第3章

集成運算放大器及其應用3.1概述

3.1.1集成運放的結構特點和分類集成運放內部電路結構框圖（1）輸入級：輸入級是提高運算放大器質量的關鍵部分。要求其輸入電阻高，為了能減小零點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放大電路，也稱差動輸入級。（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，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，還應具有較高的輸入電阻。另外，中間級還應向輸出級提供較大的驅動電流，并能根據需要實現單端輸入雙端差動輸出，或雙端差動輸入單端輸出。（3）輸出級：輸出級的主要作用是輸出足夠的電流，以滿足負載的需要，同時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集成運放的主要性能指標1.極限參數供電電壓范圍、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.電氣參數輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流、零點漂移、開環差模電壓放大倍數、開環共模電壓放大倍數、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.前后級靜態工作點相互影響在阻容耦合放大器中，由于電容的隔直作用，各級的靜態工作點是相互獨立的。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，因此前后級的靜態工作點就會互相影響、互相牽制，使電路設計和調試比較困難。圖中的電阻R和穩壓管V是為了保證前、后級均有合適的靜態工作點而設置的。2.零點漂移一個理想的直接耦合放大器，當輸入信號為零時，其輸出電壓應保持不變。但實際上，將直接耦合的多級放大器輸入端短接后，測其輸出電壓時，它并不一定保持恒定，而是緩慢地、無規則地變化著，會偏離原來的起始值上下飄動，這種現象稱為“零點漂移”（簡稱“零漂”）。3.3差動放大電路差動放大電路也稱為差分放大電路。典型的差動放大電路是由兩個特性相同的晶體管VT1和VT2組成的理想對稱電路，對稱位置上的電阻元件參數也相同。電路采用正、負兩個電源供電，晶體管VT1和VT2的發射極經同一反饋電阻RE接至負電源。由于典型的差動放大電路在結構上對稱性，因而它們的靜態工作點也必然相同。整個電路有兩個輸入端（兩管的基極）和兩個輸出端（兩管的集電極）。靜態（ui1=ui2=0V）時，兩管的偏流由通過RE供給，由于電路完全對稱，兩個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，輸出信號也為零。差模信號差動放大電路中兩個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，電源電壓波動等引起的零點漂移折合到放大電路輸入端的漂移電壓，相當于在差模放大電路的兩個輸入端同時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”。比較輸入差動放大電路的兩個輸入信號，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用，在控制測量系統中是常見的。差動放大電路工作原理3.4集成運放的理想模型

3.4.1理想集成運放電壓傳輸特性

3.4.2理想集成運放的性能指標1.輸入為零時，輸出恒為零。2.開環差模電壓放大倍數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.失調電壓、失調電流及溫漂為0。3.4.3理想集成運放工作

在線性區的特點集成運放應用廣泛，其工作區域不是線性區，就是非線性區。在分析集成運放的應用電路時，用理想集成運放代替實際集成運放所帶來的誤差很小，在工程計算中是允許的。1.虛短當集成運放工作在線性區時，它的輸出信號與輸入信號應滿足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放的差模輸入電阻rid為無窮大，所以運放的輸入電流為零，即i+=i-=0

3.4.4理想集成運放工作在非線性區的特點

3.4.5集成運放的正確使用

1.理想集成運放的輸出電壓uo的特點當集成運放的輸入信號過大、開環工作或加正反饋時，由于uid≠0，且理想集成運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。考慮到集成運放輸出管內部飽和壓降的影響，輸出電壓受到限制，只能達到電源電壓的90％左右，稱這樣的輸出電壓為正、負飽和輸出電壓，即輸出為正向飽和電壓+Uom，或負向飽和電壓-Uom。在非線性區內，虛短現象不復存在。

2.理想集成運放的輸入電流特點因為rid=∞

，

所以i+=i-=0，即虛短現象仍然存在。另外，集成運放工作在非線性區時u+≠u-，其凈輸入電壓u+-u-的大小取決于電路的實際輸入電壓及外接電路的參數。1.調零與消除自勵振蕩2.集成運放的安全保護3.5負反饋放大電路

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負反饋的四種組態1.正反饋和負反饋2.直流反饋和交流反饋3.串聯反饋和并聯反饋4.電壓反饋和電流反饋（a）電壓串聯負反饋

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

3.6集成運放在信號運算中應用

3.6.1比例運算電路1.反相比例運算電路

2.同相比例運算電路

3.6.2加法運算電路

3.6.3減法運算電路

3.6.4積分運算電路

3.6.5微分運算電路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。在實際的電子系統中，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電壓比較器當集成運放處于開環或正反饋方式時，運放的工作范圍將跨越線性區，進入非線性區。此時運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線性變化，當時，輸出是正向飽和電壓；當時，輸出是反向飽和電壓，即工作在非線性去的運放只有兩種輸出狀態，分別將這兩種狀態稱為輸出高電平與輸出低電平。集成運放在非線性區的典型應用電路是構成各種電壓比較器。電壓比較器是模擬信號和數字信號間的橋梁，在數字儀表、自動控制、電平檢測、波型產生等方面應用極廣。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）自勵振蕩條件（2）起振與穩幅（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—般用來產生零點幾赫茲到數百千茲的低頻信號。1.RC橋式振蕩器

①RC串并聯選頻網絡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并聯回路作選頻網絡。它主要用來產生頻率高于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、電感三點式、電容三點式。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定度最高的振蕩器，被廣泛應用到軍、民用通信電臺、微波通信設備、程控電話交換機、無線電綜合測試儀、移動電話發射臺、高檔頻率計數器、GPS、衛星通信、遙控移動設備等各種系統中。石英晶體振蕩電路選用石英晶體諧振器作為選頻網絡。石英晶體諧振器，簡稱晶