8.3集成運算放大電路8.3.1集成運算放大器的理想化條件8.3.2基本運算電路8.3.3信號測量電路8.3.4信號處理電路8.3.5波形產(chǎn)生電路8.3.6集成運放使用中的問題1將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體基片上集成電路優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小集成電路分類：模擬、數(shù)字集成電路；單極型、雙極型集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；8.3

集成運算放大器集成電路的概念集成電路:1.電路一般采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，而不采用阻容耦合結(jié)構(gòu)。2.輸入級采用差動放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂。3.NPN管和PNP管配合使用，從而改進單管的性能。4.大量采用恒流源設(shè)置靜態(tài)工作點或做有源負載，提高電路性能。特點：HOME2集成運算放大器的原理電路T3T4T5T1T2IS與uo反相

u+

u–反相輸入端同相輸入端與uo同相輸入級中間級輸出級對輸入級要求：盡量減小零漂,提高KCMRR，輸入阻抗ri

盡可能大對中間級要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級要求：帶負載能力強,有足夠的輸出電流io

.輸出阻抗ro小8.3.1HOME3集成運放芯片＋－u－u+uo－＋＋

uo∞國際符號國內(nèi)符號三種封裝形式：圓外殼封裝、扁平管封裝、雙列直插式封裝已經(jīng)不用正在使用外形符號反相輸入端同相輸入端輸出端u+

u-

u0

均為對地電壓

u-

u+

u+u-uo8.31HOME4uiuo+UOM-UOMuiuo_++Ao例：若Ec=12V，Ao=106，則|ui|<12V時，運放處于線性區(qū)。線性放大區(qū)8.3.1集成運算放大器的理想化條件飽和區(qū)HOME51.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ad趨于無窮4.共模抑制比KCMMR趨于無窮2.差模輸入電阻rid趨于無窮3.輸出電阻ro趨于08.3.1、集成運放的理想化條件5.帶寬趨于無窮1.理想運放具有如下特點HOME6由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件虛短路輸出電壓恒定，放大倍數(shù)與負載變化無關(guān)。帶負載能力極強。虛開路運放工作在線性區(qū)的特點2.運放工作在線性區(qū)的兩個重要特性HOME7分析運放組成的線性電路的基本原則虛短路虛開路放大倍數(shù)與負載無關(guān)。u+uo_++u–Ii信號的放大、運算濾波電路運放線性應(yīng)用HOME8HOME9＋

uo∞u-

u+uo3.電壓傳輸特性uomuid實際傳輸特性理想傳輸特性線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)-uomuidAo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。HOME10比例運算電路作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。電路結(jié)構(gòu)：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣放大倍數(shù)與運放本身無關(guān)，只與反饋系數(shù)即外部元件有關(guān)。8.3.2

基本運算電路HOME11i1=i2.放大倍數(shù)虛短路虛開路1.反相比例運算電路結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。電壓并聯(lián)負反饋uo_++R2R1RPuii1i2總電流反饋電流凈輸入電流HOME12.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。HOME13.共模電壓電位為0，虛地輸出電阻小；共模電壓為0；“虛地”是反相輸入的特點。_++R2R1RPuii1i2.反饋方式電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很小，輸入電阻也不大。HOME14反相比例電路的特點：1.共模輸入電壓為0，因此對運放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。接近恒壓源。3.由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小，因此從信號源取的電流較大。對信號源要求較高。5.在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。4.輸入和輸出反相。HOME152、同相比例運算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋。輸入電阻高。虛短路虛開路結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。虛開路udiufHOME16同相比例電路的特點：3.共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。2.由于串聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻大。4.輸入與輸出同相，放大倍數(shù)大于等于1。HOME17_++uiuo此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。HOME183.加減運算電路作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相求和與反相求和。電路結(jié)構(gòu)：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。HOME19（1）加法運算電路R12_++R2R11ui2uoRPui1實際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。圖8.22加法運算電路HOME20i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用疊加法求虛地HOME21在圖8.22所示的反相加法運算電路中，若R11=5k?，R12=10k?，RF=20k?，uI1=1V，uI2=2V，最大輸出電壓Uom=±12V。求輸出電壓uo

。解：因uo＜Uom

，故電路工作在線性區(qū)，可實現(xiàn)反相加法運算。例8.4HOME22_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：（2）減法運算電路：雙端輸入差動放大器疊加法圖8.23減法運算電路HOME23設(shè)計一個簡單的電壓比較器，要求如下：UREF=2V；輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V；當(dāng)輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。解：

因輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。故輸入信號應(yīng)加在反相輸入端，同相輸入端加2V的參考電壓。又因輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V，故可采用具有限幅作用的硅穩(wěn)壓管接在輸出端，它的穩(wěn)定電壓為6V。例8.6HOME24圖8.38[例8.6]的電路圖當(dāng)輸出低電平時，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓為6V，故輸出電壓為-6V。綜上所述，滿足設(shè)計要求的電路如圖8.38所示。當(dāng)輸出高電平時，穩(wěn)壓管作普通二極管使用，其導(dǎo)通電壓約為0.7V，故輸出電壓為0.7V；HOME25_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動放大器放大了兩個信號的差，可實現(xiàn)減法運算。該電路的特點是：由于采用雙端差動輸入，故具有高共模抑制比；但是由于有并聯(lián)負反饋存在，故它的輸入電阻不高。HOME261.它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運算電路與加減運算電路小結(jié)HOME27i1iFui-++RR2Cuo4.積分運算電路由于是反相積分故為負例一HOME28tui0tuo0U-UomTM積分時限如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。恒流充電，故積分效果好。幾乎線性，不是指數(shù)充電。HOME29tui0tuo0思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣，請自己計算。運放實驗中請自己驗證。輸入方波，輸出是三角波。例二也可以構(gòu)作同相微分和同相積分電路，則輸出為正，輸入與輸出同相。HOME30積分電路的主要用途：1.在電子開關(guān)中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?.A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。4.移相。HOME31u–=u+=0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：5.微分運算電路HOMEuit032運算電路要求1.熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2.掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。3.會用“虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u–)

”分析給定運算電路的放大倍數(shù)。HOME338.3.3信號測量電路1.電壓-電流變換器R1R1++AR2R2uoUsRLIL（1）接地負載的電壓-電流變換器自己推導(dǎo)HOME34（2）懸浮負載的電壓-電流變換器要求：輸出電阻大。所以，要有電流負反饋。負載懸地！（a）反相電壓—電流變換器（b）同相電壓—電流變換器圖8.27懸浮負載的電壓—電流變換器HOME35_++R2iIRFiF基本的電流—電壓變換器uo

2.電流—電壓變換器HOME36典型的電流—電壓變換器_++R2iLRFiFUs+-uovHOME37把表頭改裝成靈敏度較高、輸入電阻較大的電壓表。_++RFRGF輸入電阻大，相當(dāng)于電壓表的內(nèi)阻是。IG正比于UX若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓

Uxmax=IGmaxRF=1mV3.電壓、電流的測量UxIG虛短路虛開路（1）電壓測量HOME38此電路的優(yōu)點：(1)量程由表頭的滿偏電流IG和電阻RF決定。RF選用小電阻，能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對被測電路影響小；(3)測量值與表頭內(nèi)阻RG無關(guān)，表頭的互換性好；(4)RF小，可以做得較精密。因此能較準確地測量小電壓。UX=UF=RF

IGHOME39電壓表擴大量程_++RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計算取R1=100kR2=900k,R3=1MR1R2R31mV10mV100mV圖8.30多量程直流電壓表HOME40_++RFRGF1mV表頭10010A10100A11mA表頭的滿偏電壓UG=IGRF=1mV（2）.電流測量+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX圖8.31多量程直流電流表HOME414.測量放大器uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRw+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻選擇合適的電阻，使輸出電壓與溫度之間有某一比例關(guān)系，由此可實現(xiàn)溫度測量及控制。測溫電橋圖8.33測量放大器us1us2HOME42(1)熱敏電阻Rt和R組成測量電橋。當(dāng)電橋平衡時us1=us2

，相當(dāng)于共模信號，故輸出uo=0，若測量橋臂感受溫度變化后，產(chǎn)生與ΔRt

相應(yīng)的微小信號變化Δus1，這相當(dāng)于差模信號，能進行有效地放大。(2)三個集成運放分為二級。第一級由A1和A2組成對稱差分放大電路，它們均為同相比例放大器，具有串聯(lián)反饋的形式，輸入電阻很大。第二級是A3，它是差分放大器，具有抑制共模信號的能力。由圖8.33可知：HOME43非線性應(yīng)用：是指運放處于非線性工作狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)。此時，輸出與輸入uo=f(ui)是非線性函數(shù)關(guān)系。運放組成非線性電路主要有以下兩種形式：運放處于開環(huán)uo++Auiuiuo飽和區(qū)線性放大區(qū)+UOM-UOMuoui8.3.4信號處理電路HOME44++AuoR1RF1ui運放電路中有正反饋。由于線性與非線性運放電路的分析方法不同，所以分析前，必須首先確定運放是否工作在線性區(qū)。HOME45確定運放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負反饋。若有負反饋，則運放工作在線性區(qū)；若無負反饋，或有正反饋，則運放工作在非線性區(qū)。處于非線性狀態(tài)運放的特點：1.虛短路不成立。2.輸入電阻仍可以認為很大。3.輸出電阻仍可以認為是0。分析非線性運放電路的依據(jù)：u+>u-

則輸出為+Uom，反之輸出為-UomHOME46uoui0+UOM-UOM++uoui1.信號幅度比較電路++uouiuoui0+UOM-UOM（1）電壓比較器傳輸特性曲線ui>0則輸出為正，反之為負。ui＜0則輸出為正，反之為負。過零比較HOME47++uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui<UR時,uo=+Uom當(dāng)ui>UR時,uo=-Uom

單閾值比較反相輸入（UR不為零）傳輸特性HOME48uoui0+Uom-UomUR傳輸特性UR：參考電壓ui：被比較信號

++uouiUR–特點：運放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時,uo=+Uom當(dāng)ui<UR時,uo=-Uom

同相端輸入HOME49++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āot+Uom-Uom方波與正弦波同相。問：若反相輸入則如何？可實現(xiàn)過零檢測HOME50++uiuoui0+UZ-UZ電路改進：用穩(wěn)壓管進行限幅。++uiuoUZRR′電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路上uoUZR注意此電阻不可少此電路兼有線性與非線性兩種工作狀態(tài)HOME51單閾值比較器的特點1.電路簡單。2.當(dāng)Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。tuiuot過零附近仍處于放大區(qū)uiuo飽和區(qū)線性放大區(qū)+UOM-UOMHOME52(2)滯回比較器8.39滯回比較器

HOME53由圖8.39(a)可知當(dāng)輸出為+UZ時，當(dāng)輸出為-UZ時，

稱為下限閾值電壓稱為上限閾值電壓

HOME54注意①由于該電路存在正反饋，因而輸出高、低電平轉(zhuǎn)換很快。

調(diào)節(jié)R2、R3的比值，可改變回差電壓值。回差電壓大，抗干擾能力強，延時增加。實用中，就是通過調(diào)整回差電壓來改變電路某些性能的。②兩個閾值的差稱為回差電壓，即這個正反饋過程很快使輸出uO由UZ跳轉(zhuǎn)到-UZ。例如，設(shè)開始時uO=UZ，當(dāng)uI增加到UT+，使uO

有下降趨勢時，正反饋過程為：HOME55③還可以在同相端再加一個固定值的參考電壓UREF。此時，回差電壓不受影響，改變的只是閾值，在電壓傳輸特性上表現(xiàn)為特性曲線沿uI前后平移。因此，抗干擾能力不受影響，但越限保護電路的門限發(fā)生了改變。④目前有專門設(shè)計的集成比較器供選用。常用的單電壓集成比較器J631、四電壓集成比較器CB75339引腳圖如圖8.40所示。HOME56

（a）單電壓集成比較器（b）四電壓集成比較器圖8.40常用電壓比較器引腳圖HOME57電路如圖8.41（a）所示，試求上、下限閾值電壓，并畫出電壓傳輸特性。（a）電路圖（b）電壓傳輸特性圖8.41HOME例8.758

故當(dāng)反相輸入端電壓ui

<-1.5V時，輸出電壓由低電平-6V跳變?yōu)楦唠娖?V。電壓傳輸特性如圖8.41（b）所示。解：當(dāng)反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓時，輸出電壓被雙向穩(wěn)壓管箝位于在高電平6V。此時，同相輸入端電壓即為上限閾值電壓當(dāng)ui

>-1.5V時，輸出電壓由高電平6V跳變?yōu)楸浑p向穩(wěn)壓管箝位的低電平V。此時，同相輸入端電壓跳變?yōu)橄孪揲撝惦妷篐OME59圖8.42窗口比較器(3)窗口比較器

窗口比較器的電路圖和電壓傳輸特性如圖8.42所示，主要用來檢測輸入電壓是否在兩個電平之間。HOME602．信號幅度的采樣保持采樣保持電路的任務(wù)是將信號定期和設(shè)備接通（稱為采樣），并且將那時的信號保持下來，直至下一次采樣后，又保持在新的電平。采樣保持電路是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路的一個組成部分，圖8.43基本采樣保持電路HOME61為了提高采樣保持電路的輸入電阻，降低電路的輸出電阻，以便減小信號源和負載對電路性能的影響，實用中可采用已制成單片集成電路的集成采樣保持器，其各引腳功能如圖8.44所示。圖8.44

LF198/298/398采樣保持電路HOME623.有源濾波器主要用作測量信號的低通濾波。(a)反相比例放大LPF（b）同相比例放大LPF

圖8.45低通濾波器（LPF）HOME63試確定圖8.45(b)所示的低通濾波器的電阻和電容值。要求fc=1kHz，Au=2。解①已知fc=1kHz，先取C=0.01μF，由②根據(jù)集成運放同相和反相兩個輸入端直流通路電阻平衡要求，有取用標稱值求取R值，故HOME例8.864已知但標稱值無32kΩ，則R1、RF均可采用二個標稱值為10kΩ和22kΩ的精密電阻串聯(lián)來代替。故HOME658.3.5波形產(chǎn)生電路1.正弦信號產(chǎn)生電路（1）.產(chǎn)生自激振蕩的原理改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。基本放大電路Ao反饋電路F+

–HOME66如果：則去掉仍有信號輸出。基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號代替了放大電路的輸入信號。基本放大電路Ao反饋電路F+

+HOME67自激振蕩條件的推導(dǎo)基本放大電路Ao反饋電路F+

–HOME68FAo=1自激振蕩的條件基本放大電路Ao反饋電路FHOME69如果：(1)正反饋足夠強,輸入信號為0時仍有信號輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。(2)要獲得非正弦自激振蕩,反饋回路中必須有RC充放電電路。例如：前面介紹的方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器等。(3)要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：HOME70自激振蕩的條件：因為：所以，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達到。HOME71問題1：如何啟振？Uo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時Uo=0，達到穩(wěn)定振蕩時Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動，這些擾動可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。HOME72問題2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時若|AF|仍大于1，則輸出將會飽和失真。達到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：HOME73（2）.RC振蕩電路用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2一、選頻電路HOME74HOME75時，相移為0。R1C1R2C2HOME76如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：傳遞函數(shù)：相頻特性：幅頻特性：fof+90–90fHOME77二、用運放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因為：uo_++R2RCRCR1圖8.47RC文氏橋振蕩器HOME78在圖8.47中，試求①該振蕩電路的頻率范圍？②該采用多大的、什么樣的電阻才能得到較理想的正弦波輸出電壓？解：下限頻率為上限頻率為①HOME例8.979②電阻R1由同相比例運算電路的放大倍數(shù)為3求得因：故：為實現(xiàn)穩(wěn)幅，R1

應(yīng)采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻。HOME80能自行啟動的電路（1）uotRtA半導(dǎo)體熱敏電阻起振時，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出uo為某值時，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。HOME81能自行啟動的電路（2）R22為一小電阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；_++R21RCCR1R22D1D2隨著uo的增加，R22逐漸被短接，A自動下降到使|AF|=1，使得輸出uo穩(wěn)定在某值。HOME82輸出頻率的調(diào)整：通過調(diào)整R或/和C來調(diào)整頻率。_++RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。HOME83電子琴的振蕩電路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21HOME84+-RR3R1R2VDZCucuoA

圖8.48矩形波發(fā)生電路電路組成(1)方波發(fā)生器2.非正弦信號產(chǎn)生電路HOME85工作原理HOME86振蕩周期HOME87RCucR2R1R3Rw

R'wR''wVDZuoA+-圖8.49占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路HOME88占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路和波形HOME89(2)鋸齒波發(fā)生電路積分運算電路(A2)起延時作用。電路的主要特點:（a）電路圖（b）波形圖圖8.50鋸齒波發(fā)生器同相輸入滯回比較器（A1）起開關(guān)作用；HOME90HOMEHOME91(3)壓控振蕩器圖中控制端電壓規(guī)定為正。