典型应用差分信号放大消除共模干扰核心结论对称匹配时输出为两输入之差的比例运算电阻匹配精度直接决定运算精度积分运算电路电容作反馈，实现积分关系输出与输入电压对时间的积分成正比分析要点3项虚短反相端为虚地虚断输入支路电流全部流入反馈电容积分关系比例系数由输入电阻与电容共同决定电路特点与应用3项累积效果输出反映输入信号的累积效果波形变换可实现方波到三角波的波形变换典型用途用于模拟运算、延时控制与波形产生电路微分运算电路电容作输入，实现微分关系将反相比例电路中的输入电阻用电容替代，反馈元件为电阻，即构成微分运算电路。推导要点3项虚短由虚短，反相端为虚地虚断由虚断，电容支路电流全部流入反馈电阻输出关系输出与输入电压对时间的变化率成正比，比例系数由电容与反馈电阻共同决定特点与应用3项变化快慢输出反映输入信号的变化快慢波形变换可实现三角波到方波的波形变换噪声敏感对高频噪声敏感，实际电路常加限幅与相位补偿有源滤波器与信号处理运放加阻容，滤波性能更优有源滤波器由运算放大器与电阻电容网络组成，可实现低通、高通、带通、带阻等滤波功能。与无源滤波器相比的优点3项具有放大能力可补偿信号衰减输入阻抗高、输出阻抗低带负载能力强便于多级级联滤波特性更陡峭其他常见线性应用3项电压电流转换电路测量放大器模拟运算与信号调理电路章节导览04拓展非线性应用跳出线性区，应用更广阔比较器与波形产生电路电压比较器基础工作在非线性区，输出只有两态电压比较器是运放的非线性应用。比较两个输入电压的大小电压比较器：比较两个输入电压的大小工作条件与输出特征电路通常在开环状态或引入正反馈的条件下工作输出只有高电平和低电平两种状态，数值接近正负电源电压当同相端电位高于反相端电位时输出高电平，反之输出低电平与线性应用的根本区别比较器不使用虚短，须用虚断配合饱和输出值分析用饱和输出值分析输出状态，而非虚短分析方法从线性区的虚短切换到非线性区的虚断配合饱和单限比较器一个阈值，电平检测利器电路结构3项被比较电压端一端接被比较电压参考电压端另一端接参考电压运放工作状态运放处于开环工作状态分析要点3项输入高于参考输入电压高于参考电压→输出翻转为一种电平输入低于参考输入电压低于参考电压→输出翻转为另一种电平阈值与传输特性阈值电压即参考电压，传输特性呈阶梯状，翻转边沿陡峭典型应用3项电平检测检测信号电平高低状态波形整形与变换对波形进行整形与变换越限报警超出限值时触发报警滞回比较器正反馈引入回差，抗干扰更强两个阈值之差即回差电压，抗干扰电平检测由此成立电路结构单限比较器基础上改进将输出电压经电阻正反馈到同相输入端正反馈是滞回特性的来源正反馈分析要点3项阈值随输出状态变化正反馈作用使阈值电压随输出状态而变化电路存在两个阈值上门限电压和下门限电压回差电压两阈值之差称为回差电压方波产生电路滞回比较器加阻容，自激振荡滞回比较器加阻容，自激振荡电路结构与工作原理4项电路结构滞回比较器输出端接阻容充放电网络，电容电压送回比较器输入端充电翻转电容通过电阻充电，达上门限电压时输出翻转反向充放电输出翻转后电容反向充放电，达下门限电压时再次翻转连续输出如此周而复始，输出端产生连续的矩形波或方波电路特点2项自激振荡无需外加输入信号，属于自激振荡电路频率决定振荡频率由阻容时间常数和比较器阈值共同决定三角波产生电路方波经积分，波形变三角方波产生电路输出接一级积分运算电路电路结构方波产生电路输出端接一级积分运算电路工作原理3项方波经积分电路后，输出变为线性上升和下降的三角波方波幅度恒定，故积分得到的三角波上升与下降斜率均匀输出频率与方波频率保持一致应用构成函数信号发生器产生三角波、锯齿波等多种波形章节导览05综合应用训练学以致用，方为真掌握实际电路设计与例题精讲例题一

反相比例电路分析判区、虚短、虚断、求解电路增益为负十倍，输出与输入反相且被放大。10千欧输入电阻100千欧反馈电阻0.2伏输入电压解题步骤电路引入负反馈，判断运放工作在线性区由虚短，反相端为虚地，电位近似为零由虚断，输入支路电流等于反馈支路电流对反相端节点列方程并整理代入数值解得输出电压为

-2伏12345例题二

加法运算电路多路信号，电流叠加求解反相加法运算电路：多路输入信号经由各自电阻汇入反相端，电流在虚地节点叠加。输出电压等于负2伏，实现两路输入按电阻比加权求和的负值。已知条件4项电路类型反相加法器，两个输入支路输入电阻10千欧、20千欧反馈电阻20千欧输入电压0.5伏、1伏解题步骤4步第1步判断运放工作在线性区