電子技術(shù)課件：集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用

集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用3.1集成運(yùn)算放大電路3.2集成運(yùn)放的應(yīng)用3.3能力訓(xùn)練習(xí)題

本章以集成運(yùn)算放大電路(以下簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)為研究對(duì)象，在介紹其內(nèi)部單元電路的基礎(chǔ)上，對(duì)集成運(yùn)放的工作原理及性能指標(biāo)做簡(jiǎn)要說明，最后介紹集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電

路中的廣泛應(yīng)用。

3.1集成運(yùn)算放大電路

集成電路根據(jù)其集成度不同，分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。就功能而言，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路，而后者又分為集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中，集成運(yùn)算放大器是基礎(chǔ)，它是具有兩個(gè)不同相位輸入端的高增益放大器，除廣泛應(yīng)用于精密檢測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域外，在收音機(jī)、電視機(jī)、音箱設(shè)備、攝像設(shè)備等家用電器中也得到了廣泛應(yīng)用。其電路具有以下特點(diǎn):

(1)在集成元件工藝中難于制造電感元件，不便于制造大電阻與大電容。

(2)運(yùn)算放大電路的輸入級(jí)采用差分放大電路。

(3)在集成運(yùn)算放大電路中往往采用晶體管恒流源代替電阻，作為有源負(fù)載，并為單元電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

3.1.1基本結(jié)構(gòu)

從本質(zhì)上講，集成運(yùn)放是一個(gè)雙端輸入，具有高輸入電阻、低輸出電阻、能夠抑制溫漂的直接耦合的多級(jí)高增益放大電路。從外部來看，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為兩個(gè)輸入端，分別為同相輸入端和反相輸入端，其中同相和反相是指運(yùn)放的輸入電壓與輸出電壓之間的相位關(guān)系。其中同相輸入端用uP

表示，反相輸入端用uN表示，輸出電壓用uo

表示，均以地為公共端。從內(nèi)部來看，集成運(yùn)放常由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，如圖3－1所示。圖3－1集成運(yùn)放電路的組成

輸入級(jí)是提高運(yùn)放性能的關(guān)鍵部分，要求其輸入電阻高、靜態(tài)電流小、差模放大倍數(shù)高、抑制零點(diǎn)漂移和共模干擾信號(hào)的能力強(qiáng)。為此，輸入級(jí)均采用差分放大電路(見2.8節(jié))，它具有同相和反相兩個(gè)輸入端。中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，要求它的電壓放大倍數(shù)高，一般由共發(fā)射極放大電路組成，其放大管常采用復(fù)合管，以提高電流放大能力，集電極負(fù)載電阻常采用晶體管恒流源代替，以提高電壓放大倍數(shù)。輸出極與負(fù)載相連，要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，能夠輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補(bǔ)功率放大電路和射極輸出器組成。偏置電路的作用是為整個(gè)運(yùn)放電路提供穩(wěn)定合適的偏置電流，一般由各種恒流源電路組成，從而保證放大電路的各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定工作。

3.1.2差分放大電路

差分放大電路是由兩個(gè)完全相同的三極管組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的放大電路。它具有抑制共模信號(hào)放大差模信號(hào)的功能，并且可以有效地防止零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

1.差分放大電路的四種接法

在差分放大電路中，為了防止干擾和滿足負(fù)載的需要，常將信號(hào)源的一端接地，或者將負(fù)載電阻的一端接地。根據(jù)輸入端和輸出端接地情況不同，差分放大電路共有四種不同接法的電路，它們分別是雙端輸入、雙端輸出電路(如圖3－2(a)所示)，雙端輸入、單端輸出電路(如圖3－2(b)所示)，單端輸入、雙端輸出電路(如圖3－2(c)所示)，以及單端輸入、單端輸出電路(如圖3－2(d)所示)。圖3－2差分放大電路的四種接法

四種差分放大電路的比較如表3－1所示。

綜上所述，差動(dòng)放大電路電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān)，只要是雙端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同；如為單端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)是單管

基本電壓放大倍數(shù)的一半，輸入電阻都是相同的。

2.差分放大電路的主要指標(biāo)

(1)差模電壓放大倍數(shù)Aud：指在差模輸入信號(hào)作用下，產(chǎn)生輸出電壓Uod與差模輸入電壓Uid

之比，即

(2)共模電壓放大倍數(shù)Auc:指在共模輸入信號(hào)作用下，產(chǎn)生輸出電壓Uoc與差模輸入電壓Uic

之比，即

(3)共模抑制比KCMR

:指差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模放大倍數(shù)Auc之比的絕對(duì)值，也常用分貝表示。它可以確切地反映差分放大電路的共模抑制能力。

(4)差模輸入電阻rid

:它是差分放大電路對(duì)差模信號(hào)源呈現(xiàn)的等效電阻。其在數(shù)值上等于差模輸入電壓與差模輸入電流之比，即

(5)差模輸出電阻rod:它是在差模信號(hào)作用下差分放大電路相對(duì)于負(fù)載電阻RL而言的戴維南等效電路的內(nèi)阻。也可以認(rèn)為是在差模信號(hào)作用下，從RL

兩端向放大電路看進(jìn)去的等效電阻。其在數(shù)值上等于差模信號(hào)作用下，輸出開路電壓Uo∞d與輸出短路電流Io0d之比，即

(6)共模輸入電阻ric

:它是差分放大電路對(duì)共模信號(hào)源呈現(xiàn)的等效電阻，即

3.1.3恒流源電路

集成運(yùn)算放大電路中恒流源電路是重要的組成部分，一方面為多級(jí)放大電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流，另一方面作為放大電路的有源負(fù)載，進(jìn)一步提高了電路的放大能力。下

面介紹集成電路中常用的恒流源電路。

1.鏡像電流源電路

圖3－3為一鏡像電流源電路，它由兩只特性完全相同的晶體管V1

和V2

組成。對(duì)于V1而言，

UBE1=UCE1，其集電極電流IC1=βIB1

。圖中V1和V2的基—射間的電壓相等，即UBE1=UBE2

，故它們的基極電流IB1=IB2=IB

，而由于電流放大系數(shù)β1=β2=β，故集電極電流I

C1=IC2=Io=βIB

。圖3－3鏡像電流源

電阻中R流過的電流為基準(zhǔn)電流，其表達(dá)式為

所得的集電極電流為

當(dāng)β?2時(shí)，輸出電流．

可見Io

和IR呈鏡像關(guān)系，故稱此電路為鏡像電流源。RL

為負(fù)載，

Io

為負(fù)載的輸出電流。

鏡像電流源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但電源一定情況下，增大負(fù)載電流會(huì)造成電阻R的功率增大。因此，派生了其他類型的電流源電路。

2.比例電流源

比例電流源是為了克服鏡像電流源IC2=Io≈IR的關(guān)系，而使Io可以大于或小于IR

，并與IR

成比例關(guān)系。它解決了鏡像電流源在增加負(fù)載時(shí)出現(xiàn)電路功耗過高的情況。其電路如圖3－4所示。圖3－4比例電流源

從電路圖可得

由于V1和V2

的發(fā)射結(jié)都處于導(dǎo)通狀態(tài)，其伏安特性曲線十分陡峭(因?yàn)榘l(fā)射區(qū)都是重?fù)诫s的)，發(fā)射結(jié)正偏壓的微小變化，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極電流的顯著變化，所以，當(dāng)IE1

與IE2相差不大(小于10倍)時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)正偏壓UBE1

與UBE2相差十分微小，故可近似認(rèn)為UBE1=UBE2

，上式可簡(jiǎn)化為．

當(dāng)β?1時(shí)

故有IRRe1=IoRe2

，即．

所以在0.1<Re1Re2<10的范圍內(nèi)，負(fù)載的輸出電流為

由式(3－2)可知，在改變電阻R和調(diào)節(jié)電阻Re1

的條件下，可改變流過電阻R的基準(zhǔn)電流，通過改變Re1

與R

e2

的比例關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流Io

的調(diào)節(jié)作用。．

3.微電流源

為了采用阻值較小的電阻獲得較小的輸出電流，可以將比例電流源中Re1

的電阻減小為零，便可得到微電流源，如圖3－5所示。其輸出的電流Io

的分析過程如下。圖3－5微電流源．

把Io≈IE2

，

IR≈IE1

代入IE2?IE1

得Io?IR

。正

確地選取Re2

的值，可以使Io達(dá)到微安量級(jí)，而此時(shí)IR

仍然很大，所以限流電阻R=(UCC-UBE1)/IR不會(huì)太大?？梢?，該電路能夠在R不太大的條件下，獲得微小的輸出電流。

定量分析如下:．

式中，

UT

是溫度電壓當(dāng)量，IS1與IS2

分別是V1

與V2

發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。由于V1

與V2特性相同，所以

則

因?yàn)镮E2≈Io，

IE1≈IR

，代入上式得．

【例3－1】在圖3－5電路中，

UCC=15V，IR=1mA，

Io=IC2=10μA，常溫下，

UT=26mV，試確定

Re2及R

的值。

解由公式(3－3)得

由公式(3－4)得．

4.多路電流源

前面幾個(gè)電流源電路都是用一個(gè)參考電流去獲得另一個(gè)固定電流，如果加以推廣，可以用一個(gè)參考電流去獲得多個(gè)電流，而且各個(gè)電流的數(shù)值可以不同。這樣，就可以為集成

運(yùn)放多級(jí)放大電路提供合適的靜態(tài)電流。利用一個(gè)基準(zhǔn)電流去獲得多個(gè)不同的輸出電流的電路稱為多路電流源電路。

圖3－6所示電流是在鏡像電流源和微電流源的基礎(chǔ)上得到的多路電流源電路。其中V1

是參考電流源。根據(jù)電路的關(guān)系，可得到以下關(guān)系式:

由于這幾個(gè)晶體管的UBE

數(shù)值大致相等，因此有下列近似關(guān)系:

當(dāng)

IE1確定后，可能通過選擇合適的電阻，以獲得不同數(shù)值的電流。圖3－6多路電流源

5.電流源作為有源負(fù)載

恒流源在集成電路中除了設(shè)置偏置電流外，還可能作為放大電路的有源負(fù)載，以提高電路的放大倍數(shù)。下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的基本共射放大電路來說明。

圖3－7(a)是帶負(fù)載電阻RL

基本共射放大電路，在負(fù)載電阻已定的情況下，若RC越大，則Au越大。這里用一個(gè)恒流源代替RC

，如圖3－7(b)所示，則交流等效電路如圖3－7(c)所示。由于恒流源的等效內(nèi)阻為無窮大，可視為開路，即變化的電流βIb全部流向負(fù)載電阻RL

，所以提高了放大倍數(shù)。圖3－7(d)是用鏡像電流源組成的電路。

圖3－7(e)是它的交流等效電路。其中V2

等效為一個(gè)內(nèi)阻rce2。在要求精度比較高或者RL的數(shù)值與rce2

可以相比的情況下，需考慮V1

等效模型中rce1

的影響。這樣得到的電壓放大倍數(shù)為

三極管是有源元件，用三極管作為V1

的負(fù)載就稱其為有源負(fù)載。．圖3－7有源負(fù)載共射放大器

3.1.4集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

如前邊所述，集成運(yùn)放是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，均由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)單元組成。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路等

1.工作原理

圖3－8是一個(gè)由晶體三極管組成的簡(jiǎn)單運(yùn)放原理圖。圖3－8簡(jiǎn)單運(yùn)放原理圖

V1

、V2組成差動(dòng)放大電路，信號(hào)由雙端輸入，單端輸出。為了提高整個(gè)電路的電壓增益，

V3

、V4構(gòu)成復(fù)合管，利用它組成共射極放大電路。由V5

、V6組成兩級(jí)電壓跟隨器而構(gòu)成電路的輸出級(jí)，它不僅可以提高帶負(fù)載的能力，而且可進(jìn)一步使直流電位下降，以達(dá)到輸入信號(hào)電壓uid=ui1-ui2

為零時(shí)，輸出電壓uo=0V，同時(shí)二極管VD

、電阻R6

、電壓-UEE負(fù)責(zé)給V9

提供基準(zhǔn)電壓，這與V9

一起構(gòu)成電流源電路，從而提高V5

的電壓跟隨能力。

V7、V8

組成恒流源電路提高差動(dòng)放大電路的共模抑制比。。

由此可見，運(yùn)算放大器由差動(dòng)放大電路、中間級(jí)、輸出級(jí)和恒流源四部分組成，它有兩個(gè)輸入端(即反相輸入端1和同相輸入端2)和一個(gè)輸出端3。

典型的集成電路運(yùn)算放大器741的原理電路如圖3－9(a)所示，該電路由輸入級(jí)、偏置電路、中間級(jí)和輸出級(jí)組成。圖3－9(b)是其簡(jiǎn)化電路。圖3－9741型集成電路運(yùn)算放大器圖3－9741型集成電路運(yùn)算放大器

2.偏置電路

741型集成運(yùn)放由24個(gè)晶體管、10個(gè)電阻和1個(gè)電容組成。在體積小的條件下，為了降低功耗以限制溫升，必須減小各級(jí)的靜態(tài)工作電流，故采用微電流源電路提供各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。

如圖3－9(a)所示，由+UCC→V12→R5→V11→-UEE構(gòu)成主偏置電路，決定偏置電路的基準(zhǔn)電流IREF。主偏置電路中的V10

和V11

組成微電流源電路(IREF≈IC11

)，由IC10

供給輸入級(jí)中V2

、V4

的偏置電流，即IC10=IB3+IB4=IS

，如圖3－9(b)中的IS

所示，遠(yuǎn)小于IREF

。

V8

和V9

為一對(duì)橫向PNP型晶體管，它們組成鏡像電流源IE8=IE9

，供給輸入級(jí)V1

、V2

的工作電流(IE8≈IC10

)，這里IE9

為IE8

的基準(zhǔn)電流。于是IC1=IC2=(1+2/β)IC8/2，IC1≈IC3=IC4≈IC5=IC6

。必須指出，輸入級(jí)的偏置電路本身構(gòu)成反饋環(huán)，可減小零點(diǎn)漂移。

V12

和V13構(gòu)成雙端輸出的鏡像電流源。V12

是一個(gè)雙集電極的橫向PNP型晶體管，可視為兩個(gè)晶體管，它們的兩個(gè)基—集結(jié)彼此并聯(lián)。一路輸出為V13B

集電極，使IC16+IC17=IC13B

，主要作為中間放大級(jí)的有源負(fù)載;另一種輸出為V13A的集電極，供給輸出級(jí)的偏置電流，使V14

、V20

工作在甲乙類放大狀態(tài)(第4章中講述)，其中rce13為集電極與發(fā)射極間的等效電阻。

3.輸入級(jí)

圖3－9(b)所示為741的簡(jiǎn)化電路，將圖3－9(a)中產(chǎn)生恒定電流的電路采用恒流源來代替。輸入級(jí)是由V1~V6

組成的差分式放大電路，由V6

的集電極輸出。V1

、V3

和V2

、V4

組成共集共基復(fù)合差動(dòng)電路，縱向NPN型晶體管V1、V2

組成共集電路可以提高輸入阻抗。其中共集共基放大電路具有輸入電阻較大以及電壓放大能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。

3.1.5集成運(yùn)放的性能指標(biāo)

集成運(yùn)放對(duì)信號(hào)的放大性能通過以下參數(shù)來說明，這些參數(shù)通常稱為集成運(yùn)放的性能指標(biāo)。

2.最大輸出電壓Uopp

能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真的最大輸出電壓，稱為運(yùn)算放大電路的最大輸出電壓。LM741在UCC

=±15V，

RL≥10kΩ的條件下，Uopp=±14V。

3.差模輸入電阻rid

rid的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的能力。要求rid

愈大愈好，一般集成運(yùn)放rid

為幾百千歐至幾兆歐。

4.輸出電阻ro

ro

的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。有時(shí)只用最大輸出電流Iomax

表示它的極限負(fù)載能力。

5.共模抑制比KCMR

共模抑制比反映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義與差動(dòng)放大電路相同。KCMR愈大愈好。

6.最大差模輸入電壓

Uidmax

從集成運(yùn)放輸入端看進(jìn)去，一般都有兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)射結(jié)相串聯(lián)，若輸入端的差模電壓過高，會(huì)使發(fā)射結(jié)擊穿。NPN管發(fā)射結(jié)擊穿電壓僅有幾伏，

PNP橫向管的發(fā)射結(jié)擊

穿電壓則可達(dá)數(shù)十伏，如F007的Uidmax為±30V。

7.最大共模輸入電壓Uicmax

輸入端共模信號(hào)超過一定數(shù)值后，集成運(yùn)放工作不正常，失去差模放大能力。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，特別注意輸入共模信號(hào)的大小。

8.輸入失調(diào)電壓UIO

輸入失調(diào)電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓(去掉外接調(diào)零電位器)，它的大小反映了電路的不對(duì)稱程度和調(diào)零的難易。對(duì)集成運(yùn)放我們要求輸入信號(hào)為零

時(shí)，輸出也為零，但實(shí)際中往往輸出不為零，將此電壓折合到集成運(yùn)放的輸入端的電壓，常稱為輸入失調(diào)電壓UIO

。其值在1~10mV范圍，要求愈小愈好。

9.輸入偏置電流IIB和輸入失調(diào)電流IIO

輸入偏置電流是指輸入差放管的基極偏置電流，用IIB

=(IB1+IB2

)/2表示;而將IB1

、IB2

之差的絕對(duì)值稱為輸入失調(diào)電流IIO，即IIo=IB1-IB2。IIB和IIO

愈小，它們的影響也愈小。IIB

的數(shù)值通常為十分之幾微安，則IIO

更小。

10.-3dB帶寬fh

當(dāng)Aod下降到中頻時(shí)的0.707倍時(shí)為截止頻率，用分貝表示正好下降了3dB，故對(duì)應(yīng)此時(shí)的頻率fh

稱為上、下限截止頻率，又常稱為-3dB帶寬。當(dāng)輸入信號(hào)頻率繼續(xù)增大時(shí)，

Aod繼續(xù)下降;當(dāng)Aod

=1時(shí)，與此對(duì)應(yīng)的頻率稱為單位增益帶寬。

11.轉(zhuǎn)換速率SR

頻帶寬度是在小信號(hào)的條件下測(cè)量的。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要集成運(yùn)放工作在大信號(hào)情況(輸出電壓峰值接近集成運(yùn)放的最大輸出電壓Uopp

)，此時(shí)用轉(zhuǎn)換速率表示其特性:．

集成運(yùn)放種類全、類型多，可分為通用型(LM741或F007)和特殊型兩種，其中，特殊型集成運(yùn)放又有高阻型、高速型、低功耗型、高精度型、高壓型、大功率型幾種情況。表3－2給出了集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)和用途。無特殊要求時(shí)應(yīng)選用通用型集成運(yùn)放，以便獲得較高的性價(jià)比。有特殊要求時(shí)選用特殊型集成運(yùn)放會(huì)使電路性能提高。．

3.2集成運(yùn)放的應(yīng)用

3.2.1集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放電路的圖形符號(hào)如圖3－10所示。同相輸入端用“+”表示，反向輸入端用“-”表示。用uP

、uN、uo

分別表示對(duì)地的同相輸入電壓、反向輸入電壓和輸出電壓。Aod表示差模開環(huán)放大倍數(shù)。圖3－10集成運(yùn)放圖形符號(hào)

集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系稱為電壓傳輸特性。從集成運(yùn)放的傳輸特性(見圖3－11)看，可分為線性工作區(qū)和飽和工作區(qū)。運(yùn)算放大電路可工作在線性區(qū)，也可工作在飽和區(qū)，但分析方法不一樣。圖3－11集成運(yùn)放傳輸特性

1.集成運(yùn)放的線性工作區(qū)

放大器的線性工作區(qū)是指輸出電壓uo

與輸入電壓ui

(

ui=uP-uN

)成正比時(shí)的輸入電壓ui的取值范圍，記作uimin~uimax。

uo

與ui

成正比，可表示為．

此時(shí)，運(yùn)算放大器是一個(gè)線性放大元件。Aod為運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，由于Aod

很高，即使輸入毫伏級(jí)的信號(hào)，也足以使輸出電壓飽和，其飽和值為+Uopp或-Uopp，達(dá)到接近電源電壓值。正常情況下，輸入電流都是μA或nA級(jí)，才能保證其工作在線性區(qū)。否則過大的電流會(huì)燒壞集成運(yùn)放芯片。

2.集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)

集成運(yùn)放工作在飽和區(qū)時(shí)，這時(shí)輸出電壓uo只有兩種可能，即+Uopp或-Uopp

，而uP與uN

不一定相等。當(dāng)u

P>uN

時(shí)，

uo=+Uopp

。當(dāng)uP

<uN

時(shí)，

uo=-Uopp。此外，集成運(yùn)放工作在飽和區(qū)時(shí)，兩個(gè)輸入端的輸入電流也近似為零。

在分析由集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路時(shí)，通常將其視為理想化的集成運(yùn)放，它除了具有“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)外，它的性能指標(biāo)均為理想化的。具體參數(shù)如下:

開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞;

差模輸入電阻rid→∞;

開環(huán)輸出電阻ro→0;

共模抑制比KCMR→∞。

集成運(yùn)放的應(yīng)用很廣，下面?zhèn)戎亟榻B它在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用電路，主要包括比例、加減、積分與微分等運(yùn)算。

3.2.2比例運(yùn)算電路

1.反相比例運(yùn)算電路

如果輸入信號(hào)從集成運(yùn)放的反相輸入端引入，便是反相比例運(yùn)算電路。

圖3－12是一反相比例運(yùn)算電路。輸入信號(hào)ui經(jīng)輸入電阻R1

送到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R'接“地”。反饋電阻Rf

跨接在輸出端和輸入端之間。其中，

R'為補(bǔ)償電阻，以保證集成運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱性，

R'電阻阻值為ui=0時(shí)，反相輸入端總等效電阻，即各路電阻的并聯(lián)，

R'=R∥Rf。圖3－12反相比例運(yùn)算電路

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)可知:．

該式表明，

uo

與ui是比例關(guān)系，其比例系數(shù)是Rf∥R1

，負(fù)號(hào)表示uo與ui相位相反。當(dāng)R1=Rf時(shí)，則有u

o=-ui

。

反相比例運(yùn)算電路作為一個(gè)放大器，其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻分別為．

2.同相比例運(yùn)算電路

如果輸入信號(hào)從集成運(yùn)放的同相輸入端引入，此電路便為同相比例運(yùn)算電路。其電路圖如圖3－13所示。圖3－13同相比例運(yùn)算電路

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)可知:

由于集成運(yùn)放的輸入電流為零，因而iR1=iF

，即

上式表明，

uo與ui

同相且uo大于ui。

同相比例運(yùn)算電路作為一個(gè)放大器，其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻分別為

若圖3－13中的R1=∞或Rf=0，則ui=uo

。此時(shí)，該電路構(gòu)成電壓跟隨器，分別如圖3－14(a)、(b)所示。圖3－14電壓跟隨器

3.2.3加法運(yùn)算電路

若所有輸入信號(hào)均從集成運(yùn)放的同一輸入端引入，則實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算。加法運(yùn)算電路分為反向求和電路和同相求和電路。

1.反相求和電路

如果所有輸入信號(hào)在集成運(yùn)放的反向輸入端引入，則可組成反相求和電路。其電路如圖3－15所示。圖3－15反相求和電路

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)可知:

由反相求和電路可知:

解得．．

2.同相求和電路

如果所有輸入信號(hào)在集成運(yùn)放的同相輸入端引入，則可組成同相求和電路。其電路如圖3－16所示。圖3－16同相求和電路

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)可知:

則有

因?yàn)閕P=0，所以．

即

求得．．

3.2.4加減運(yùn)算電路

若一部分輸入信號(hào)從同相輸入端引入，另一部分輸入信號(hào)從反相輸入端引入，則實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。如果電路能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)輸入信號(hào)按各自不同的比例求和或求差的運(yùn)算，則該電

路統(tǒng)稱為加減運(yùn)算電路。

1.兩輸入信號(hào)的加減運(yùn)算

在集成運(yùn)放同相輸入端引入一信號(hào)，反相輸入端引入另一信號(hào)，采用兩輸入信號(hào)的加減運(yùn)算電路(如圖3－17所示)，便可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的加減運(yùn)算。圖3－17兩輸入信號(hào)的加減運(yùn)算

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”和“虛短”的特點(diǎn)可知:

設(shè)當(dāng)電路中僅有信號(hào)ui1作用時(shí)，其輸出為uo1，此時(shí)該電路為反比例運(yùn)算電路，

uo1=-(Rf/R1)ui1

;當(dāng)電路中僅有信號(hào)ui2

作用時(shí)，其輸出為uo2

，此時(shí)該電路為同相比例運(yùn)算電路，

uo2=uN/R1(R1

+Rf

)。根據(jù)疊加原理可知，電路輸出為．

又因?yàn)?/p>

由上面兩式可得

則．

．

2.四輸入信號(hào)的加減運(yùn)算

四輸入信號(hào)的加減運(yùn)算電路如圖3－18所示，其分析方法和兩輸入信號(hào)加減運(yùn)算一樣，具體過程如下。圖3－18四輸入信號(hào)的加減運(yùn)算電路．

上述四輸入信號(hào)的加減運(yùn)算電路只用一個(gè)集成運(yùn)放，也可以用兩個(gè)兩級(jí)求和集成完成和差運(yùn)算，電路如圖3－19所示。圖3－19兩級(jí)集成運(yùn)放組成的和差電路

由于理想運(yùn)放的輸出電阻為零，所以其輸出電壓uo不受負(fù)載的影響。當(dāng)多級(jí)理想運(yùn)放相連時(shí)，后級(jí)對(duì)前級(jí)的輸出電壓uo不產(chǎn)生影響。．

3.2.5積分運(yùn)算

積分運(yùn)算可以完成對(duì)輸入電壓的積分運(yùn)算。與反相比例運(yùn)算電路比較，用電容C代替Rf

作為反饋元件，就是積分運(yùn)算電路，如圖3－20所示。圖3－20反相積分電路基本形式

由電路得

因?yàn)榉聪噍斎攵耸翘摰兀?/p>

uN=0，即

并且式中uC

(0)是積分前時(shí)刻電容C上的電壓，稱為電容端電壓的初始值，所以．．

當(dāng)uC(0)=0時(shí)，即電路為零狀態(tài)響應(yīng):

若輸入電壓為如圖3－21(a)所示的直流電壓，并假定uC

(0)=0，則t≥0時(shí)，由于ui=E，故．圖3－21基本積分電路的積分波形

若輸入電壓為如圖3－21(b)所示的周期為T的方波，當(dāng)時(shí)間在[0，t1]期間時(shí)，

ui=-

E，電容器放電，則．

所以

當(dāng)t=t2

時(shí)，

uo=-Uom

。如此周而復(fù)始，即可得到三角波輸出。

上述積分電路分析結(jié)果是在集成運(yùn)放理想化下得出來的，與實(shí)際中誤差偏差較大。實(shí)際電路則是在電容兩端并接一個(gè)電阻Rf，利用Rf來抑制偏差。其電路如圖3－22所示。．圖3－22實(shí)際積分運(yùn)算電路

3.2.6微分運(yùn)算

微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算，在電路結(jié)構(gòu)上反饋電容與輸入端電阻位置對(duì)調(diào)，就成為微分運(yùn)算電路，其電路如圖3－23所示。

因?yàn)閕N=0，并且uN→0，所以圖3－23微分電路

輸出電壓uo

與輸入電壓ui的變化率成正比。由于微分電路對(duì)輸入信號(hào)中的快速變化分量敏感，故其穩(wěn)定性差。在實(shí)際中采用圖3－23(b)所示的微分電路。

通過分析由集成運(yùn)放組成的各種運(yùn)算電路，可以總結(jié)該類型電路計(jì)算的一般方法。

對(duì)于單一信號(hào)作用的運(yùn)算電路，首先應(yīng)列出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電流方程，所謂關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是那些輸入電壓和輸出電壓產(chǎn)生關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，如P點(diǎn)和N點(diǎn);然后根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原則，進(jìn)行分析處理，即可得出輸入與輸出信號(hào)之間的關(guān)系。

對(duì)于多個(gè)信號(hào)作用的運(yùn)算電路，在分析單一信號(hào)作用的基礎(chǔ)上，利用疊加定理，得出輸入信號(hào)共同作用時(shí)，輸入與輸出的運(yùn)算關(guān)系。

3.3能力訓(xùn)練

該部分包括兩部分的內(nèi)容，一是集成運(yùn)算放大器的檢測(cè)，二是特定集成運(yùn)放芯片LM741的使用說明和應(yīng)用。

1.集成運(yùn)算放大器的檢測(cè)

運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，引腳數(shù)目較多，對(duì)于檢測(cè)其性能好壞具有一定難度，下面介紹一種利用萬用表配合簡(jiǎn)單的電子線路進(jìn)行檢測(cè)的方法。

檢測(cè)電路如圖3－24所示，運(yùn)算放大器加上正負(fù)電源，將萬用表撥在直流50V擋，并加在其輸出端。靜態(tài)時(shí)，萬用表的讀數(shù)為28V左右;手持螺絲刀的絕緣柄，用其金屬部分依次碰觸運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端。若萬用表指針從28V擺到15~20V，說明該運(yùn)算放大器性能良好，而且放大能力很高。若萬用表指針擺動(dòng)很小，說明其放大能

力較差;若萬用表指針不動(dòng)，說明其內(nèi)部已損壞。圖3－24用萬用表檢測(cè)傳輸特性

2.LM741運(yùn)算放大器

工程應(yīng)用中，一般使用各類傳感器將位移、角度、壓力、流量等物理器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后再根據(jù)電壓或電流信號(hào)間接推算出物理量變化，以達(dá)到感測(cè)、控制的目的。很多情況

下，傳感器所輸出的電壓電流信號(hào)可能非常微小，以致信號(hào)處理時(shí)難以察覺其間的變化，故需要用放大器進(jìn)行信號(hào)放大，以順利測(cè)得電流電壓信號(hào)，而放大器所能完成的工作不僅

僅是放大信號(hào)，還能應(yīng)用于緩沖隔離、阻抗匹配以及將電壓轉(zhuǎn)換為電流或?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)換為電壓等方面?，F(xiàn)今放大器種類繁多，一般仍以運(yùn)算放大器應(yīng)用較為廣泛，此處介紹LM741運(yùn)算放大器。

LM741是一種應(yīng)用廣泛的通用型運(yùn)算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級(jí)放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補(bǔ)償，

電路簡(jiǎn)單不易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路，不易損壞。其工作時(shí)需要一對(duì)同樣大小的正負(fù)電源，其值從±12VDC至±18VDC不等，而一般使用

±15VDC的電壓。LM741運(yùn)算放大器的外形與引腳配置分別如圖3－25、圖3－26所示。圖3－25LM741運(yùn)算放大器外形圖圖3－26LM741運(yùn)算放大器引腳配置圖

由圖3－26可知，引腳1和5為偏置調(diào)零端，

2為反相輸入端，

3為正相輸入端，

4為負(fù)電源端，

6為輸出端，

7為正電源端，8為空引腳。通過在1端和5端加入電位器實(shí)現(xiàn)放大器的調(diào)零功能。

3.LM741基本應(yīng)用電路

LM741通常應(yīng)用于電子儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備中。其一作為低功耗放大器實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的放大；其二組成電壓比較器電路；其三組成有源濾波器；其四實(shí)現(xiàn)RC正弦波發(fā)生器；其五組成恒流源電路。

1)在功率放大電路中的應(yīng)用

一般而言，人耳可以識(shí)別的聲音頻率范圍為20Hz~20kHz，其中對(duì)1000~4000Hz的聲音最為敏感，而人類的言語頻率主要分布在500~3000Hz。如圖3－27所示，聲音經(jīng)麥克風(fēng)后傳入集成運(yùn)放LM741，該音頻小信號(hào)由芯片3腳輸入，經(jīng)內(nèi)部多級(jí)放大電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)放大，最后通過6口將放大的音頻信號(hào)進(jìn)行輸出。為了使得放大的音頻信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載，該電路的末級(jí)輸出采用無輸出變壓器的功率放大電路(簡(jiǎn)稱OTL電路)，它是由NPN三極管V1

、PNP型三極管V2

以及大容量電容器C5

組成的，其中V1和V2

的特性理想對(duì)稱。另外，二極管VD1

和VD2保證V1和V2

在靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)微導(dǎo)通，從而消除電路工作時(shí)出現(xiàn)的交越失真現(xiàn)象。圖3－27LM741在功率放大電路中的應(yīng)用

2)在電壓比較器電路中的應(yīng)用

電壓比較器的功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低兩個(gè)電平。它在信號(hào)變換、檢測(cè)和波形產(chǎn)生電路、模擬與數(shù)字電路之間的接口電路中應(yīng)用廣泛。

利用集成運(yùn)放可組成簡(jiǎn)單的電壓比較器。其中圖3－28為同相電壓比較器及輸出波形，圖3－29為反相電壓比較器及輸出波形。當(dāng)參考電壓Ur為0時(shí)，可構(gòu)成同相和反相過零比

較器。圖3－28同相電壓比較器及輸出波形圖3－29反相電壓比較器及輸出波形

3)在有源濾波電路中的應(yīng)用

如果在集成運(yùn)放的基礎(chǔ)上增加電阻、電容等無源元件便可構(gòu)成有源濾波器。它實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。就理想濾波器的幅頻特性而言，允許通過的頻段為通

帶，信號(hào)衰減到零的頻段稱為阻帶。圖3－30為二階低通濾波電路及其幅頻特性，圖3－31為二階高通濾波電路及其幅頻特性。圖3－30二階低通濾波電路及其幅頻特性圖3－31二階高通濾波電路及其幅頻特性

4)在恒流源電路中的應(yīng)用

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，輸出電流并不因負(fù)載的變化而改變，為一種理想的電流源，常通過分立元件三極管或者集成運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。圖3－32是一個(gè)由集成運(yùn)放組

成的交流恒流源電路。該電路通過集成運(yùn)放組成電流串聯(lián)負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)，電路要求R1=R2=R3=R4

。根據(jù)信號(hào)運(yùn)算電路的分析方法，可以得出電路的輸出電流和電壓的關(guān)系為圖3－32交流恒流源電路

5)在波形產(chǎn)生電路中的應(yīng)用

另外，利用LM741也可以構(gòu)成RC正弦波發(fā)生器，從而實(shí)現(xiàn)波形的變換。圖3－33為正弦波發(fā)生器的原理圖。圖3－33正弦波發(fā)生器

4.LM741構(gòu)成儀器儀表電路

集成運(yùn)放LM741除了可組成以上五種基本電路外，還可應(yīng)用于儀器儀表的測(cè)量方面。下面對(duì)其在電容測(cè)量及電子聽診器方面的應(yīng)用做進(jìn)一步說明。

1)電容測(cè)量

圖3－34為集成運(yùn)放組成的電容測(cè)量電路。該電路的測(cè)量原理是被測(cè)電容Cx

充、放電而形成三角波，測(cè)量三角波的振蕩周期就可知電容量的大小。由A

1

可構(gòu)成密勒積分電路，經(jīng)A2

構(gòu)成的施密特電路形成正反饋而產(chǎn)生振蕩。其振幅由R3和R4

決定，等于電源電壓的1/3。Cx

的充電電流由電源電壓和R2

決定，放電電流由電源電壓和(R1

+R2

)決定。從原理上講，振蕩周期應(yīng)不受電源電壓的影響，但實(shí)際上，由于A2

差動(dòng)輸入電壓的限制與晶體管驅(qū)動(dòng)電路的常數(shù)等影響，故不允許電源電壓大幅度地變動(dòng)。

電源電壓的范圍為±13~±15V，正、負(fù)電源電壓的絕對(duì)值需要相等。不接電容Cx時(shí)，

A2

以延遲約20μs的時(shí)間進(jìn)

行振蕩，可以計(jì)算出Cx

對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。Cx電容量為1000μF

時(shí)的測(cè)量時(shí)間為10s。若R1和R2采用1kΩ的電阻，則測(cè)量時(shí)間可縮短到1/10。電路輸出uo

外接計(jì)數(shù)器，就可以讀出被測(cè)電容的容量。圖3－34電容測(cè)量電路

2)電子聽診器

由于老式的聽診器沒有放大作用，因此聲音微弱，塞在耳朵里很不舒服，不能隔離環(huán)境噪聲，頻率響應(yīng)也不可調(diào)。而電子聽診器由于接有放大器，因此可將微弱的心跳聲放大

到清晰可聞的程度。電子聽診器除了能清晰監(jiān)聽病人的胸(腹)聲音外，還能用在搜索機(jī)械噪聲源的定位等方面，其輸出可用磁帶錄音機(jī)錄下來供分析病情使用，或送入大功率的放大器另作他用。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)拾音頭BM用普通振膜拾音頭的中頻響應(yīng)好，背景噪聲也小。便宜的振膜和高價(jià)的振膜效果一樣好。

圖3－35為集成運(yùn)放組成的電子聽診器電路。該電子聽診器由拾音傳感器、前置放大器、低通濾波放大器、緩沖、音頻放大器和LED顯示電路組成。拾音傳感器由傳聲器BM和R1

等組成。前置放大器由集成運(yùn)算放大電路IC1和電阻器R3~R5

等組成。低通濾波放大器由運(yùn)算放大器IC2和電阻器R6~R8

、電容器C3、C4

等組成，其截止頻率略大于100Hz。緩沖放大器由集成運(yùn)算放大器IC3擔(dān)任。音頻放大器由音量電位器RP

、低電壓音頻放大集成電路

IC4

、電阻器R13、電容器C5

、C6等組成。LED顯示電路由雙色發(fā)光二極管VD

、驅(qū)動(dòng)放大集成電路IC5和電阻器R9~R12

組成。

拾音傳感器拾取的信號(hào)經(jīng)IC1~IC4濾波與放大后，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)BE發(fā)聲。經(jīng)IC2等低頻濾波后的音頻信號(hào)再經(jīng)IC5

進(jìn)一步放大處理，驅(qū)動(dòng)二極管VD

與耳機(jī)中的聲音同步閃亮。調(diào)節(jié)RP

的阻值，可改變耳機(jī)中音量的大小。改變電阻器R5

和R6

的阻值大小，可改變低通濾波器的截止頻率，從而改變電子聽診器的頻響效果。集成運(yùn)算放大器的元件選擇方面，

IC

1

~IC3

和IC

5均選用LM741型放大器，

IC

4

選用LM386音頻放大器。圖3－35電子聽診器電路

習(xí)題

[題3.1]填空題。

1.在集成電路中，由于制造大容量的

較困難，所以大多采用

的耦合方式。

2.集成運(yùn)算放大電路由

、

、

和

四部分組成。其中，輸入級(jí)采用

電路;中間級(jí)具有很高的，采用

電路實(shí)現(xiàn)。

3.長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路的發(fā)射極電阻Re

越大，對(duì)

越有利。

4.理想化的集成運(yùn)放，具有

和

的特點(diǎn)。它的性能指標(biāo)均為理想化的，對(duì)應(yīng)的4個(gè)指標(biāo)分別為:、

、

、

。

5.分別用“反相”或“同相”填空。

(1)

比例運(yùn)算電路中集成運(yùn)放反相輸入端為虛地，而

比例運(yùn)算電路中集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位等于輸入電壓。

(2)

比例運(yùn)算電路的輸入電阻大，而

比例運(yùn)算電路的輸入電阻小。

(3)

比例運(yùn)算電路的輸入電流等于零，而

比例運(yùn)算電路的輸入電流等于流過反饋電阻中的電流。

(4)

比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)大于1，而

比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)小于零。

6.集成運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)Aod=105

，用分貝數(shù)表示為

dB。

[題3.2]判斷題。

1.集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓UIO

是兩輸入端電位之差。

(

)

2.集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電流IIO

是集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差。

(

)

3.運(yùn)放的共模抑制比

(

)

4.有源負(fù)載可以增大放大電路的輸出電流。

(

)

5.在輸入信號(hào)作用時(shí)，偏置電路改變了各放大管的動(dòng)態(tài)電流。(

)

6.運(yùn)算電路中一般均引入負(fù)反饋。(

)

7.在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端均為虛地。

(

)

8.凡是運(yùn)算電路都可利用“虛短”和“虛斷”的概念求解運(yùn)算關(guān)系。(

)．

[題3.3]選擇題。

1.集成運(yùn)放電路采用直接耦合方式是因?yàn)椋ǎ?/p>

A.可獲得很大的放大倍數(shù)

B.可使溫漂小

C.集成工藝難于制造大容量電容

2.通用型集成運(yùn)放適用于放大（）。

A.高頻信號(hào)

B.低頻信號(hào)

C.任何頻率信號(hào)

3.集成運(yùn)放制造工藝使得同類半導(dǎo)體管的（）。

A.指標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確

B.參數(shù)不受溫度影響

C.參數(shù)一致性好

4.集成運(yùn)放的輸入級(jí)采用差分放大電路是因?yàn)榭梢裕ǎ?/p>

A.減小溫漂B.增大放大倍數(shù)C.提高輸入電阻

5.為增大電壓放大倍數(shù)，集成運(yùn)放的中間級(jí)多采用（）。

A.共射放大電路B.共集放大電路

C.共基放大電路

[題3.4]電路如圖3－36所示，電路參數(shù)理想對(duì)稱，晶體三極管的β=100，

rbb'=100Ω，

UBEQ=0.7V。試計(jì)算RW

滑動(dòng)端在中點(diǎn)時(shí)V1管和V2管的發(fā)射極靜態(tài)電流IEQ，以及動(dòng)態(tài)參數(shù)Ad和ri

。圖3－36[題3.4]圖

[題3.5]電路如圖3－37所示，所有二極管為硅管，

β=200，

rbb‘=200Ω，靜態(tài)時(shí)UBEQ=0.7V。

試求：(1)靜態(tài)時(shí)V1

管和V2

管的發(fā)射極電流。

(2)若靜態(tài)時(shí)，

uo>0，則應(yīng)如何調(diào)節(jié)Rc2

的值才能使uo=0V?若靜態(tài)uo=0V，則Rc2=?電壓放大倍數(shù)為多少?圖3－37[題3.5]圖

[題3.6]電路如圖3－38所示，已知β1=β2=β0

=100，

R=136kΩ。各管的UBE均為0.7V，試求IC2

的值。圖3－38[題3.6]圖

[題3.7]多路電流源電路如圖3－39所示，已知所有晶體管的特性均相同，各管的UBE均為0.7V，試求IC1

、IC2

的值圖3－39[題3.7]圖

[題3.8]在圖3－40所示電路中，已知V1~V3

特性完全相同，

β?2;反相輸入端的輸入電流為ii1

，同相輸入端的輸入電流為ii2

，

試問:

(1)iC2≈?

(2)iB2≈?

(3)Aui=Δuo/(ii1-ii2)=?圖3－40[題3.8]圖

[題3.9]如圖3－41所示，已知UCC=12V，

UEE=6V;晶體管具有理想特性，發(fā)射結(jié)電壓UBE=0.