3-2 集成运放的基础知识《电子技术基础与技能》云南省 电子电工类 知识点讲解

云南省装备制造大类对口高考电子技术复习讲义 模块3 集成运算放大器 3-2 集成运放的基础知识 【考纲要求】 （1） 熟悉集成运算放大器的组成和主要参数 （2）理解 “同相输入端” 及 “反相输入端” 的含义 （3）识记集成运算放大器的国标电路符号 【知识网络】 【知识和技能要点】 集成运算放大器（简称集成运放）是一种高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合式集成放大电路，将多级放大电路、偏置电路等集成在一块半导体芯片上，可对微弱信号进行放大，还能实现信号的比例、加法、减法等运算功能，是模拟电子电路中核心的通用器件。掌握其电路符号、内部组成、输入端子含义和主要参数，是分析运放应用电路的基础。常见三种外观如下： 一、集成运算放大器的国标电路符号 集成运放的国标电路符号是分析和绘制运放电路的基础，核心标识输入端子极性、输出端子，电源端和调零端等可根据需求简化标注，通用符号规范如下： 1.核心端子（必标）： 同相输入端：标注符号 “+”，输入信号从该端接入时，输出信号与输入信号的相位相同 ； 反相输入端：标注符号 “-”，输入信号从该端接入时，输出信号与输入信号的相位相反 ； 输出端：无专用标注符号，通常画在右侧，为运放的信号输出端。 2.辅助端子（按需标注，简化电路中可省略）： 正电源端：标注或，接直流正电源，为运放内部电路提供工作电压； 负电源端：标注或，接直流负电源（双电源供电为运放主流方式），保证输出信号能正、负双向变化； 调零端：用于外接调零电路，补偿运放的直流失调，使输入信号为 0 时，输出信号也为 0。 3.符号特点：整体用矩形框表示，输入端子在左侧（同相 “+” 在上、反相 “-” 在下为通用布局），输出端子在右侧，电源端在上下两侧，符号简洁且辨识度高。 二、集成运放的内部组成 集成运放的内部为多级直接耦合放大电路，按功能分为输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分，各部分分工明确、逐级配合，共同实现高增益、宽频带、低失真的信号放大，典型结构为差分放大输入级 + 共射放大中间级 + 互补对称功率输出级。F007运放结构框图： 1. 输入级 —— 差分放大电路（核心：抑制零点漂移，提高输入电阻） 核心电路：采用差分放大电路，是集成运放的第一级，两个输入端即为运放的同相输入端和反相输入端； 核心作用：① 抑制零点漂移（直接耦合电路的固有问题，温漂、电源波动会导致输入为 0 时输出不为 0），共模抑制比高；② 提高输入电阻，减小信号源的电流损耗；③ 接收双端或单端输入信号，为后续电路提供差分信号。 性能要求：输入电阻大、失调电压 / 电流小、温漂小、共模抑制比高。 2. 中间级 —— 电压放大电路（核心：提供高开环电压放大倍数） 核心电路：采用多级共射（或共源）放大电路，是集成运放的增益核心； 核心作用：将输入级送来的差分信号进行电压放大，提供运放的开环电压放大倍数（可达 10^4~10^7 倍，甚至更高），为输出级提供足够大的驱动电压。 性能要求：开环电压放大倍数高、通频带适中、失真小。 3. 输出级 —— 功率放大电路（核心：低输出电阻，增强带负载能力） 核心电路：采用互补对称功率放大电路（如 OCL、OTL 电路）； 核心作用：① 将中间级放大的电压信号转换为功率信号，驱动负载（如电阻、扬声器、执行器件等）；② 降低输出电阻，提高运放的带负载能力；③ 保证输出信号的正、负双向变化，输出电压范围接近电源电压。 性能要求：输出电阻小、输出电压 / 电流范围大、带负载能力强、失真小。 4. 偏置电路 —— 恒流源电路（核心：为各级电路提供稳定偏置电流） 核心电路：采用镜像恒流源、微电流恒流源等恒流源电路； 核心作用：为输入级、中间级、输出级的各级放大管提供稳定的直流偏置电流，保证各级电路工作在合适的静态工作点，抑制温漂，提高电路的稳定性。 性能要求：偏置电流稳定、温度特性好、功耗低。 三、同相输入端与反相输入端的核心含义 集成运放的两个输入端（同相 “+”、反相 “-”）是信号输入的关键端口，其 “同相”“反相” 的定义基于输出信号与输入信号的相位关系，是运放应用电路的核心设计依据，具体含义如下： 1.同相输入端（+） 单端输入：仅将输入信号接在同相端与地之间，反相端接地，此时运放的输出信号与输入信号的相位完全相同，且（为开环电压放大倍数）； 差分输入：与反相端配合输入差分信号，同相端输入信号的正相分量会使输出信号正向增大。 2.反相输入端（-） 单端输入：仅将输入信号接在反相端与地之间，同相端接地，此时运放的输出信号与输入信号的相位完全相反，且（负号表示反相）； 差分输入：与同相端配合输入差分信号，反相端输入信号的正相分量会使输出信号反向增大。 3.差分输入特性 当两个输入端同时输入大小相等、极性相反的差模信号时，运放对差模信号进行放大，输出；若输入大小相等、极性相同的共模信号，理想运放的输出为 0，实际运放会有微弱输出，共模抑制比表征运放抑制共模信号的能力。 四、集成运算放大器的主要参数 集成运放的参数是表征其性能优劣、适用范围和工作限值的定量指标，是器件选型、电路设计和性能分析的核心依据，按特性分为直流参数、交流参数、极限参数三类，其中直流参数反映运放的静态性能，交流参数反映动态性能，极限参数规定运放的安全工作范围。 1. 直流参数（静态工作下的性能指标） 表征运放输入为直流信号或零信号时的性能，核心反映运放的直流失调、输入 / 输出特性和温度稳定性。 输入失调电压：输入信号为 0 时，使输出电压为 0 所需在输入端外加的补偿电压，反映运放输入级差分放大电路的不对称程度，单位为 mV（理想运放），值越小越好； 输入失调电流：输入信号为 0 时，两个输入端的偏置电流之差，，单位为 μA 或 nA（理想运放），值越小越好； 输入偏置电流：输入信号为 0 时，两个输入端偏置电流的平均值，，反映运放输入级的偏置电流大小，单位为 μA 或 nA，值越小越好； 温度漂移（温漂）：包括输入失调电压温漂和输入失调电流温漂，指、随温度变化的变化率，单位为 μV/℃或 nA/℃，是表征运放温度稳定性的重要指标，值越小越好； 输入电阻：运放对差模输入信号的输入电阻，反映运放对信号源的负载程度，单位为 MΩ 或 GΩ（理想运放），值越大越好； 输出电阻：运放的开环输出电阻，反映运放的带负载能力，单位为 Ω 或 kΩ（理想运放），值越小越好。 2. 交流参数（动态工作下的性能指标） 表征运放对交流信号的放大能力、频率特性和响应速度，核心反映运放的动态放大性能。 开环电压放大倍数：运放无外接反馈时，对差模信号的电压放大倍数，，常用分贝（dB）表示，（理想运放），值越大越好，一般为 60~140dB； 共模抑制比：运放开环差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值，，常用分贝表示，（理想运放），值越大越好，反映运放抑制共模信号的能力； 开环通频带：运放开环电压放大倍数下降到低频值的 0.707 倍（-3dB）时的上限频率，理想运放，实际运放通频带较窄，引入负反馈可展宽通频带； 转换速率：运放在大信号输入下，输出电压的最大变化速率，，单位为 V/μs，反映运放对高速变化信号的响应能力，值越大，运放的高速性能越好，避免出现高频失真。 3. 极限参数（安全工作的最大限值） 规定运放正常工作的电压、电流、功耗限值，超过任一极限参数，运放的性能会恶化甚至永久损坏，是运放使用的安全依据。 最大电源电压、：运放能正常工作的最大正、负电源电压，超过后运放会出现击穿或性能异常； 最大输出电压：运放在额定电源电压下，能输出的最大正、负峰值电压，接近电源电压，又称 “输出摆幅”； 最大输出电流：运放能输出的最大峰值电流，超过后运放会出现输出饱和或损坏； 最大功耗：运放芯片允许的最大耗散功率，由芯片温度决定，超过后运放会因过热损坏。 五、理想集成运算放大器的基本特性 在分析运放应用电路时，为简化计算，通常将实际运放近似为理想运放，理想运放是对实际运放的理想化抽象，具备以下六大理想特性，基于这些特性可推导出运放工作在线性区的两个重要结论（虚短、虚断），是分析运放电路的核心工具。 1.理想特性 开环差模电压放大倍数； 差模输入电阻，共模输入电阻； 开环输出电阻； 输入失调电压、输入失调电流均为 0，温漂为 0； 共模抑制比，完全抑制共模信号； 开环通频带，转换速率，对任意频率信号无失真放大。 2.线性区核心结论（虚短、虚断） 运放引入深度负反馈时，工作在线性区： 为了使运放工作在线性区，集成运放外围都接有深度负反馈，以减小其净输入电压，从而使其输出电压不超出线性范围。 结合理想特性可得出： 虚短：因，输出电压为有限值，故差模输入电压，即，两个输入端电位近似相等，相当于 “短路”，但无实际电流，故称虚短； 虚断：因，故两个输入端的差模输入电流，即，两个输入端几乎无电流流入，相当于 “开路”，故称虚断。 六、核心技能要点 1. 能熟记集成运放的国标电路符号，准确识别同相输入端（+）、反相输入端（-）、输出端，了解电源端、调零端的标注规范； 2. 能理解集成运放内部四部分的组成和核心作用，明确输入级采用差分放大电路的原因； 3. 能准确理解同相、反相输入端的含义，掌握单端输入时输出与输入的相位关系； 4. 能区分运放的直流参数、交流参数、极限参数，熟记核心参数（、、、、）的含义和性能要求； 5. 能熟记理想集成运放的六大特性，理解线性区 “虚短”“虚断” 结论的推导依据； 6. 能根据运放的参数要求进行初步器件选型，明确不同应用场景对核心参数的要求（如精密运算要求温漂小、小）。 【练习题】 一、选择题 1. 集成运放国标电路符号中，同相输入端的标注符号是（） A. “-” B. “+” C. “O” D. “G” 2. 集成运放的输入级采用差分放大电路，其核心作用是（） A. 提供高电压放大倍数 B. 增强带负载能力 C. 抑制零点漂移 D. 降低输出电阻 3. 当输入信号仅接在集成运放的反相输入端时，输出信号与输入信号的相位关系是（） A. 同相 B. 反相 C. 正交 D. 无固定相位 4. 表征集成运放抑制共模信号能力的参数是（） A. 开环电压放大倍数 B. 共模抑制比 C. 输入失调电压 D. 转换速率 5. 理想集成运放的差模输入电阻为（） A. 0 B. 有限值 C. ∞ D. 几十 kΩ 6. 集成运放的开环电压放大倍数常用分贝表示，若，则其分贝值为（） A. 50dB B. 80dB C. 100dB D. 120dB 7. 反映集成运放对高速变化信号响应能力的参数是（） A. 温漂 B. 输入偏置电流 C. 转换速率 D. 输出电阻 8. 集成运放工作在线性区时，基于理想特性得出的 “虚短” 是指（） A. B. C. D. 二、判断题 1. 集成运放是高增益的直接耦合式集成放大电路，可实现信号的放大和运算功能。 （） 2. 集成运放的同相输入端输入信号时，输出信号与输入信号反相。（） 3. 集成运放的中间级是增益核心，主要作用是提供高开环电压放大倍数。（） 4. 输入失调电压越大，集成运放的输入级对称性越好，性能越优。（） 5. 理想集成运放的开环输出电阻，带负载能力为无穷大。（） 6. 共模抑制比越大，集成运放抑制共模信号的能力越弱。（） 7. 集成运放的输出级采用互补对称功率放大电路，核心作用是降低输出电阻，增强带负载能力。（） 8. 理想运放的 “虚断” 特性是指两个输入端的电位近似相等，无电流流入。（） 三、填空题 1. 集成运算放大器的国标电路符号中，核心端子包括 、和 ，其中 输入信号时输出与输入同相。 2. 集成运放的内部按功能分为四部分，分别是 、 、 和 ，其中输入级通常采用 电路。 3. 集成运放的两个输入端中，反相输入端标注为 ，单端输入时输出信号与输入信号 。 4. 集成运放的参数按特性分为 、 和 三类，其中 反映运放的静态性能。 5. 理想集成运放的开环电压放大倍数 ，差模输入电阻 ，输出电阻 。 6. 表征运放温度稳定性的指标是 ，其值越小，运放的温度稳定性 。 7. 集成运放工作在线性区的两个核心结论是 和 ，其中 表示两个输入端电位近似相等。 8. 开环电压放大倍数的分贝计算公式为 ，共模抑制比的物理意义是 。 四、简答题 1. 简述集成运放国标电路符号中各核心端子的名称和含义，标注规范是什么？ 2. 集成运放的内部由哪四部分组成？分别说明各部分的核心作用和性能要求。 3. 什么是集成运放的同相输入端和反相输入端？单端输入时，输出信号与输入信号的相位关系分别是什么？ 4. 简述理想集成运放的六大理想特性，推导其工作在线性区时 “虚短” 和 “虚断” 的核心结论。 5. 列举集成运放的三个核心直流参数和三个核心交流参数，分别说明其含义和性能要求（值越大越好 / 越小越好）。 五、分析计算题 1. 已知某集成运放的开环电压放大倍数，共模电压放大倍数，求该运放的共模抑制比的数值和分贝值。 2. 已知某集成运放的输入偏置电流，，求其输入偏置电流和输入失调电流。 3. 若某集成运放的开环电压放大倍数，输出电压，按理想运放特性估算其差模输入电压，并说明该结果体现了理想运放的什么特性。 【答案】 一、选择题 1. B 2. C 3. B 4. B 5. C 6. C 7. C 8. B 二、判断题 1. √ 2. ×（同相输入端输入信号，输出与输入同相；反相端输入，输出与输入反相） 3. √ 4. ×（输入失调电压越小，输入级对称性越好，性能越优） 5. √ 6. ×（共模抑制比越大，抑制共模信号的能力越强） 7. √ 8. ×（“虚断” 是指两个输入端无电流流入，；“虚短” 是指电位近似相等） 三、填空题 1. 同相输入端；反相输入端；输出端；同相输入端 2. 输入级；中间级；输出级；偏置电路；差分放大 3. “-”；反相 4. 直流参数；交流参数；极限参数；直流参数 5. ∞；∞；0 6. 温度漂移（温漂）；越好 7. 虚短；虚断；虚短 8. ；开环差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值 四、简答题 1. 核心端子：①同相输入端（标注 “+”）：输入信号从该端接入，输出与输入同相；②反相输入端（标注 “-”）：输入信号从该端接入，输出与输入反相；③输出端（无专用标注）：运放的信号输出端。标注规范：输入端子在左侧，同相 “+” 在上、反相 “-” 在下；输出端子在右侧；电源端、调零端按需标注在上下两侧。 2. 四部分组成及作用：①输入级：差分放大电路，核心作用抑制零点漂移、提高输入电阻，要求输入电阻大、温漂小、共模抑制比高；②中间级：多级共射放大电路，核心作用提供高开环电压放大倍数，要求增益高、失真小；③输出级：互补对称功率放大电路，核心作用转换功率信号、降低输出电阻，要求输出电阻小、带负载能力强；④偏置电路：恒流源电路，核心作用提供稳定偏置电流，要求电流稳定、温度特性好。 3. 同相输入端（+）：输入信号从该端接入，输出信号与输入信号同相；反相输入端（-）：输入信号从该端接入，输出信号与输入信号反相。单端输入时，同相端输入→输出与输入同相，反相端输入→输出与输入反相。 4. 六大理想特性：①；②、；③；④、、温漂 = 0；⑤；⑥、。结论推导：①虚短：因，为有限值，故，即；②虚断：因，故输入端差模电流，即。 5. 直流参数：①输入失调电压：输入为 0 时使输出为 0 的补偿电压，值越小越好；②输入失调电流：两个输入端偏置电流之差，值越小越好；③输入电阻：对差模信号的输入电阻，值越大越好。交流参数：①开环电压放大倍数：无反馈时对差模信号的增益，值越大越好；②共模抑制比：与的比值，值越大越好；③转换速率：输出电压最大变化速率，值越大越好。 五、分析计算题 1. 解： 共模抑制比数值： 分贝值： 答：数值为，分贝值为 100dB。 2. 解： 输入偏置电流： 输入失调电流： 答：，。 3. 解： 由，得 特性体现：该结果显示差模输入电压极小，接近 0，体现了理想运放 \\ 开环电压放大倍数\\ 的特性，也为 “虚短” 结论（）提供了理论依据。 答：，体现了理想运放开环电压放大倍数为无穷大的特性。 学科网（北京）股份有限公司 $