1、 第第3章章 集成運算放大器集成運算放大器 3.1 集成運算放大器簡介集成運算放大器簡介 3.2 集成運放的線性應用集成運放的線性應用 3.3 集成運放的非線性應用集成運放的非線性應用 3.4 集成運放組成的信號發生器集成運放組成的信號發生器 3.5 函數信號發生器函數信號發生器 3.6 集成運放使用常識集成運放使用常識 3.1 集成運算放大器集成運算放大器 知識點知識點 （1）集成運放的基本特性，虛短、虛斷的概念。）集成運放的基本特性，虛短、虛斷的概念。 （2）反饋的概念及反饋類型的判定。）反饋的概念及反饋類型的判定。 技能點技能點 掌握集成運放兩種工作狀態的判斷。掌握集成運放兩種工作狀態的

2、判斷。 3.1.1 概述概述 1、集成運放的外形與符號、集成運放的外形與符號 常見集成運放的外形多為金封圓殼式和塑封雙列直插式兩種常見集成運放的外形多為金封圓殼式和塑封雙列直插式兩種類型。類型。 目前廣泛目前廣泛應用的主要是雙列直插式，根據其內部所包含的運放的個數，應用的主要是雙列直插式，根據其內部所包含的運放的個數，又分為單運放、雙運放以及四運放等形式。又分為單運放、雙運放以及四運放等形式。 圓形封裝圓形封裝 b) 雙列直插式雙列直插式 c) LM324的引腳及功能的引腳及功能圖圖3-1 集成運放的外形、引腳排序及功能集成運放的外形、引腳排序及功能 除了電源端外，每個單元電路都有除了電源端外

3、，每個單元電路都有同相輸入端同相輸入端u+（簡稱同（簡稱同相端）、相端）、反相輸入端反相輸入端u-（簡稱反相端）與（簡稱反相端）與信號輸出端信號輸出端uo三個端口。三個端口。新符號新符號 b) 舊符號舊符號圖圖3-2 集成運放的符號集成運放的符號 從外部功能來看，從外部功能來看，集成運放集成運放可以簡單地可以簡單地等效為等效為一個高性能的一個高性能的電壓放大電壓放大器器，相當于一個獨立的器件。，相當于一個獨立的器件。 在將其應用于實際電路的過程中，只需掌握其外部特性，不必考慮芯片在將其應用于實際電路的過程中，只需掌握其外部特性，不必考慮芯片內部的復雜結構。內部的復雜結構。 3.1.2 理想運算

4、放大器理想運算放大器 1、理想運放的性能指標、理想運放的性能指標 所謂理想運算放大器，是指其具有以下主要的所謂理想運算放大器，是指其具有以下主要的性能指標：性能指標： （1）開環電壓放大倍數）開環電壓放大倍數Aud = ； （2）輸入電阻）輸入電阻rid = ； （3）輸出電阻）輸出電阻rod = 0。 此外，其它的性能也認為是理想化的。此外，其它的性能也認為是理想化的。 盡管理想運放實際上并不存在，但盡管理想運放實際上并不存在，但由于集成運放制造工由于集成運放制造工藝的不斷改進，其各項性能指標不斷提高，故一般在藝的不斷改進，其各項性能指標不斷提高，故一般在分析分析集成運放的應用電路時集成運放

5、的應用電路時，將實際的集成運放理想化將實際的集成運放理想化所造成所造成的誤差極小，在工程估算、分析中是的誤差極小，在工程估算、分析中是允許允許的。的。 2、集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性 （1）線性區）線性區 曲線上升部分的斜率：曲線上升部分的斜率：運放的開環電運放的開環電壓放大倍數壓放大倍數Aud。 在虛線所包括的輸入信號范圍內，運放在虛線所包括的輸入信號范圍內，運放的輸出電壓通常可表示為的輸出電壓通常可表示為 uo =Aud ( u+u-） =Auduid， uo與與uid成線性放大關系。成線性放大關系。非線性區非線性區線性區0+UomUomuouid圖圖3-4 集成運放的傳輸特性集

6、成運放的傳輸特性 （2）非線性區）非線性區 在虛線框以外所對應的輸入信號區域。在虛線框以外所對應的輸入信號區域。 輸出電壓僅為輸出電壓僅為Uom或或-Uom（近似為正、（近似為正、負電源的電壓值），且不隨輸入信號而負電源的電壓值），且不隨輸入信號而改變，即改變，即uo與與ui 為非線性關系。為非線性關系。通常通常Aud非常高，可達幾十萬倍非常高，可達幾十萬倍 電壓傳輸特性中的線性區電壓傳輸特性中的線性區非常窄。非常窄。電路引入負反饋電路引入負反饋 運放運放開環開環或電路中或電路中引入引入正反饋正反饋3、集成運放工作在線性區的特點、集成運放工作在線性區的特點以以通用型集成運放通用型集成運放F74

7、1為例。為例。例：已知例：已知F741開環電壓增益的典型值開環電壓增益的典型值Aud =200000（倍），差模（倍），差模輸入電阻為輸入電阻為rid =2M，若輸出電壓的最大峰值為，若輸出電壓的最大峰值為 uo =12V（設所用的電源為（設所用的電源為12V），試求），試求 1）輸入電壓）輸入電壓( u+u-）的最大值；）的最大值；2）輸入電流）輸入電流i+（i-）的最大值。）的最大值。 解：運放工作在線性區，則有解：運放工作在線性區，則有uo =Auduid = Aud（u+u-），由此），由此可得可得 1）( u+u-）= uo / Aud =12V/ 200000 =0.06mV； 2

8、）i+ = ( u+u-）/ rid = 0.06mV/2M =0.06mV/2000000=0.03A 。 計算表明，計算表明，集成運放工作在線性區時有集成運放工作在線性區時有 u+u-0，u+u-；i+ =i-0。 集成運放工作在線性區時的兩個重要概念：集成運放工作在線性區時的兩個重要概念： （1）集成運放的兩個輸入端的電壓近似相等，理想化時可以）集成運放的兩個輸入端的電壓近似相等，理想化時可以認為認為u+ =u-，即運放的兩個輸入端為等電位，可視為短路，稱，即運放的兩個輸入端為等電位，可視為短路，稱之為之為“虛短虛短”。 （2）集成運放兩個輸入端的輸入電流近似為）集成運放兩個輸入端的輸入

9、電流近似為0，理想化時可以，理想化時可以認為認為i+ =i- =0，無電流輸入運放，即運放的兩個輸入端相當于，無電流輸入運放，即運放的兩個輸入端相當于斷路，稱之為斷路，稱之為“虛斷虛斷”。 在實際應用電路中，要輸入幾乎為在實際應用電路中，要輸入幾乎為0的的信號是不現實的，所以，實現運放工作在線信號是不現實的，所以，實現運放工作在線性區的必要條件是在電路中引入性區的必要條件是在電路中引入深度的負反深度的負反饋。饋。 4、集成運放工作在非線性區的特點、集成運放工作在非線性區的特點 （1）輸出電壓只有正向飽和電壓）輸出電壓只有正向飽和電壓+Uom和負向飽和電壓和負向飽和電壓-Uom兩兩種狀態，即種狀

10、態，即 uo =+Uom （u+ u- ）；）； uo =-Uom （u+ u- ）。）。 （2）由于集成運放的輸入電阻極大（理想時）由于集成運放的輸入電阻極大（理想時rid = ），故輸入），故輸入端電流端電流i+ =i-0。即運放的兩個輸入端仍然是。即運放的兩個輸入端仍然是“虛斷虛斷”。 由于集成運放的開環極大（理想時由于集成運放的開環極大（理想時Aud = ），極小的輸入），極小的輸入信號即可使輸出信號為信號即可使輸出信號為+Uom或或-Uom，故，故集成運放處于開環集成運放處于開環或正反饋時，工作在非線性工作區。或正反饋時，工作在非線性工作區。反饋的基本概念反饋的基本概念反饋：反饋：將

11、輸出量的一部分將輸出量的一部分 或全部通過一定的電路形式作用或全部通過一定的電路形式作用 到輸入回路，用來影響其輸入量到輸入回路，用來影響其輸入量 的措施。的措施。基本放大電路基本放大電路反饋網絡反饋網絡輸入量輸入量凈輸入量凈輸入量反饋量反饋量 輸出量輸出量反饋放大電路的方框圖反饋放大電路的方框圖一、什么是反饋一、什么是反饋3.1.3 放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋二、如何判斷有無反饋二、如何判斷有無反饋通過尋找電路中有無反饋通路可判斷出電路是否引了反饋。通過尋找電路中有無反饋通路可判斷出電路是否引了反饋。有無反饋的判斷有無反饋的判斷無反饋無反饋無反饋無反饋有反饋有反饋反饋的分類及判別反

12、饋的分類及判別1.分類分類 （1）正反饋：）正反饋： 引入的引入的反饋信號反饋信號Xf增強了外加輸入信號的增強了外加輸入信號的作用，作用，使使放大電路的放大電路的凈輸入信號增加凈輸入信號增加，導致，導致放大電路的放大倍數提高的反饋。放大電路的放大倍數提高的反饋。 正反饋主要用于振蕩電路、信號產生電正反饋主要用于振蕩電路、信號產生電路，其他電路中則很少用正反饋。路，其他電路中則很少用正反饋。（2）負反饋：）負反饋： 引入的引入的反饋信號反饋信號Xf削弱了外加輸入信號削弱了外加輸入信號的作用，的作用，使使放大電路的放大電路的凈輸入信號減小凈輸入信號減小，導致放大電路的放大倍數減小的反饋。導致放大電

13、路的放大倍數減小的反饋。 一般放大電路中經常引入負反饋，以一般放大電路中經常引入負反饋，以改善放大電路的性能指標。改善放大電路的性能指標。反饋的分類及判別反饋的分類及判別反饋極性的判定反饋極性的判定 +R1R2Rfuiuo圖圖3-6 正反饋放大器正反饋放大器 引入深度的負反饋是使引入深度的負反饋是使運放工作在線性放大區的必運放工作在線性放大區的必要條件，也是判斷運放是否要條件，也是判斷運放是否工作在線性區的標準。工作在線性區的標準。 應用于線性放大的運放應用于線性放大的運放電路都是深度的負反饋放大電路都是深度的負反饋放大器。器。+VCC R1 R2 T1R4 T2uO+-+-R3 R5 C1

14、+R6 C2 C3 + uI uF 分立元件放大電路反饋極性的判斷分立元件放大電路反饋極性的判斷 結論：負反饋結論：負反饋 3、負反饋放大器的類型、負反饋放大器的類型（1）電壓反饋和電流反饋）電壓反饋和電流反饋1）定義）定義電壓反饋電壓反饋v 反饋信號從輸出電壓反饋信號從輸出電壓uo采樣。采樣。電流反饋電流反饋v 反饋信號從輸出電流反饋信號從輸出電流io采樣。采樣。 +R1R2RfRLuiuo+R1R2RfRLuiuo+R2RLuoui+R1Rfio a) 電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋 c) 電流串聯負反饋電流串聯負反饋圖圖3-7 負反饋放大器的四種類型負反饋放大器的四種類型b) 電壓并聯負反

15、饋電壓并聯負反饋 d) 電流并聯負反饋電流并聯負反饋 思考題思考題 （1）如何判斷集成運放工作在線性區還是非線性區？）如何判斷集成運放工作在線性區還是非線性區？ （2）無論集成運放是工作在線性區還是非線性區，是否都）無論集成運放是工作在線性區還是非線性區，是否都存在存在“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”？ （3）為什么說引入深度負反饋是集成運放工作在線性區的）為什么說引入深度負反饋是集成運放工作在線性區的必要條件？必要條件？ （4）閉環放大器與開環放大器在電路結構上有何區別？）閉環放大器與開環放大器在電路結構上有何區別？ （5）如何判斷閉環放大器的反饋極性？）如何判斷閉環放大器的反饋極性？ 3.2

16、集成運放的線性應用集成運放的線性應用 知識點知識點 （1）集成運放線性應用的基本分析方法。）集成運放線性應用的基本分析方法。 （2）集成運放線性應用的幾種典型電路的特性。）集成運放線性應用的幾種典型電路的特性。 技能點技能點 掌握集成運放在測量放大器、掌握集成運放在測量放大器、PI調節器以及信號調節器以及信號 處理方面的典型應用。處理方面的典型應用。 集成運放工作在線性區時都引入深度的集成運放工作在線性區時都引入深度的負反饋，因而可以利用負反饋，因而可以利用“虛短虛短”、“虛斷虛斷”的的概念進行分析。概念進行分析。 集成運放典型的線性應用有比例、加法、集成運放典型的線性應用有比例、加法、減法、

17、微分、積分運算電路等形式。減法、微分、積分運算電路等形式。3.2.1 比例運算電路比例運算電路如右圖，如右圖，Rf 引入深度負反饋引入深度負反饋一一. 反相輸入比例運算電路反相輸入比例運算電路 1、電路的構成、電路的構成2、函數關系、函數關系IfOfOIFRfOFIRNPNPuRRuRuRuiiRuiRuiuuuu即虛地,)(0, 0,要求：要求：R2=R1 / Rf 圖圖3.8 反相比例運算電路反相比例運算電路uIuO iR iF iN Rf R1 R2 iP PN。時，為單位增益反相器當關。與集成運放內部參數無1,fffARRA，例例1：要求輸入電阻：要求輸入電阻Ri100 k，放大倍數，

18、放大倍數Au100，則，則 uIuO iR iF iN Rf R R iP PNRf=Ri Au=10MRf R1R2 uI uouf 二、同相比例運算電路二、同相比例運算電路 1、電路的構成、電路的構成2、函數關系、函數關系 若希望輸入電阻高，若希望輸入電阻高， 且輸入輸出同相位，可且輸入輸出同相位，可 用此電路。用此電路。iRiF圖圖3-9 同相比例運算電路同相比例運算電路uP uN AIfOfOIfONFRIPNFRNPuRRuRRuRuRRuRuiiuuuiiii)1 (, 01111虛短：虛斷：起限流作用且在意外情況下使得差放輸入對稱f/RRR12R2的作用的作用:三、電壓跟隨器三、

19、電壓跟隨器uO = uIuO=uN=uP=uI, Auf= uO / uI1RF uO 圖圖3-10 電壓跟隨器電壓跟隨器uIRAuPuN例例2 電路如圖所示，已知電路如圖所示，已知uO =-55 uI ，其余參數如圖中所標注，其余參數如圖中所標注， 試求出試求出R5的值。的值。A1 -+A2 -+R1 R2 R3 R5 R4 uI uO 10k100k100k解：解：A1構成同相比例運算電路，構成同相比例運算電路，A2構成反相比例運算電路。因此構成反相比例運算電路。因此kRuukRuRRuuukkuRRuIIOOIIIO500551110011)101001 ()1 (55145121得出u

20、O1 R6 1. 反相加法運算電路反相加法運算電路 ui2 ui1 ui3 u = ( + + ) o Rf Rf Rf R1 R2 R3 i1 if f f 3.2.2 加減運算電路加減運算電路 u uI1 4 一、加法運算電路一、加法運算電路 =R1/R2/R3/Rf1 O 3 uI3 uI2 i2 i3 2 虛地點虛地點利用結點電流法求解運算關系，對結點利用結點電流法求解運算關系，對結點N進行分析，可得：進行分析，可得：N輸入電流的疊加輸入電流的疊加4 4 當當R1=R2=R3=Rf時，時，uo= -（ui1+ui2+ui3）1 u o 2. 同相加法運算電路同相加法運算電路3 uI1

21、uI2uI3 f 2 i1i2i3R i圖圖3-11.1 同相加法運算電路同相加法運算電路 PN利用結點電流法求解運算關系，對結點利用結點電流法求解運算關系，對結點P進行分析，可得：進行分析，可得：）時，當）令）于是得其中，即又332211332211332211321332211321332211332211321-(/()1 (/),()1111()1 ()1 (RuRuRuRuRRRuRuRuRRRuRRRRuRuRuRRRuRRRRRRuRuRuRuRRRRuRuRuRuRuRuuRuuRuuiiiiuRRuRRuIIIfOnpIIIfnpOfnIIIpfOpIIIpIIIIIIffO

22、當調整某一路電阻時，必當調整某一路電阻時，必須相應的改變須相應的改變R的值，以的值，以保證保證Rn=Rp.二、減法運算電路（差分比例運算電路）二、減法運算電路（差分比例運算電路） u oRf R1 R2 R3 uI2 uI1 )(12IIfouuRRu函數關系函數關系:圖圖3-12 減法運算電路減法運算電路u- u+ 1123231o1uififuRRuRRRRR當當R1=R2，R3=Rf 時，時，當當R1=R2=R3=Rf 時，時，uo= ui2-ui1輸出電壓僅由兩個輸入電壓之差決定，故減法電路也稱輸出電壓僅由兩個輸入電壓之差決定，故減法電路也稱為差動放大電路為差動放大電路 兩輸入電壓不相

23、等（兩輸入電壓不相等（“差差”）時）時有輸出信號（有輸出信號（“動動”），所放大（處理）的是兩個輸入），所放大（處理）的是兩個輸入信號的差值（常稱為差動輸入）信號的差值（常稱為差動輸入）2. 雙運放加減運算電路雙運放加減運算電路(1) 電路的構成電路的構成A1 -+A2 -+R1 Rf1 R3 Rf2 RuO uO1 R2 R RuI1 uI2 uI3 (2) 函數關系函數關系)()()(),(33221121332211123312221111RuRuRuRuRRRuRuRuRRRuRuRuRuRuRuRuIIIfOfIIIffOIOfOIIfO，則若 集成運放線性應用時，通常要集成運放線性

24、應用時，通常要求放大電路具有高增益、高輸入電求放大電路具有高增益、高輸入電阻以及良好的抗干擾能力。阻以及良好的抗干擾能力。 在工程上常采用多個運放組成在工程上常采用多個運放組成的電路來滿足實際的需要。的電路來滿足實際的需要。圖圖3-13 測量放大器原理測量放大器原理3.2.4 測量放大器測量放大器A1、A2: 構成了兩個完全對稱的同相構成了兩個完全對稱的同相 比例運算放大器比例運算放大器; A3: 組成差動（減法）電路。組成差動（減法）電路。 輸入信號輸入信號分別從分別從A1、A2的同的同相端輸入，電路具有很高的輸入相端輸入，電路具有很高的輸入電阻；電阻； A1、A2的輸出電壓的輸出電壓（uo

25、1uo2）作為作為A3的差動輸入電壓，因而具的差動輸入電壓，因而具有良好的抗干擾能力。有良好的抗干擾能力。 根據虛短，可知根據虛短，可知R1上的電壓降為（上的電壓降為（ui1ui2），則通過），則通過R1上的電流為：上的電流為： (ui1ui2)/R1，由于虛斷特性，可知通過，由于虛斷特性，可知通過R1上的電流與通過電阻上的電流與通過電阻R2的電流相等，的電流相等，即即 電路保持了差動放大的功能，因而具有很強的抑制干電路保持了差動放大的功能，因而具有很強的抑制干擾信號的能力，利用可調電阻擾信號的能力，利用可調電阻R1，則，則可方便地調節電路的可方便地調節電路的增益。增益。 3.2.5 積分運算

26、電路積分運算電路u i C uO 1 由虛斷和虛地由虛斷和虛地iRiCuC )(11,00i000tudtuRCuRuiiudtiCuuiiiOttOiCRtCttCCOCRN圖圖3-14 積分運算電路積分運算電路 A. 0)0(05. 010k CuFCR，且，例如將方波變成三角波將方波變成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuit 0 +3V-3V(ms)135 接通電源時，接通電源時，uo(t)= uo(0)=0 01ms時，時， ui= -3V, uo(t0)=uo(0)=0tdtdtuRCtuutttOO65 . 0301)(0i00 1ms3ms時，時， ui= 3V, uo

27、(t0)=uo(1)=0mssRC5 . 0105 . 01005. 01010363ttdtudtuRCtuutOttOO612) 1(6165 . 03) 1 (1)(1i00將方波變成三角波將方波變成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuit 0 +3V-3V(ms)135 3ms5ms時，時， ui= -3V, uo(t0)=uo(3)=12-6t0= 12-63=-6VtdtdtuRCtuutttOO6245 . 0361)(3i00 5ms6ms時，時， ui= 3V, uo(t0)=uo(5)=-24+65=6VmssRC5 . 0105 . 01005. 01010363

28、ttdtudtuRCtuutOttOO636)5(665 . 03)5(1)(5i00將方波變成三角波將方波變成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuo uit 0 +3V-3V+6V-6Vt (ms)(ms)135 01ms時，時，tuO6 1ms3ms時，時，tuO612 3ms5ms時，時，tuO624 5ms6ms時，時，tuO636 在實際電路中，積分電路常用在實際電路中，積分電路常用于延時、定時和各種波形變換等。于延時、定時和各種波形變換等。 積分電路還可將輸入的三角波積分電路還可將輸入的三角波轉換為正弦波。轉換為正弦波。 在自動控制系統中，常利用積分在自動控制系統中，常利用

29、積分電路以電路以延緩過渡過程的沖擊延緩過渡過程的沖擊。 實際積分電路存在的問題實際積分電路存在的問題 “積分漂移積分漂移”現象：在現象：在uI=0時，時， uO仍產生緩慢變化的輸仍產生緩慢變化的輸出電壓的現象。出電壓的現象。解決辦法：解決辦法： C并并Rf 引入直流負反饋引入直流負反饋積分運算電路積分運算電路3.2.6 微分運算電路微分運算電路 uO 積分的逆運算，積分的逆運算， R和和C的位置互換。的位置互換。dtduRCRiRiuICROu I C iR iC A圖圖3-17 微分運算電路微分運算電路若輸入為方波，且若輸入為方波，且RCT/2， 則輸出為尖頂波。則輸出為尖頂波。uO uI

30、微分電路輸入、微分電路輸入、 輸出波形分析輸出波形分析 3.2.7 有源濾波電路有源濾波電路 濾波電路是一種選頻電路，其允許濾波電路是一種選頻電路，其允許一定頻率范圍的信號通過，阻止或削弱一定頻率范圍的信號通過，阻止或削弱（濾除）其它頻率范圍的信號。（濾除）其它頻率范圍的信號。 1、有源低通濾波器、有源低通濾波器 濾波電容濾波電容C對低頻信號相當于開路，對高頻信號相當于短對低頻信號相當于開路，對高頻信號相當于短路。該濾波電路是濾除高頻段信號，使低頻信號順利通過，故路。該濾波電路是濾除高頻段信號，使低頻信號順利通過，故稱為低通濾波電路。為了使濾波效果更理想，通常采用二階有稱為低通濾波電路。為了使

31、濾波效果更理想，通常采用二階有源濾波電路，如圖源濾波電路，如圖3-19b所示。所示。CRR1Rfuiuo+CCRRR1Rfuiuo+a) 一階低通濾波一階低通濾波 b) 二階低通濾波二階低通濾波圖圖3-19 有源低通濾波電路有源低通濾波電路 2、有源高通濾波器、有源高通濾波器 一階有源高通濾波電路如圖一階有源高通濾波電路如圖3-20 a) 所示，顯然，它將阻隔、所示，顯然，它將阻隔、濾除輸入的低頻信號，而讓高頻信號順利通過。實際應用中，多濾除輸入的低頻信號，而讓高頻信號順利通過。實際應用中，多采用二階有源高通濾波電路，如圖采用二階有源高通濾波電路，如圖3-20 b)。 有源濾波電路廣泛應用于廣

32、播、通訊、測量和控制系統中，有源濾波電路廣泛應用于廣播、通訊、測量和控制系統中，用于選取有用頻率的信號，濾除無用頻率的信號。用于選取有用頻率的信號，濾除無用頻率的信號。CCCRRRR1R1RfRfuiuiuouo+a) 一階高通濾波一階高通濾波 b) 二階高通濾波二階高通濾波圖圖3-20 有源高通濾波電路有源高通濾波電路 思考題：思考題： （1）集成運放組成的放大器與分立元件組成的電路相比，）集成運放組成的放大器與分立元件組成的電路相比，有何特點？有何特點？ （2）工作在線性區的集成運放都存在）工作在線性區的集成運放都存在“虛地虛地”嗎？為什么？嗎？為什么？ （3）為什么測量放大器具有很高的輸

33、入電阻以及良好的抗）為什么測量放大器具有很高的輸入電阻以及良好的抗干擾能力？干擾能力？ （4）積分電路有哪些波形變換作用？）積分電路有哪些波形變換作用？ 3.3 集成運放的非線性應用集成運放的非線性應用 知識點知識點 （1）集成運放的非線性應用電路的結構、性能特點。）集成運放的非線性應用電路的結構、性能特點。 （2）幾種電壓比較器的性能特點。）幾種電壓比較器的性能特點。 技能點技能點 掌握電壓比較器的典型應用電路。掌握電壓比較器的典型應用電路。 集成運放工作在集成運放工作在非線性區非線性區時，處于時，處于開環開環或或正反饋正反饋狀狀態。態。 此時運放兩個輸入端的電壓不一定相等（不存在虛此時運放

34、兩個輸入端的電壓不一定相等（不存在虛短），但仍然存在虛斷。短），但仍然存在虛斷。 電壓比較器電壓比較器是集成運放典型的非線性應用。是集成運放典型的非線性應用。 電壓比較器簡稱比較器，其將輸入電壓（被測信號，電壓比較器簡稱比較器，其將輸入電壓（被測信號，通常是連續的模擬量）與另一標準的電壓信號（參考電通常是連續的模擬量）與另一標準的電壓信號（參考電壓）進行比較，輸出的是以高、低電平為特征的數字信壓）進行比較，輸出的是以高、低電平為特征的數字信號，即號，即“1”或或“0”。 常用作模擬電路與數字電路的接口。常用作模擬電路與數字電路的接口。 3.3.1 單門限電壓比較器單門限電壓比較器 反相輸入的單

35、門限比較器如圖反相輸入的單門限比較器如圖3-21a 所示。所示。 集成運放處于集成運放處于開環狀態開環狀態，工作在，工作在非線性區非線性區，反相端的輸入信號，反相端的輸入信號ui與同與同相端的參考電壓相端的參考電壓UR比較，根據運放非線性工作的特性，可得：比較，根據運放非線性工作的特性，可得： 當當 ui UR（即（即u-u+）時，）時， uo=-Uom ； 當當 ui UR（即（即u-u+）時，）時， uo =+Uom 。 電路的傳輸特性如圖電路的傳輸特性如圖3-21b 所示。所示。R1uiuoUR+ui0+UomUomURuoa) 電路電路 b) 傳輸特性傳輸特性圖圖3-21 單門限電壓比

36、較電路單門限電壓比較電路 圖圖3-22a 所示的電路稱為過零電壓比較器（參考電壓所示的電路稱為過零電壓比較器（參考電壓為為0），當輸入電壓過），當輸入電壓過0時，輸出電壓就發生跳變，傳輸特時，輸出電壓就發生跳變，傳輸特性如圖性如圖b所示。所示。 過零比較器可將正弦波轉換為方波，如圖過零比較器可將正弦波轉換為方波，如圖c所示。所示。R1uiuo+ui0+UomUomuoa) 電路電路 b) 傳輸特性傳輸特性 c) 波形變換波形變換 圖圖3-22 過零比較器過零比較器 單門限比較器（又稱為簡單比較器）單門限比較器（又稱為簡單比較器）結構簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差，結構簡單，靈敏度高，但抗干擾能

37、力差，當輸入信號在參考電壓附近受到干擾時，當輸入信號在參考電壓附近受到干擾時，很容易使電路狀態產生連續的跳變，造成很容易使電路狀態產生連續的跳變，造成后續電路的誤動作。后續電路的誤動作。 3.3.2 滯回電壓比較器滯回電壓比較器+R1R2Rfuiuo圖圖3-23 滯回電壓比較器滯回電壓比較器（3-12） （3-13） UT、-UT分別稱為上門限電壓與下門限電壓。電路的傳分別稱為上門限電壓與下門限電壓。電路的傳輸特性如圖輸特性如圖3-23b所示。所示。uiui0+UomUomUTUT滯回電壓比較器傳輸特性滯回電壓比較器傳輸特性 兩個門限電壓之差，即兩個門限電壓之差，即 U=UT (-UT) =

38、2UT稱為稱為回回差電壓差電壓。 顯然，回差電壓使輸出電壓的正跳變和負跳變不是發生在輸入顯然，回差電壓使輸出電壓的正跳變和負跳變不是發生在輸入電壓的同一點上，所以，即使干擾信號使得輸入電壓在參考電壓電壓的同一點上，所以，即使干擾信號使得輸入電壓在參考電壓UR（本例中（本例中UR=0）的附近波動，只要其不超出回差電壓的范圍，電路）的附近波動，只要其不超出回差電壓的范圍，電路的輸出電壓將保持穩定。的輸出電壓將保持穩定。 由此可見，該電路具有較強的抗干擾能力，尤其適用于輸入信由此可見，該電路具有較強的抗干擾能力，尤其適用于輸入信號受干擾較頻繁的場合。號受干擾較頻繁的場合。uiui0+UomUomUT

39、UT 3.3.3 雙限比較器雙限比較器 在實際工作中，有時需要檢測輸入信號的電平是否處于設定的兩個電平之在實際工作中，有時需要檢測輸入信號的電平是否處于設定的兩個電平之間，這就要求比較器有兩個門限電平。這種比較器稱為雙限比較器。間，這就要求比較器有兩個門限電平。這種比較器稱為雙限比較器。 圖圖3-24a所示是一種典型的雙限比較器，其中的所示是一種典型的雙限比較器，其中的URFE1、URFE2為設定的兩為設定的兩個門限電壓（參考電壓），個門限電壓（參考電壓），ui為所檢測的輸入信號。為所檢測的輸入信號。 設設A1和和A2的的輸出高電平輸出高電平為為+UOM、輸出低電平輸出低電平為為0。REF2U

40、UREF1uouiRRRRRLVD1VD2+AA12 a) 電路電路 b) ui與與uo 的關系的關系圖圖3-24 雙限比較器雙限比較器 思考題思考題 （1）為什么電壓比較器輸出只有高、低電平？）為什么電壓比較器輸出只有高、低電平？ （2）若在過零比較器的同相端輸入正弦波（反相端接地），）若在過零比較器的同相端輸入正弦波（反相端接地），試畫出對應的輸出波形。試畫出對應的輸出波形。 （3）滯回電壓比較器的特點是什么？）滯回電壓比較器的特點是什么？ （4）雙限比較器還可以應用于哪些方面？您可以舉出一些例）雙限比較器還可以應用于哪些方面？您可以舉出一些例子嗎？子嗎？ 3.4 集成運放組成的信號發生器

41、集成運放組成的信號發生器 知識點知識點 （1）各種非正弦波振蕩電路的結構、原理以及頻）各種非正弦波振蕩電路的結構、原理以及頻率的估算。率的估算。 （2）正弦波振蕩器的組成及原理。）正弦波振蕩器的組成及原理。 （3）不同正弦波振蕩電路的結構、性能特點及頻）不同正弦波振蕩電路的結構、性能特點及頻率的估算。率的估算。 技能點技能點 掌握信號發生器的測試、調試的方法掌握信號發生器的測試、調試的方法 電子技術的許多領域都需要各種類型的信號源。電子技術的許多領域都需要各種類型的信號源。 用于產生各種信號的電子電路稱為用于產生各種信號的電子電路稱為信號發生器信號發生器。 信號發生器是在沒有輸入信號的情況下，

42、依靠電路的信號發生器是在沒有輸入信號的情況下，依靠電路的自激振蕩來產生穩定的輸出信號，又稱之為振蕩器。自激振蕩來產生穩定的輸出信號，又稱之為振蕩器。 因此，振蕩器是一種無需外加信號就能將直流電能轉因此，振蕩器是一種無需外加信號就能將直流電能轉變為交流電能的能量變換器。變為交流電能的能量變換器。 根據產生的信號波形，振蕩器可分為正弦波振蕩器和根據產生的信號波形，振蕩器可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。非正弦波振蕩器兩大類。 3.4.1 非正弦波信號發生器非正弦波信號發生器 1、方波信號發生器、方波信號發生器 方波發生器是能夠直接產生方波的非正弦波發生器。方波發生器是能夠直接產生方波的非正

43、弦波發生器。 由于方波包含著極其豐富的諧波分量，故這種電路又稱為多諧振蕩器，由于方波包含著極其豐富的諧波分量，故這種電路又稱為多諧振蕩器，常在數字系統中作為信號源。常在數字系統中作為信號源。 R和雙向穩壓管和雙向穩壓管VZ使輸出電壓限幅為使輸出電壓限幅為uo=UZ。由于滯回比較器輸出只有。由于滯回比較器輸出只有+UZ、-UZ兩種狀態，故電路對應的門限電壓為兩種狀態，故電路對應的門限電壓為C充電放電RVZR1R2RfUzuuCO+圖圖3-26 方波信號發生器及其波形方波信號發生器及其波形C充電放電RVZR1R2RfUzuuCO+圖圖3-26 方波信號發生器及其波形方波信號發生器及其波形電路的起振

44、：電路的起振： 電路接通電源瞬間，必然引起電路電路接通電源瞬間，必然引起電路中各點電位產生突變，電路輸出是中各點電位產生突變，電路輸出是+UZ還是還是-UZ純屬偶然（由純屬偶然（由uC與與u+比較而比較而定）。定）。 假設通電瞬間電路輸出為假設通電瞬間電路輸出為uo=+UZ（此時的門限電壓為（此時的門限電壓為+UT），則電路的），則電路的輸出電壓輸出電壓uo通過通過Rf對對C進行充電，進行充電，uC按按指數規律上升；指數規律上升； 當電容充電至當電容充電至uCUT，即，即u-u+ 時，時，輸出電壓就翻轉為輸出電壓就翻轉為uo=-UZ（此時門限電（此時門限電壓跳變為壓跳變為-UT）；）； 接著電

45、容接著電容C通過通過Rf對輸出端放電，對輸出端放電，uC按指數規律下降，當放電至按指數規律下降，當放電至uC-UT，即即u-u+時，輸出電壓又翻轉為時，輸出電壓又翻轉為uo=+UZ（此時的門限電壓又跳變為（此時的門限電壓又跳變為+UT），），uo又通過又通過Rf對對C進行充電。進行充電。 可以證明，當可以證明，當R1=R2時，其振蕩周期為時，其振蕩周期為 T2.2RfC，則振蕩，則振蕩頻率為頻率為（3-14） 2、三角波發生器、三角波發生器 三角波發生器基本電路如圖三角波發生器基本電路如圖3-27所示。所示。 運放運放A1：構成同相輸入滯回比較器；構成同相輸入滯回比較器； 運放運放A2：構成反

46、相積分電路。構成反相積分電路。 滯回比較器輸出的矩形波輸入積分電路的反相輸入端，而積分電路輸滯回比較器輸出的矩形波輸入積分電路的反相輸入端，而積分電路輸出的三角波又連接到滯回比較器的同相輸入端，控制滯回比較器輸出端的出的三角波又連接到滯回比較器的同相輸入端，控制滯回比較器輸出端的狀態發生跳變，從而在運放狀態發生跳變，從而在運放A2的輸出端得到的輸出端得到周期性的三角波。周期性的三角波。+UzUT+UTUztto1uuo00圖圖3-27 三角波信號發生器及其波形三角波信號發生器及其波形uoR1R2R3CUzR4o1uR5VZ+AA12u+u01+UzUT+UTUztto1uuo00圖圖3-27

47、三角波信號發生器及其波形三角波信號發生器及其波形uoR1R2R3CUzR4o1uR5VZ+AA12u+u01v假設通電瞬間假設通電瞬間uo1=+UZ ，u+為正值。反為正值。反相積分器輸入正電壓，相積分器輸入正電壓，uo1通過通過R4對電對電容容C充電，輸出電壓充電，輸出電壓uo開始線性減小，開始線性減小，A1同相端電壓同相端電壓u+（下同）隨之減小，（下同）隨之減小，當輸出電壓當輸出電壓uo減小到減小到uo=-UT時，時，u+也減也減小為小為0，此時，此時A1狀態翻轉，狀態翻轉，uo1=-UZ ，同時同時u+跳變為負值；此時反相積分器跳變為負值；此時反相積分器輸入負電壓，電容輸入負電壓，電容

48、C通過通過R4對對uo1放電，放電，輸出電壓輸出電壓uo開始線性增大，開始線性增大，u+值也隨之值也隨之上升，當輸出電壓增大到上升，當輸出電壓增大到uo=+UT時，時，u+也上升為也上升為0，此時，此時A1狀態翻轉，狀態翻轉，uo1=+UZ ，同時，同時u+跳變為正值。跳變為正值。v 如此周而復始，電路形成穩定的如此周而復始，電路形成穩定的振蕩，在振蕩，在A1的輸出端得到幅值為的輸出端得到幅值為UZ的的方波，方波，A2輸出端得到幅值為輸出端得到幅值為UT的三角的三角波。波。可以證明，其振蕩頻率為可以證明，其振蕩頻率為（3-15） 3、鋸齒波發生器、鋸齒波發生器 在圖在圖3-27的三角波信號發生

49、器中，如果將積分電容的充、放電回路分開，使得兩個的三角波信號發生器中，如果將積分電容的充、放電回路分開，使得兩個回路的時間常數不相等，即可使輸出電壓的波形為鋸齒波。回路的時間常數不相等，即可使輸出電壓的波形為鋸齒波。 一個簡易的鋸齒波信號發生器如圖一個簡易的鋸齒波信號發生器如圖3-28所示，利用二極管所示，利用二極管VD1、VD2和電位器和電位器RP將積分電容將積分電容C的充、放電回路分開，通過調節的充、放電回路分開，通過調節RP的動端位置，改變充、放電回路時間的動端位置，改變充、放電回路時間常數的差值，電路可得到矩形波和鋸齒波，信號波形如圖所示。常數的差值，電路可得到矩形波和鋸齒波，信號波形

50、如圖所示。 uoR1R2R3o1uCUzR4VD1VD2VZ+AA21RP+UzUT+UTUztto1uuo00圖圖3-28 鋸齒波信號發生器及其波形鋸齒波信號發生器及其波形 3.4.2 正弦波信號發生器正弦波信號發生器 產生正弦波信號的電路稱為產生正弦波信號的電路稱為正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路（或正弦波信號發生器）。（或正弦波信號發生器）。根據振蕩電路的選頻網絡所用的元件，正弦波振蕩電路通常可分為根據振蕩電路的選頻網絡所用的元件，正弦波振蕩電路通常可分為RC振蕩電路、振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路。振蕩電路和石英晶體振蕩電路。 1、正弦波振蕩的原理、正弦波振蕩的原理 設置放大電路

51、和反饋網絡的參數，使設置放大電路和反饋網絡的參數，使uf ui ；當開關；當開關S迅速切換到迅速切換到2端時，端時，uf便代替了便代替了ui，使放大電路維持輸出信號，使放大電路維持輸出信號uo不變。盡管此時切斷了輸入信號，電不變。盡管此時切斷了輸入信號，電路仍然輸出具有一定頻率和幅值的正弦波信號，即電路形成了正弦波振蕩。路仍然輸出具有一定頻率和幅值的正弦波信號，即電路形成了正弦波振蕩。圖圖3-29 正弦波振蕩電路原理框圖正弦波振蕩電路原理框圖 由此可知，產生正弦波振蕩的條件是：由此可知，產生正弦波振蕩的條件是： uf = ui 。 具體可表述為：具體可表述為： （1）振蕩的相位平衡條件：）振蕩

52、的相位平衡條件：uf與與ui必須同相位，即要求正反饋；必須同相位，即要求正反饋； （2）振蕩的幅值平衡條件：）振蕩的幅值平衡條件：uf與與ui必須大小相等，即有必須大小相等，即有 AuF=1。 其中：其中：Au為放大電路的增益。為放大電路的增益。 F為正反饋電路的反饋系數：為正反饋電路的反饋系數：F= uf /uo。 顯然，在一個正弦波振蕩電路中，為了能輸出確定頻率的正弦波信顯然，在一個正弦波振蕩電路中，為了能輸出確定頻率的正弦波信號，電路中要有選頻網絡；號，電路中要有選頻網絡； 同時，為了使輸出電壓幅度保持穩定，振蕩電路中還必須要有穩幅同時，為了使輸出電壓幅度保持穩定，振蕩電路中還必須要有穩

53、幅環節。環節。 由此可見，一個正弦波振蕩器通常由由此可見，一個正弦波振蕩器通常由放大電路、正反饋電路、選頻放大電路、正反饋電路、選頻網絡和穩幅環節網絡和穩幅環節等等4部分組成。部分組成。 2、RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 （1）電路組成）電路組成 集成運放組成最常用的是集成運放組成最常用的是RC串、并串、并聯式正弦波振蕩電路（又稱為文氏橋式聯式正弦波振蕩電路（又稱為文氏橋式振蕩器）如圖振蕩器）如圖3-30所示。所示。 其中，集成運放通過其中，集成運放通過Rf、R1引入深引入深度的負反饋，工作在線性放大狀態，組度的負反饋，工作在線性放大狀態，組成同相放大電路，成同相放大電路，RC串、并聯網絡作串

54、、并聯網絡作為選頻網絡，同時構成正反饋電路（電為選頻網絡，同時構成正反饋電路（電路中正、負反饋并存）。路中正、負反饋并存）。uoCCRRR1Rfuf+圖圖3-30 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器（2）工作原理）工作原理 分析及實驗證明，分析及實驗證明，RC串、并聯網絡具有選頻特性，當輸出信號的頻率串、并聯網絡具有選頻特性，當輸出信號的頻率等于由等于由RC串、并聯網絡參數所決定的特定頻率串、并聯網絡參數所決定的特定頻率o，即，即 時，時，RC串、并聯網絡呈現為純阻性，即反饋到同相端的信號串、并聯網絡呈現為純阻性，即反饋到同相端的信號uf與放大電路與放大電路的輸出信號的輸出信號uo同相位（滿足振蕩的

55、相位平衡條件），此時同相端得到的反同相位（滿足振蕩的相位平衡條件），此時同相端得到的反饋信號饋信號uf具有最大值，并且為：具有最大值，并且為： uf = uo / 3，即正反饋系數，即正反饋系數F=uf /uo =1/3。 顯然，只要放大電路的放大倍數顯然，只要放大電路的放大倍數Au=3， 則有則有AuF=1（滿足振蕩的幅度（滿足振蕩的幅度平衡條件），將使得輸出電壓保持不變，電路形成穩定的正弦波振蕩。平衡條件），將使得輸出電壓保持不變，電路形成穩定的正弦波振蕩。 根據同相放大電路的放大倍數根據同相放大電路的放大倍數 Au=(1Rf/R1) =3，可推得，電路形成，可推得，電路形成穩定振蕩的條件

56、是：穩定振蕩的條件是：Rf =2R1。（3-16） （4）振蕩頻率及其調整）振蕩頻率及其調整 以上分析表明，振蕩電路的輸出頻率由選頻網絡的參數決定，即如式以上分析表明，振蕩電路的輸出頻率由選頻網絡的參數決定，即如式（3-16）所示。）所示。 從式（從式（3-16）可看出，調節選頻網絡的參數）可看出，調節選頻網絡的參數R、C，可以在一定的范圍，可以在一定的范圍內調節電路的振蕩頻率。在實際電路中，通常采用雙連電位器代替電阻內調節電路的振蕩頻率。在實際電路中，通常采用雙連電位器代替電阻R，或用雙連電容器代替電容或用雙連電容器代替電容C，同時調節選頻網絡串、并聯兩部分，從而實現，同時調節選頻網絡串、并

57、聯兩部分，從而實現振蕩頻率的平滑調節。振蕩頻率的平滑調節。 顯然，減小選頻網絡的電容可以提高振蕩頻率，但由于電路中存在分布顯然，減小選頻網絡的電容可以提高振蕩頻率，但由于電路中存在分布電容，電容不可能取得很小，因而使電路振蕩頻率的提高受到了限制。所電容，電容不可能取得很小，因而使電路振蕩頻率的提高受到了限制。所以，以，RC振蕩器通常只適用于低頻（振蕩器通常只適用于低頻（1MHz以下）振蕩。以下）振蕩。 如果需要產生更高頻率的正弦信號，則需采用如果需要產生更高頻率的正弦信號，則需采用LC正弦波振蕩器或石英正弦波振蕩器或石英晶體振蕩器。晶體振蕩器。 3、LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 LC正弦波振蕩

58、器可分為變壓器反正弦波振蕩器可分為變壓器反饋式振蕩器、電感反饋式振蕩器和電饋式振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器，由容反饋式振蕩器，由LC并聯諧振特性并聯諧振特性確定振蕩電路的頻率，用于產生幾確定振蕩電路的頻率，用于產生幾MHz以上的高頻信號。以上的高頻信號。 （1）變壓器反饋式）變壓器反饋式LC振蕩振蕩器器 電路如圖電路如圖3-31所示，集成運放組成所示，集成運放組成放大電路，放大電路，L1和和C2并聯諧振回路組成選并聯諧振回路組成選頻電路，頻電路，L2為反饋繞組。為反饋繞組。 如果如果電路不能起振，大多數的原電路不能起振，大多數的原因是由于因是由于L2的同名端有誤，只要將其對的同名

59、端有誤，只要將其對調即可。調即可。 電路的振蕩頻率由電路的振蕩頻率由L1C2并聯回路的并聯回路的固有諧振頻率固有諧振頻率fo決定，即決定，即+R2RfC2C1uoL12LR1圖圖3-31 變壓器反饋式正弦波振蕩器變壓器反饋式正弦波振蕩器（3-17） （2）電感三點式正弦波振蕩器）電感三點式正弦波振蕩器 電路如圖電路如圖3-32所示，對于交流通路，所示，對于交流通路，LC諧振回路中電感的諧振回路中電感的3個端點個端點a、b、c分別與集成運放的兩個輸入端和輸出端相連，故稱為電感三點式。分別與集成運放的兩個輸入端和輸出端相連，故稱為電感三點式。 集成運放組成放大電路，等效電感集成運放組成放大電路，等

60、效電感L （L1和和L2串聯）與串聯）與C2并聯組成選頻網并聯組成選頻網絡。絡。 顯然，在諧振條件下，顯然，在諧振條件下，a、c兩點的相位相反，從兩點的相位相反，從L1兩端取出的信號為正兩端取出的信號為正反饋信號，滿足振蕩的相位條件；通常取反饋線圈反饋信號，滿足振蕩的相位條件；通常取反饋線圈L1的匝數約為總匝數的的匝數約為總匝數的1/8至至1/4，即可滿足振蕩的幅度條件，所以電路能產生自激振蕩。，即可滿足振蕩的幅度條件，所以電路能產生自激振蕩。+R2RfC2C1uoL12LR1abc圖圖3-32 電感三點式正弦波振蕩器電感三點式正弦波振蕩器 （3）電容三點式正弦波振蕩器）電容三點式正弦波振蕩器