第 三 章 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 及 其 應(yīng) 用

第三章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用207§３－２集成運(yùn)放的線性應(yīng)用§３－１認(rèn)識集成運(yùn)算放大器§３－３有源濾波電路§３－４集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用§３－５使用集成運(yùn)放應(yīng)注意的問題學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解集成運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)，理解共模信號、差模信號、零點漂移及共模抑制比的概念。2.了解集成運(yùn)算放大器的理想特性，掌握理想集成運(yùn)算放大器工作于線性和非線性狀態(tài)的特點。3.掌握比例運(yùn)算、加法和減法運(yùn)算電路的組成，能運(yùn)用“虛短”和“虛斷”的概念分析上述運(yùn)算電路輸出和輸入的關(guān)系。了解積分、微分電路的組成、特點及應(yīng)用。2094.了解有源濾波電路的組成、特點及應(yīng)用。5.了解電壓比較器的傳輸特性，特別是雙門限電壓比較器的傳輸特性。6.掌握集成運(yùn)算放大器的簡易檢測方法，會裝配和調(diào)試由集成運(yùn)放構(gòu)成的應(yīng)用電路。210集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放，它是一種多級直接耦合高增益的集成放大電路，因最初多用于模擬信號的數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名，現(xiàn)已作為一種通用的高性能的放大器件，廣泛應(yīng)用于信號產(chǎn)生、信號處理、自動控制等各個方面。圖所示為集成運(yùn)放的應(yīng)用電路示例。211集成運(yùn)放的應(yīng)用電路示例§3-1認(rèn)識集成運(yùn)算放大器212一、集成運(yùn)放的外形與圖形符號1.外形集成運(yùn)放有金屬圓殼式、塑料雙列直插式、單列直插式、貼片式等多種封裝形式，如圖所示。213集成運(yùn)放外形a)金屬圓殼式封裝

b)塑料雙列直插式封裝

c)單列直插式封裝

d)貼片式封裝2.圖形符號如圖所示，框內(nèi)“

”表示信號傳輸方向，“∞”表示開環(huán)增益極高。雖然集成運(yùn)放有多個引腳，但在圖形符號上通常只標(biāo)出兩個輸入端和一個輸出端。214集成運(yùn)放圖形符號a)國際標(biāo)準(zhǔn)符號b)曾用符號二、集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。1.差分放大輸入級采用差分放大電路，具有良好的輸入特性。215集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.中間級主要進(jìn)行電壓放大，要求有較高的電壓放大倍數(shù)，通常由多級共射或共源放大電路構(gòu)成，并經(jīng)常采用復(fù)合管。3.輸出級為了降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力，通常采用復(fù)合管射極輸出或互補(bǔ)對稱功率放大電路。4.偏置電路為集成運(yùn)放各級放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，從而確定合適而穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。216三、差分放大電路集成運(yùn)放內(nèi)部采用多級直接耦合方式。直接耦合放大電路信號傳輸損失最小，但如果溫度發(fā)生變化或電源電壓發(fā)生波動，其影響會逐級傳遞放大，使輸出偏離零點，這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。抑制輸入級的零漂對提高多級放大電路的溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以集成運(yùn)放的輸入級都采用一種能有效抑制零漂的差分放大電路。2171.對稱的電路結(jié)構(gòu)如圖所示為帶有公共射極電阻的差分放大電路，它由兩個對稱的共射放大電路組合而成，一般采用正、負(fù)兩個極性的電源供電。218帶有公共射極電阻的差分放大電路2.靈活的輸入輸出方式差分放大電路分別有兩個輸入和輸出端，因此，具有靈活的輸入輸出方式。（1）輸入方式1)差模輸入方式。從差分放大電路的兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相反的信號稱差模信號。2）共模輸入方式。從差分放大電路的兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相同的信號稱共模信號。3）任意輸入方式（比較輸入方式）。從差分放大電路的兩個輸入端輸入的信號既非差模又非共模，這時可將其分解為一對共模信號和一對差模信號。219（2）輸出方式可以單端輸出，也可以雙端輸出。2203.理想差分放大電路的工作原理（1）靜態(tài)分析（2）動態(tài)分析1）對零點漂移的抑制作用。在差分放大電路中，無論是溫度的變化，還是電源電壓的波動，都會引起兩管集電極電流及相應(yīng)電極電壓產(chǎn)生相同的變化，其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加了共模信號。2）對差模信號的放大作用。2214.共模抑制比共模抑制比用KCMR表示，其定義為差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac之比，即共模抑制比KCMR的大小反映了差分放大電路對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力。KCMR的數(shù)值越大，表明抑制零漂的能力越強(qiáng)，理想差分放大電路的共模電壓放大倍數(shù)為零，所以KCMR=∞。KCMR同樣也是衡量集成運(yùn)放性能的一個重要指標(biāo)。2225.差分放大電路的四種連接方式差分放大電路的四種連接方式見表。223差分放大電路的四種連接方式224差分放大電路的四種連接方式四、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性準(zhǔn)備低頻信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流穩(wěn)壓電源各一臺，集成運(yùn)放CF741一塊，通過實驗觀察集成運(yùn)放CF741的電壓傳輸特性。CF741引腳排列如圖所示，各引腳功能見表。225集成運(yùn)放CF741引腳排列226集成運(yùn)放CF741各引腳功能五、集成運(yùn)放的主要參數(shù)1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ad指集成運(yùn)放在無反饋情況下的差模電壓放大倍數(shù)，一般為1×103~1×107（60~140dB），高增益的集成運(yùn)放Ad可達(dá)170dB以上。2.開環(huán)輸入電阻ri指差模輸入時，集成運(yùn)放的開環(huán)輸入電阻，一般在幾十千歐到幾十兆歐。3.開環(huán)輸出電阻ro指集成運(yùn)放無外加反饋時的輸出電阻，一般為20~200Ω，ro越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。2274.共模抑制比KCMR共模抑制比定義為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與閉環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比KCMR越大，表明集成運(yùn)放對共模信號的抑制能力越強(qiáng)，一般應(yīng)在80dB以上。5.最大輸出電壓UOPP指集成運(yùn)放在空載情況下，最大不失真輸出電壓的峰值。2286.最大差模輸入電壓UIDM指集成運(yùn)放兩個輸入端之間所能承受的最大差模輸入電壓，一般為±（5~30）V。7.最大共模輸入電壓UICM指集成運(yùn)放兩個輸入端之間所能承受的最大共模輸入電壓，若超出此值，集成運(yùn)放的共模抑制性能將明顯下降，甚至造成器件損壞。2298.輸入失調(diào)電壓UIO指當(dāng)輸入信號為零時，為使輸出電壓為零，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓值。9.靜態(tài)功耗PD指集成運(yùn)放在輸入端短路、輸出端開路時所消耗的功率。集成運(yùn)放除了以上介紹的參數(shù)以外，還有輸入失調(diào)電流、開環(huán)帶寬、轉(zhuǎn)換速度、輸入失調(diào)電壓溫漂等，具體可查閱產(chǎn)品手冊，在此不再一一敘述。230六、集成運(yùn)放的理想化如圖所示為集成運(yùn)放等效電路，圖中Ad表示開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，ri表示開環(huán)差模輸入電阻，ro表示開環(huán)輸出電阻。在分析各種具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時，為了使問題簡化，通常把集成運(yùn)放看成是一個理想器件，其理想特性主要有以下幾點：（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ad→∞。（2）開環(huán)差模輸入電阻ri→∞。（3）開環(huán)輸出電阻ro→0。（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）沒有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號也為零。231232集成運(yùn)放等效電路然在實際應(yīng)用時集成運(yùn)放不可能達(dá)到理想的要求，但在分析估算集成運(yùn)放應(yīng)用電路時，將集成運(yùn)放當(dāng)做理想器件來計算，產(chǎn)生的誤差通常不會超出工程允許的范圍。§3-2集成運(yùn)放的線性應(yīng)用233一、理想運(yùn)放工作于線性區(qū)的特點由于理想運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)趨近于無窮大，因此，電路中必須引入負(fù)反饋才能保證集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。這時輸出電壓與輸入電壓滿足線性放大關(guān)系，即式中Uo為有限值，而理想運(yùn)放Ad→∞，因而凈輸入電壓uP-uN=0，即uP=uN。234這一特性稱為“虛短”，如果有一輸入端接地，則另一輸入端也非常接近地電位，稱為“虛地”。又因為理想運(yùn)放輸入電阻ri→∞,所以兩個輸入端的輸入電流也均為零，即iP=i

N=0，這一特性稱為“虛斷”。235二、比例運(yùn)算電路應(yīng)用集成運(yùn)放可以構(gòu)成多種運(yùn)算電路，如比例運(yùn)算電路、加法運(yùn)算電路、積分運(yùn)算電路、微分運(yùn)算電路等。比例運(yùn)算電路是最簡單、最基本的信號運(yùn)算電路，其輸出信號與輸入信號之間呈現(xiàn)比例運(yùn)算關(guān)系。比例運(yùn)算電路有三種常見的電路形式，即反相輸入、同相輸入及差分輸入。2361.反相比例運(yùn)算電路電路如圖a所示，其特點是輸入信號和反饋信號都加在集成運(yùn)放的反相輸入端。237反相比例運(yùn)算電路a）電路圖b）波形圖2.同相比例運(yùn)算電路電路如圖a所示，利用“虛短”特性（注意：同相輸入時無“虛地”特性），可得又根據(jù)“虛斷”特性，iN=0,可得所以238239同相比例運(yùn)算電路a)電路圖b)波形圖電壓跟隨器3.減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路也稱差分輸入比例運(yùn)算電路,它在輸出信號與兩個輸入端信號的差值之間實現(xiàn)比例運(yùn)算關(guān)系。電路采用差分輸入形式，即反相端和同相端都輸入信號，如圖所示。按外接電阻的平衡要求，應(yīng)滿足R1∥Rf=R2∥R3。根據(jù)疊加原理，先求ui1單獨作用時的輸出電壓uo1240再求ui2單獨作用時的uo2則ui1與ui2共同作用時當(dāng)R1=R2，且Rf=R3時，上式化簡為241三、加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路也稱求和電路，其輸出電壓反映多個輸入電壓之和。加法運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是在反相放大電路的基礎(chǔ)上，增加幾個輸入支路而得到的，如圖所示。圖中同相輸入端所接電阻R′必須滿足平衡要求，取R′=R1∥R2∥R3∥Rf。242加法運(yùn)算電路四、積分運(yùn)算電路在如圖所示電路中，當(dāng)輸入脈沖電壓上升時，電容C充電，輸出電壓uo（即uC）隨時間增大而逐漸增大，當(dāng)電荷量充足后，輸出電壓便不會再增大，達(dá)到穩(wěn)定值。243積分電路及其波形a）原理電路b）輸入、輸出信號波形設(shè)電容C上初始電壓為零，當(dāng)輸入階躍信號時，輸出電壓波形如圖a所示，當(dāng)輸入信號為方波信號時，輸出電壓波形如圖b所示。利用積分運(yùn)算電路可實現(xiàn)延時、定時和變換，在自動控制系統(tǒng)中可以減緩過渡過程所形成的沖擊，使外加電壓緩慢上升。244積分電路及其波形a）原理電路b）輸入、輸出信號波形五、微分運(yùn)算電路將圖所示積分運(yùn)算電路中的電容C和電阻R中的位置互換，便可構(gòu)成微分運(yùn)算電路，如圖所示。理想情況下，有245積分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路因為放電電流的方向與充電時相反，所以輸出波形反向若輸入如圖a所示的方波，且

（tp為脈沖寬度），則輸出信號為尖脈沖波形，如圖b所示。246微分運(yùn)算電路輸入、輸出波形a）輸入波形b）輸出波形§3-3

有源濾波電路247許多電子設(shè)備要求只允許規(guī)定頻率范圍之內(nèi)的信號通過，而阻止規(guī)定頻率范圍之外的信號通過。為了實現(xiàn)這一功能，必須使用濾波電路。通常把能通過的信號頻率范圍稱為通帶，受阻或衰減信號頻率范圍稱為阻帶，二者的界限頻率稱為截止頻率。根據(jù)通帶和阻帶的相互位置不同，濾波電路可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波。各種濾波器的特性如圖所示。利用R、C等元件可以構(gòu)成簡單的濾波電路，但這是一種無源濾波電路，傳輸系數(shù)小，帶負(fù)載能力差。如果將RC濾波電路接到集成運(yùn)放的輸入端，即可組成有源濾波電路，其帶負(fù)載能力將大為提高。248249濾波電路的頻率特性（圖中陰影部分為通帶）a)低通濾波器

b)高通濾波器

c)帶通濾波器

d)帶阻濾波器一、有源低通濾波電路低通濾波電路的作用是允許較低頻率的信號通過，而阻止較高頻率的信號通過。1.一階低通濾波電路一階低通濾波電路如圖a所示，它由RC濾波電路與集成運(yùn)放同相放大電路串聯(lián)而成，Rf引入負(fù)反饋使集成運(yùn)放工作在線性放大區(qū)，其幅頻特性如圖b所示。250251一階低通濾波a）原理電路

b）幅頻特性

2.二階低通濾波電路將一階低通濾波電路中的RC濾波電路由一級改為兩級，同時將第一級RC電路的電容改接到集成運(yùn)放的輸出端就構(gòu)成了二階低通濾波電路。如圖a所示。252二階低通濾波電路及一階、二階低通濾波幅頻特性a)原理電路

b)幅頻特性二、有源高通濾波電路高通濾波電路的作用與低通濾波電路相反，即允許較高頻率的信號通過，而阻止較低頻率的信號通過。高通濾波電路與低通濾波電路具有對偶性，只要將低通濾波電路中的R、C元件互換，就構(gòu)成了高通濾波電路，如圖所示分別為一階高通濾波和二階高通濾波的電路原理圖及幅頻特性。253254一階高通濾波a)原理電路

b)幅頻特性255二階高通濾波電路及一階、二階高通濾波幅頻特性a)原理電路

b)幅頻特性三、帶通和帶阻濾波電路分別將低通濾波電路和高通濾波電路進(jìn)行不同組合，即可得到帶通濾波電路和帶阻濾波電路。256帶通和帶阻濾波電路257帶通和帶阻濾波電路§3-4集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用258一、理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特性當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)或電路引入了正反饋時，集成運(yùn)放工作于非線性區(qū)。由于理想運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)無窮大，所以只要輸入無窮小的差值電壓，輸出電壓就會達(dá)到正的最大值或負(fù)的最大值，其特點是：當(dāng)uP>uN時，uo=+Uom當(dāng)uP<uN時，uo=－UomuP≠uN可見，理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時電路不再有“虛短”特性。又由于理想運(yùn)放開環(huán)輸入電阻ri=∞，故凈輸入電流為零，即iP=iN=0，可見，理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時仍具有“虛斷”特性。259二、單門限電壓比較器電壓比較器的作用是將兩個模擬信號電壓進(jìn)行比較，然后將比較結(jié)果以高電平（+Uom）或低電平（-Uom）的形式輸出。260單門限電壓比較器a)原理電路

b)UR>0時傳輸特性曲線

c)UR<0時傳輸特性曲線

d)UR=0時傳輸特性曲線利用單門限電壓比較器可以實現(xiàn)波形變換。261利用電壓比較器實現(xiàn)波形變換a)波形分析b)實測波形三、遲滯比較器單門限電壓比較器的輸入電壓只跟一個參考電壓UR相比較，這種比較器雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但抗干擾能力較差，當(dāng)輸入電壓ui因受干擾在參考值附近反復(fù)發(fā)生微小變化時，輸出電壓也會反復(fù)跳變。采用遲滯比較器進(jìn)行波形變換可以較好地解決這一問題。遲滯比較器又稱施密特觸發(fā)器，它是一種雙門限電壓比較器，其原理電路與傳輸特性曲線如圖所示。262263遲滯比較器a）原理電路

b）傳輸特性曲線四、窗口比較器無論是單門限電壓比較器還是遲滯比較器，當(dāng)輸入電壓在單一方向變化時，輸出電壓只跳變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在兩個給定電壓之間，窗口比較器則具有這一功能。264窗口比較器§3-5

使用集成運(yùn)放應(yīng)注意的問題265一、合理選擇集成運(yùn)放集成運(yùn)放種類很多，按用途可分為通用型和專用型兩大類。通用型又可分為低增益、中增益、高增益三種。通用型集成運(yùn)放適合在一般條件下使用，特點是電源電壓的適用范圍廣，不需要外接補(bǔ)償電容，輸入電壓較大。專用型集成運(yùn)放有低零漂、高輸入阻抗、低功耗、高速等多種。選用集成運(yùn)放時，應(yīng)根據(jù)電路要求，從集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)、外形尺寸、價格等幾方面綜合考慮，選擇合適類型的集成運(yùn)放。例如，對輸入電阻要求高的電路，要選用以場效應(yīng)管為輸入級的高阻型集成運(yùn)放；要求工作頻帶寬的電路應(yīng)選用寬帶型集成運(yùn)放；對于一般電路可優(yōu)先選用通用型集成運(yùn)放。常用集成運(yùn)放見表。集成運(yùn)放引腳排列如圖所示。266267常用集成運(yùn)算放大器268集成運(yùn)放引腳排列a)μA741、CA3140

b)LM358、TL082

c)LM324二、質(zhì)量檢測1.用萬用表檢測用萬用表R×100Ω或R×1kΩ擋測量集成運(yùn)放同相輸入端與反相輸入端間的正反向電阻、各引腳與輸出端間正反向電阻、各引腳與正電源端及負(fù)電源端的正反向電阻，然后通過查閱手冊或說明書，將所測阻值與同型號集成運(yùn)放參考值相比較，如果相差很大，甚至出現(xiàn)短路和斷路現(xiàn)象，一般是集成運(yùn)放已損壞。2692.用測試電路檢測將集成運(yùn)放接成如圖所示電壓跟隨器。接通電源，用萬用表直流電壓擋測量輸出電壓。調(diào)節(jié)RP，輸出電壓應(yīng)能在0～VCC的范圍內(nèi)變化，如果調(diào)節(jié)時輸出電壓不變