《模拟电子技术》教案 第七章基本运算放大电路 本章教学目标： 1、了解集成运放的组成及电路模型 2、掌握集成运放的线性应用 本章重点： 集成运放模型；集成运放内部单元电路 本章难点： 差分放大电路和镜像电流源偏置电路 集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体 基片上而形成具有电路功能的器件。 集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。 集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成 电路：一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电 路：十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极 型集成电路：单极型器件组成的单极型集成电路：双极型器件和单极型器件兼容 组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。 集成运算放大器（简称集成运放）：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。 7.1.1集成运算放大器的外形和符号 1.集成电路的外形：见图7.1 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳 (a)圆壳式 (b)双列直插式 式和双列直插式。 (©扇平式 图7.1集成电路外形 2.集成运放的型号 +6% 国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿 8 拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中 标志 10k2 CF741 C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯 中JJI 数字表示品种。 1+ -VG 3.集成运放的管脚顺序及功能 图7.2CF741外接线图 国产第二代集成运放CF741接线如图7.2
《模拟电子技术》教案 1 第七章 基本运算放大电路 本章教学目标： 1、 了解集成运放的组成及电路模型 2、 掌握集成运放的线性应用 本章重点： 集成运放模型；集成运放内部单元电路 本章难点： 差分放大电路和镜像电流源偏置电路 集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体 基片上而形成具有电路功能的器件。 集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。 集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成 电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电 路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极 型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容 组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。 集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。 7.1.1 集成运算放大器的外形和符号 1．集成电路的外形：见图 7. 1 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳 式和双列直插式。 2．集成运放的型号 国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿 拉伯数字表示，例如 CF741、CF124 等，其中 C 表示国家标准，F 表示运算放大器，阿拉伯 数字表示品种。 3．集成运放的管脚顺序及功能 国产第二代集成运放 CF741 接线如图 7. 2 图 7. 1 集成电路外形 图 7. 2 CF741 外接线图
模拟电子技术教案 所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上 逆时针方向排列。管脚功能如下： 脚7接正电源(+9~+18)V,脚4接负电源(-9~-18)V,脚6为输出端，脚 1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端（输出信号与输入信号同相位），脚 2为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）。脚8为空脚。 国产第一代集成运放F004接线如图7.3所示。圆壳式集成运放的管脚顺序 是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向 排列。管脚功能如下： n300k 脚7接正电源(+15)V,脚4接负电源(-15)V, 脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同 相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k2 F004 电阻及R即、CP的作用是消除自激，可通过调试决定 数值。 图7.3F004外接线图 不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的， 应用时可查阅产品手册来确定。 4.集成运放的图形符号 如图7.4所示，图(a)是国家新标准 (GB472813一1996)规定的符号：图(b) 是曾用过的符号。画电路时，通常只画出 (a)新标准的图形符号(b)以往用过的图形符号 图7.4运算放大器的图形符号 输入和输出端，输入端标“+”号表示同 相输入端，标“_”号表示反相输入端。 7.1.2集成运算放大器的放大倍数和参数 一、两种放大倍数 1.开环放大倍数Ao 开环放大倍数AO:无反馈时集成运放的 放大倍数。如图7.5所示。 B阳 40=。一= 图7.5集成运放的开环放大倍数 VB-VA VI 2.闭环放大倍数A阳
模拟电子技术教案 2 所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上 逆时针方向排列。管脚功能如下： 脚 7 接正电源(+9 +18)V，脚 4 接负电源(−9 −18)V，脚 6 为输出端，脚 1、4、5 外接调零电位器，脚 3 为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)，脚 2 为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)。脚 8 为空脚。 国产第一代集成运放 F004 接线如图 7. 3 所示。圆壳式集成运放的管脚顺序 是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向 排列。管脚功能如下： 脚 7 接正电源(+15)V，脚 4 接负电源(−15)V， 脚 6 为输出端，脚 1、4、8 接调零电位器，脚 3 为同 相输入端，脚 2 为反相输入端，脚 5、6 之间的 300k 电阻及 RP、CP 的作用是消除自激，可通过调试决定 数值。 不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的， 应用时可查阅产品手册来确定。 4．集成运放的图形符号 如图 7. 4 所示，图(a)是国家新标准 (GB4728•13—1996)规定的符号；图(b) 是曾用过的符号。画电路时，通常只画出 输入和输出端，输入端标“+”号表示同 相输入端，标“−”号表示反相输入端。 7.1.2 集成运算放大器的放大倍数和参数 一、两种放大倍数 1．开环放大倍数 AVO 开环放大倍数 AVO：无反馈时集成运放的 放大倍数。如图 7. 5 所示。 I o B A o O v v v v v AV = − = 2．闭环放大倍数 AVF 图 7. 5 集成运放的开环放大倍数 图 7. 4 运算放大器的图形符号 图 7. 3 F004 外接线图
《模拟电子技术》教案 闭环放大倍数A:有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数 值根据具体电路的反馈情况来计算。 二、主要参数 1.输入失调电压o 输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。 一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，o越小，运放性能越好。 2.输入失调电流o 输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。 其值为两个输入端静态基极电流之差。 3.输入偏置电流B 输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级， B越小越好。 4.开环电压放大倍数Ao 电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。A0越大，集成运放运算 精度越高。一般中增益运放的Ao可达105倍。 5.开环输入阻抗片 指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。片越大，运放性能越好。 一般在几百千欧至几兆欧。 6.开环输出阻抗% 电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。。越小，运放性能越好。一般 在几百欧左右。 7.共模抑制比KCMR 电路开环情况下，差模放大倍数AD与共模放大倍数AC之比。KaMR越大， 运放性能越好。一般在80dB以上。 8.输出电压峰-峰值Vop 放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。 9.静态功耗PD 电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。 10.开环带宽BW
《模拟电子技术》教案 3 闭环放大倍数 AVF：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数 值根据具体电路的反馈情况来计算。 二、主要参数 1．输入失调电压 VIO 输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。 一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，VIO 越小，运放性能越好。 2．输入失调电流 IIO 输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。 其值为两个输入端静态基极电流之差。 3．输入偏置电流 IIB 输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级， IIB越小越好。 4．开环电压放大倍数 AVO 电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。AVO 越大，集成运放运算 精度越高。一般中增益运放的 AVO 可达 105 倍。 5．开环输入阻抗 ri 指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。ri 越大，运放性能越好。 一般在几百千欧至几兆欧。 6．开环输出阻抗 ro 电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。ro 越小，运放性能越好。一般 在几百欧左右。 7．共模抑制比 KCMR 电路开环情况下，差模放大倍数 AVD 与共模放大倍数 AVC之比。KCMR 越大， 运放性能越好。一般在 80dB 以上。 8．输出电压峰 − 峰值 VOPP 放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。 9．静态功耗 PD 电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。 10．开环带宽 BW
模拟电子技术教案 开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的带宽。 以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。 三、集成运放产品分类简介 1.通用型 通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出 有短路保护功能：电源电压适用范围宽：不需外接补偿电容。如性能较好的CF741 等。 2.特殊型 特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如： (1)高输入阻抗型差模输入电阻不小于109Ω。 (2)高精度型△o△T小于2μV℃。 (3)宽带型 增益带宽大。 (4)低功耗型当电源电压±15V时，最大功耗不大于6mW。 (5)高速型 转换速率大于30Vμs。 (6)高压型 输出电压较高。 7.1.3集成运算放大器的理想特性 R 集成运放的理想特性为： >0 1.输入信号为零时，输出端应恒定为零： 2.输入阻抗片=0； 3.输出阻抗r。=0: 图7.6反相输入比例运算电路 4.频带宽度BW应从0→0； 5.开环电压放大倍数Ao=o。 在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分 析。 7.1.4集成运算放大器的应用举例 一、数学运算方面的应用举例 1.简单的比例运算功能 (1)反相输入比例运算电路 图7.6所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。 根据运放“理想特性”，=o,40l=o，而vo又是有限值，则
模拟电子技术教案 4 开环电压放大倍数随信号频率升高而下降 3 dB 所对应的带宽。 以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。 三、集成运放产品分类简介 1．通用型 通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出 有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的 CF741 等。 2．特殊型 特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如： (1) 高输入阻抗型 差模输入电阻不小于 109 。 (2) 高精度型 VIO/T 小于 2V/C 。 (3) 宽带型 增益带宽大。 (4) 低功耗型 当电源电压 15 V 时，最大功耗不大于 6 mW。 (5) 高速型 转换速率大于 30 V/s。 (6) 高压型 输出电压较高。 7.1.3 集成运算放大器的理想特性 集成运放的理想特性为： 1．输入信号为零时，输出端应恒定为零； 2．输入阻抗 ri = ； 3．输出阻抗 ro = 0； 4．频带宽度 BW 应从 0 → ； 5．开环电压放大倍数ΑVO = 。 在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分 析。 7.1.4 集成运算放大器的应用举例 一、数学运算方面的应用举例 1．简单的比例运算功能 (1) 反相输入比例运算电路 图 7.6 所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。 根据运放“理想特性”， ri = ， AVO = ，而 vO 又是有限值，则 图 7. 6 反相输入比例运算电路
《模拟电子技术》教案 4=0,=。0 Ayo 所以 i=ie 故反相输入比例运放的闭环放大倍数为 R 输出电压为 v0=- R 结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数4红只取决于R与R之比，与 开环放大倍数4o无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。 由于v≈O,即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把 A端称为“虚地”。 R (2)同相输入比例运算电路 图77所示的电路，是电压串联负反馈放大电 A 路。 B 根据运放“理想特性”5=o,4D=o,而o又 -9 图7.7同相输入比例运算器 为有限值。得 6-v4=90,1,≈0 「Ao 因此，输入电压为 VI=VB=VA 其中 R VA=Yo 故同相输入比例运放的闭环放大倍数为 4o=2-=8+R-1+尽 VI VA R R 输出电压 "o=1+ R 从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与4。无关
《模拟电子技术》教案 5 0 0 O O I = A = AV v i ，v 所以 1 f i = i 故反相输入比例运放的闭环放大倍数为 1 f 1 1 f f I O F R R R i R i v v AV = − − = = 输出电压为 i 1 f O v R R v = − 结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数 AVF 只取决于 Rf 与 R1 之比，与 开环放大倍数 AVO 无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。 由于 vA 0，即 A 端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把 A 端称为“虚地”。 (2) 同相输入比例运算电路 图 7.7 所示的电路，是电压串联负反馈放大电 路。 根据运放“理想特性” ri = ，AVD = ，而 vO 又 为有限值。得 0 D O B − A = AV v v v ，i I 0 因此，输入电压为 vI = vB = vA 其中 O 1 f 1 A v R R R v + = 故同相输入比例运放的闭环放大倍数为 1 f 1 1 f A O I O D 1 R R R R R v v v v AV = + + = = = 输出电压 I 1 f O 1 v R R v = + 从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与 AVO 无关， 图 7. 7 同相输入比例运算器