,模拟电路, 精品课程课件
§ 5.1差分电路
§ 5.2集成运算放大器
§ 5.3例题
第 5章 集成运算放大器的基础
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.1 差分电路
学习目标,1.熟悉差分电路的结构和抑制
零点漂移的原理
2.掌握差分电路动态分析方法
学习重点,差分电路抑制零漂的原理和差
模放大倍数的计算
§ 5.1 差分电路
一,集成电路 概述
集成电路是 20世纪 60年代发展起来的一种新型
电子器件，采用半导体制造工艺将管子和电阻以及
线路都封装在一块半导体的基片上。
1.集成电路的工艺特点：
（ 1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实
现需要对称结构的电路。
（ 2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫
瓦以下。
（ 3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。
（ 4）只能制作几十 pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用
直接耦合方式。如需大电容，只有外接。
（ 5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
集成运放 ——— 是一个高增益的多级直接耦合放大器
§ 5.1 差分电路
2.直接耦合放大电路的特殊问题 —— 零点漂移
零漂现象,
产生零漂的原因,
由温度变化引起的 。 当温
度变化使第一级放大器的静
态工作点发生微小变化时,
这种变化量会被后面的电路
逐级放大, 最终在输出端产
生较大的电压漂移 。 因而零
点漂移也叫 温漂 。
输入 ui=0时,,输出有缓慢变化的电压产生 。
+
+
+
— -
R
e1
b1
R
c1
R
T
1
o
u
u
i
T
V
2
CC
R
e2
V
EE
减小零漂的措施：
用非线性元件进行温度补偿
采用差动放大电路
§ 5.1 差分电路
（一）,差分放大器的结构
基本对称 结构
该电路采用两个相同参数的 BJT，其外围电路完全相同，即电
路两边完全对称。
o2o1o
21
uuu
uuu iii
??
??
二,差分放大器
-
+
+
-
_
-
o2
R
u
+
RT
+
R
b T
CC
1
R
+
EE
u
e
b2
o
V
R
c
－
c
V
+
i2
u
－
u
i1
u
o1
§ 5.1 差分电路
1,差动放大电路一般有两个输入端：
双端输入 —— 从两输入端同时加信号。
单端输入 —— 仅从一个输入端 对地 加信号。
2,差动放大电路可以有两个输出端。
双端输出 —— 从 C1 和 C2输出。
单端输出 —— 从 C1或 C2 对地输出 。
（二）,几个基本概念
3,差模信号与共模信号
差模信号：
i2i1id = uuu ?
§ 5.1 差分电路
)(21= i2i1ic uuu ?
共模信号：
id
od
ud = u
uA
差模电压增益：
ic
oc
uc = u
uA
共模电压增益：
总输出电压：
icucidudocodo = uAuAuuu ???
uc
ud
C M R = A
AK
4,共模抑制比
§ 5.1差分电路
（三）,差动放大电路的基本工作原理
e
EE
Re
)(7.0=
R
VVI ???
0= i2i1 ?uu
忽略 Ib,有,Ub1=Ub2=0V
ReCC2C1 2
1= IIII ??
C E 2C E 1 = UU )7.0(CCCC ???? RIV
?
C
B1B1
III ?? 0=
C2C1O ?? UUU
+
_
+
_
+ +
－
－
V
CC
uu
c
i1
i2
T T1
2
R
c
R
b
R bRo
u
R
EE
e
V
1,静态工作点的计算：
§ 5.1差分电路
Uo= UC1 - UC2 = 0
当 ui1 = ui2 = 0 时，
当温度变化时：
UC1 = UC2
2.抑制零漂的原理,
设 T ??ic1 ?,ic2 ??uc1 ?,uc2 ?
?uo= uc1 - uc2 = 0
+
_
+
_
+ +
－
－
V
CC
uu
c
i1
i2
T T1
2
R
c
R
b
R bRo
u
R
EE
e
V
§ 5.1差分电路
3.电路的动态分析
(1)加入差模信号
Re对差模信号相当于短路。
uic=0。
-
-
+
-
2
+
R
E
id
b
2
T
u
T
i1 id
b
－ －
1
R R
u
cc
+
i2
2
u
R
u
-
u
u
+ +
o1
o
u o2
ui1=-ui2 =uid/2，
若 ui1 ?,ui2 ??ib1 ?,ib2 ?
?ie1 ?,ie2 ??IRe不变 ?UE不变
§ 5.1差分电路
2i1i
Odu
uu
uA
??
-
-
+
-
2
+
R
E
id
b
2
T
u
T
i1 id
b
－ －
1
R R
u
cc
+
i2
2
u
R
u
-
u
u
+ +
o1
o
u o2
①求差模电压放大倍数：
be
L
c
d
)2//(
rR
RR
A
b
u ???
?
②差模输入电阻
? ?beid 2 rRR b ??
③输出电阻
co 2 RR ?
+
+
+
+
ib?ber
R
-
+
C o1
uRL
-
+
ui1
icib
2
bR
§ 5.1差分电路
ui1=ui2 =uic，
uid=0。
设 ui1 ?,ui2 ?
? uo1 ?,uo2 ?。
因 ui1 = ui2，
?uo1 = uo2
? uo= 0 (理想化 )。
共模电压放大倍数 0
uc ?A
(2)加入共模信号
-
+
--
_
+
u
u
e
u
R
1
CC
R
E
To1 R
L
+
i2
u
ic
+
c
u
R
o
bT
+
Re
b
I
2
－
R
V
V
o2
－
c
R
+
i1
u
EE
ic
u
§ 5.1差分电路
双端输入、双端输出（双入双出）
双端输出用作多级直耦放大器输入级中间级
单端输入、双端输出（单入双出）
双端输入、单端输出（双入单出）
单端输入、单端输出（单入单出）
单入单出用作直耦放大器作输入级
（四）,差分放大器的四种基本接法
§ 5.1差分电路
1.双入双出
差模放大倍数：
共模放大倍数,
输入电阻：
输出电阻：
be
L
c
d
)
2
//(
rR
RR
A
b
u ???
?
Auc=0
? ?besid 2 rRR ??
CRRO 2?
§ 5.1差分电路
输入电阻：
输出电阻：
共模放大倍数：
差模放大倍数：
2.单入双出
可将单端输入等效双端输入,因为右侧的 Rb+rbe归算到发射极
回路的值 [(Rs+rbe) /(1+?)]<< Re,故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，
于是有 ui1= － ui2 = ui/2,计算同双端输入双端输出。
CRRO 2?
be
L
c
d
)
2
//(
rR
RR
A
b
u ???
?
? ?besid 2 rRR ??
Auc=0
§ 5.1差分电路
3.双入单出
差模放大倍数：
共模放大倍数,
输入电阻：
输出电阻：
? ?
? ?bes
Lc
2
//
rR
RRA
ud ???
?
? ?besid 2 rRR ??
CRRO ?
e
L
ebeb
L
uc 2
'
2)1(
'=A
R
R
RrR
R ??
???? ?
?
§ 5.1差分电路
4.单入单出
差模放大倍数：
? ?besid 2 rRR ??
CRRO ?
共模放大倍数：
输入电阻：
输出电阻：
e
L
c 2
'
R
RA
u ??
? ?
? ?be Lcd 2
//
rR
RRA
b
u ???
?
§ 5.1差分电路
T2T
1
＋ VCC
－ VEE
RcRc
IC3
Ui1 Rb
RL Rb ui2
带恒流源的差分电路
单端输出的差分放大电
路，可采用恒流源来代替
电阻 Re，从恒流源的特性
可知，它的交流等效电阻
很大，直流压降却不大，
可以大大提高共模抑制比。
四,具有恒流源的差分放大电路
返回
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.2 集成运算放大器
学习目标,1.了解集成运放的外型、基本结构、符号和
引脚功能
2.掌握理想集成运放在线性区两个基本条件
3.掌握集成运放比例、加减运算的基本原理
和应用
4.了解集成运放积分、微分意义
学习重点,1.线性区理想集成运放“虚短”和“虚断”
条 件
2.比例、加法和加减运算的原理和基本应用
§ 5.2 集成运算放大器
一、集成运放的基本结构
互补输出级由 PNP和 NPN两种极性的三极
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。
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。
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。
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。
二,集成运放的外型封装结构
集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，
如上图所示，金属壳封装有 8,10,12管脚等种类，双列直插式有 8、
10,12,14,16管脚等种类。
金属封装器件以管键为辨认标志，由器件顶上向下看，管键朝
向自己，管键右方第一根引线为引脚 1。双列直插式以缺口为辨认
标记，由器件顶上向下看，标记朝向自己，标记右方第一根引线为
引脚 1，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚数。
§ 5.2 集成运算放大器
三、集成运放的符号
反相输入端 u－
同相输入端 u＋
（ A)国家标准符号 （Ｂ）原符号
+
- +
∞U-
U+ Uo A
U-
U+
Uo
§ 5.2 集成运算放大器
四,FOO7集成运放介绍
1
2
3
4
§ 5.2 集成运算放大器
1,输入级
T1~T2（共集电极电路） — 提高输入阻抗
T3~T4（共基极电路）和 T5~T7（有源负载） — 提高输入
极电压增益阻抗，改善频率响应）
③ （同相输入端） ② （反相输入端）
2.偏执电路
IR=(VCC+VEE)/R5（偏置电路基准电流）
T10~T11（微电流源） — T10供给输入级 T3,T4偏置电流
T8~T9（镜像电流源） — T8供给输入级 T1,T2工作电流
T12~T13（镜像电流源） — T13为中间级 T16,T17有源负载。
供给输出级偏置电流
§ 5.2 集成运算放大器
3.中间级
T16,T17（复合共发射级放大电路）
电流放大倍数 β=iC/iB= β16+(1+ β16) β17≈β16β17
4.输出级
T14,T18,T19（互补型对称电路）
T15,R6,R7是 T14,T18,T19的静态偏置电路
⑦（正电源）④（负电源）
§ 5.2 集成运算放大器
五、集成运放的参数和类型
1,开环差模电压增益 Auo,
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,
输入差模信号时，运放的输入电阻。
3,共模抑制比 KCMR,
与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 Auo与共模电压
增益 Auc 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Auo / Auc )
(dB)
§ 5.2 集成运算放大器
4,－ 3dB带宽 BW (fH ),
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 BWG (fc),
Auo下降到 1时所对应的频率，定义为单位增益带宽 fc 。
6,转换速率 SR (压摆率 ):
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：
7,等效输入噪声电压 Vn:
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。
? ?
m a xdt
tduS o
R ?
§ 5.2 集成运算放大器
六、集成运放的类型
1,通用型 性能指标适合一般性使用，其特点是电源电
压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如 C F 741 等。
2,低功耗型 静态功耗≤ 2m W,如 X F 253 等。
3,高精度型 失调电压温度系数在 1 μ V ／℃左右，能
保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如 C F 75,
C F 7650 等。
4,高阻型 输入电阻可达 10
12
Ω,如 F 55 系列等。
还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手
册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。
§ 5.2 集成运算放大器
七、理想集成运放的特性
理想集成运放具有以下特点：
1,开环差模电压放大倍数,Auo→ ∞ ；
2,输入阻抗,Rid→ ∞ ；
3,输出阻抗,Ro→ ∞ ；
4,带宽,BW→ ∞,
5,转换速率,SR→ ∞ ；
6,共模抑制比,KCMR→ ∞
§ 5.2 集成运算放大器
八、集成运放的传输特性
AB和 CD段为集成运放工作的非线性区 BC段为线性区，理
想状态 BC和 B’C’ 重合
§ 5.2 集成运算放大器
九、线性区集成运放的两个重要条件
“虚短”条件：
因 Auo→ ∞,则 uid=u＋ － u－ ≈0即 u＋
＝ u_,而 uo具有一定值这就是“虚短”
条件；其实，并非反相端与同相端真正
短路。
“虚断”条件：
因 Rid→ ∞ 故，则 i+＝ i－ ≈0
这就是“虚断”条件，其实反相端与同
相端的电流并非真正为零。
uO
Rf
R2
ui2
ui1 — ∞
A +
—
R1
§ 5.2 集成运算放大器
集成运放处于开环状态（如右上图）或
运放的同相输入端和输出端有通路时，称
为正反馈（如右下图），这时集成运放工
作在非线性区；对于理想运放而言，当反
相输入端和同相输入端不等时，输出电压
是一个恒定的值：
当 u－ >u＋,u0＝－ UOM
当 u－ <u＋, u0＝＋ UOM
实际上，集成运放在作运算时，一般均
处于线性区，为此，必须保证放大器的反
馈为深度负反馈。
—
∞
+
ui1
ui2
uo
十,工作在非线性区集成运放
§ 5.2 集成运算放大器
（一）反相比例运算电路
反馈方式：电压并联负反馈
反向输入端：输入信号
同向输入端：通过电阻接地
根据“虚短”和“虚断”条件 u－ =u+, i-=i+=0
得 u－ =u+=0（虚地）
由 i1=uI/R1,IF=(u--uo)/Rf
得 i1=iF （虚断）
电压放大倍数,
平衡电阻 (使输入端对地的静态电阻相等 ),
R2=R1//Rf
1R
R
u
uA f
i
o
uf ???
十一,比例运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）同相比例运算电路
反馈形式：电压串联负反馈
同向输入端：输入信号
反向输入端：通过电阻接地
根据 u－＝ u＋, i-=i+=0
u＋ ＝ ui ＝ u－,i1=iF （虚断）
u0＝（ 1+Rf/R1） ui,
电压放大倍数, Auf=1+Rf/R1,
当 R1＝ 0时，为电压跟随器。
此时 u0＝ ui,此电路是同相比例运
算的特殊情况，输入电阻大，输出电
阻小。在电路中作用与分离元件的射
极输出器相同，但是电压跟随性能好。
§ 5.2 集成运算放大器
（一）加法运算电路
1.反相加法运算
信号由反向输入端引入，
同向输入端通过一个电阻接地
uo= － Rf（ uI1/R1+uI2/R2）
当 R1=R2=Rf时,uo＝－（ uI1+uI2）
平衡电阻,R3=R1∥ R2∥ Rf
2.同相加法运算
信号由同向输入端引入，
反向输入端通过一个电阻接地
uo＝（ 1+R1/Rf） R(uI1/R1 +uI2/R2)
其中 R=R1∥ R2∥ R3
十二,加法、减法运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）减法运算电路
反向输入端和同向输入端分别加入信号 uI1和 uI2
uo＝（ 1+R1/Rf）（ R’f uI2/（ R’1+R’f ））－ Rf uI1/R1
当 R1=R’1,Rf=R’f时，
uo＝ Rf/R1(uI2－
uI1)
§ 5.2 集成运算放大器
（一）积分运算电路
当输入信号 uI阶跃电压时输入
常数时
若 t0=0时电容两端输出电压为
零，
0tC
I
o utRC
uu ???
00
1
t
t
t CIo udtuRCu ? ???
tutRCuu IIo ?????
积分电路广泛应用于积分运
算、方波 — 三角波变换电路、
示波器显示和扫描电路、模
/数转换电路和波形发生器。
十三,积分和微分运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）微分运算电路
dt
duRCRiu I
R ????0
基本微分电路
实用微分电路
电路中加入 R2和
C2，在高频情况下，
使高频电压放大倍
数下降，从而抑制
了干扰
§ 5.2 集成运算放大器
返回
例 1：设计一个加减运算电路,RF=240k?,使 uo=10ui1+
8ui2 - 20ui3
解：画电路，
R2
-
R3 RF
+ +
ui1
uo
R1
ui2
R4
ui3
∞
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.3 例题
系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号
从同相端输入，求各电阻值
由上式可得：
FRRRRR ////// 3421 ?
)(
3
3
2
2
1
1 RuRuRuRu iiiFo ???
?? k240FR
?? k241R
?? k302R
?? k123R
?? k804R
§ 5.3 例题
例 2,A/D变换器要求其输入电压的幅度为 0 ~ +5V，现有信号变化范围
为 -5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为 0~+5V。
解：
uo = 0.5ui+2.5V=0.5 (ui +5) V
+5V
-5V
电平抬高电路 A/D电路 计算机
+5V
+2.5V
§ 5.3 例题
_
+
?
+
?
10k ?20k ?
+5 V
5k ?
u
i
20k ?
u
o 1
??
u
o
_
+
?
+
?
20k ?
20k ?
10k ?
??
§ 5.3 例题
返回
1,差分放大器可以抑制零点漂移，电路愈对称，效果越好。
2,双入、双出的差分放大器的共差模放大倍数为零，差模放大倍数愈大，
共模抑制比越大，性能越好。
3,差分放大器的四种接法中，双端输出用作多级直耦放大器输入级中间
级；而单入单出仅用作直耦放大器作输入级，前者抑制零漂的作用
较好。
4,理想集成运放工作在线性区可得到“虚短”和“虚断”结论，这两个
条件，在基本运算放大电路中应用广泛，必须深刻理解。
5,集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运
算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线
性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”
和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。
小 结
第 5章 集成运算放大器的基础
1.差分放大器输入的零点漂移信号是共模信号，还是差模信号？
2.在四种差分放大器的信号输入方式中，那一种抑制零漂信号最好？
3.集成运放同三级管放大电路比较有什么不同？
4.为使集成运放完成运算功能必须具备什么条件？
5.集成运放工作在非线性区时电路处于什么反馈？
6.说明“虚地”概念，同相输入时是否存在“虚地”？
7.集成运放的非线性应用主要用在哪些方面？
第 5章 集成运算放大器的基础
思考题
返回
§ 5.1差分电路
§ 5.2集成运算放大器
§ 5.3例题
第 5章 集成运算放大器的基础
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.1 差分电路
学习目标,1.熟悉差分电路的结构和抑制
零点漂移的原理
2.掌握差分电路动态分析方法
学习重点,差分电路抑制零漂的原理和差
模放大倍数的计算
§ 5.1 差分电路
一,集成电路 概述
集成电路是 20世纪 60年代发展起来的一种新型
电子器件，采用半导体制造工艺将管子和电阻以及
线路都封装在一块半导体的基片上。
1.集成电路的工艺特点：
（ 1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实
现需要对称结构的电路。
（ 2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫
瓦以下。
（ 3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。
（ 4）只能制作几十 pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用
直接耦合方式。如需大电容，只有外接。
（ 5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
集成运放 ——— 是一个高增益的多级直接耦合放大器
§ 5.1 差分电路
2.直接耦合放大电路的特殊问题 —— 零点漂移
零漂现象,
产生零漂的原因,
由温度变化引起的 。 当温
度变化使第一级放大器的静
态工作点发生微小变化时,
这种变化量会被后面的电路
逐级放大, 最终在输出端产
生较大的电压漂移 。 因而零
点漂移也叫 温漂 。
输入 ui=0时,,输出有缓慢变化的电压产生 。
+
+
+
— -
R
e1
b1
R
c1
R
T
1
o
u
u
i
T
V
2
CC
R
e2
V
EE
减小零漂的措施：
用非线性元件进行温度补偿
采用差动放大电路
§ 5.1 差分电路
（一）,差分放大器的结构
基本对称 结构
该电路采用两个相同参数的 BJT，其外围电路完全相同，即电
路两边完全对称。
o2o1o
21
uuu
uuu iii
??
??
二,差分放大器
-
+
+
-
_
-
o2
R
u
+
RT
+
R
b T
CC
1
R
+
EE
u
e
b2
o
V
R
c
－
c
V
+
i2
u
－
u
i1
u
o1
§ 5.1 差分电路
1,差动放大电路一般有两个输入端：
双端输入 —— 从两输入端同时加信号。
单端输入 —— 仅从一个输入端 对地 加信号。
2,差动放大电路可以有两个输出端。
双端输出 —— 从 C1 和 C2输出。
单端输出 —— 从 C1或 C2 对地输出 。
（二）,几个基本概念
3,差模信号与共模信号
差模信号：
i2i1id = uuu ?
§ 5.1 差分电路
)(21= i2i1ic uuu ?
共模信号：
id
od
ud = u
uA
差模电压增益：
ic
oc
uc = u
uA
共模电压增益：
总输出电压：
icucidudocodo = uAuAuuu ???
uc
ud
C M R = A
AK
4,共模抑制比
§ 5.1差分电路
（三）,差动放大电路的基本工作原理
e
EE
Re
)(7.0=
R
VVI ???
0= i2i1 ?uu
忽略 Ib,有,Ub1=Ub2=0V
ReCC2C1 2
1= IIII ??
C E 2C E 1 = UU )7.0(CCCC ???? RIV
?
C
B1B1
III ?? 0=
C2C1O ?? UUU
+
_
+
_
+ +
－
－
V
CC
uu
c
i1
i2
T T1
2
R
c
R
b
R bRo
u
R
EE
e
V
1,静态工作点的计算：
§ 5.1差分电路
Uo= UC1 - UC2 = 0
当 ui1 = ui2 = 0 时，
当温度变化时：
UC1 = UC2
2.抑制零漂的原理,
设 T ??ic1 ?,ic2 ??uc1 ?,uc2 ?
?uo= uc1 - uc2 = 0
+
_
+
_
+ +
－
－
V
CC
uu
c
i1
i2
T T1
2
R
c
R
b
R bRo
u
R
EE
e
V
§ 5.1差分电路
3.电路的动态分析
(1)加入差模信号
Re对差模信号相当于短路。
uic=0。
-
-
+
-
2
+
R
E
id
b
2
T
u
T
i1 id
b
－ －
1
R R
u
cc
+
i2
2
u
R
u
-
u
u
+ +
o1
o
u o2
ui1=-ui2 =uid/2，
若 ui1 ?,ui2 ??ib1 ?,ib2 ?
?ie1 ?,ie2 ??IRe不变 ?UE不变
§ 5.1差分电路
2i1i
Odu
uu
uA
??
-
-
+
-
2
+
R
E
id
b
2
T
u
T
i1 id
b
－ －
1
R R
u
cc
+
i2
2
u
R
u
-
u
u
+ +
o1
o
u o2
①求差模电压放大倍数：
be
L
c
d
)2//(
rR
RR
A
b
u ???
?
②差模输入电阻
? ?beid 2 rRR b ??
③输出电阻
co 2 RR ?
+
+
+
+
ib?ber
R
-
+
C o1
uRL
-
+
ui1
icib
2
bR
§ 5.1差分电路
ui1=ui2 =uic，
uid=0。
设 ui1 ?,ui2 ?
? uo1 ?,uo2 ?。
因 ui1 = ui2，
?uo1 = uo2
? uo= 0 (理想化 )。
共模电压放大倍数 0
uc ?A
(2)加入共模信号
-
+
--
_
+
u
u
e
u
R
1
CC
R
E
To1 R
L
+
i2
u
ic
+
c
u
R
o
bT
+
Re
b
I
2
－
R
V
V
o2
－
c
R
+
i1
u
EE
ic
u
§ 5.1差分电路
双端输入、双端输出（双入双出）
双端输出用作多级直耦放大器输入级中间级
单端输入、双端输出（单入双出）
双端输入、单端输出（双入单出）
单端输入、单端输出（单入单出）
单入单出用作直耦放大器作输入级
（四）,差分放大器的四种基本接法
§ 5.1差分电路
1.双入双出
差模放大倍数：
共模放大倍数,
输入电阻：
输出电阻：
be
L
c
d
)
2
//(
rR
RR
A
b
u ???
?
Auc=0
? ?besid 2 rRR ??
CRRO 2?
§ 5.1差分电路
输入电阻：
输出电阻：
共模放大倍数：
差模放大倍数：
2.单入双出
可将单端输入等效双端输入,因为右侧的 Rb+rbe归算到发射极
回路的值 [(Rs+rbe) /(1+?)]<< Re,故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，
于是有 ui1= － ui2 = ui/2,计算同双端输入双端输出。
CRRO 2?
be
L
c
d
)
2
//(
rR
RR
A
b
u ???
?
? ?besid 2 rRR ??
Auc=0
§ 5.1差分电路
3.双入单出
差模放大倍数：
共模放大倍数,
输入电阻：
输出电阻：
? ?
? ?bes
Lc
2
//
rR
RRA
ud ???
?
? ?besid 2 rRR ??
CRRO ?
e
L
ebeb
L
uc 2
'
2)1(
'=A
R
R
RrR
R ??
???? ?
?
§ 5.1差分电路
4.单入单出
差模放大倍数：
? ?besid 2 rRR ??
CRRO ?
共模放大倍数：
输入电阻：
输出电阻：
e
L
c 2
'
R
RA
u ??
? ?
? ?be Lcd 2
//
rR
RRA
b
u ???
?
§ 5.1差分电路
T2T
1
＋ VCC
－ VEE
RcRc
IC3
Ui1 Rb
RL Rb ui2
带恒流源的差分电路
单端输出的差分放大电
路，可采用恒流源来代替
电阻 Re，从恒流源的特性
可知，它的交流等效电阻
很大，直流压降却不大，
可以大大提高共模抑制比。
四,具有恒流源的差分放大电路
返回
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.2 集成运算放大器
学习目标,1.了解集成运放的外型、基本结构、符号和
引脚功能
2.掌握理想集成运放在线性区两个基本条件
3.掌握集成运放比例、加减运算的基本原理
和应用
4.了解集成运放积分、微分意义
学习重点,1.线性区理想集成运放“虚短”和“虚断”
条 件
2.比例、加法和加减运算的原理和基本应用
§ 5.2 集成运算放大器
一、集成运放的基本结构
互补输出级由 PNP和 NPN两种极性的三极
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。
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。
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。
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。
二,集成运放的外型封装结构
集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，
如上图所示，金属壳封装有 8,10,12管脚等种类，双列直插式有 8、
10,12,14,16管脚等种类。
金属封装器件以管键为辨认标志，由器件顶上向下看，管键朝
向自己，管键右方第一根引线为引脚 1。双列直插式以缺口为辨认
标记，由器件顶上向下看，标记朝向自己，标记右方第一根引线为
引脚 1，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚数。
§ 5.2 集成运算放大器
三、集成运放的符号
反相输入端 u－
同相输入端 u＋
（ A)国家标准符号 （Ｂ）原符号
+
- +
∞U-
U+ Uo A
U-
U+
Uo
§ 5.2 集成运算放大器
四,FOO7集成运放介绍
1
2
3
4
§ 5.2 集成运算放大器
1,输入级
T1~T2（共集电极电路） — 提高输入阻抗
T3~T4（共基极电路）和 T5~T7（有源负载） — 提高输入
极电压增益阻抗，改善频率响应）
③ （同相输入端） ② （反相输入端）
2.偏执电路
IR=(VCC+VEE)/R5（偏置电路基准电流）
T10~T11（微电流源） — T10供给输入级 T3,T4偏置电流
T8~T9（镜像电流源） — T8供给输入级 T1,T2工作电流
T12~T13（镜像电流源） — T13为中间级 T16,T17有源负载。
供给输出级偏置电流
§ 5.2 集成运算放大器
3.中间级
T16,T17（复合共发射级放大电路）
电流放大倍数 β=iC/iB= β16+(1+ β16) β17≈β16β17
4.输出级
T14,T18,T19（互补型对称电路）
T15,R6,R7是 T14,T18,T19的静态偏置电路
⑦（正电源）④（负电源）
§ 5.2 集成运算放大器
五、集成运放的参数和类型
1,开环差模电压增益 Auo,
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,
输入差模信号时，运放的输入电阻。
3,共模抑制比 KCMR,
与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 Auo与共模电压
增益 Auc 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Auo / Auc )
(dB)
§ 5.2 集成运算放大器
4,－ 3dB带宽 BW (fH ),
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 BWG (fc),
Auo下降到 1时所对应的频率，定义为单位增益带宽 fc 。
6,转换速率 SR (压摆率 ):
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：
7,等效输入噪声电压 Vn:
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。
? ?
m a xdt
tduS o
R ?
§ 5.2 集成运算放大器
六、集成运放的类型
1,通用型 性能指标适合一般性使用，其特点是电源电
压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如 C F 741 等。
2,低功耗型 静态功耗≤ 2m W,如 X F 253 等。
3,高精度型 失调电压温度系数在 1 μ V ／℃左右，能
保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如 C F 75,
C F 7650 等。
4,高阻型 输入电阻可达 10
12
Ω,如 F 55 系列等。
还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手
册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。
§ 5.2 集成运算放大器
七、理想集成运放的特性
理想集成运放具有以下特点：
1,开环差模电压放大倍数,Auo→ ∞ ；
2,输入阻抗,Rid→ ∞ ；
3,输出阻抗,Ro→ ∞ ；
4,带宽,BW→ ∞,
5,转换速率,SR→ ∞ ；
6,共模抑制比,KCMR→ ∞
§ 5.2 集成运算放大器
八、集成运放的传输特性
AB和 CD段为集成运放工作的非线性区 BC段为线性区，理
想状态 BC和 B’C’ 重合
§ 5.2 集成运算放大器
九、线性区集成运放的两个重要条件
“虚短”条件：
因 Auo→ ∞,则 uid=u＋ － u－ ≈0即 u＋
＝ u_,而 uo具有一定值这就是“虚短”
条件；其实，并非反相端与同相端真正
短路。
“虚断”条件：
因 Rid→ ∞ 故，则 i+＝ i－ ≈0
这就是“虚断”条件，其实反相端与同
相端的电流并非真正为零。
uO
Rf
R2
ui2
ui1 — ∞
A +
—
R1
§ 5.2 集成运算放大器
集成运放处于开环状态（如右上图）或
运放的同相输入端和输出端有通路时，称
为正反馈（如右下图），这时集成运放工
作在非线性区；对于理想运放而言，当反
相输入端和同相输入端不等时，输出电压
是一个恒定的值：
当 u－ >u＋,u0＝－ UOM
当 u－ <u＋, u0＝＋ UOM
实际上，集成运放在作运算时，一般均
处于线性区，为此，必须保证放大器的反
馈为深度负反馈。
—
∞
+
ui1
ui2
uo
十,工作在非线性区集成运放
§ 5.2 集成运算放大器
（一）反相比例运算电路
反馈方式：电压并联负反馈
反向输入端：输入信号
同向输入端：通过电阻接地
根据“虚短”和“虚断”条件 u－ =u+, i-=i+=0
得 u－ =u+=0（虚地）
由 i1=uI/R1,IF=(u--uo)/Rf
得 i1=iF （虚断）
电压放大倍数,
平衡电阻 (使输入端对地的静态电阻相等 ),
R2=R1//Rf
1R
R
u
uA f
i
o
uf ???
十一,比例运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）同相比例运算电路
反馈形式：电压串联负反馈
同向输入端：输入信号
反向输入端：通过电阻接地
根据 u－＝ u＋, i-=i+=0
u＋ ＝ ui ＝ u－,i1=iF （虚断）
u0＝（ 1+Rf/R1） ui,
电压放大倍数, Auf=1+Rf/R1,
当 R1＝ 0时，为电压跟随器。
此时 u0＝ ui,此电路是同相比例运
算的特殊情况，输入电阻大，输出电
阻小。在电路中作用与分离元件的射
极输出器相同，但是电压跟随性能好。
§ 5.2 集成运算放大器
（一）加法运算电路
1.反相加法运算
信号由反向输入端引入，
同向输入端通过一个电阻接地
uo= － Rf（ uI1/R1+uI2/R2）
当 R1=R2=Rf时,uo＝－（ uI1+uI2）
平衡电阻,R3=R1∥ R2∥ Rf
2.同相加法运算
信号由同向输入端引入，
反向输入端通过一个电阻接地
uo＝（ 1+R1/Rf） R(uI1/R1 +uI2/R2)
其中 R=R1∥ R2∥ R3
十二,加法、减法运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）减法运算电路
反向输入端和同向输入端分别加入信号 uI1和 uI2
uo＝（ 1+R1/Rf）（ R’f uI2/（ R’1+R’f ））－ Rf uI1/R1
当 R1=R’1,Rf=R’f时，
uo＝ Rf/R1(uI2－
uI1)
§ 5.2 集成运算放大器
（一）积分运算电路
当输入信号 uI阶跃电压时输入
常数时
若 t0=0时电容两端输出电压为
零，
0tC
I
o utRC
uu ???
00
1
t
t
t CIo udtuRCu ? ???
tutRCuu IIo ?????
积分电路广泛应用于积分运
算、方波 — 三角波变换电路、
示波器显示和扫描电路、模
/数转换电路和波形发生器。
十三,积分和微分运算电路
§ 5.2 集成运算放大器
（二）微分运算电路
dt
duRCRiu I
R ????0
基本微分电路
实用微分电路
电路中加入 R2和
C2，在高频情况下，
使高频电压放大倍
数下降，从而抑制
了干扰
§ 5.2 集成运算放大器
返回
例 1：设计一个加减运算电路,RF=240k?,使 uo=10ui1+
8ui2 - 20ui3
解：画电路，
R2
-
R3 RF
+ +
ui1
uo
R1
ui2
R4
ui3
∞
第 5章 集成运算放大器的基础
§ 5.3 例题
系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号
从同相端输入，求各电阻值
由上式可得：
FRRRRR ////// 3421 ?
)(
3
3
2
2
1
1 RuRuRuRu iiiFo ???
?? k240FR
?? k241R
?? k302R
?? k123R
?? k804R
§ 5.3 例题
例 2,A/D变换器要求其输入电压的幅度为 0 ~ +5V，现有信号变化范围
为 -5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为 0~+5V。
解：
uo = 0.5ui+2.5V=0.5 (ui +5) V
+5V
-5V
电平抬高电路 A/D电路 计算机
+5V
+2.5V
§ 5.3 例题
_
+
?
+
?
10k ?20k ?
+5 V
5k ?
u
i
20k ?
u
o 1
??
u
o
_
+
?
+
?
20k ?
20k ?
10k ?
??
§ 5.3 例题
返回
1,差分放大器可以抑制零点漂移，电路愈对称，效果越好。
2,双入、双出的差分放大器的共差模放大倍数为零，差模放大倍数愈大，
共模抑制比越大，性能越好。
3,差分放大器的四种接法中，双端输出用作多级直耦放大器输入级中间
级；而单入单出仅用作直耦放大器作输入级，前者抑制零漂的作用
较好。
4,理想集成运放工作在线性区可得到“虚短”和“虚断”结论，这两个
条件，在基本运算放大电路中应用广泛，必须深刻理解。
5,集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运
算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线
性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”
和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。
小 结
第 5章 集成运算放大器的基础
1.差分放大器输入的零点漂移信号是共模信号，还是差模信号？
2.在四种差分放大器的信号输入方式中，那一种抑制零漂信号最好？
3.集成运放同三级管放大电路比较有什么不同？
4.为使集成运放完成运算功能必须具备什么条件？
5.集成运放工作在非线性区时电路处于什么反馈？
6.说明“虚地”概念，同相输入时是否存在“虚地”？
7.集成运放的非线性应用主要用在哪些方面？
第 5章 集成运算放大器的基础
思考题
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