第 4章 集成运算放大电路
4-1 概述
4-2 集成运算放大电路的线性应用
4-3 集成运算放大电路的非线性应用
4-1 概述
运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦
合放大器, 由于它最初主要用作模拟计算机的运算放
大, 故至今仍保留这个名字 。 集成运算放大器则是
利用集成工艺, 将运算放大器的所有元件集成制作在
同一块硅片上, 然后再封装在管壳内 。 集成运算放大
器简称为集成运放 。 随着电子技术的飞速发展, 集成
运放的各项性能不断提高, 目前, 它的应用领域已大
大超出了数学运算的范畴 。 使用集成运放, 只需另加
少数几个外部元件, 就可以方便地实现很多电路功
能 。 可以说, 集成运放已经成为模拟电子技术领域中
的核心器件之一 。
?集成运放的总体结构
1.原理电路：
?简单的集成运放
＋
－u-
－u+ uo
2.符号
3.集成运放的特点：
电压增益高
输入电阻大
输出电阻小
17
_
1
T
R E F
p
22
T
8
T
T
2
14
5
R
3
T
R
9
6
30 pF
10
I
T
7
21
T
T
9
T
6
C
19
T
8
7
T
1
T
13
CC
T R
R
T
4
12
T
2
20
R R
R
R
R
6
8
T
10
11
1
T
R
4
16
EE
+
T
T
15
9
2
T
3
4
T
23
T
R
+V
3
18
7
-V
+V
5
24
O
T
5
39k
T
AB
?通用型集成运放 F007
1,输入级
输入级的性能好坏对提高集成运放的整体质量
起着决定性作用 。 很多性能指标, 如输入电阻, 输
入电压 （ 包括差模电压, 共模电压 ） 范围, 共模抑
制比等, 主要由输入级的性能来决定 。
在图中, T1～ T7以及 R1,R2,R3 组成 F007的输
入级 。 其中, T1～ T4 组成共集 —共基复合差动放大
器 （ V1,V2为共集电路, V3,V4为共基电路 ）, 构
成整个运放的输入电路 。
2.
在集成运放中, 为了减少静耗, 限制温升, 必须
降低各管的静态电流 。 而集成工艺本身又限制了大阻
值偏置电阻的制作, 因此, 集成运放多采用恒流源电
路作为偏置电路 。 这样既可使各级工作电流降低, 又
可使各级静态电流稳定 。 F007中采用的恒流源电路是
,镜像电流源, 及, 微电流源, 电路 。
3,中间级
中间级是由 T16,T17组成的复合管共射放大电路,
其输入电阻大, 对输入级的影响小；其集电极负载为
有源负载 （ 由恒流源 T13组成 ）, 而 T13的动态电阻很大,
加之放大管的 β很大, 因此中间级的放大倍数很高 。
此外, 在 T16,T12的集电极与基极之间还加接了一
只约 30 pF的补偿电容, 用以消除自激 。
4.
F007的输出级主要由三部分电路组成：
互补对称电路；
UBE扩大电路；
过载保护电路 。
1,输入失调电压 UOS
实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称,
当输入电压为零时,输出电压并不为零 。 规定在室温
（ 25℃ ） 及标准电源电压下, 为了使输出电压为零,
需在集成运放两输入端额外附加的补偿电压称为输入
失调电压 UOS。 UOS越小越好, 一般约为 0.5～ 5mV 。
?基本技术指标
2,输入失调电流 IOS
IOS是当运放输出电压为零时, 两个输入端的偏
置电流之差, IOS=|IB1IB2|。 它是由内部元件参数不一致
等原因造成的 。 IOS越小越好, 一般为 1 nA～ 10μA。
3,输入偏置电流 IB
IB是当输出电压为零时, 流入运放两输入端静态
基极电流的平均值 IB=(IB1+IB2)/2。 该值越小, 信号源
内阻变化时引起输出电压的变化越小, 因此, IB越小
越好, 一般为 1nA～ 100 μA。
4,开环差模电压放大倍数 Aod
集成运放在开环时 （ 无外加反馈时 ） 输出电压与
输入差模信号电压之比称开环差模电压放大倍数 Aod。
它是决定运放运算精度的重要因素, 常用分贝 （ dB）
表示, 目前最高值可达 140 dB以上 。
5,共模抑制比 KCMRR
KCMRR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数
之比, 即 KCMRR=|Aod/Aoc|, 其含义与差动放大器中所
定义的 KCMRR相同, 高质量的运放 KCMRR可达 160 dB。
6,输入失调电压温漂 dUIO/dt和输入失调电流温漂
dIIO /dt
在规定的工作温度范围内, 输入失调电压对温度
的变化率称为输入失调电压温漂, 用以表征 UOS受温
度变化的影响程度, 一般为 1～ 50μV/℃, 好的可达 0.5
μV/℃ 。
在规定的工作温度范围内, 输入失调电流对温度的
变化率称为输入失调电流温漂, 用以表征 IOS受温度变
化的影响程度, 一般为 1～ 5nA/℃, 好的可达 pA/℃ 数
量级 。
7,最大共模输入电压 UIcmax
UIcmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最
大共模输入电压 。 超过此值, 集成运放的共模抑制比,
差模放大倍数等会显著下降 。
8,最大差模输入电压 UIdmax
UIdmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大
电压值 。 输入差模电压超过 UIdmax时, 可能使输入级的
管子反向击穿 。
9,差模输入电阻 rid
rid是集成运放在开环时,输入电压变化量与由
它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去
的动态电阻。一般为 MΩ数量级，以场效应管为输入
级的可达 104 MΩ。
10,开环输出电阻 ro
ro是集成运放开环时，从输出端向里看进去的等
效电阻。 其值越小，说明运放的带负载能力越强。
在分析集成运放构成的应用电路时, 将集成运放
看成理想运算放大器, 可以使分析大大简化 。 理想运
算放大器应当满足以下各项条件：
开环差模电压放大倍数 Aod=∞；
差模输入电阻 rid=∞；
输出电阻 ro=0；
输入偏置电流 IB1=IB2=0；
共模抑制比 KCMRR=∞；
4-2集成运算放大器的线性应用
?理想运算放大器的条件及特点
失调电压, 失调电流及它们的温漂均为 0；
上限频率 fH=∞。
尽管理想运放并不存在, 但由于实际集成运放
的技术指标比较理想, 在具体分析时将其理想化一般
是允许的 。 这种分析计算所带来的误差一般不大,
只是在需要对运算结果进行误差分析时才予以考虑 。
1,线性区
集成运放工作在线性区时, 其输出信号和输入信
号之间有以下关系成立,
Uo=Aod(Ui1+Ui2)
由于一般集成运放的开环差模增益都很大, 因此,
都要接有深度负反馈, 使其净输入电压减小, 这样才
能使其工作在线性区 。
理想运放工作在线性区时, 可有以下两条重要特
点：
1） 由于 Aod=∞,而输出电压 Uo总为有限值, 则
Ui1+Ui2 =
2） 由于集成运放的开环差模输入电阻 rid=∞,输
入偏置电流 IB=0,当然不会向外部电路索取任何电流,
因此其两个输入端的电流都为零,
Ii1 =Ii2=0
这就是说, 集成运放工作在线性区时, 其两个输
入端均无电流, 这一特点称为, 虚断, 。
0?
od
O
A
U
2,非线性区
由于集成运放的开环增益 Aod很大, 当它工作于
开环状态 （ 即未接深度负反馈 ） 或加有正反馈时,
只要有差模信号输入, 哪怕是微小的电压信号, 集
成运放都将进入非线性区, 其输出电压立即达到正
向饱和值 Uom或负向饱和值 Uom。 理想运放工作在非
线性区时, 有以下两条特点：
1） 只要输入电压 U+与 U不相等, 输出电压就
饱和 。
Uo=Uom U+>U
Uo=Uom U+<U
2） 虚断仍然成立,
I i+=I i=0
综上所述, 在分析具体的集成运放应用电路时,
可将集成运放按理想运放对待, 判断它是否工作在线
性区 。 一般来说, 集成运放引入了深度负反馈时,
将工作在线性区 。
基本运算放大器包括反相输入放大器和同相输入
放大器, 它们是构成各种复杂运算电路的基础, 是最
基本的运算放大器电路 。
1,反相输入放大器
反相输入放大器又称为反相比例运算电路, 其基
本形式如图所示 。 输入信号 Ui经 R1加至集成运放的反
相输入端 。 Rf为反馈电阻, 将输出电压 Uo反馈至反相
输入端, 形成深度的电压并联负反馈 。
?基本运算放大器
2.
同相输入放大器又称为同相比例运算电路, 其基
本形式如图所示 。 输入信号 Ui经 R2加至集成运放的同
相端 。 Rf 为反馈电阻, 输出电压经 Rf 及 R1组成的分
压电路, 取 R1上的分压作为反馈信号加到运放的反
相输入端, 形成了深度的电压串联负反馈 。 R2 为平
衡电阻, 其值应为 R2=R1∥ Rf。
1,加法, 减法运算
1）
加法运算是指电路的输出电压等于各个输入电压
的代数和 。 反相输入放大器中再增加几个支路便组成
反相加法运算电路, 如图所示 。
?集成运放在信号运算中的应用
图中, 有三个输入信号加在了反相输入端 。 同相
端的平衡电阻值为 R4=R1∥ R2∥ R3∥ Rf。 反相加法运
算电路也称反相加法器 。
由虚地,
U - =U+=0
f
Oiiii
R
UIf
R
UI
R
UI
R
U
R
UUI ??????? ?,,,
3
3
3
2
2
2
1
1
1
1
1
由虚断, I i=0，
I1+I2+I3=If
即
f
oiii
R
U
R
U
R
U
R
U ????
3
3
2
2
1
1
变为
)( 3
1
2
1
1
1
i
f
i
f
i
f
O UR
RU
R
RU
R
RU ????
可见, 上式可以模拟这样的函数关系,
y=a1 x1+a2 x2+a3 x3
当 R1=R2=R3=R =Rf时,
Uo=(Ui1+Ui2+Ui3)
2）
减法运算是指电路的输出电压与两个输入电压之
差成比例, 减法运算又称为差动比例运算或差动输入
放大 。
由图可见, 运放的同相输入端和反相输入端分别
接有输入信号 Ui1和 Ui2。 从电路结构来看, 它是由同
相输入放大器和反相输入放大器组合而成 。 下面用叠
加原理进行分析 。
当 Ui2=0,仅 Ui1单独作用时, 该电路为反相输入
放大器,
Uo1=
当 Ui1=0,仅 Ui2单独作用时, 该电路为同相输入
放大器,
1
1
i
f U
R
R?
2
32
3
11
2 )1()1( i
ff
O URR
R
R
RU
R
RU
??????
这样, 当 Ui1,Ui2同时作用时, 其输出电压为 Uo1
与 Uo2 的叠加, 即
Uo=Uo1+Uo2=
1
1
2
32
3
1
)1( ifif URRURR RRR ???
特别, 当 R1=R2,R3=Rf
Uo=
)( 12
1
ii
f UU
R
R ?
而当 R1=Rf
Uo= Ui2 -Ui1
2,积分,
1）
积分运算电路是模拟计算机中的基本单元, 利用
它可以实现对微分方程的模拟, 能对信号进行积分运
算 。 此外, 积分运算电路在控制和测量系统中应用也
非常广泛 。
在反相输入放大器中, 将反馈电阻 Rf换成电容 C，
就成了积分运算电路 。 积分运算电路也称为积分器 。
U-=0,i1=if=
上式说明, 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 。
R1C 为积分时间常数, 其值越小, 积分作用越强, 反
之, 积分作用越弱 。
当输入电压为常数 (ui= UI) 时，上式变为
1R
ui
?? ?????? dticdticuu fco 111
tRUu
C
o
1
1??
2）
微分与积分互为逆运算 。 将 C与 R1位置互换, 便
构成微分电路 。 微分电路也称微分器 。
在下图 （ a） 中, 由 U-=0,I i-=0,有 i1=if
dt
duc
dt
duci ic
c ??
所以
t
ffffo d
ducRRiRiu 1
1 ??????
可见, 输出电压与输入电压对时间的微商成比例,
实现了微分运算 。 式中负号表示输出与输入相位相反 。
RfC 为微分时间常数, 其值越大, 微分作用越强；反
之, 微分作用越弱 。
滤波器或滤波电路是一种能使部分频率的信号通
过, 而将其余频率的信号加以抑制或衰减的装置 。 在
信息处理, 数据传送和抑制干扰等方面经常使用 。
由电阻, 电容, 电感 （ R,C,L） 等无源器件组成
的滤波器称为无源滤波器, 而由 R,C等无源器件再
加上集成运放这个有源器件组成的滤波器称为有源滤
波器 。 有源滤波器能够提供一定的信号增益和带负载
能力, 这是无源滤波器所不能作到的 。
4-3集成运放在信号处理中的应用
?有源滤波器
1）
低通滤波器能够通过低频信号, 抑制或衰减高频
信号 。 基本的一阶有源低通滤波器如图所示 。 其中
（ a） 图是 RC网络接到运放同相端, （ b） 图则接到运
放反相端 。
0
1
11
1
w
w
j
A u f
jw R c
R
R
U
U
A
f
i
o
?
?
?
?
?? ?
?
其中
1
,1 RRARw fuf
fc
o ??
为了改善滤波效果, 使输出信号在 f>f0(f-0=ω-0/2π)
时衰减得更快, 可将上述滤波电路再加一级 RC低通
电路, 组成二阶低通滤波电路, 如下图所示 。
第一个电容 C的一端接到运放的输出端, 目的是
引入反馈, 使高频段幅度衰减更快, 更接近理想特性 。
图 （ b） 画出了两种低通滤波器归一化的对数幅频特
性曲线 。
由曲线可以看出, 在 f>f0 时, 二阶滤波 （ 线 2）
可提供 -40 dB/10倍频程的衰减, 而一阶滤波 （ 线 1）
的衰减速度为 -20dB/10倍频程, 二阶滤波效果要好得
多 。
2）
高通滤波器能够通过高频信号, 抑制或衰减低频
信号 。 将低通滤波器中起滤波作用的电阻, 电容位置
互换, 如下图所示, 就成为高通滤波器 。
电压比较器的功能是将一个输入电压与另一个输
入电压或基准电压进行比较，判断它们之间的相对大
小，比较结果由输出状态反映出来。集成运放用作比
较器时，工作于开环状态，只要两端输入电压有差别
（差动输入），输出端就立即饱和。为了改善输入、
输出特性,常在电路中引入正反馈。电压比较器可分
为单限比较器与滞回比较器。
?电压比较器
1）
图 （ a） 是一个简单的单限比较器电路图 。 图中,
运放的同相输入端接基准电位 （ 或称参考电位 ） UR。
被比较信号由反相输入端输入 。 集成运放处于开环
状态 。
当 ui>UR时, 输出电压为负饱和值 -Uom；当 ui<UR
时, 输出电压为正饱和值 +Uom。 其传输特性如图 （ b）
所示 。 可见, 只要输入电压在基准电压 UR处稍有正
负变化, 输出电压 uo就在负最大值到正最大值处变化 。
2）
它是在单限比较器的基础上, 从输出端引一个电
阻分压支路到同相输入端, 形成正反馈 。 这样, 作
为参考电压的同相端电压 U+不再是固定的, 而是随输
出电压 uo而变 。
