模拟电子技术基础 第十讲 主讲 ：黄友锐 安徽理工大学电气工程系

08 运 算 放 大 器 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 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抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。 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。 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。 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。

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 “-” 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。

uo 运放内部电路举例 +UCC 反相 输入端 T4 T3 T2 输出端 T1 + ui T5 IS 同相 输入端 -UEE 输入级 输出级 中间级

HA17741内部电路简图

(1)集成放大器的符号 8.1.3运算放大器的符号和型号 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 其它例如:集成功率放大器的型号命名 CD－－－－ 集成稳压器的型号命名 CW－－－－ (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－－－－ 集成稳压器的型号命名 CW－－－－

8.2 运算放大器的主要参数 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 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。 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。 3. 输入失调电流 Iio ：(input offset current)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。

4.输入失调电压温漂 dVio /dT 5.输入失调电流温漂dIio /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 5.输入失调电流温漂dIio /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

6.最大差模输入电压Vidmax 7.最大共模输入电压Vicmax (maximum differential mode input voltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压Vicmax (maximum common mode input voltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

8.2.2运算放大器的动态技术指标 2. 差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。 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 ：(input 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)

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 。 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 。

6. 转换速率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

8.3.1理想运算放大器的条件 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Avd≥80dB即可。 2.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。 3.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。 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。

8.3.2理想运算放大器的特性 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。 (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 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)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。 （动画8-2） 下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。

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I‘i 0，故 V+0。且Ii  If 根据虚短， V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 Vo －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？ = –50  10 = –5 RF + ∞ . ui uo R2 u+ u_ 。 R1 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，该电路可用于同相比例运算。 图08.04同相比例运算电路

8.4 运算放大器分类 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。 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。

8.4.1 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Ⅰ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1～2 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 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 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 。 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