以信任为话题的作文-厄瓜多尔大使馆

第11章 运算放大器
前两章讲的是分立电路，就是由各种单个元件连接起来的电子电
．．．．
路。集成电路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个元件
．．．．
以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分
割的整体。近年来，集成电 路正在取代分立电路元件，它打破了分立
元件和分立电路的设计方法，实现了材料、元件和电路的统一。 它的
体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格也较便宜。所以集成电路
的问世。是电子技术的 一个新的飞跃，使电子技术进入了微电子时代，
从而促进了各个科学技术领域先进技术的发展。
就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模
（即SSI，MSI,SIVLL和S I）之分。目前的超大规模集成电路，每块
芯片上制有上亿个元件，而芯片面积只有几十平方毫米。就导 电类型
而言，有双极型、单级型和两者兼容的。就功能而言，有数字集成电
路和模拟集成电路。 本章所讲的是集成运算放大器。至于其它集成器
件，将在后面各章部分别介绍。
11.1运算放大器的简单介绍
11.1.1运算放大器的组成
集成运算放大器的 电路可分为输入级、中间级、输出集和偏执电
路四个基本组成部分（图11.1.1）

图11.1.1 运算放大器的方框图

输入级是提高运算放大器质量关键部分，要求其输入电阻高，能
减小零点漂移和抑制 干扰信号。输入级都采用差分放大电路，它有同
相和反相两个输入端。
中间级主要进行电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路构成。
输出级与负载相连，要求其 输出电阻低带负载能力强，能输出足
够大的电压和电流，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路的作用是为了上述各级电路提供稳定和合适的偏置电
流，决定各级的静态工作点，一般由各 种恒流源电路构成。
在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管脚的用途以及放
大器的主 要参数，至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。集
成运算放大器可用图11.1.1的符号来表 示。图中所示的是F007
（5G24）集成运算放大器的外形、管脚和符号图。它有双列直插式[图< br>11.1.2a]和圆壳式[图11.1.2b]两种封装。这种运算器需要与外电路相
接的是通 过7个管脚引出的。各管脚的功能是：

图11.1.2 F007集成运算放大器的外形、管脚和符号图




1,5——外接调零电位器（通常为10KΩ）的两个端子。
2——反相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是
反相的（或两者极性相反）。
3——同相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是
同相的（或者两者极性相同） 。
4——负电源端。接-15V稳压电源。
6——输出端。
7——正电源端。接+15V稳压电源。
8——空脚。
11.1.2 主要参数
运算放大器的性能可用一些参数来表示。为了合理选用和正确选
用和正确使用运算放大器，必须 了解各主要参数的意义。
1.最大输出电压U
OPP

能是输出电压和输入 电压保持不失真关系的最大输出电压，
称为运算放大器的最大输出电压。F007集成运算放大器的最大 输
出电压约为正负十三伏。
2.开环电压放大倍数A
uo

在运算放大器的输出端与输入端之间没有外接电路时所测出
的差摸电压 放大倍数，称为开环电压放大倍数。
A
uo
越高，所构成的运算电路月稳 定，运算精度也越高。A
uo
一般
约为10^4- 10^7,即80 – 140dB。
3.输入失调电压U
I0

理想的运算放大器，当输入电压 u
I1
=u
I2
=0(即把两输入端同时接
地)时，输出电压u0
=0。但在实际的运算放大器中，由于制造中
能够元件参数的不对称性等原因，当输入电 压为零时，u
0

0.反
过来说，如果要u
0
=0，必须在 输入端加一个很小的补偿电压，它
就是输入失调电压。U
I0

一般为几毫伏，显然他愈小愈好。
4.输入失调电流I
I0

输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流
之差，即I
I0
=
I
B1
I
B2
。I
I0
一般在零点零几毫安级，其值愈 小愈好。
5. 输入偏执电流I
I0

输入新年好为零时，两个输入端静 态基极电流的平均值，成为输
入偏执电流，即I
IB
=
I
BI
I
B2
.它的大小主要和电路中的第一级管子的
2
性能有关。这个电流也 是愈小愈好，一般在零点几微安级。
6.共模输入电压范围U
I
ICM

运算放大器对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的
共模电压范围内才具备。如超 出这个电压，运算放大器的共模抑制性

能就大为下降，甚至造成器件损坏。
以上介绍了运算放大器的几个主要参数的意义，其他参数（如
差模输入电阻、差模输出电阻、温度漂移、 共模抑制比、静态功耗等）
的意义是可以理解的，就不一一说明了。
总之，集成运算放大器 具有开环电压放大倍数高、输入电阻高（几
兆欧以上）、输出电阻低（为几百欧）、漂移小、可靠性高、 体积小的
主要特点，所以他已成为一种通用器件，广泛而灵活的运用于各个技
术领域中。在选用 集成运算放大器时，就像选用其他电路元件一样，
要根据它们的参数说明，确定适用型号。
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
在分析运算放大器时，一般可将它看成理想运算放大器。理想
化的条件主要有：
开环电压放大倍数A
u0

;
差模输入电阻r
id

;
开环输入电阻r
0

0;
共模抑制比K
CMRR

.
由于实际运算放大器的上述技术指 标接近理想化的条件，因
此在分析时用理想运算放大器代替实际放大器所引起的误差并不严
重， 在工程上是允许的，但这样就使分析过程大大简化。后面对运算
放大器都是根据它的理想化条件来分析的 。
图11.1.3所示是理想运算放大器的图形符号。它有两个输入端
和一个输出端。反 向输入端标上“-”号，同相输入端和输出端标上“+”

号。它们对“地”的电压（即各 端的电压）分别用u

,u

,
0
u表示。“
< br>”
表示开环电压放大倍数的理想化条件。
表示输出电压和输入电压之间关系的特性曲线 称为传输特性，从
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运算放大器的传输特性（图11.1.4）看，可分为线性区和饱和 区。运
算放大器可工作在线性区，也可工作在饱和区，但分析方法不一样。

图11.1.3 运算放大器的图形符号

图11.1.4运算放大器的传输特性
1. 工作在线性区
当运算放大器工作在线性区时，输出信号u
0
和输入差 值信号
（u

-u

）是线性关系，即
u
0
=A
u0
（u

-u

） （11.1.1）
运算放大器是一个线性放大元件。由于运算放大器的开环电压放
大倍数A< br>u0
很高，即使输入毫伏级以下的信号，也足以使输出电压
饱和，其饱和值+U
0(sat)
或-U
0(sat)
达到接近正电源电压或负电源电压
值；另外 ，由于干扰，使工作难以稳定。所以，要是运算放大器
工作在线性区，通常外接反馈电路（见11.2节 ）。
运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：
（1） 由于运算放大器的差模输入电 阻r
id

，故可认为两输
入端的输入电流为零。
（2） 由于 运算放大器的开环电压放大倍数A
u0

，而输出电

压是一 个有限制，故从式（11.1.1）可知，
u

-u

=
即
u


u


如果反相端有输入时，同相 端姐“地”，即u

=0，由上式可见，
u
0

0这就是说 反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”
的“地”电位端，通常称为“虚地”。
2. 工作在饱和区
运算放大器工作在饱和区时，式（11.1.1）不能满足，这时输出电
压u
0
只有两种可能，或等于+U
0(sat)
或等于-U
0(sat)
，而u

与u

不一
定相等：
当u


u

时，u
0
=+U
0(sat )
；
当u


u

时，u
0=-U
0(sat)
。
此外，运算放大器工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也
等于零。
运算放大器的应用很广泛，后面几节将介绍它在几个方面的而应
用。
【例11.1.1】F0 07运算放大器的正、负电源电压为

15V，开环
电压放大倍数A
u0=2

10^5，输出最大电压（即

U
0(sat)
）为

13V。
今在图11.1.3中分别加下列输入电压，求出输出电压及其极性：
（1） u

=+10uV,u

=-10Uv;
u
0

0
A
u0

（2） u

=-5uV,u

=+10Uv;
（3） u

=0V,u

=5mV;
（4） u

=5mV,u

=0V。
【解】由式（11.1.1）
u

-u

=
u
0
13
= V=
65
uV
A
u0
210^5
可见，只要两个输入端之间的电压绝对值超过65uV，
输出电压就达到正或负的饱和值。
（1） u
0
=2

10^5(15+10)

10^-6=+5V
（2） u
0
=2

10^5(-5-10)

10^-6=-3V
（3） u
0
=-13 V
（4） u
0
=+13 V

11.2 放大电路中的反馈
负反馈在科学技术领域中的应用很多，在电子放大电 路中采用
负反馈的目的是为了改善放大电路的工作性能。
11.2．1反馈的基本概念
凡是将放大电路（或某哥系统）输出短的信号（电压或电流）
的一部分或全部通过某种电路（ 反馈电路）引回到输入端，就
称为反馈。
．．．
图11.2.1所示分别为无反 馈的和带反馈的放大电路的方框
图。任何带有反馈的放大电路都包含两个部分：一个为不带反