3.2　集成运算放大器的结构和指标

集成运算放大器是模拟集成电路中品种最多、应用最广泛的一类组件，集成运放实际上是一种高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。最初是用于数的计算，所以称为运算放大器。它是把电路中所有晶体管和电阻器等封装在一小块硅片上，具有差分输入级的集成运放的主要特点表现为开环增益非常高（高达1万倍至百万倍）、体积小、质量小、功耗低、可靠性高等，并且具有很大的通用性。

集成运放在发展初期主要用来实现模拟运算功能，但后来发展成为像晶体管一样的通用器件，称为“万能放大器件”。

产品种类和型号很多，按性能指标可分为两大类：通用型运放和专用型运放。通用型运放通常各方面指标均衡、适中，适合多数应用场合，价格便宜；专用型运放按性能可分为高精度型、高速型、高输入阻抗型、低漂移型、低功耗型等许多种类。可用于各种不同频带的放大器、振荡器、有源滤波器、模数转换电路、高精度测量电路中及电源模块等许多场合。

3.2.1　集成运放的结构特点

1.集成运放的外形与外部引出端子

集成运放的外部引出端子有输入端子、输出端子、连接正负电源的电源端子、失调调整端子、相位校正用的相位补偿端子、公共接地端子和其他附加端子。图3-4给出了常用的集成运放的外形与外引线图，图中包括输入端子2和3、输出端子6、电源端子7和4、空脚8，还有失调调整端子1和5。对于不同的产品，其外部引出端子的排列可以从产品说明书上查阅。

图3-5所示是集成运放的图形符号。集成运放主要有两个输入端，一个输出端。输入与输出相位相同的输入端称为同相输入端，用“+”表示；输入与输出相位相反的输入端称为反相输入端，用“-”表示。当两输入端都有信号输入时，称为差分输入方式。集成运放在正常应用时，可以单端输入，也可以双端输入，存在这3种基本输入方式。注意，不论采用何种输入方式，运算放大器放大的是两输入信号的差值。

2.集成运放的内部的电路组成与特点

作为一个电路元件，集成运放是一种理想的增益器件，它的放大倍数可达104～107。集成运放的输入电阻从几十千欧至几十兆欧，而输出电阻很小，仅为几十欧。而且在静态工作时，有零输入时零输出的特点。

集成运放品种很多，但它们内部都是一个直接耦合的多级放大电路。和分立电路相似，集成运放内部电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路等部分，如图3-6所示。应当说这只是一个集成运放的基本型，常用的集成运放内部要更复杂，但学习重点是其外特性。

输入级是具有恒流源的差分放大电路，有两个输入端，电路中输入级要求能够获得尽可能低的失调和尽可能高的共模抑制比及输入电阻。

中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数。从对中间级的要求来说，不仅要具有较高的电压增益，同时还应具有较高的输入电阻以减少本级对前级电压放大倍数的影响。中间级通常用1～2级直接耦合放大电路组成。还常需要有电平位移和双端变单端的电路。

输出级的主要作用是给出足够的电流以满足负载的需要，同时还要具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。放大倍数要适中，太高了没有什么特别的好处，而太低将影响总的放大倍数。输出级常采用互补对称OCL功放输出级电路。输出级大多为互补推挽电路，除此之外，还应该有过载保护，以防输出端短路或过载电流过大。

偏置电路采用恒流源电路，为各级电路设置稳定的直流偏置。

集成运放内部除以上几个组成部分以外，电路中往往还附有双端输入到单端输出的转换电路，实现零输入、零输出所要求的电平位移电路及输出过载保护电路等。

3.2.2　集成运放的主要性能指标

集成运放的性能指标比较多，具体使用时可查阅有关的产品说明书或资料。下面简单介绍几项主要的性能指标。

1.开环差模电压放大倍数Auo

集成运放在没有外部反馈作用时的差模直流电压增益称为开环差模电压增益，它是决定集成运放运算精度的重要因素，定义为集成运放开环时的输出电压与差模输入电压之比，即

Auo是决定集成运放精度的重要因素，其值越大越好。通用型运放的Auo一般在103～107范围。

2.差模输入电阻Rid

差模信号输入时，集成运放开环（无反馈）输入电阻一般在几十千欧至几十兆欧范围。理想运放Rid=∞。

3.差模输出电阻Rod

差模输出电阻是集成运放输入端短路、负载开路时，集成运放输出端的等效电阻，一般为20～200Ω。

4.共模开环电压放大倍数Auc

Auc指集成运放本身的共模电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力。优质的集成运放，Auc应接近于零。

5.最大输出电压UOM

在额定电源电压（±15V）和额定输出电流时，集成运放不失真最大输出电压的峰峰值可达±13V。

6.输入失调电压UOS

当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS。它反映了差放输入级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型运放的UOS为毫伏数量级。

7.输入失调电流IOS

当集成运放输出电压uo=0时，流入两输入端的电流之差IOS=|IB1-IB2|就是输入失调电流。IOS反映了输入级电流参数（如β）的不对称程度，IOS越小越好。

3.2.3　理想集成运放的概念与特点

由于结构及制造工艺上的许多特点，集成运放的性能非常优异。通常在电路分析中把集成运放作为一个理想化器件来处理，从而使集成运放的电路分析计算大为简化。也就是说，将集成运放的各项技术指标理想化，所引起的误差可以忽略不计。

1.理想集成运放的条件

（1）开环差模电压放大倍数Auo=∞。

（2）开环输入电阻Rid=∞。

（3）输出电阻Rod=0。

（4）共模抑制比KCMR=∞。

（5）输入失调电压UOS、输入失调电流IOS以及它们的温漂均为零。

使用中，理想集成运放的技术指标主要指前3项。图3-7为理想运放内部简化等效电路。

以后分析各种由集成运放构成的电路时，将以此为基础，按理想集成运放分析，这在工程上是允许的。

理想集成运放的图形符号如图3-8（a）所示。它有两个输入端，一个输出端。输入与输出相位相同的输入端称为同相输入端，用“+”表示；输入与输出相位相反的输入端称为反相输入端，用“-”表示。传输特性如图3-8（b）所示，在各种应用电路中，集成运放的工作范围有两种，即工作在线性区或和非线性区。分布如图3-8（b）所示。

2.线性区

如图3-8中的曲线AC段所示。集成运放工作在线性区时有两个重要特点：

（1）集成运放的输出电压与输入电压ui=u+-u-之间存在着线性放大关系，即

uo=Auo（u+-u-）

式中，u+是同相输入端的输入信号；u-是反相输入端的输入信号。

对实际运放，线性区的斜率取决于Auo的大小。

将上式整理，并考虑理想运放Auo=∞，则有，故有

u+≈u-

上式表明，由于理想运放的Auo为无穷大，差模输入信号u+-u-很小就可以使输出达到额定值，因而“+”“-”两端的对地电位近似相等，相当于同相输入端和反相输入端两点间短路，但实际上并未短路，所以称为“虚短”。

（2）由于同相输入端和反相输入端的对地电位几乎相等，而理想运放的Rid=∞，因而可以认为“+”“-”两端的输入信号电流为零。即

i+=i_≈0

此时相当于同相输入端和反相输入端都被断开，但实际上并未断路，所以称为“虚断”。

“虚短”和“虚断”是理想集成运放工作在线性区时的两个重要结论，对分析集成运放电路非常有用。

注意，实际的集成运放Auo≠∞，故当输入电压u+和u-的差值很小时，经放大后仍小于饱和电压值+Uom或大于-Uom时，运放的工作范围尚在线性区内。所以，实际的输入、输出特性上，从-Uom转换到+Uom时，仍有一个线性放大的过渡范围。

3.非线性区

受电源电压的限制，输出电压不可能随输入电压的增加而无限增加。如果集成运放的工作信号超过了线性放大的范围，则输出电压与输入电压不再有线性关系，输出将达到饱和进入非线性区。如图3-8（b）所示的曲线AB和CD段所示。

集成运放工作在非线性区时，也有两个特点：

（1）“虚短”现象不再存在，即u+≠u-。

输出电压uo只有两种可能，由传输特性可见：

当u+>u-时，uo=+Uom；

当u+<u-时，uo=-Uom。

（2）虽然u+≠u-，但是由于Rid=∞，所以仍然认为此时的输入电流等于零，即

i+=i_≈0

综上所述，理想运放工作在线性区和非线性区时，各有不同的特点。因此，在分析各种应用电路时，首先必须搞清集成运放工作在哪个区域。另外有一点必须注意，由于集成运放的开环差模电压放大倍数Auo=∞，一个很小的输入信号就容易使其饱和，所以当要求其工作在线性区时一定要加负反馈支路。

下面给出一些定量上的说明。以典型集成运放F007为例，Auo=105，最大输出电压Uom=±10V；当该运放在线性区工作时，其允许的差模输入电压

结果表明，若输入端的电压变化量超过0.1mV，运放的输出电压立即超出线性放大范围，进入到正向饱和电压+Uom或负向饱和电压-Uom。因此有u+≈u-。

另外，集成运放F007的输入电阻Rid=2MΩ，此时输入电流

这一数值表明流入集成运放的电流是极其微弱的。

总之，分析运算放大器的应用电路时，首先将集成运放当成理想运放，以便简化分析过程。然后判断集成运放是否工作在线性区。在此基础上根据运算放大器电路的线性或非线性特点，分析电路的工作过程。

4.运放电路中的反馈环节

由集成运放的特点可知，集成运放的开环差模电压增益通常很大。因此，要使集成运放工作在线性区，必须引入深度负反馈，以减小直接施加在集成运放两个输入端的净输入电压。如果集成运放没有引入反馈（处于开环），或引入了正反馈，那么集成运放就工作在非线性区。可见，在集成运放的线性应用中，负反馈的引入是很重要的。

由于电路结构已经定义了反相端和同相端，故反馈性质较容易判别。在单运放构成的反馈电路中，若反馈网络接回到集成运放的同相输入端，且该端也是信号接入端，则为正反馈；若接回到反相端，该端也是信号接入端，则为负反馈。

反馈类型的一般判断：

电压反馈：一般直接从集成运放的输出端采样；电流反馈：一般不直接从集成运放输出端采样。

并联反馈：反馈网络接在信号进入端；串联反馈：反馈网络接在非信号进入端。

例如，图3-9（a），设输入信号ui瞬时极性为负，则输出信号uo的瞬时极性为负，经Rf返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈，是并联电压负反馈。

例如，图3-9（b），设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经Rf返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为正，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈，是串联电压负反馈。