1.集成运算放大电路简介

在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元件制作在一块半导体基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。集成电路的体积小，性能好。集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路的种类繁多，有运算放大器、宽带放大器、功率放大器、直流稳压器以及电视机、收录机和其他电子设备中的专用集成电路等。在模拟集成电路中，集成运算放大器（以下简称集成运放）是应用最为广泛的一种。

常见的集成运放有两种封装形式：金属圆壳式封装、陶瓷或塑料双列直插式封装，其常见封装外形如图9-2-1所示。

图9-2-1　集成运放的常见封装外形

（a）陶瓷或塑料双列直插式封装；（b）金属圆壳式封装

集成运放是一种有高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。下面介绍集成运放的主要特点及组成原理。

2.集成运放的组成及各部分的作用

集成运放内部电路由4个部分组成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图9-2-2所示。

图9-2-2　集成运放的内部电路框图

1）输入级

输入级又称前置级，它是一个高性能的差动放大电路。输入级的好坏影响着集成运放的大多数参数，一般要求其输入电阻高、放大倍数大、抑制温度漂移的能力强、输入电压范围大且静态电流小。

2）中间级

中间级是整个电路的主放大电路，主要功能是获得高的电压放大倍数，一般由多级放大电路组成，并以恒流源取代集电极电阻来提高电压放大倍数，其电压放大倍数可为千倍以上。

3）输出级

输出级应具有输出电压范围宽、输出电阻小、有较强的带负载能力、非线性失真小等特点。大多数集成运放的输出级采用准互补输出电路。

4）偏置电路

偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点，与分立元件电路不同，偏置电路采用电流源电路为各级提供合适的集电极静态电流，从而确定合适的管压降，以便得到合适的静态工作点。理想的集成运放是：当同相输入端与反向输入端同时接地时，输出电压为0 V。

3.集成运放的电气图形符号与引脚功能

集成运放有2个输入端（一个称为同相输入端，一个称为反相输入端），电气图形符号如图9-2-3（a）所示。图中，带“-”号的输入端称为反相输入端，带“+”号的输入端称为同相输入端，三角形符号表示运算放大器，“∞”表示开路增益极高，它的三个端分别用U-、U+和Uo来表示。一般情况下可以不画出电源连线，其输入端对地输入，输出端对地输出。图9-2-3（b）所示为旧标准的集成运放电气图形符号。

图9-2-3　集成运放的电气图形符号

（a）新标准；（b）旧标准

集成运放有8～14个引脚，它们都按一定顺序用数字编号，每个编号的引脚都连接着内部电路的某一特定位置，以便于与外部电路连接。引脚排列的规则为：对于陶瓷或塑料双列直插式封装集成运放，是将器件正放（顶视），切口或圆形标记放在左边，由左下角开始按逆时针方向排列，如图9-2-4（a）所示；对于金属圆壳式封装集成运放，则面向引脚正视（底视），由标志键右面第一脚开始，按顺时针方向排列，如图9-2-4（b）所示。

图9-2-4　集成运放的引脚排列方式

（a）陶瓷或塑料双列直插式封装集成运放（顶视）；（b）金属圆壳式封装集成运放（底视）

集成运放CF741有8个引脚，引脚的排列及功能如图9-2-5所示。由CF741组成的基本放大电路如图9-2-6所示，图9-2-6（b）所示为对应的实物。CF741的3脚是同相输入端，输入信号由3脚和公共端输入时，6脚输出信号与输入信号同相位；2脚是反相输入端，输入信号由2脚和公共端输入时，输出信号与输入信号反相位；7脚接正电源；4脚接负电源；1、4、5脚接调零电位器，8脚为空脚。

图9-2-5　CF741引脚的排列及功能

图9-2-6　集成运放CF741组成的基本放大电路

（a）原理；（b）实物

几种典型的集成运放的引脚图及引脚功能如表9-2-1所示。

表9-2-1　几种典型的集成运放的引脚图及引脚功能

续表

4.集成运放的主要参数(www.daowen.com)

为了合理地选用和正确使用集成运放，必须了解表征其性能的主要参数（或称技术指标）的意义。

1）开环差模电压放大倍数Aod

集成运放不外接反馈电路，输出不接负载时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数Aod。此值越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。Aod一般为104～107，即80～140 dB。

2）输入失调电压Uio

理想的集成运放，当输入电压为0（即反相输入端和同相输入端同时接地）时，输出电压应为0。但在实际的集成运放中，由于元件参数不对称等，当输入电压为0时，输出电压Uo≠0。如果这时要使Uo=0，则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Uio。Uio的值一般为几微伏至几毫伏，显然它越小越好。

3）输入失调电流Iio

4）最大输出电压Uomax

最大输出电压指集成运放工作在不失真情况下能输出的最大电压。

5）最大输出电流Iomax

最大输出电流指集成运放所能输出的正向或负向的峰值电流。

除以上介绍的参数外，集成运放的参数还有输入电阻、开环输出电阻、共模抑制比、带宽、转换速度等。

5.理想集成运放

尽管集成运放的应用是多种多样的，但是其工作区域只有2个，在电路中，它不是工作在线性区，就是工作在非线性区。而且，在一般分析计算中，都将其看为理想集成运放。

所谓理想集成运放就是将各项技术指标都理想化的集成运放，即认为：

（1）开环差模电压放大倍数Aod→∞；

（2）输入电阻rid→∞；

（3）开环输出电阻ro→0；

（4）共模抑制比KCMR→∞；

（5）输入偏置电流IB1=IB2=0。

理想集成运放等效电路如图9-2-7所示。

图9-2-7　理想集成运放等效电路

由以上理想特性可以推导出以下两个重要结论。

（1）虚短路原则（简称虚短）。虚短是指集成运放工作在线性区，其输出电压Uo是有限值，而开环差模电压放大倍数Aod→∞，则

即

式（9-2-1）中的“U+”为集成运放同相输入端电位，“U-”为集成运放反相输入端电位。反相输入端电位和同相输入端电位几乎相等，近似于短路又不可能是真正的短路，故称为虚短。

（2）虚断路原则（简称虚断）。虚断是指理想集成运放输入电阻rid→∞，这样，同相、反相两输入端没有电流流入运算放大器内部，即

式（9-2-2）中的“I+”为集成运放同相输入端电流，“I-”为集成运放反相输入端电流。输入电流好像断开一样，故称为虚断。

注意

虚短路和虚断路原则简化了集成运放的分析过程。由于许多应用电路中集成运放都工作在线性区，因此，上述两条原则极其重要，应牢固掌握。