1、模拟电子技术基础,安徽理工大学电气工程系,主讲 ：黄友锐,第十讲,08 运 算 放 大 器,运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。,8.1 运算放大器的结构8.2 运算放大器的主要 参数8.3 理想运算放大器8.4 运算放大器分类,8.1 运算放大器的结构,8.1.1方框图8.1.2运算放大器的引线8.1.3运算放大器的符号和型号,8.1.1方框图,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图08.01所示。,图 08.01 运放内部结构,1. 输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的
2、抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,4. 偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3. 互补输出级由PNP和NPN两种极性三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2. 中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。,8.1.2运算放大器的引线,运算放大器的符号中有三个引线端 ，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端 ，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号 + 或 IN+表示；另一个称为 反相输入端 ，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号
3、“-” 或 “IN-” 表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。,输入级,中间级,输出级,运放内部电路举例,反相输入端,同相输入端,输出端,+UCC,ui,-UEE,HA17741内部电路简图,8.1.3运算放大器的符号和型号,(1)集成放大器的符号 按照国家标准符号如图08.02所示。,(a) (b)图08.02 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号,(2)集成运算放大器的型号命名 数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如:集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的
4、型号命名CW,8.2 运算放大器的主要参数,运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。,8.2.1运算放大器的静态技术指标 8.2.2运算放大器的动态技术指标,8.2.1运算放大器的静态技术指标,1. 输入失调电压Vio ：(input offset voltage)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。是表征运放内部电路对称性的指标。,3. 输入失调电流 Iio ：(input offset curr
5、ent)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,2. 输入偏置电流IB ：(input bias current)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,4.输入失调电压温漂 dVio /dT,5.输入失调电流温漂dIio /dT,6.最大差模输入电压Vidmax,7.最大共模输入电压Vicmax,8.2.2运算放大器的动态技术指标,1. 开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。,2. 差模输入电阻rid ：(inpu
6、t resistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。,3.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB),5. 单位增益带宽 f c (BWG)(unit gain band width) Avd 下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽 f c 。,4. 3dB带宽 f H ： (-3dB band width) 运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,6. 转换速
7、率S R (压摆率)(slew rate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为:,(动画8-1),7. 等效输入噪声电压Vn(noise voltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。,运算放大器外形图,运算放大器外形图,8.3 理想运算放大器,8.3.1 理想运算放大器的条件 8.3.2 理想运算放大器的特性,满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。 1.差模电压放大倍数Avd= ，实际上Avd80dB即可。,8.3.1理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻 Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻
8、大23个量级即可。,3.输出电阻 Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。,8.3.2理想运算放大器的特性,(1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压
9、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)虚断,由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在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。,下面举几个例子以
10、说明虚短和虚断的运用。,（动画8-2）,例8.1：有一理想运算放大器组成的电路如图08.03所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。,根据虚断Ii 0，故 V+0。且Ii If根据虚短， V+ V- 0Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1Vo If Rf =Vi Rf /R1电压增益Avf= Vo /Vi =Rf /R1根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。,图08.03反相比例运算电路,例 8. 2：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求 (1)、Auf 、R2 ； (2)、若 R1不变，要求Au f为 10，则RF 、 R2 应为 多少？,解：1、
11、 Au f = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 10+50 = 8.3 k,2、 Au f = RF R1 = RF 10 = 10 RF = Auf R1 = 10 10 = 100 R2 = 10 100 10 +100 = 9. 1 k,例 8.3：有一理想运算放大器组成的电路如图08.04所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。,根据虚断，Vi =V+ 根据虚短，Vi =V+ V- V+= Vi = Vo R1 /(R1+ Rf) Vo Vi 1+(Rf /R1) 电压增益 Avf= Vo /Vi =1+(Rf /R1)根据上述关系式，该电路可
12、用于同相比例运算。,图08.04同相比例运算电路,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用型、高速型、宽带型、高精度型、高输入电阻和低功耗等几种。,8.4 运算放大器分类,8.4.1 通 用 型,通用型运算放大器技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也已经过了几代的演变，早期的通用型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741 为例，输入失调电压12 mV、输入失调电流20 nA、差模输入电阻2M，开环增益100 dB、共模抑制比90
13、dB、输出电阻75 、共模输入电压范围13 V、转换速率0.5 V/s。,8.4.2高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,8.4.3高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如： OP177: CF714 :,8.4.4高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。 例如：AD549 CF155/255/355,8.4.5低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如： OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。 OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W 。 CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W 。,8.4.6 功 率 型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。 例如： LM12 TP1465,
