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第十六讲_集成运放的结构、工作原理和主要参数.ppt22页
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集成运放的特点和电路结构 7-2
集成运放的特性参数 7-3
理想的集成运放 7-4
集成运放的线性应用 7-5
集成运放的非线性应用 集成运算放大器，简称集成运放，是一 个高性能的直接耦合多级放大电路，因首先用于运放，故而得名。 1、采用直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性， 采用差分放大电路和电流源电路。 通用型集成运放： 单运放LM741 ； 四运放LM324 专用型集成运放： 高精度型：AD797 §7-1
集成运放的特点和电路结构 2、用有源器件代替无源元件，如用晶体管代替占面积大的 大电阻，三极管当二极管用等。 3、利用纵向NPN管β值较大、横向PNP管的耐压比较高的特 点，接成复合管的组态，形成性能优良的各种放大电路。 一、 集成运放的特点 集成运放的分类： 4、体积小、可靠性高、功耗低、成本低、使用方便。 二、 集成运放的一般构成（通用型） 偏置电路： 由恒流源电路组成，向各放大级提供合适的偏置电流； 输
级： 大多采用差动放大电路，要求输入电阻大，共模抑制比高，耐压高； 中
级： 主放大器，多采用共射放大电路，要求有足够大的放大能力； 一般为互补推挽功率放大器，要求输出电阻小，输出电压尽可能大，通常含有保护电路。 输入级 中间级 输出级 偏置电路 u+ u- uO 三、 集成运放的符号和封装 若将集成运放看成一个黑盒子，则可等效为一个双端输入单端输出的高性能差分放大电路。 输入级 中间级 输出级 偏置电路 u+ u- uO 1、电路符号 + - u+ u- uO A 同相输入端 反相输入端 同相输入端：信号从该端输入时，输出与输入同相。 反相输入端：信号从该端输入时，输出与输入反相。 + - u+ u- uO A 2、封装 ①金属圆壳式；②双列直插式；
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集成运算放大器的线性应用
导读：实验五集成运算放大器的线性应用，1．熟悉集成运算放大器的使用方法，进一步掌握基本运算电路的特性和测量方法，集成运算放大器（简称集成运放）具有高增益（103～108）、高输入阻抗（103～，他是理想的直流放大器和低频放大器，也可用于求和、积分、微分、对数等运算，本实验只限于讨论线性放大和低频放大，集成运放一般有两个输入端，反相比例器（或称反相放大器）电路形式如图5-1所示，输入信号电压Ui经电阻
集成运算放大器的线性应用
1．熟悉集成运算放大器的使用方法，进一步了解其主要特性参数的意义。
2．通过电路设计与调试，进一步掌握基本运算电路的特性和测量方法。
3．学习根据技术指标要求计算并确定电路和元器件参数的方法。
二、实验原理
集成运算放大器（简称集成运放）具有高增益（103～108）、高输入阻抗（103～1012）、低输出阻抗（几十～几百Ω）的特点。他是理想的直流放大器和低频放大器，也可用于求和、积分、微分、对数等运算，在其输出端和输入端接入不同的反馈网络，就能实现不同的电路功能。本实验只限于讨论线性放大和低频放大。
集成运放一般有两个输入端，同相端（+）和反相端（-），分别表示输入与输出之间的关系。同相端表示输入与输出端相位相同，反相端表示输入与输出端相位相反。
反相比例器
反相比例器（或称反相放大器）电路形式如图5-1所示。输入信号电压Ui经电阻R1加到集成运放的反相端，Rf是构成电压并连负反馈而接入的反馈电阻，R为直流平衡电阻，其值应满足的平衡条件R=R1//Rf。根据运算放大器的基本原理，在理想的条件下（以下其它电路的分析同此条件），由于有“虚地”、“虚短”和“虚断”现象存在，我们不难得出图5-1所示反相比例器的电压增益为
当Rf = R1 时，放大器的输出电压等于输入电压的负值，此时该放大器可用作信号的极性转换电路，称为反相器。
设计反相比例器时，元器件参数的确定应根据技术指标的要求而定：
①根据增益要求确定Rf与R1的比值，即
②根据对放大器输入阻抗的要求确定Rf和R1参数。若对放大器的输入阻抗没 有明确的要求，则Rf一般取几十千欧至几百千欧。若Rf 过大，则R1 也大，就会引起较大的失调温漂；若Rf过小，则R1 也小，那么这个放大器的输入阻抗就不可能高，在与前级电路相接时，就可能对前级电路产生不可忽略的影响。
若对放大器的输入阻抗已有要求，则可根据Ri=R1，先定R1，再求 Rf 。
③平衡电阻R=R1//Rf,有时也采用两只电阻并联连接的方式，以避免计算误差。
图5-1 反相比例器电路
2.同相比例器
同相比例器（或称同相放大器）电路如图4-2所示。输入信号电压Uｉ经电阻R加到集成运放的同相端，Rf为串联反馈电阻，R=R1//Rf 。同相比例器的电压增益为
图5-2 同相相比例器电路
同相比例器属电压串联负反馈，具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于放大系统的前置放大级。
同相比例器电路元件参数的选取与反相比例器的基本相同。需要注意的是，由于从同相端输入信号，运算放大器输入端不存在“虚地”，但两个输入端之间有“虚短”特性，因此运放的两个输入端相当于同时作用着信号幅度相等的共模信号，这就要求输入信号的大小不能超过运放的共模输入范围。
我们把上式和图5-2 联系起来看，若Rf≈0或R1开路，则可得UO=Ui
,形成电压跟随器。与晶体管电压跟随器（射随器）相比，集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高，几乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更低，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器。
3．反相加法器
电路如图5-3所示，在深负反馈条件下，采用叠加原理可推出
当R1=R2=R时
为了保正运算精度，应尽量选用高精度的集成运放，电阻也要选用精度高、稳定性好的电阻，
元件值的的选取可参考反相放大器的设计原则。
电路如图5-4所示，在深负反馈条件下
图 5-3 反相加法器
图5-4 减法器
此电路除了要求电阻值（R1=R2,Rf=R3）严格匹配外，对运放还要求有较高的共模抑制比，否则将会产生较大的运算误差。
5．交流放大器
集成运放在进行交流信号的放大时，可以采用直接耦合式，也可以采用阻容耦合式。阻容耦合式反相运算放大器电路如图5-5所示。
图5-5 交流反相放大器电路
由于采用阻容耦合式电路，没有零输入、零输出的要求。为了简化电路，放大器可以采用单电源供电，电路如图5-6所示。
图5-6 单电源交流反相放大器电路
为使运放的静态工作点处于线性区的中心，获得最大的动态范围，要求输出端的直流电压为电源电压的一半；对直流而言，图5-6所示电路属电压跟随器的形式，输出端的直流电压值与同相端的直流电压值相同。为此，只要在同相输入端设置相同的偏置电压即可达到这一要求。这个电压由电源通过电阻R2,R3分压提供。
采用反相交流放大器工作，在中频段，各项参数计算与确定均与反相运算放大器相同。值得注意的是，在图5-6中R2=R3 使从同相端输入的直流信号幅度为电源电压的一半；同时还要考虑从同相端输入的直流电流的大小，如果太小，直流工作状态不稳定，过大则会使电源能量消耗较大；C3的接入是为了确保同相输入端的交流零电位。
三、相关分析与计算
⑴基本运算放大器均采用直接耦合式（电容耦合式交流放大器除外）,他的下限频率fL=0,其上限频率fH在小信号工作的条件下，增益与带宽的乘积是一个常熟，并等于集成运算放大器的单位增益带宽BWG,即
BWG = Au ?BW0.707
单位增益带宽BWG 的意义是放大倍数为1时的带宽。BWG 一般由手册给出，也可用实验方法测定。例如μA741集成运算放大器的BWG = 1MHz , 若组成基本放大器的增益Au = 20倍，根据（5-1）式，其工作带宽应为
= BWG/ Au = 50kHz
在大信号工作时，由于集成电路会产生瞬间饱和和截止，电路工作需要一定的恢复时间，从频率的概念来讲是使频率响应范围变窄，所以大信号时的工作带宽要小于小信号时的工作带宽。
⑵电容耦合式的交流放大器的上限频率与其它运算放大器的相同，下限频率与耦合电容有关，输入电容C1和输出电容C2确定两个极点的频率，分别为
总下限频率为
⑶基本集成运算放大器有一定的线性工作范围，当输入信号电压幅度增大到一定程度时，输出电压将会出现非线性失真。输出电压最大的幅值受电源电压的限制，设计电路时，根据输出的最大幅值，电源电压要留有余量（这一点对图5-6所示的电路尤为重要），即
Vcc≈Uom+(1～2V)
式中 Uom 为放大器输出电压的最大幅值。
四、参数设计与实验调试应注意的问题
⑴在应用集成运放时，需要注意两个共性问题：
①首先是相位补偿。集成运算放大器是由多级放大器组成，存在若干分布参数，若将其构成深度负反馈时，可能会在某些频率上附加相移达到180°，负反馈变成了正反馈，造成了电
路的不稳定，甚至产生自激振荡，使电路无法正常工作。为了消除自激振荡，必须在运放的规定引脚端引进相位补偿网络（一般为阻容网络），以抵消分布参数的影响。但有些运放在内部已进行了相位补偿，使用时无需再进行补偿，如LM741,μA741，OP07等等。
②其次是调零。在需要放大含有直流分量的信号时，必须考虑调零问题。其目的是为了补偿运放本身（主要是差分输入级）失调量的影响，以保证集成运放闭环工作后，输入为零时输出也为零。不同的集成运放，其调零端位置不同，使用前应查阅手册，按规定使用调零电路。普通运放如LM741,uA741,OP07等的调零电路如图5-7所示。uA741和LM741CN都是双列直插式的8引脚单运放的集成电路，他们的电参数规范大致相同，他们的引脚分布则完全相同（参见图5-8）。
图5-7 调零电路
图5-8 uA741和LM741CN 外引脚分布图
⑵本实验限定使用μA741或LM741CN通用集成运算放大器，根据技术指标要求，设计出具体电路并计算出电阻数值，在数值的选取上应注意：
①在满足电路输入电阻要求的前提下，应尽可能减小输入电阻R1的阻值，因为输入电阻阻值越大，偏置电流飘移的影响也就越大。
②在满足电路电压增益要求的前提下，反馈电阻不易选择过大，阻值太大的电阻其精度及稳定性都会降低，从而影响增益的精度和稳定性。
④集成运放二输入端的直流总电阻应相等，满足平衡条件。
⑶基本运算电路电阻值的选取有两种办法：
①按技术指标中的放大器输入阻抗Ri值来确定R1的阻值。然后根据相互关系计算出其它电阻阻值。
②如果技术指标中对输入阻抗没有具体要求，则可以通过查表等方法得到集成
运放相关参数，然后通过公式计算出Rf ，再根据相互关系，计算出其它电阻阻值。
⑷图5-5和5-6中电容器的选取，可以根据其容量值与频率的关系通过计算确定，但实际选取的结果往往远远大于计算值（一般为1.5～10倍，有的甚至更大）。所以在实际低频放大器中，这样的电容器多数是凭经验选取的，遵循的原则是，所选电容器容量值在电路响应的特定频率范围的信号作用下，其容抗值应远远小于同一支路电阻或其并联支路电阻的阻抗值。
五、设计举例
设计一个能完成的运算电路。要求输出失调电压mV，计算各元件参数值（运放采用通用μA741或LM741）。
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