第9章集成運算放大器及其應用

第9章集成運算放大器及其應用9.1集成運算放大器概述9.2放大電路中的反饋9.3集成運算放大器的線性應用9.4正弦波振蕩器9.5集成運算放大器的非線性應用學習要求1.了解集成運放的基本組成、電壓傳輸特性和主要參/數(shù)。掌握理想集成運放的基本分析方法。2.理解負反饋放大電路的分析方法以及對電路性能的影響，掌握負反饋放大電路參數(shù)的計算。3.掌握用集成運放組成的比例、加、減、積分和微分運算電路的工作原理及特性分析。4.了解電壓比較器的工作原理及應用。5.理解正弦波振蕩電路的組成和分析方法，掌握RC正弦波放大電路參數(shù)的計算，了解LC正弦波放大電路的分析方法。集成電路是采用半導體集成工藝制成的具有特定電路功能的獨立模塊。集成運算放大器（以后簡稱集成運放）是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。集成運放是一種由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器。性能理想的集成運放應該具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點漂移小等特點。與此同時，在電路的選擇及構成形式上又要受到集成工藝條件的嚴格制約。9.1集成運算放大器概述9.1.1集成運算放大器的特點和結構集成運放在電路設計上具有許多特點，主要有：(1)級間采用直接耦合方式。(2)盡可能用有源器件代替無源元件。(3)利用對稱結構改善電路性能。集成運放電路的組成結構，一般是由輸入級、中間放大級、輸出級和偏置電流源四部分組成，如圖9-1所示。圖9-1集成運放電路組成結構1．輸入級輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須要求要有較高的輸入電阻，而且對共模信號有很強的抑制能力以克服零點漂移，所以采用雙端輸入的形式。2．中間級中間級要提供高的電壓增益，故稱為中間放大級。為減小對前級的影響，還要求有較高的輸入電阻，以保證運放的運算精度。4．偏置電流源偏置電流源電路的作用是給上述各電路提供合適的偏置電流，偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定靜態(tài)工作點。3．輸出級輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，故稱為互補輸出級。其主要作用是以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流，提供足夠的功率以滿足負載的需要。9.1.2運算放大器的主要參數(shù)運算放大器的技術指標很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運算放大器本身的特點而設立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運算放大器，對某些項技術指標有特殊要求的是各種特種運算放大器。1．運算放大器的靜態(tài)技術指標

①輸入失調電壓UIO：輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。UIO是表征運放內部電路對稱性的指標。②輸入失調電流IIO：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。輸入偏置電流IB：運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。輸入失調電壓溫漂：在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。輸入失調電流溫漂：在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值最大差模輸入電壓：運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時，差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。最大共模輸入電壓：在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。2．運算放大器的動態(tài)技術指標開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：運放在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。差模輸入電阻：輸入差模信號時，運放的輸入電阻。共模抑制比：與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益與共模電壓增益之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Aud/Auc)(dB)（9-1）－3dB帶寬：運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬。單位增益帶寬(BW?G)：下降到1時所對應的頻率，定義為單位增益帶寬。轉換速率(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。即

（9-2）等效輸入噪聲電壓Un：輸入端短路時，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對應。9.1.3運算放大器特性和分類1．集成運放的電壓傳輸特性集成放大器的符號按照國家標準如圖9-2所示。運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號“+”或“IN+”表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側，在符號邊框內標有“+”號。實際的集成運放通常必須有正、負電源端有的品種還有補償端和調零端。集成運放各引腳的功能和主要參數(shù)要查相關的手冊。表示輸出與輸入電壓與輸出電壓之間的關系特性稱為電壓傳輸特性。從運放的電壓傳輸特性看，可以分為線性區(qū)和非線性區(qū)。如圖9-2c。a)國家標準符號b)原符號c）電壓傳輸特性圖9-2集成運放的符號及電壓傳輸特性線性區(qū)是指輸出電壓和輸入電壓之間呈線性關系，即uO=AuD(uP-uN)（9-3）其中AuD為集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。非線性區(qū)是指不滿足線性關系的區(qū)域，即輸出uO不隨輸入電壓而變化，一般為接近電源值的常數(shù)。2．集成運放的分類為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，發(fā)展了適應不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術指標上比較突出。根據(jù)運算放大器的技術指標可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。(1)通用型通用型運算放大器的技術指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741(A741)為例，輸入失調電壓1～2mV、輸入失調電流20nA、差模輸入電阻2M，開環(huán)增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75、共模輸入電壓范圍13V、轉換速率0.5V/s。(2)高速型和寬帶型用于寬頻帶放大器、高速A/D和D/A，高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應注重SR。(3)高精度(低漂移型）用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。(4)高輸入阻抗型用于測量設備及采樣保持電路中。(5)低功耗型用于空間技術和生物科學研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。(6)功率型這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個安培以上。9.1.4理想運算放大器滿足下列參數(shù)指標的運算放大器可以視為理想運算放大器。1)開環(huán)差模放大倍數(shù)Aod=，實際上Aod≥80dB即可。2)差模輸入電阻Rid=，實際上Rid比輸入端外電路的電阻大2～3個量級即可。3)輸出電阻Ro=0，實際上Ro比輸入端外電路的電阻小2～3個量級即可。4)帶寬足夠寬。5)共模抑制比足夠大。實際上在做一般原理性分析時，產品運算放大器都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術指標明顯下降即可。1．理想運算放大器的條件2．理想運算放大器的特性理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運算放大器必須在閉環(huán)下工作。(1)虛短由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在10V～14V。因此，運放的差模輸入電壓不足1mV，兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。虛短是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。(2)虛斷由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1M以上。因此，流入運放輸入端的電流往往不足1A，遠小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路，下面舉兩個例子以說明虛短和虛斷的運用。例9-1有一理想運算放大器組成的電路如圖9-3所示，試求輸出電壓的表達式和電壓放大倍數(shù)解：根據(jù)虛斷，iI

0，故u+

0，且iI

iF根據(jù)虛短，u+u-

0iI=

(uI－u-

)/R1

uI/R1uo

－iF

Rf=－uI

Rf/R1∴電壓增益Auf=uo/uI=－Rf/R1根據(jù)上述關系式，該電路可用于反相比例運算。例9-2有一理想運算放大器組成的電路如圖9-4所示，試求輸出電壓的表達式和電壓放大倍數(shù)解：根據(jù)虛斷，uI=u+根據(jù)虛短，uI=u+u-u+=uI=uo

R1/(R1+Rf)uo

uI[1+(Rf/R1)]所以，電壓增益Auf=uo

/uI=1+(Rf/R1)根據(jù)上述關系式，該電路可用于同相比例運算。9.2放大電路中的反饋9.2.1反饋的概念

1．反饋的定義在放大電路中，信號的傳輸是從輸入端到輸出端，這個方向稱為正向傳輸。反饋就是將輸出信號取出一部分或全部送回到放大電路的輸入回路，與原輸入信號相加或相減后再作用到放大電路的輸入端。反饋信號的傳輸是反向傳輸。所以，放大電路無反饋也稱開環(huán)，放大電路有反饋也稱閉環(huán)。反饋的示意圖見圖9-5。是輸入信號，是反饋信號，稱為凈輸入信號。所以有

圖9-5反饋概念方框圖2．負反饋和正反饋加入反饋后，凈輸入信號<輸出幅度下降的反饋稱為負反饋加入反饋后，凈輸入信號>輸出幅度增加的反饋稱為正反饋正反饋和負反饋的判斷法之一：瞬時極性法在放大電路的輸入端，假設一個輸入信號的電壓極性，可用“+”、“-”或“↑”、“↓”表示。按信號傳輸方向依次判斷相關點的瞬時極性，直至判斷出反饋信號的瞬時電壓極性。如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小，則為負反饋；反之為正反饋。3．電壓反饋和電流反饋反饋信號的大小與輸出電壓成比例的反饋稱為電壓反饋；反饋信號的大小與輸出電流成比例的反饋稱為電流反饋。電壓反饋與電流反饋的判斷：將輸出電壓‘短路’，若反饋回來的反饋信號為零，則為電壓反饋；若反饋信號仍然存在，則為電流反饋4．串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋反饋信號與輸入信號加在放大電路輸入回路的同一個電極，則為并聯(lián)反饋，此時反饋信號與輸入信號是電流相加減的關系；反之，加在放大電路輸入回路的兩個電極，則為串聯(lián)反饋，此時反饋信號與輸入信號是電壓相加減的關系。對于晶體管來說，反饋信號與輸入信號同時加在輸入晶體管的基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋；一個加在基極，另一個加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。對于運算放大器來說，反饋信號與輸入信號同時加在同相輸入端或反相輸入端，則為并聯(lián)反饋；一個加在同相輸入端，另一個加在反相輸入端則為串聯(lián)反饋。5．交流反饋和直流反饋反饋信號只有交流成分時為交流反饋，反饋信號只有直流成分時為直流反饋，既有交流成分又有直流成分時為交直流反饋。正反饋和負反饋的判斷法之二：正反饋可使輸出幅度增加，負反饋則使輸出幅度減小。在明確串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋后，正反饋和負反饋可用下列規(guī)則來判斷：反饋信號和輸入信號加于輸入回路一點時，瞬時極性相同的為正反饋，瞬時極性相反的是負反饋；反饋信號和輸入信號加于輸入回路兩點時，瞬時極性相同的為負反饋，瞬時極性相反的是正反饋。對晶體管來說這兩點是基極和發(fā)射極，對運算放大器來說是同相輸入端和反相輸入端。例9-3試判斷圖9-6a所示電路的反饋組態(tài)解：根據(jù)瞬時極性法，見圖中的“+”、“-”號，可知經電阻R1加在基極B1上的是直流并聯(lián)負反饋。因反饋信號與輸出電流成比例，故為電流反饋。結論是直流電流并聯(lián)負反饋。經Rf加在E1上的是交流負反饋。反饋信號和輸入信號加在晶體管兩個輸入電極，故為串聯(lián)反饋。結論：交流電壓串聯(lián)負反饋。圖9-6(a)例9-3圖例9-4試判斷所示電路的反饋組態(tài)。解：根據(jù)瞬時極性法，見圖中的“+”、“-”號，可知是負反饋。因反饋信號和輸入信號加在運放兩個輸入端，故為串聯(lián)反饋。因反饋信號與輸出電壓成比例，故為電壓反饋。結論：交、直流串聯(lián)電壓負反饋。圖9-6(b)例9-4圖9.2.2反饋的基本方程1．閉環(huán)放大倍數(shù)的一般表達式

根據(jù)圖9-5可以推導出反饋放大電路的基本方程。放大電路的開環(huán)放大倍數(shù)（9-5）反饋網絡的反饋系數(shù)（9-6）放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)（9-7）以上幾個量都采用了復數(shù)表示，因為要考慮實際電路的相移。由于式中，（9-8）稱為環(huán)路增益。當

＞1時，,相當負反饋；2．反饋深度︱︳稱為反饋深度

=（9-9）它反映了反饋對放大電路影響的程度。可分為三種情況：

當

<1時，,相當正反饋；當

時，,相當輸入為零時仍有輸出，故稱為“自激狀態(tài)”。3．環(huán)路增益環(huán)路增益是指放大電路和反饋網絡所形成環(huán)路的增益閉環(huán)放大倍數(shù)近似等于反饋系數(shù)的倒數(shù)，與有源器件的參數(shù)基本無關。反饋網絡一般由無源元件構成，其穩(wěn)定性優(yōu)于有源器件，因此深度負反饋時的放大倍數(shù)比較穩(wěn)定。9.2.3四種負反饋類型的分析負反饋的類型有四種，即電壓串聯(lián)負反饋、電壓并聯(lián)負反饋、電流串聯(lián)負反饋和電流并聯(lián)負反饋。在此要分析反饋的屬性、求放大倍數(shù)等動態(tài)參數(shù)。1．電壓串聯(lián)負反饋(1)判斷方法對圖9-7所示電路，根據(jù)瞬時極性法判斷，經Rf加在發(fā)射極E1上的反饋電壓為‘+’，與輸入電壓極性相同，且加在輸入回路的兩點，故為串聯(lián)負反饋。反饋信號與輸出電壓成比例，是電壓反饋。后級對前級的這一反饋是交流反饋，同時Re1上還有第一級本身的負反饋。a)分立元件放大電路b)集成運放放大電路

圖9-7電壓串聯(lián)負反饋對圖b，因輸入信號和反饋信號加在運放的兩個輸入端，故為串聯(lián)反饋，根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，且為電壓負反饋。結論是交直流串聯(lián)電壓負反饋。(2)閉環(huán)放大倍數(shù)對于串聯(lián)電壓負反饋，在輸入端是輸入電壓和反饋電壓相減，所以閉環(huán)放大倍數(shù)由以下求出。

（9-11）

反饋系數(shù)對于圖a對于圖b2．電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋的電路如圖9-8所示。其中A可以認為是一個放大器。輸出Uo與“+”端同相位，而與“-”端相位相反。因反饋信號與輸入信號在一點相加，為并聯(lián)反饋。根據(jù)瞬時極性法判斷，為負反饋，且為電壓負反饋。因為并聯(lián)反饋，在輸入端采用電流相加減。即。圖9-8電壓并聯(lián)負反饋3．電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電路如圖9-9所示。圖a是基本放大電路將Ce去掉而構成，反饋電壓從Re上取出，根據(jù)瞬時極性和反饋電壓接入方式，可判斷為串聯(lián)負反饋。因輸出電壓短路，反饋電壓仍然存在，故為串聯(lián)電流負反饋。圖b是由集成運放構成。對圖(b)的電路，其互導增益于是

，這里忽略了Rf的分流作用。電壓增益為圖9-9電流串聯(lián)負反饋4．電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋的電路如圖9-10所示。對于圖a所示電路中，反饋節(jié)點與輸入點相同，所以是電流并聯(lián)負反饋。對于圖b電路，也為電流并聯(lián)負反饋。圖9-10并聯(lián)電流負反饋例9-5回答下列問題。①求圖9-11在靜態(tài)時運放的共模輸入電壓;②若要實現(xiàn)串聯(lián)電壓反饋，Rf應接向何處?③要實現(xiàn)串聯(lián)電壓負反饋，運放的輸入端極性如何確定？④求引入電壓串聯(lián)負反饋后的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)圖9-11例題9-5圖解：①靜態(tài)時運放的共模輸入電壓，即靜態(tài)時V1和V2的集電極電位。IC1

=IC2

=IC3/2V5mA

5.0mA

1mA

3.5157.9c1C1CCC2C1C2C1e3EEE3C3=-=====+-=-=RIUUUIIRUUI②可以把差動放大電路看成運放A的輸入級。輸入信號加在V1的基極，要實現(xiàn)串聯(lián)反饋，反饋信號必然要加在B2。所以要實現(xiàn)串聯(lián)電壓反饋，Rf應接向B2。③既然是串聯(lián)反饋，反饋和輸入信號接到差放的兩個輸入端。要實現(xiàn)負反饋，必為同極性信號。差放輸入端的瞬時極性，見圖中紅色標號。根據(jù)串聯(lián)反饋的要求，可確定B2的極性，見圖中綠色標號，由此可確定運放的輸入端極性。④求引入電壓串聯(lián)負反饋后的閉環(huán)電壓增益，可把差放和運放合為一個整體看待。為了保證獲得運放綠色標號的極性，B1相當同相輸入端，B2相當反向輸入端。為此該電路相當同相輸入比例運算電路。所以電壓增益為9.2.4負反饋對放大電路性能的影響

負反饋是改善放大電路性能的重要技術措施，廣泛應用于放大電路和反饋控制系統(tǒng)之中。1．負反饋對增益的影響根據(jù)負反饋基本方程，不論何種負反饋，都可使反饋放大倍數(shù)下降1+AF倍，只不過不同的反饋組態(tài)AF的量綱不同而已。對電壓串聯(lián)負反饋，在負反饋條件下增益的穩(wěn)定性也得到了提高，這里增益應該與反饋組態(tài)相對應AAAFAAAFAAFAAFAAFAd)1(1d)1(d)1(dd)1(dff22f×+=+=+×-×+=有反饋時，增益的穩(wěn)定性比無反饋時提高了(1+AF)倍。2．負反饋對輸入電阻的影響負反饋對輸入電阻的影響與反饋加入的方式有關，即與串聯(lián)反饋或并聯(lián)反饋有關，而與電壓反饋或電流反饋無關。(1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加串聯(lián)負反饋輸入端的電路形式如圖9-7、9-9所示。對電壓串聯(lián)負反饋和電流串聯(lián)負反饋效果相同。只要是串聯(lián)負反饋就可使輸入電阻增加。(2)并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小并聯(lián)負反饋輸入端的電路形式如圖9-8、9-10所示。對電壓并聯(lián)負反饋和電流并聯(lián)負反饋效果相同，只要是并聯(lián)負反饋就可使輸入電阻減小。3．負反饋對輸出電阻的影響(1)電壓負反饋使輸出電阻減小電壓負反饋可以使輸出電阻減小，這與電壓負反饋可以使輸出電壓穩(wěn)定是相一致的。輸出電阻小，帶負載能力強，輸出電壓的降落就小，穩(wěn)定性就好。(2)電流負反饋使輸出電阻增加電流負反饋可以使輸出電阻增加，這與電流負反饋可以使輸出電流穩(wěn)定是相一致的。輸出電阻大，負反饋放大電路接近電流源的特性，輸出電流的穩(wěn)定性就好。4．負反饋對通頻帶的影響放大電路加入負反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了，見圖9-12。無反饋時的通頻帶f=fH－fLfH，有反饋時的通頻帶fF=(1+AmF)fH。圖9-12負反饋對通頻帶的影響5．負反饋對非線性失真的影響負反饋可以改善放大電路的非線性失真，但是只能改善反饋環(huán)內產生的非線性失真。因加入負反饋，放大電路的輸出幅度下降，不好對比，因此必須要加大輸入信號，使加入負反饋以后的輸出幅度基本達到原來有失真時的輸出幅度才有意義。加入負反饋改善非線性失真，可通過圖9-13來加以說明。失真的反饋信號使凈輸入信號產生相反的失真，從而彌補了放大電路本身的非線性失真。6．負反饋對噪聲、干擾和溫漂的影響原理同負反饋對放大電路非線性失真的改善。負反饋只對反饋環(huán)內的噪聲和干擾有抑制作用，且必須加大輸入信號后才使抑制作用有效。圖9-13負反饋對非線性失真的影響9.3集成運算放大器的線性應用集成運放的應用有線性應用和非線性應用。只要改變運放的開閉環(huán)狀態(tài)、反饋極性和輸入方式，就可以獲得不同的應用電路。當集成運放在負反饋狀態(tài)時，集成運放工作在線性區(qū)。分析運放的線性應用時，集成運放存在著虛短和虛斷的特點。集成運放的線性應用主要有比例、求和、積分、微分、指數(shù)、對數(shù)、乘法、除法以及有源濾波等，本章主要介紹前四種。9.3.1求和運算電路1．反相輸入求和電路在反相比例運算電路的基礎上，增加一個輸入支路，就構成了反相輸入求和電路，見圖9-14。此時兩個輸入信號電壓產生的電流都流向Rf。所以輸出是兩輸入信號的比例和，即圖9-14反相求和運算電路

當時，輸出等于兩輸入反相之和。

uO

2．同相輸入求和電路在同相比例運算電路的基礎上，增加一個輸入支路，就構成了同相輸入求和電路，如圖9-15所示。圖9-15同相求和運算電路++RfR'RR1R2Rui2ui1uO因運放具有虛斷的特性，故對運放同相輸入端的電位可用疊加原理求得：而由此可得出

式中當時3．雙端輸入求和電路雙端輸入也稱差分輸入，雙端輸入求和運算電路如圖9-16所示。其輸出電壓表達式的推導方法與同相輸入運算電路相似。u

i1++R2RfR’RLuoui2R1u

i3R4ui4R3圖9-16雙端輸入求和運算電路當時，用疊加原理分別求出,時的輸出電壓當分別求出輸出電壓

式中

再求當于是例9-6求圖9-17所示數(shù)據(jù)放大器的輸出表達式，并分析R1的作用。圖9-17例9-6電路圖

解：us1和us2為差模輸入信號，為此uo1和uo2也是差模信號，R1的中點為交流零電位。對A3是雙端輸入放大電路。所以

顯然調節(jié)R1可以改變放大器的增益。產品的數(shù)據(jù)放大器，如AD624等，R1有引線連出，同時有一組組的R1接成分壓器形式，可選擇連接成多種的R1數(shù)值。9.3.2積分和微分運算電路1．積分運算電路積分運算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運算電路如圖9-18所示。圖9-18反相積分運算電路根據(jù)虛地有而電容有

當輸入信號是階躍直流電壓uI時，即

例9-7畫出在給定輸入波形作用下圖9-18所示積分器的輸出波形。圖9-19給出了在階躍輸入和方波輸入下積分器的輸出波形。這里要注意當輸入信號在某一個時間段等于零時，積分器的輸出是不變的，保持前一個時間段的最終數(shù)值。因為虛地的原因，積分電阻R兩端無電位差，因此C不能放電，故輸出電壓保持不變。a)階躍輸入信號b)方波輸入信號圖9-19積分器的輸入和輸出波形2．微分運算電路微分運算電路如圖9-20所示

圖9-20微分電路當輸入電壓是階躍信號或有脈沖式幅值干擾信號時，由式（9-32）看出輸出值過大，會使集成運放內部的放大管處于飽和或截至狀態(tài)，當信號消失時管子還不能回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，電路不能正常工作。同時，由于反饋網絡為滯后環(huán)節(jié)，易于產生自激振蕩，使電路不穩(wěn)定。解決上述問題的方案是在輸入端串聯(lián)一個小電阻，以限制輸入電流；在反饋電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓二極管以限制輸出電壓，并聯(lián)銷電容提高電路的穩(wěn)定性。在自動控制系統(tǒng)中的PID調解器，就是同時包含比例、積分和微分運算的電路，其原理可參見相關書籍。集成運放的線性應用還有對數(shù)和指數(shù)運算電路，乘法和除法運算電路等，限于篇幅，不再介紹。9.4正弦波振蕩器正弦波振蕩器能產生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波振蕩器也稱為正弦波振蕩電路或正弦波發(fā)生電路。9.4.1產生正弦波的條件1．正弦波發(fā)生電路的組成為了產生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網絡是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由晶體管的非線性限幅，這必然產生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應該有選頻網絡，選頻網絡往往和正反饋網絡或放大電路合而為一。選頻網絡由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網絡來命名。正弦波發(fā)生電路的組成有四個環(huán)節(jié)，即放大電路、正反饋網絡、選頻網絡、穩(wěn)幅電路。2．產生正弦波的條件產生正弦波的條件與負反饋放大電路產生自激的條件十分類似。只不過負反饋放大電路中是由于信號頻率達到了通頻帶的兩端，產生了足夠的附加相移，從而使負反饋變成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。比較圖9-21a和b就可以明顯地看出負反饋放大電路和正反饋振蕩電路的區(qū)別了。a)負反饋放大電路b)正反饋振蕩電路圖9-21振蕩器的方框圖由于振蕩電路的輸入信號=0，所以=由于正、負號的改變，有反饋的放大倍數(shù)為振蕩條件是=1幅度平衡條件||=1相位平衡條件AF=A+F=2n（9-36）3．起振條件和穩(wěn)幅原理蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強一些，即要求||>1這稱為起振條件。既然||＞1，起振后就要產生增幅振蕩，需要靠晶體管大信號運用時的非線性特性去限制幅度的增加，這樣電路必然產生失真。這就要靠選頻網絡的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。也可以在反饋網絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調節(jié)放大電路的增益，從而達到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。9.4.2RC正弦波振蕩電路1.RC網絡的頻率響應RC串并聯(lián)網絡的電路如圖9-22所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。通常選取R1=R2=R，C1=C2=C，其頻率響應如下其頻率響應如下圖9-22RC串并聯(lián)網絡諧振頻率為f0=令為諧振角頻率，則（9-41）幅頻特性

（9-42）相頻特性2．RC文氏橋振蕩電路（1）RC文氏橋振蕩電路的構成RC文氏橋振蕩器的電路如圖9-23所示，RC串并聯(lián)網絡是正反饋網絡，另外還增加了R3和R4負反饋網絡。圖9-23RC文氏橋振蕩器C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負反饋支路正好構成一個橋路，稱為文氏電橋。當C1=C2、R1=R2時F=0f0=為滿足振蕩的幅度條件=1，所以Af≥3。加入R3R4支路，構成串聯(lián)電壓負反饋（2）RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R4實現(xiàn)的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負反饋增強，輸出幅度下降。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應放置在R3的位置。9.4.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路的構成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網絡、選頻網絡和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網絡是由LC并聯(lián)諧振電路構成，正反饋網絡因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。1．LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應LC并聯(lián)諧振電路如圖9-24a所示。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)。輸入信號頻率過高，電容的旁路作用加強，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖9-24b所示。a)LC并聯(lián)諧振電b)并聯(lián)諧振曲線圖9-24并聯(lián)諧振電路及其諧振曲線諧振時諧振頻率考慮電感支路的損耗，用R表示。諧振時，電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱為并聯(lián)諧振電路的品質因數(shù)對于圖9-24（b）的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1＞Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時，LC并聯(lián)諧振電路相當一個電阻。2．變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路如圖9-25所示。LC并聯(lián)諧振電路作為晶體管的負載，反饋線圈Ｌ2與電感線圈Ｌ相耦合，將反饋信號送入晶體管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個線頭，可改變反饋的極性。調整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。有關同名端的極性請參閱圖9-26。圖9-25變壓器反饋LC振蕩電路圖9-26同名端的極性變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為

（9-52）3．電感三端式LC振蕩電路圖9-27為電感三端式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個線圈，2端是中間抽頭。如果設某個瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對地為正，圖中晶體管是共基極接法，所以使發(fā)射結的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。圖9-27電感三端式LC振蕩電路4．電容三端式LC振蕩電路與電感三端式LC振蕩電路類似的有電容三端式LC振蕩電路，見圖9-28。（a）CB組態(tài)（b）CE組態(tài)圖9-28電容三端式LC振蕩電路

例9-8圖9-29為三端式振蕩電路試判斷是否滿足相位平衡條件。a)b)圖9-29例9-8的電路圖5．石英晶體LC振蕩電路利用石英晶體高品質因數(shù)的特點，構成LC振蕩電路，如圖9-30所示。a)串聯(lián)型f0=fsb）并聯(lián)型fs<f0<fp圖9-30石英晶體振蕩電路對于圖9-30b的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達到幾千以上，圖9-31所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。圖9-31石英晶體的電抗曲線石英晶體的阻抗頻率特性曲線見圖9-30，它有一個串聯(lián)諧振頻率fs，一個并聯(lián)諧振頻率fp，二者十分接近。對于圖9-30a的電路與電感三端式振蕩電路相似。要使反饋信號能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應處于串聯(lián)諧振點，此時晶體的阻抗接近為零。9.5集成運算放大器的非線性應用當集成運放在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，集成運放就工作在非線性區(qū)。分析運放的非線性應用時，虛短和虛斷不再適用，集成運放的非線性應用有比較器、非正弦波發(fā)生器等，本節(jié)只介紹比較器及其應用。比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器，具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。9.5.1固定幅度比較器1．過零比較器和電壓幅度比較器過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖9-32所示。使比較器狀態(tài)發(fā)生反轉的輸入電壓值成為比較器的閾值，計作UT。a)電路圖b)電壓傳輸特性圖9-32過零電壓比較器將過零比較器的一個輸入端從接地改接到一個固定電壓值上，就得到電壓比較器，電路如圖9-33所示。調節(jié)可方便地改變閾值。a)電路圖b)電壓傳輸特性圖9-33固定電壓比較器2．比較器的基本特點比較器工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。開關特性是因為開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。非線性是因為是大幅度工作，輸出和輸入不成線性關系。9.5.2滯回比較器從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖9-34a所示電路。a)電路圖b)傳輸特性圖9-34滯回比較器電路圖當輸入電壓uI從零逐漸增大且

當輸入電壓當逐漸減小，且回差電壓9.5.3窗口比較器窗口比較器的電路如圖9-35所示。電路由兩個幅度比較器和一些二極管與電阻構成。設R1=R2，則有窗口比較器的電壓傳輸特性如圖9-36所示。當uIUH時，uO1為高電平，VD3導通；uo2為低電平，VD4截止，uO=uO1。當uI

UL時，uO2為高電平，VD4導通；uO1為低電平，VD3截止，uO=uO2。當UH>uI>UL時，uO1為低電平，uO2為低電平，VD3、VD4截止，uO=低電平。高電平信號的電位水平高于某規(guī)定值UH的情況，相當比較電路正飽和輸出。低電平信號的電位水平低于某規(guī)定值UL的情況，相當比較電路負飽和輸出。該比較器有兩個閾值，傳輸特性曲線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。圖9-35窗口比較器圖9-36窗口比較器的傳輸特性9.5.4比較器的應用比較器主要用來對輸入波形進行整形，將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出，其原理如圖9-37所示。a)正弦波變換為矩形波b)有干擾的正弦波變換為方波圖9-37用比較器實現(xiàn)波形變換

閱讀與應用

集成電路常識

集成電路是近幾十年半導體器件發(fā)展起來的高科技產品，其發(fā)展速度異常迅猛，從小規(guī)模集成電路（含有幾十個晶體管）發(fā)展到今天的超大規(guī)模集成電路（含有幾千萬個晶體管或近千萬個門電路）。集成電路的體積小，耗電低，穩(wěn)定性好，從某種意義上講，集成電路是衡量一個電子產品是否先進的主要標志。

集成電路按功能可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類；按其制作工藝可分為半導體集成電路、薄膜集成電路、厚膜集成電路和混合集成電路等；按其集成度可分為小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)，它表示了在一個硅基片上所制造的元器件的數(shù)目。

集成電路的封裝形式有晶體管式封裝、扁平封裝和直插式封裝。集成電路的引腳排列次序有一定的規(guī)律，一般是從外殼頂部向下看，從左下腳按逆時針方向讀數(shù)，其中第一腳附近一般有參考標志，如凹槽、色點等。

1．數(shù)字集成電路

(1)數(shù)字集成電路的分類及型號

數(shù)字集成電路按結構不同可分為雙極型和單極型電路。其中雙極型電路有DTL、TTL、ECL、HTL等多種；單極型電路有JFET、NMOS、PMOS、CMOS等四種。數(shù)字集成電路的型號命名法參見附錄5。

(2)數(shù)字集成電路及其使用

在實際工程中，最常用的數(shù)字集成電路主要有TTL和CMOS兩大系列，下面分別作以介紹。

1)TTL集成電路

TTL集成電路是用雙極型晶體管為基本元件集成在一塊硅片上制成的，其品種、產量最多，應用也最廣泛。國產的TTL集成電路有T1000～T4000系列，T1000系列與國標CT54/74系列及國際SN54/74通用系列相同；T2000高速系列與國標CT54H/74H系列及國際SN54H/74H高速系列相同；T3000肖特基系列與國標CT54S/74S系列及國際SN54S/74S肖特基系列相同；T4000低功耗肖特基系列與國標CT54LS/74LS系列及國際SN54LS/74LS低功耗肖特基系列相同。54系列與74系列的主要區(qū)別在其工作環(huán)境溫度上，54系列為：-55～+125℃；74系列為：0～70℃。另外這些系列的區(qū)別還在于典型門的平均傳輸時間和平均功耗這兩個參數(shù)不同，其它的電參數(shù)和外引腳功能基本相同，必要時，可互為代換使用。

TTL集成電路在使用時要注意：不許超過其規(guī)定的工作極限值，以確保電路能可靠工作。TTL集成電路只允許在5V±10%的電源電壓范圍內工作。TTL門電路的輸出端不允許直接接地或接電源，也不準許并聯(lián)使用（開路門和三態(tài)門例外）。TTL門電路的輸入端懸空相當于接高電平1，但多余的輸入端懸空（與非門）易引入外來干擾使道路的邏輯功能不正常，所以最好將多余輸入端和有用端并聯(lián)在一起使用。在電源接通的情況下，不要拔插集成電路，以防電流沖擊造成電路永久性的損壞。

2)CMOS集成電路

CMOS集成電路以單極型晶體管為基本元件制成，其發(fā)展迅速，主要是因為它具有功耗低、速度快、工作電源電壓范圍寬（如CC4000系列的工作電源電壓為3～18V）、抗干擾能力強、輸入阻抗高、扇出能力強、溫度穩(wěn)定性好及成本低等優(yōu)點，尤其是它的制造工藝非常簡單，為大批量生產提供了方便。CMOS集成電路有三種封裝方式：陶瓷扁平封裝（工作溫度范圍是-55～+100℃）；陶瓷雙列直插封裝（工作溫度范圍是-55～+125℃）；塑料雙列直插封裝（工作溫度范圍是-40～+85℃）。

CMOS集成電路在使用時要注意：電源電壓端和接地端絕對不許接反，也不準超過其允許工作電壓范圍（VDD=3～18V）。CMOS電路在工作時，應先加電源后加信號；工作結束時，應在撤除信號后再切斷電源。為防止輸入端的保護二極管因大電流而損壞，輸入信號的電壓不能超過電源電壓；輸入電流不宜超過1mA，對低內阻的信號源要采取限流措施。CMOS集成電路的多余輸入端一律不準懸空，應按其邏輯要求將多余的輸入端接電源（與門）或接地（或門）；CMOS集成電路的輸出端不準接電源或接地，也不許將兩個芯片的輸出端直接連接使用，以免損壞器件。

2.模擬集成電路

(1)模擬集成電路的分類、特點和結構

模擬集成電路按用途可分為運算放大器、直流穩(wěn)壓器、功率放大器和電壓比較器等。模擬集成電路的特點和結構有：

1)與數(shù)字集成電路比較，各種模擬集成電路的電源電壓可以不同且較高，視具體用途而定。

2)模擬集成電路的功能多種多樣，所以其封裝形式也具有多樣性，封裝形式有金屬外殼、陶瓷外殼和塑料外殼三種。金屬外殼封裝為圓形，陶瓷外殼封裝和塑料外殼封裝均為扁平型。其引腳排列順序和數(shù)字集成電路相同。

(2)集成運算放大器（集成運放）

自1964年美國仙童公司制造出第一個單片集成運放A702以來，集成運放得到了廣泛的應用，目前它已成為線性集成電路中品種和數(shù)量最多的一類。

1）集成運放的分類：集成運放的品種繁多，大致可分為“通用型”和“專用型”兩大類?！巴ㄓ眯汀奔蛇\放的各項指標比較均衡，適用于無特殊要求的一般場合。如CF741（單運放）、CF747（雙運放）、CF124（四運放）等。

其特點是增益高、共模和差模電壓范圍寬、正負電源對稱且工作穩(wěn)定?！皩Ｓ眯汀奔蛇\放有低功耗型（靜態(tài)功耗在1mW左右，如CA3078）；高速型（轉換速率在10V/s左右，如A715）；高阻型（輸入電阻在1012左右，如CA3140）；高精度型（失調電壓溫度系數(shù)在1V左右，如A725）；高壓型（允許供電電壓在±30V左右，如CF343）；寬帶型（帶寬在10MHz左右，如A772）等。

“專用型”除具有“通用型”的特性指標外，特別突出其中某一項或兩項特性參數(shù)，以適用于某些特殊要求的場合。如低功耗型運放適用于遙感技術、空間技術等要求能源消耗有限制的場合；高速型主要用于快速A/D和D/A轉換器、鎖相環(huán)電路和視頻放大器等要求電路有快速響應的場合。

2）集成運放的主要參數(shù)：

差模開環(huán)放大倍數(shù)（增益）Aud，是指運放在無反饋情況下的差模放大倍數(shù)，是衡量放大能力的重要指標，一般為100dB左右。共模開環(huán)放大倍數(shù)Auc，是衡量運放抗溫漂、抗共模干擾能力的重要指標，優(yōu)質運放其Auc應接近于零。

共模抑制比KCMR，此參數(shù)為反映運放的放大能力尤其是抗溫漂、抗共模干擾能力的重要指標，好的運放應在100dB以上；單位增益帶寬BWG，它代表運放的增益帶寬積，一般運放為幾兆赫茲～幾十兆赫茲，寬頻帶運放可達100MHz以上。另外還有輸入失調電壓UIO、輸入失調電流IIO、轉換速率SR等。

3）集成運放的型號命名法：

國標統(tǒng)一命名法規(guī)定，集成運放各個品種的型號由字母和阿拉伯數(shù)字二部分組成。字母在首部，統(tǒng)一采用CF兩個字母。C表示國標，F(xiàn)表示線性放大器，其后的數(shù)字表示運放的類型（參見附錄C）。

4）集成運放使用注意事項：

集成運放在使用前應進行下列檢查：能否調零和消振，正負向的線性度和輸出電壓幅度；若數(shù)值偏差大或不能調零，則說明器件已損壞