電子技術(shù)教案

第二章集成運(yùn)算放大電路及應(yīng)用第二節(jié)集成運(yùn)算放大電路簡介第四節(jié)集成運(yùn)放在信號運(yùn)算電路中的應(yīng)用第六節(jié)集成運(yùn)放在信號發(fā)生電路中的應(yīng)用第七節(jié)集成運(yùn)放的選擇與使用第五節(jié)集成運(yùn)放在信號處理電路中的應(yīng)用第一節(jié)差分放大電路第三節(jié)電路中的負(fù)反饋第二章集成運(yùn)算放大電路及應(yīng)用前面介紹的分立電路,就是由各種獨(dú)立元件聯(lián)接起來的電子電路。這一章我們要給大家介紹集成電路。它具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，所以一經(jīng)問世，就獲得了廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志著電子技術(shù)的一個新的飛躍。

所謂集成電路，就是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)線同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體。就集成度而言，集成電路有小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模之分。就導(dǎo)電類型而言，有雙極型、單極型和兩者兼容的。就其功能而言，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路，后者又有集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源等多種。第一節(jié)差分放大電路第一章介紹的阻容耦合放大電路只適合于放大交流信號，而在工業(yè)控制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到另外一些信號，即變化緩慢的電信號。如利用電熱偶測量爐溫的信號，由于爐溫變化很慢，所以電熱偶給出的就是一個緩慢變化的電壓信號。

0tuo

這種緩慢變化的信號不能采用阻容耦合，只能用直接耦合的多級放大電路來放大。直接耦合：將前級的輸出端直接接后級的輸入端?？捎脕矸糯缶徛兓男盘柣蛑绷髁孔兓男盘?。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2––++RE22.零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移：指輸入信號電壓為零時(shí)，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象。uotO產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動、電路元件參數(shù)的變化。直接耦合存在的兩個問題：1.前后級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響零點(diǎn)漂移的危害：直接影響對輸入信號測量的準(zhǔn)確程度和分辨能力。嚴(yán)重時(shí)，可能淹沒有效信號電壓，無法分辨是有效信號電壓還是漂移電壓。一般用輸出漂移電壓折合到輸入端的等效漂移電壓作為衡量零點(diǎn)漂移的指標(biāo)。輸入端等效漂移電壓輸出端漂移電壓電壓放大倍數(shù)

如某放大電路的輸出電壓：則折算到輸入端的等效零漂電壓電壓放大倍數(shù)，而只有輸入端的等效漂移電壓比輸入信號小許多時(shí)，放大后的有用信號才能被很好地區(qū)分出來。由于不采用電容，所以直接耦合放大電路具有良好的低頻特性。通頻帶f|Au

|0.707|Auo|OfH|Auo|幅頻特性抑制零點(diǎn)漂移是制作高質(zhì)量直接耦合放大電路的一個重要的問題。適合于集成化的要求，在集成運(yùn)放的內(nèi)部，級間都是直接耦合。一、差分放大電路的工作原理電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。差動放大原理電路

+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2兩個輸入、兩個輸出兩管靜態(tài)工作點(diǎn)相同輸出電壓：uo=VC1－VC2

=0靜態(tài)時(shí)，ui1

=

ui2

=0IC1=IC2，VC1=VC2+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC（兩管變化量相等）差分放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2IC1=IC2，VC1

=VC2

兩管集電極電位呈等量同向變化，VC1

=VC2，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。1.共模信號輸入

ui1=ui2大小相等、極性相同差動電路抑制共模信號能力的大小，反映了它對零點(diǎn)漂移的抑制水平。+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+–ui1ui2++––T2+–+–+–+–+–+–共模信號需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，2.差模信號輸入

ui1=–ui2大小相等、極性相反uo=(VC1－VC1

)－(VC2+

VC１)=－2VC1即對差模信號有放大能力。+–+–+–+–+–+–差模信號是有用信號3.差分信號輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。放大器只放大兩個輸入信號的差值信號—差分放大電路。uo=Au(ui1-ui2)這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。

對于比較信號，常分解為差模信號和共模信號處理。

ui1=uic1+uid1，ui2=uic2+uid2，uid1=-uid2

uic1=(ui1+ui2),uid1=(ui1-ui2)例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號差模信號差分放大器對差模信號放大，而抑制共模信號。

若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù)Ac=0

輸出電壓

uo

=

Ad

（ui1－

ui2）=

Ad

uid

若電路不完全對稱，則Ac0，實(shí)際輸出電壓

uo

=Acuic+

Ad

uid即共模信號對輸出有影響。uo1=Acuic1+Aduid1

，uo2=Acuic2+Aduid2，uo=uo1-uo2=Ad（uid1-uid2）=Aduid差分放大器對差模信號放大，而抑制共模信號。二、典型差分放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個管子的漂移。EE：用于補(bǔ)償RE上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。二、典型差分放大電路溫度IC1IC2IEUREUBE1UBE2IB1IB2IC1IC2由于RE上電壓URE的作用，使得它對共模信號具有抑制作用，而對差模信號，由于IC1和IC2的作用相互抵消，使它不影響差模信號的放大作用。差分放大電路抑制零漂的過程如下：三、差分放大電路對信號的放大1.靜態(tài)分析：+UCC-UEERE2IERBRCICIBUBE由于電路對稱，計(jì)算一個管的靜態(tài)值即可。由基極電路可知：RBIB+UBE+2REIE=UEEIE=（1+）IBIB=UEE-UBERB+2（1+）REUCE=UCC-RCIC2.動態(tài)分析icRCuO1ibRB1uI1單管差模信號通道RL2rbe四、差分放大電路的輸入輸出形式雙端:單端:雙端:單端:全面衡量差分放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力。差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說明差放分辨差模信號的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號的能力越強(qiáng)。五、共模抑制比共模抑制比第二節(jié)集成運(yùn)算放大電路簡介集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。一、集成運(yùn)算放大電路的組成輸入端輸出端輸入級中間級輸出級偏置電路輸入級：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大電路

。中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。

偏置電路主要為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由各種恒流源電路組成。+UCC–UEEuou–u+輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端二、集成運(yùn)放的特點(diǎn):

1.組件內(nèi)各元件通過同一工藝制成，各類元件的對稱性能好，溫度性能一致，適用于差分電路。4.集成電路中的二極管多以由晶體管的發(fā)射結(jié)代替。

3.集成工藝中不適于做電感元件，也不適于做大的電容，所以其內(nèi)部各放大器之間采用直接耦合，若需電感和大的電容，則采用外接的方法。

2.集成工藝制造的電子范圍有限，電路中往往采用晶體管恒流源代替大電阻。

在應(yīng)用集成運(yùn)放時(shí),需要知道它的符號、各個管腳的用途以及放大器的主要參數(shù),至于它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如何一般是無關(guān)緊要的。二、集成運(yùn)放的符號、引腳與參數(shù)

1.集成運(yùn)放的符號：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–集成運(yùn)算放大器有鋁殼封裝和雙列直插式塑殼封裝兩種。常有七個引腳，如圖所示，用途是：F0072341567+15V-15VRP輸出端反相輸入端同相輸入端1和5為外接調(diào)零電位器的兩個端子。2.引腳：

2為反相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是反相的（或兩者極性相反）。3為同相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是同相的（或兩者極性相同）。4為負(fù)電源端，接-15V穩(wěn)壓電源。7為正電源端，接+15V穩(wěn)于電源。6為輸出端。

F0072341567+15V-15VRP輸出端反相輸入端同相輸入端3.主要參數(shù)（5）最大輸出電壓UOPP能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。（4）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo運(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。愈小愈好（1）輸入失調(diào)電壓UIO（2）輸入失調(diào)電流IIO（3）輸入偏置電流IIB四、集成運(yùn)放的電路模型與傳輸特性1.電路模型輸入端可用輸入電阻來表示；輸出端由受控電壓源和輸出電阻串聯(lián)組成。2.傳輸特性uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)ORB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––一、基本概念反饋：將電子電路輸出端信號(電壓或電流)的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端,就稱反饋。esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通過RE將輸出電壓反饋到輸入通過RE將輸出電流反饋到輸入第三節(jié)電路中的負(fù)反饋反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋放大電路的方框圖反饋電路輸出信號輸入信號反饋信號反饋系數(shù)凈輸入信號放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+反饋放大電路的方框圖凈輸入信號若三者同相，則

Xd=Xi–Xf反饋電路F–基本放大電路A+可見Xd<Xi，即反饋信號起了削弱凈輸入信號的作用（負(fù)反饋）。若引回的反饋信號與輸入信號比較使凈輸入信號減小,則稱這種反饋為負(fù)反饋。反之,Xd>Xi，即反饋信號起了增加凈輸入信號的作用（正反饋）。若引回的反饋信號與輸入信號比較使凈輸入信號增大,則稱這種反饋為正反饋。

電路中引入負(fù)反饋后,放大倍數(shù)會降低,反之,電路中引入正反饋后,放大倍數(shù)會升高。1.負(fù)反饋與正反饋的判別方法瞬時(shí)極性法是判別電路中負(fù)反饋與正反饋的基本方法。++uoRFuiR2R1++––++–++ud對該電路，uf為正，則ud=ui-uf，使凈輸入信號減小。所以該電路為負(fù)反饋。uf1.負(fù)反饋與正反饋的判別方法-+R1RFR2++--uouiuduf+-++-對該電路，uf為負(fù)，則ud=ui-uf，使凈輸入信號增大。所以該電路為正反饋。1.負(fù)反饋與正反饋的判別方法+RB1RERB2+-uouf+-對該電路，uf為正，則ube=ui-uf，使凈輸入信號減小。同樣，在分立元件電路中，正、負(fù)反饋也可用瞬時(shí)極性法來判斷。uiRC+UCCRLieube直流反饋交流反饋直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號。負(fù)反饋：反饋削弱凈輸入信號，使放大倍數(shù)降低。在振蕩器中引入正反饋，用以產(chǎn)生波形。交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號。在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產(chǎn)生自激振蕩，使放大器不能正常工作。正反饋：反饋增強(qiáng)凈輸入信號，使放大倍數(shù)提高。引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)反饋的分類二、負(fù)反饋的分類1)根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻的作用。

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。2)根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。負(fù)反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋的類型穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)3).負(fù)反饋類型的判別步驟3)判別是否負(fù)反饋？2)判別是交流反饋還是直流反饋？4)是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。

如前所述，ud=ui-uf，電路中引入負(fù)反饋。反饋電壓：1、電壓串聯(lián)負(fù)反饋：-++ui+-R2R1RFRLufuduo反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式作比較，ud=ui-uf，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。取自輸出電壓，故為電壓反饋。+++

如前所述，ube=ui-uf，電路中引入負(fù)反饋。反饋電壓：uf=uo例1：反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式作比較，ube=ui-uf，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。UCCRBRERLui+-ubeuouf取自輸出電壓，故為電壓反饋。

凈輸入電流，id=ii-if，即if消弱了凈輸入信號，故為負(fù)反饋。2、電壓并聯(lián)負(fù)反饋：uiiiidifR1R2RLRFuo-++--+++-反饋電流：取自輸出電壓，故為電壓反饋。反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式作比較，if和id“并聯(lián)”由ii供電，故為并聯(lián)反饋。電阻RF連接在輸入與輸出之間，所以RF是反饋元件。2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RF，所以

RF引入的是交、直流反饋。例2：1)判反饋元件+UCCRCC1RF++––RS+–C2++RLeSuiuo3)判斷反饋類型例2：凈輸入信號：

ii與if并聯(lián)，以電流形式比較——并聯(lián)反饋

ii

正半周時(shí)，if也是正半周，即兩者同相——負(fù)反饋

if

正比于輸出電壓——電壓反饋if與

uo反相——并聯(lián)電壓負(fù)反饋

+UCCRCC1RF++––RS+–C2++RLeSuiuoiiibif

ib=

ii-if

Ib=

Ii-If

可見

Ib

<

Ii,反饋電流If削弱了凈輸入電流反饋過程：電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用反饋類型

——并聯(lián)電壓負(fù)反饋例2：+UCCRCC1RF++––RS+–C2++RLeSuiuoiiibifUoifibicUo

Ib=

Ii-If

反饋信號ud=ui-uf，故為負(fù)反饋，uf=ioR1uf與uo無關(guān)，故為電流反饋。3、電流串聯(lián)負(fù)反饋：uiuduoR1R2RL+++---+uf+-++io反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式作比較，ud=ui-uf，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。

1)判別反饋元件（一般是電阻、電容）(1)連接在輸入與輸出之間的元件。(2)為輸入回路與輸出回路所共有的元件。發(fā)射極電阻RE為輸入回路與輸出回路所共有，所以RE是反饋元件。例3：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RE，所以RE引入的是交、直流反饋。

如果有發(fā)射極旁路電容，RE中僅有直流分量的信號通過，這時(shí)RE引入的則是直流反饋。ＣE例1：例1：3)判斷反饋類型凈輸入信號：

ui

與

uf串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時(shí),uf也是正半周,即兩者同相——負(fù)反饋

uf正比于輸出電流——電流反饋——串聯(lián)電流負(fù)反饋+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

Ube

=Ui-

Uf

可見

Ube

<

Ui,反饋電壓Uf削弱了凈輸入電壓

icRE結(jié)論：反饋過程：電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用反饋類型

——

串聯(lián)電流負(fù)反饋RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–IcUfUbeibIcuf

icRE

+uf–+–ube

Ube

=Ui-

Uf4.電流并聯(lián)負(fù)反饋++++--uiiiidifioiRRuRRL-R2R1RF設(shè)ui為正時(shí)，反相輸入端與輸出端的瞬時(shí)極性如圖所示，差值電流

id=ii-if,故為負(fù)反饋。反饋電流：反饋信號if與io成正比，故為電流反饋。反饋信號與輸入信號同極即為并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號不同極即為串聯(lián)反饋判斷串、并聯(lián)反饋ib=ii–ifibiiifube=ui–uf++–ui–ube+–uf共發(fā)射極電路判斷電壓、電流反饋反饋信號與輸出電壓uo接在一起為電壓反饋反饋信號與輸出電壓uo不接在一起為電流反饋uoRL+–RLioiE例4：判斷圖示電路中的負(fù)反饋類型。解:

RE2對交流不起作用，引入的是直流反饋；RE1對本級引入串聯(lián)電流負(fù)反饋。RE1、RF對交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反饋。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例4：判斷圖示電路中的負(fù)反饋類型。解:RE1、RF引入越級串聯(lián)電壓負(fù)反饋。－+－+

T2集電極的反饋到T1的發(fā)射極，提高了E1的交流電位，使Ube1減小，故為負(fù)反饋；反饋從T2的集電極引出，是電壓反饋；反饋電壓引入到T1的發(fā)射極，是串聯(lián)反饋。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例5：A1A2RRLufuduiuo1uo+++++----+++--R為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。+-三、負(fù)反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+1.降低放大倍數(shù)負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。則有：同相，所以

AF是正實(shí)數(shù)負(fù)反饋時(shí)，|1+AF|稱為反饋深度，其值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，Af也就愈小。射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因?yàn)殡娐分幸肓素?fù)反饋。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。放大倍數(shù)下降至1/(1+|AF|)倍，其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。若|AF|>>1，稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：在深度負(fù)反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關(guān)。例：|A|=300，|F|=0.01。uiubeib++––3.改變輸入、輸出電阻在同樣的

ib下，ui=ube+uf

>ube，所以

rif

提高。1)串聯(lián)負(fù)反饋無負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：uf+–使電路的輸入電阻提高if無負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：在同樣的ube下，ii

=ib+if>ib，所以rif

降低。2)并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低iiibube+–電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。3)電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻降低4)電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高3.展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加無負(fù)反饋有負(fù)反饋BWfBWf|Au|O4.減小波形失真Auiufud加反饋前加反饋后uo大略小略大略小略大負(fù)反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。uoAF小接近正弦波正弦波ui第四節(jié)集成運(yùn)放在信號運(yùn)算電路中的應(yīng)用一、理想集成運(yùn)放及其分析依據(jù)1.特點(diǎn)：Auo高:80dB~140dB；rid高:105~1011ro低:幾十~幾百KCMR高:70dB~130dB理想集成運(yùn)放的符號：uo++∞u+u–。。

。+UCC–UEE–理想運(yùn)放：Auo→∞；Ri→∞；Ro→0；KCMR→∞。2.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。二、基本運(yùn)算電路1.比例運(yùn)算電路（1）反相比例運(yùn)算電路

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF動畫ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–電路組成電壓放大倍數(shù)計(jì)算：因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低，共模電壓0（1）反相比例運(yùn)算電路⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–（2）同相比例運(yùn)算電路因虛斷，所以u+=ui

電路組成：電壓放大倍數(shù)計(jì)算：uoRFuiR2R1++––++–因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–輸入電阻高共模電壓=ui電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋uoRFuiR2R1++––++–動畫⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當(dāng)R1=且RF

=0時(shí)，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：負(fù)載電流的大小與負(fù)載無關(guān)。例2：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路1.能測量較小的電壓；2.輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi12.加法運(yùn)算電路（1）反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

動畫

平衡電阻：

ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–例：一個測量系統(tǒng)輸出電壓和某些非電量（經(jīng)傳感器變換為電量）的關(guān)系為試設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)此關(guān)系。解：電路圖如右所示。取則：Ri3（2）同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–動畫方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對其它路無影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–3.減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路動畫分析方法2：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––4.積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有動畫若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。5.微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui動畫比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC例：電路如圖所示，ui1=5mV，ui2=-5mV，ui3=6mV，ui4=-12mV，求輸出電壓uo的值。+-++-+ui2uouo1R24KRf124KR2.2KR612Kui1R16K+-+ui3ui4R36KR46KR56KRf36KR86KR712Kuo2Rf24KR4K，A3A1A2例：在分析多級運(yùn)放時(shí)，因?yàn)槔硐脒\(yùn)放輸出電阻為零，因此每級輸出電壓不考慮負(fù)載的影響，可單獨(dú)分析。（1）A1實(shí)現(xiàn)反相加法運(yùn)算：解：（2）A2實(shí)現(xiàn)同相加法運(yùn)算：且（3）A3實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算：例：求圖示電路中ui與uo的關(guān)系表達(dá)式，當(dāng)ui為下圖所示輸入信號時(shí)，畫出輸出信號uo的波形并標(biāo)出幅值。+-++-+uiuouo110K50KRPRP,50K1uFuiuo(mS)1V-1V10203040uiuo(mS)1V-1V10203040解：第一級為反相比例第二級為積分ui為階躍電壓一、電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。第五節(jié)集成運(yùn)放在信號處理電路中的應(yīng)用理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo=–

Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓動畫uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O二、有源濾波器濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號,則有故：若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O當(dāng)

>0時(shí)，|T(j)|衰減很快顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。為了改善濾波效果，使>

0時(shí)信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–設(shè)輸入為正弦波信號，則有故：稱截止角頻率可見，電路使頻率大于0的信號通過，而小于0的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O模擬開關(guān)模擬輸入信號1.電路三、采樣-保持電路SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器2.工作原理16.3.2采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui。保持階段：

uG為0，S斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–第六節(jié)集成運(yùn)放在信號發(fā)生電路中的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號，即有輸出信號。正弦波信號發(fā)生器又稱正弦波振蕩器，用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來的。LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。

應(yīng)用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開關(guān)等。一、正弦波信號發(fā)生器1Su1.自激振蕩的條件定義：放大電路在無輸入信號的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號的現(xiàn)象。開關(guān)合在“1”為無反饋放大電路。21Su開關(guān)合在“2”為有反饋放大電路，開關(guān)合在“2”時(shí),，去掉ui

仍有穩(wěn)定的輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。自激振蕩狀態(tài)2(1)幅度條件：(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；

幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量(可以通過調(diào)整放大倍數(shù)A或反饋系數(shù)F達(dá)到)。自激振蕩的條件起振及穩(wěn)幅振蕩的過程：設(shè)：Uo

是振蕩電路輸出電壓的幅度，B是要求達(dá)到的輸出電壓幅度。起振時(shí)Uo

0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo

=B。起振過程中Uo

<B，要求AuF

>

1，穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo

=B，要求AuF

=

1，從AuF

>

1到AuF

=

1，就是自激振蕩建立的過程?？墒馆敵鲭妷旱姆炔粩嘣龃?。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定。起始信號的產(chǎn)生：在電源接通時(shí)，會在電路中激起一個微小的擾動信號，它是個非正弦信號，含有一系列頻率不同的正弦分量。正弦波振蕩電路的組成：(1)放大電路:放大信號(2)反饋網(wǎng)絡(luò):必須是正反饋，反饋信號即是

放大電路的輸入信號(3)選頻網(wǎng)絡(luò):保證輸出為單一頻率的正弦波

即使電路只在某一特定頻率下滿

足自激振蕩條件(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié):使電路能從AuF

>1，過渡到

AuF

=1，從而達(dá)到穩(wěn)幅振蕩。RC選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)同相比例電路放大信號用正反饋信號uf作為輸入信號選出單一頻率的信號2.RC正弦波振蕩器uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性傳輸系數(shù)：。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：僅當(dāng)=o時(shí)，達(dá)最大值，且u2與u1同相，即網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，fo決定于RC。u1u2u2與u1波形相頻特性（f）fo幅頻特性ffo13工作原理：輸出電壓uo經(jīng)正反饋（兼選頻）網(wǎng)絡(luò)分壓后，取uf

作為同相比例電路的輸入信號ui。(1)起振過程(2)穩(wěn)定振蕩

A

=

0，僅在f

0處F=

0滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率f

0=12RC。改變R、C可改變振蕩頻率RC振蕩電路的振蕩頻率一般在200KHz以下。(3)振蕩頻率

振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率的調(diào)整++∞RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R1改變開關(guān)S的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率（4）起振及穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因?yàn)閨F|=1/3，則考慮到起振條件AuF

>1,一般應(yīng)選取RF

略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴(yán)重失真。由運(yùn)放構(gòu)成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運(yùn)放內(nèi)部的晶體管進(jìn)入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負(fù)反饋來達(dá)到穩(wěn)幅的目的。帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動穩(wěn)幅。在起振時(shí)，由于uO

很小，流過RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uO增大，流過RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于