集成运算放大电路的基本知识

【任务目标】

（1）熟悉集成运算放大电路的组成及特点；

（2）掌握集成运算放大电路的主要参数及引脚识别方法；

（3）了解通用集成运放的结构及工作原理；

（4）掌握集成运放工作的两个区域及特点；

（5）掌握如何选用集成运放的方法及使用时的注意事项；

（6）熟悉集成运放的各种运算电路。

一、集成运算放大器的组成及其特点

1.集成运算放大器的组成

集成运放具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，是模拟集成电子电路中最重要的器件之一，近几年得到了迅速的发展。集成运放种类型号众多，但基本结构归纳起来通常由4部分组成，分别是输入级、中间级、输出级和偏置电路，其组成原理框图如图2－37所示。

图2－37 集成运算放大器的内部组成原理框图

1）输入级

输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称差动输入级。

2）中间级

中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数，故而也称电压放大级。要求中间级本身具有较高的电压增益。

3）输出级

输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。除此之外，电路中还设有过载保护电路，用以防止输出端短路或负载电流过大时烧坏管子。

4）偏置电路

偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流，确定各级静态工作点。一般由各种恒流源电路组成。

2.集成运算放大器的外形、电路中的图形符号和引脚功能

集成运放的外形有双列直插式、扁平式和圆壳式3种，如图2－38所示。

图2－38 常见集成运算放大器的外形

（a）双列直插式；（b）扁平式；（c）圆壳式

集成运放的第一级都是采用差动放大电路。所以，集成运放有两个输入端，分别由两个输入端加入信号，在电路的输出端得到相位不同的信号，一个为反相关系，一个为同相关系，所以把这两个输入端分别称为同相输入端 （用 “＋”表示）和反相输入端 （用 “－”表示），其符号如图2－39所示。

图2－39 集成运放图形符号

（a）国际标准符号；（b）通用符号

F007型集成运放的外形如图2－40所示。如图2－40（a）所示顶视图中的引脚编号是逆时针排列的，对照图 （b），各引脚功能为：1、5为外接调零电位器，2为反相输入端；3为同相输入端；4为外接负电源；6为输出端；7为外接正电源；8为空脚。

图2－40 F007运放的顶视图和引脚排列

（a）F007运放的顶视图；（b）F007运放的外引脚排列

3.集成运算放大器的主要参数

集成运算放大器的性能可用一些参数来表示，为了合理地选用并正确地使用运放，必须了解各主要参数的意义。

1）开环差模电压放大倍数Aod

Aod指集成运放在无外加反馈的情况下的差模电压放大倍数，即

对于集成运放而言，希望Aod大且稳定。目前高增益的集成运放器件的Aod可高达140dB （107倍）。

2）最大输出电压UOPP

UOPP是指在额定的电源电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰值。

3）差模输入电阻rid

rid的大小反映了集成运放的输入端向信号源索取电流的大小。一般要求rid越大越好，普通型集成运放的rid为几百千欧至几兆欧。

4）输出电阻ro

ro的大小反映了集成运放在输出信号时带负载能力。ro越小越好，理想集成运放的ro为零。

5）共模抑制比KCMRR

共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，KCMRR越大越好，理想集成运放KCMRR为无穷大。

4.通用型集成运放介绍

如图2－41所示为通用型集成运放μ741的简化电路原理图。图中VT1、VT3和VT2、VT4组成共集－共基组合差分电路，VT5、VT6组成有源负载，构成双端变单端电路。VT7、VT8组成复合管共发射极放大电路中间级，由于采用有源负载，故该级可获得很高的电压增益。输出级由D1、D2、VT9～VT11组成典型的甲乙类互补对称功率放大电路，VT9构成推动级，VT10、VT11构成互补对称输出级。

图2－41 通用型集成运放μ741简化的内部电路

二、集成运放工作的两个区域

在分析运放时，为了使问题分析简化，通常把实际运放看成是一个理想元件。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即

（1）开环电压放大倍数Aod＝ ；

（2）开环输入电阻rid＝ ；

（3）开环输出电阻rod＝0；

（4）共模抑制比KCMRR＝ ；

（5）有无限宽的频带。

由于实际运放的参数非常接近理想运放的条件，所以把集成运放看成是理想元件，对其进行电路分析、计算的结果是满足工程要求的。在各种应用电路中，集成运算放大器的工作范围可能有两种情况，即工作在线性区或非线性区，集成运放电压传输特性如图2－42所示。下面分别介绍集成运放工作在这两个区域的特点。

图2－42 运算放大器的电压传输特性

1.理想运放工作在线性区的特点

当集成运放工作在线性区域时，其输出电压与两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即

u O＝Aodu ID＝Aod（u＋－u－）

因为理想运放Aud＝ ，而输出u O是一个有限值，所以有u＋＝u－。即理想运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，好像这两个输入端短路一样，这种现象称为 “虚短”。

由于理想运放rid＝ ，因此在其两个输入端均可以认为没有电流输入，即

i＋＝i－＝0

此时，集成运放的同相输入端和反相输入端的输入电流都等于零，如同这两个输入端内部被断开一样，所以将这种现象称为 “虚断”。

【结论】理想运放工作在线性区的特点：

（1）u＋＝u－，存在“虚短”现象；

（2）i＋＝i－＝0，存在“虚断”现象。

2.理想运放工作在非线性区的特点

如果集成运放的输入信号超出一定范围，则输出电压不再随输入电压线性增长，而将达到饱和。

理想运放工作在非线性区时，输出电压u O具有两值性：或等于运放的正向最大输出电压＋UOPP，或等于运放的负向最大输出电压－UOPP。

当u＋＞u－时，u O＝＋UOPP；

当u＋＜u－时，u O＝－UOPP。

在非线性区内，运放的差模输入电压可能很大，即u＋≠u－，此时，电路的“虚短”现象将不复存在。

在非线性区内，虽然集成运放两个输入端的电位不等，但因为理想运放的输入电阻rid＝ ，故“虚断”现象仍存在。

【结论】理想运放工作在非线性区的特点：

（1）输出电压u O具有两值性，不存在“虚短”现象；

（2）i＋＝i－＝0，存在“虚断”现象。

三、集成运放的发展与选用

随着电子工业的飞速发展，集成运放经历了4代更新，其性能越来越趋于理想化。从电路结构上，除了有晶体管电路外，还有CMOS电路、Bi CMOS电路等，还制造出某方面性能特别优秀的专用集成运放，以适应多方面的需求。下面按性能不同简单介绍几种专用集成运放及其适用场合。

1.集成运放的发展

1）高精度型

高精度集成运放具有低失调、低温漂、低噪声和高增益等特点，其开环差模增益和共模抑制比均大于100dB，失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，因而也称之为低漂移集成运放。高精度型集成运放适用于对微弱信号的精密检测和运算，常用于高精度仪器设备中。

2）高阻型

具有高输入电阻的运放称为高阻型集成运放，其输入级均采用场效应管或超β管 （其β值可达千倍以上），输入电阻可在1012Ω以上。高阻型集成运放适用于测量放大电路、采样保持电路等。

3）高速型

高速型集成运放具有转换速率高、单位增益带宽高的特点。产品种类很多，转换速率从几十伏每微秒到几千伏每微秒，单位增益带宽多在10MHz以上。适用于A/D转换器和D/A转换器、锁相环和视频放大器等电路。

4）低功耗型

低功耗型集成运放具有静态功耗低、工作电源电压低等特点，其他方面的性能与通用型运放相当，其电源电压为几伏，功耗只有几毫瓦，甚至更小。低功耗型集成运放适用于能源有限的情况，如空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测等领域。

5）高电压型

高电压型集成运放具有输出电压高或输出功率大的特点，通常需要高电源电压供电，适用于高电源电压供电的场合。

除通用型和上述特殊型集成运放外，还有为完成特定功能的集成运放，如仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器、对数/指数放大器等；具有可控性的集成运放，如利用外加电压控制增益的可变开环差模增益集成运放、通过选通端选择被放大信号通道的多通道集成运放等。而且随着新技术、新工艺的发展，还会有更多的产品出现。

EDA技术的发展对电子电路的分析、设计和实现产生了革命性的影响，人们越来越多地自己设计专用芯片。可编程模拟器件的产生，使得人们可以在一个芯片上通过编程的方法来实现对多路模拟信号的各种处理，如放大、滤波、电压比较等。可以预测，这类器件还会进一步发展，其功能会越来越强，性能也会越来越好。

2.集成运放的选用

了解集成运放基本性能指标的物理意义是正确选用和使用集成运放的基础。在组成集成运放应用电路时，首先应查阅手册，根据所应用的场合选定某一种或几种型号的芯片，并通过厂家提供的详细资料，进一步了解其性能特点、封装方式以及每个芯片中含有的集成运放的个数。不同型号的芯片，在一个芯片上可能有一个、两个或4个集成运放。应当指出，在无特殊需要的情况下，一般应选用通用型运放，以获得满意的性能价格比。

3.集成运放的静态调试

通常，在使用集成运放前要粗测集成运放的好坏。可以用万用表的欧姆挡的 “×100Ω”量程或 “×1kΩ”量程，以避免电压或电流过大，对照引脚排列图测试有无短路和断路现象，然后将其接入电路。

由于失调电压和失调电流的存在，集成运放输入为零时输出往往不为零。对于内部没有自动稳零措施的运放，需根据产品说明外加调零电路，使之输入为零时输出为零。调零电路中的电位器应为精密电阻。

对于单电源供电的集成运放，应加偏置电路并设置合适的静态输出电压。通常，在集成运放两个输入端静态电位为二分之一电源电压时，输出电压应等于二分之一电源电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号，且使两个方向的最大输出电压基本相同。

若电路产生自激振荡，即在输入信号为零时电路可输出有一定频率、一定幅值的交流信号，此时应在集成运放的电源端加去耦电容。有的集成运放还需根据产品说明外加消振电容。

如果还需要详细测试所关注的其他性能指标，可参阅有关文献。

4.集成运放的保护电路

集成运放在使用中常因输入信号过大、电源电压极性接反、电源电压过高、输出端直接接地或接电源等原因而损坏。这些原因中有的使PN结击穿，有的使输出级功耗过大。因此，为使运放安全工作，可从3个方面进行保护。

1）输入保护

一般情况下，当运放工作在开环 （即未引反馈）状态时，容易因差模输入电压过大而导致损坏；当运放工作在闭环 （即引入反馈）状态时，容易因共模输入电压过大而导致损坏。

如图2－43（a）所示是防止差模电压过大的保护电路，由于二极管的作用，集成运放的最大差模输入电压幅值被限制在二极管的导通电压±UD范围内。如图2－43（b）所示是防止共模电压过大的保护电路，通过±V和二极管的作用，集成运放的最大共模输入电压被限制在±（V＋UD）范围内。

图2－43 输入保护措施

（a）防止差模电压过大的保护电路；（b）防止共模电压过大的保护电路

2）输出保护

当集成运放输出端对地或对电源短路时，如果没有保护措施，集成运放内部输出级的管子将会因电流过大而损坏。如图2－44所示为输出端保护电路，限流电阻R与稳压管DZ构成的限幅电路一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。由于稳压管为双向稳压管，故输出电压最大幅值等于稳压管的稳定电压UZ。当然，任何保护措施都是有限度的，若将图2－44所示电路的输出端直接接在电源处，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响电路的性能。

3）电源端保护

为了防止因电源极性接反而损坏集成运放，可利用二极管单向导电性，将其串联在电源端实现保护功能，如图2－45所示。

图2－44 输出端保护电路

图2－45 电源端保护

四、集成运放的线性应用分析——运算电路

【想一想】为什么集成运放的线性应用必须引入负反馈？

采用集成运放实现对模拟信号的运算，必须引入深度负反馈。深度负反馈指当反馈深度｜1＋AF｜1时，负反馈放大电路的放大倍数为

一般，当｜1＋AF｜≥10时，即可认为是深度负反馈，此时的运放电路称为深度负反馈放大电路。

下面以一实例来研究集成运放的线性运用——基本运算放大器。

【例3】求如图2－46所示电路的输出信号u O与两个输入信号u I1、u I2之间的关系。

图2－46 例3电路

如图2－46所示电路是由两个集成运放构成的放大器，经分析可知电路引入的都是负反馈，而且由于集成运放的开环增益Aod非常大，所以引入的都是深度负反馈，这保证了集成运放工作在线性区。

1.集成运放A1构成的放大器的分析

1）反相比例放大器

如图2－46所示电路中集成运放A1构成的是反相比例运算器。输入信号经R1加至集成运放的反相输入端，RF为反馈电阻，把输出信号电压u′O反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。

① “虚地”的概念。

由于集成运放工作在线性区，有u＋＝u－、i＋＝i－＝0，即流过R2的电流值为零，则u＋＝u－＝0。说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，即 “虚地”，因此加在集成运放输入端的共模输入电压很小。

②电压放大倍数。

因为

又因为 “虚断”，有

i1＝i F

即

又因为 “虚地”

u－＝0

所以将上式整理得

电压放大倍数为

即输出电压与输入电压的相位相反，｜A1uf｜决定于电阻RF和R1之比，而与集成运放的各项参数无关。根据电阻取值的不同，｜A1uf｜可以大于1，也可以小于1。当RF＝R1时， A1uf＝－1，此时的电路称为反相器，用于在数学运算中实现变号运算。

③输入、输出电阻。

输入电阻为

电路的输出电阻很小，可以认为

ro＝0

反相比例运算器输入电阻不高，输出电阻很低。

【注意】为了使集成运放中的差动放大电路的参数保持对称，应使两个差分对管的基极对地电阻尽量一致，因此，要选择R2＝R1//RF，故而R2也称为平衡电阻。

2）同相比例运算器

如果输入信号加到集成运放的同相输入端，反馈电阻接到其反相端，则构成了同相比例运算器，电路如图2－47所示。R2是平衡电阻，应保证R2＝R1//RF。

根据电路结构及集成运放工作在线性区时的 “虚短”和 “虚断”的特点，可得电压放大倍数为

图2－47 同相比例运算电路

｜Auf｜值恒大于等于1，所以同相比例运算放大电路不能完成比例系数小于1的运算。当将电阻取值为RF＝0或R1＝ 时，显然有Auf＝1，这时的电路称为电压跟随器，在电路中用于驱动负载和减轻对信号源的电流索取。

同相比例运算器输入电阻很高，为

ri＝（1＋AodF）rid

F是反馈系数

电路的输出电阻很小，可以认为

ro＝0

【注意】同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为u－＝u＋＝u I，所以不存在“虚地”现象，在选用集成运放时要考虑到其输入端可能具有较高的共模输入电压，因此要选用输入共模电压高的集成运放器件。

2.集成运放A2构成的放大器的分析

集成运放A2的反相输入端加入了多个输入信号，构成了反相加法运算器。R′2是平衡电阻，应保证R′2＝R11//R12//R′F。

因为

i11＋i12＝i I

即

又因为 “虚断”，有

即

又因为 “虚地”，有

u′－＝0

所以整理得

当R11＝R12＝R′F时，上式就成为

u O＝－（u′I1＋u I2）

实现了多个信号的反相求和。

将R11、R12、R′F的阻值带入，得

u O＝－（10u′I1＋5u I2）

因为刚才求得集成运放A1构成的放大器的输出信号为u′O＝u′I1＝－u I1，将此式带入上式，所以如图2－46所示电路的输出电压为

u O＝－（－10u I1＋5u I2）

从上式可以看出，采用反相比例运算器和反相求和运算器可以实现减法运算。

3.积分和微分运算

集成运放构成的放大器不仅可以实现比例、加法和减法运算，还可以实现积分与微分运算。

1）积分运算

在反相比例运算电路中，用电容C代替RF作为反馈元件，引入并联电压负反馈，就构成了积分运算电路，如图2－48（a）所示。

由集成运放工作于线性区，故根据其 “虚短”和 “虚断”的特点，可列出

所以有

式 （2－9）说明，输出电压为输入电压对时间的积分，实现了积分运算，式中负号表示输出与输入相位相反。

积分电路除用于积分信号运算外，还可以实现波形变换，如图2－48（b）所示，可将矩形波变成三角波输出。积分电路在自动控制系统中用以延缓过渡过程的冲击，使被控电动机的外加电压缓慢上升，避免其机械转矩猛增，造成传动机械的损坏。积分电路还常用来做显示器的扫描电路，以及模－数转换器、数学模拟运算等。

图2－48 积分运算电路

（a）电路；（b）输入、输出波形

2）微分运算

将积分电路中的R1和C互换，就可得到微分（运算）电路，如图2－49（a）所示。在这个电路中，A点为“虚地”，即u A≈0，再根据“虚断”的概念，i－≈0，则i R≈i C。假设电容C的初始电压为零，那么

则输出电压为

式 （2－10）表明，输出电压为输入电压对时间的微分，且相位相反。

图2－49 微分运算电路

（a）电路；（b）输入、输出波形

微分电路的波形变换作用如图2－49（b）所示，可将矩形波变成尖脉冲波输出。微分电路在自动控制系统中可用作加速环节，例如，当电动机出现短路故障时，微分电路可起加速保护作用，迅速降低其供电电压。