第3章

集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3.1概述

3.1.1集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類集成運(yùn)放內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖（1）輸入級：輸入級是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分。要求其輸入電阻高，為了能減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號，輸入級都采用具有恒流源效果的差動(dòng)放大電路，也稱差動(dòng)輸入級。（2）中間級：中間級的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，故而也稱電壓放大級。要求中間級本身具有較高的電壓增益，為了減少前級的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。另外，中間級還應(yīng)向輸出級提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)單端輸入雙端差動(dòng)輸出，或雙端差動(dòng)輸入單端輸出。（3）輸出級：輸出級的主要作用是輸出足夠的電流，以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)還需要有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻，以起到將放大級和負(fù)載隔離的作用，輸出級一般由射極輸出器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。（4）偏置電路：偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。3.1.2集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.極限參數(shù)供電電壓范圍、功耗、工作溫度范圍、最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓2.電氣參數(shù)輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、零點(diǎn)漂移、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、差模輸出電阻、最大輸出電壓、共模抑制比3.2直接耦合放大器1.前后級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響在阻容耦合放大器中，由于電容的隔直作用，各級的靜態(tài)工作點(diǎn)是相互獨(dú)立的。而直接耦合放大器，前級的輸出端與后級的輸入端直接相連，因此前后級的靜態(tài)工作點(diǎn)就會互相影響、互相牽制，使電路設(shè)計(jì)和調(diào)試比較困難。圖中的電阻R和穩(wěn)壓管V是為了保證前、后級均有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)而設(shè)置的。2.零點(diǎn)漂移一個(gè)理想的直接耦合放大器，當(dāng)輸入信號為零時(shí)，其輸出電壓應(yīng)保持不變。但實(shí)際上，將直接耦合的多級放大器輸入端短接后，測其輸出電壓時(shí)，它并不一定保持恒定，而是緩慢地、無規(guī)則地變化著，會偏離原來的起始值上下飄動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“零點(diǎn)漂移”（簡稱“零漂”）。3.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路也稱為差分放大電路。典型的差動(dòng)放大電路是由兩個(gè)特性相同的晶體管VT1和VT2組成的理想對稱電路，對稱位置上的電阻元件參數(shù)也相同。電路采用正、負(fù)兩個(gè)電源供電，晶體管VT1和VT2的發(fā)射極經(jīng)同一反饋電阻RE接至負(fù)電源。由于典型的差動(dòng)放大電路在結(jié)構(gòu)上對稱性，因而它們的靜態(tài)工作點(diǎn)也必然相同。整個(gè)電路有兩個(gè)輸入端（兩管的基極）和兩個(gè)輸出端（兩管的集電極）。靜態(tài)（ui1=ui2=0V）時(shí)，兩管的偏流由通過RE供給，由于電路完全對稱，兩個(gè)晶體管集電極電位相等，所以輸出電壓uo=0V。可見，輸入信號為零時(shí)，輸出信號也為零。差模信號差動(dòng)放大電路中兩個(gè)晶體管的基極信號電壓ui1、ui2大小相等、相位相反，即，這樣的信號稱為“差模信號”，用uid表示，uid在數(shù)值上等于兩輸入信號的差值。這種輸入方式為“差模輸入”。共模信號溫度變化時(shí)，電源電壓波動(dòng)等引起的零點(diǎn)漂移折合到放大電路輸入端的漂移電壓，相當(dāng)于在差模放大電路的兩個(gè)輸入端同時(shí)加了大小和極性完全相同的輸入信號，即，將這種大小和極性完全相同的信號稱為“共模信號”，用uic表示。這種輸入方式為“共模輸入”。比較輸入差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入信號，既非共模，也非差模，他們的大小和相對極性是任意的，這種輸入常作為比較放大來運(yùn)用，在控制測量系統(tǒng)中是常見的。差動(dòng)放大電路工作原理3.4集成運(yùn)放的理想模型

3.4.1理想集成運(yùn)放電壓傳輸特性

3.4.2理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo)1.輸入為零時(shí)，輸出恒為零。2.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud=∞。3.差模輸入電阻rid=∞。4.差模輸出電阻ro=0。5.共模抑制比KCMR=∞。6.失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。3.4.3理想集成運(yùn)放工作

在線性區(qū)的特點(diǎn)集成運(yùn)放應(yīng)用廣泛，其工作區(qū)域不是線性區(qū)，就是非線性區(qū)。在分析集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，用理想集成運(yùn)放代替實(shí)際集成運(yùn)放所帶來的誤差很小，在工程計(jì)算中是允許的。1.虛短當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，它的輸出信號與輸入信號應(yīng)滿足uo=Aud（u+-u-），由于uo是有限的，而Aud為無窮大，所以有u+-u-=0，即

u+=u-

2.虛斷由于理想集成運(yùn)放的差模輸入電阻rid為無窮大，所以運(yùn)放的輸入電流為零，即i+=i-=0

3.4.4理想集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)

3.4.5集成運(yùn)放的正確使用

1.理想集成運(yùn)放的輸出電壓uo的特點(diǎn)當(dāng)集成運(yùn)放的輸入信號過大、開環(huán)工作或加正反饋時(shí)，由于uid≠0，且理想集成運(yùn)放的電壓增益為無窮大，所以輸出電壓就會趨向最大電壓值?？紤]到集成運(yùn)放輸出管內(nèi)部飽和壓降的影響，輸出電壓受到限制，只能達(dá)到電源電壓的90％左右，稱這樣的輸出電壓為正、負(fù)飽和輸出電壓，即輸出為正向飽和電壓+Uom，或負(fù)向飽和電壓-Uom。在非線性區(qū)內(nèi)，虛短現(xiàn)象不復(fù)存在。

2.理想集成運(yùn)放的輸入電流特點(diǎn)因?yàn)閞id=∞

，

所以i+=i-=0，即虛短現(xiàn)象仍然存在。另外，集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)u+≠u-，其凈輸入電壓u+-u-的大小取決于電路的實(shí)際輸入電壓及外接電路的參數(shù)。1.調(diào)零與消除自勵(lì)振蕩2.集成運(yùn)放的安全保護(hù)3.5負(fù)反饋放大電路

3.5.1概述

3.5.2反饋的概念3.5.3反饋的類型及判別

3.5.4負(fù)反饋的四種組態(tài)1.正反饋和負(fù)反饋2.直流反饋和交流反饋3.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋4.電壓反饋和電流反饋（a）電壓串聯(lián)負(fù)反饋

（b）電壓并聯(lián)負(fù)反饋（c）電流串聯(lián)負(fù)反饋（d）電流并聯(lián)負(fù)反饋3.5.5負(fù)反饋對放大電路性能影響1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性2.擴(kuò)展頻帶3.減小非線性失真4.抑制內(nèi)部干擾和噪聲5.改變輸入電阻和輸出電阻

3.6集成運(yùn)放在信號運(yùn)算中應(yīng)用

3.6.1比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算電路

2.同相比例運(yùn)算電路

3.6.2加法運(yùn)算電路

3.6.3減法運(yùn)算電路

3.6.4積分運(yùn)算電路

3.6.5微分運(yùn)算電路3.7有源濾波電路（a）低通（b）高通（c）帶通（d）帶阻濾波器的功能是讓某些頻率的信號比較順利通過，而其它頻率的信號受到較大抑制。在實(shí)際的電子系統(tǒng)中，輸入信號往往包含一些不需要的信號成分，可以用濾波器將其衰減到足夠小的程度，或者將有用的信號挑選出來。3.7.1低通濾波電路（LPF）

3.7.2高通濾波電路（HPF）

3.7.3帶通濾波電路（BPF）

3.7.4帶阻濾波電路（BEF）

3.8電壓比較器當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋方式時(shí)，運(yùn)放的工作范圍將跨越線性區(qū)，進(jìn)入非線性區(qū)。此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端不再虛短，輸出電壓也不隨輸入電壓連續(xù)線性變化，當(dāng)時(shí)，輸出是正向飽和電壓；當(dāng)時(shí)，輸出是反向飽和電壓，即工作在非線性去的運(yùn)放只有兩種輸出狀態(tài)，分別將這兩種狀態(tài)稱為輸出高電平與輸出低電平。集成運(yùn)放在非線性區(qū)的典型應(yīng)用電路是構(gòu)成各種電壓比較器。電壓比較器是模擬信號和數(shù)字信號間的橋梁，在數(shù)字儀表、自動(dòng)控制、電平檢測、波型產(chǎn)生等方面應(yīng)用極廣。3.8.1單值電壓比較器

（a）基本電路

（b）傳輸特性3.8.2滯回電壓比較器

3.8.3集成電壓比較器

（a）基本電路

（b）傳輸特性3.9波形發(fā)生電路

3.9.1正弦波振蕩電路1.正弦波振蕩電路概述（1）自勵(lì)振蕩條件（2）起振與穩(wěn)幅（3）振蕩電路的組成與分類3.9.2RC正弦波振蕩電路RC正弦波振蕩電路適用于低頻振蕩，它—般用來產(chǎn)生零點(diǎn)幾赫茲到數(shù)百千茲的低頻信號。1.RC橋式振蕩器

①RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)②RC橋式振蕩器3.9.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路采用LC并聯(lián)回路作選頻網(wǎng)絡(luò)。它主要用來產(chǎn)生頻率高于1MHz以上的高頻正弦波信號。按反饋電路的形式不同，常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式。3.9.4石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器，被廣泛應(yīng)用到軍、民用通信電臺、微波通信設(shè)備、程控電話交換機(jī)、無線電綜合測試儀、移動(dòng)電話發(fā)射臺、高檔頻率計(jì)數(shù)器、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動(dòng)設(shè)備等各種系統(tǒng)中。石英晶體振蕩電路選用石英晶體諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)。石英晶體諧振器，簡稱晶