《電工與電子技術(shù)》差分放大器和集成運(yùn)算放大器

第一節(jié)

差分放大器第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器本章小結(jié)課后作業(yè)差分放大器和集成運(yùn)算放大器差分放大器和集成運(yùn)算放大器

1．了解差分放大電路的組成及工作原理，掌握差分放大電路的特點(diǎn)。

2．了解集成運(yùn)算放大器的組成、管腳排列、電路符號、參數(shù)及型號識別。3．掌握理想集成運(yùn)算放大器的分析方法，會求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。4．會分析理想運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路，了解運(yùn)算放大器應(yīng)用時應(yīng)注意的問題。在生產(chǎn)實(shí)際中，需要放大的信號往往是變化非常緩慢的信號，甚至是直流信號。對于這些信號的放大，既不能采用阻容耦合放大器，因?yàn)橹绷骰蚓徸冃盘枙获詈想娙莸母糁弊饔酶舻簦膊荒懿捎米儔浩黢詈戏糯笃?，因?yàn)橹绷骰蚓徸冃盘枙蛔儔浩鞒跫壘€圈所呈現(xiàn)的低阻抗短路，只能采用直接耦合放大器。但簡單的直接耦合放大器，常常會發(fā)生輸入信號為零時，輸出信號不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。第一節(jié)

差分放大器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的原因：電源電壓的波動，元器件參數(shù)的老化，環(huán)境溫度的變化等抑制零點(diǎn)漂移方法是一般采用差分放大器。在集成運(yùn)算放大器中，差分放大器常作為多級放大電路的輸入級。第一節(jié)

差分放大器一、基本差分放大器

1.電路組成它由兩個特性相同的三極管組成對稱電路，電路參數(shù)也對稱。圖中，差分放大電路有兩個輸入端和輸出端，稱為雙端輸入雙端輸出差分放大電路。信號通過兩基極輸入，從兩集電極引出。第一節(jié)

差分放大器2.工作原理（1）靜態(tài)分析當(dāng)沒有輸入信號電壓，即時

，放大電路的直流通路如圖所示。由于電路完全對稱，兩管發(fā)射結(jié)的壓降則這時則輸出電壓輸入信號電壓為0時，輸出信號電壓也為0。第一節(jié)

差分放大器（2）抑制零漂的原理當(dāng)外界因素發(fā)生變化時，不管是溫度變化還是電源電壓的波動，都會引起兩管的靜態(tài)值產(chǎn)生相同的變化。例如：可以看出，差分放大電路是利用電路的對稱性來抑制零點(diǎn)漂移的。差分放大電路兩邊對稱性愈好，對零點(diǎn)漂移的抑制作用就愈強(qiáng)。第一節(jié)

差分放大器（3）動態(tài)分析①共模信號和差模信號在兩輸入端加人相同的輸入信號，使兩只晶體管產(chǎn)生相同的變化，通常把這種大小相等、極性相同的輸入信號稱為“共模信號”，一般用下標(biāo)符號“c”表示。在兩輸入端加入大小相等、極性相反的輸入信號時，將使兩只晶體管產(chǎn)生相反的變化，通常把這種大小相等、極性相反的輸入信號稱為“差模信號”，一般用下標(biāo)符號“d”表示。第一節(jié)

差分放大器②對共模信號的抑制作用共模輸入電路如圖所示，在共模信號電壓

作用下，兩管的電流同時增加或減少，由于電路對稱，輸出端的電壓

和也是大小相等，極性相同，輸出電壓

，其輸出端的共模電壓放大倍數(shù)為外界因素發(fā)生變化使兩晶體管的靜態(tài)電流同時變化，相當(dāng)于在差分放大電路兩輸入端施加了共模信號。因此，差分放大器對零點(diǎn)漂移的抑制可以歸類為對共模信號的抑制。第一節(jié)

差分放大器③對差模信號的放大作用差模輸入電路如圖所示，由于電路對稱，每個輸入端得到的輸入信號電壓是總的輸入信號電壓的一半，即在差模信號電壓作用下，由于兩管的輸入電壓方向相反，流過兩管的電流方向也相反，一管電流增加，另一管電流減少，在電路完全對稱的情況下，流過

的電流變化為0，因而對差模信號而言不會產(chǎn)生影響，可以認(rèn)為

對差模信號呈短路狀態(tài)。差模輸入時的交流通路如下圖所示。第一節(jié)

差分放大器差模輸入時的交流通路由圖可知其差模電壓放大倍數(shù)表示為由此可見，差分放大電路是用兩只放大管對輸入信號進(jìn)行放大，僅相當(dāng)于一個單管共射放大電路，但換來的是對共模信號的抑制作用，有效地克服了零點(diǎn)漂移。第一節(jié)

差分放大器3.共模抑制比一個性能良好的差分放大電路，對差模信號應(yīng)有較高的放大倍數(shù)，對共模信號應(yīng)有足夠的抑制能力。為了全面衡量差分放大器對差模信號的放大能力及對共模信號的抑制能力，常用共模抑制比（）作為一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)來衡量，其定義為：共模抑制比有時也用分貝（dB）數(shù)來表示：共模抑制比越大，差分放大器的性能越好。理想情況下，共模抑制比是無窮大。綜上所述，差分放大器對共模信號沒有放大作用，放大的只是差模信號。第一節(jié)

差分放大器二、具有恒流源的差分放大器實(shí)際電路為了提高共模抑制比的值常采用增加差分放大電路的發(fā)射極電阻

或用恒流源代替

的辦法。增加阻值，電源電壓

應(yīng)越高。為了能提高共模抑制比，而不用提高電源電壓的值，常采用恒流源代替

，這種電路稱為具有恒流源的差分放大器。具有恒流源的差分放大器因恒流源的直流電阻小，可不必提高

，而恒流源的動態(tài)電阻大，可提高抑制零點(diǎn)漂移的能力，提高共模抑制比。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器一、集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器是一種集成化的半導(dǎo)體器件，它實(shí)質(zhì)上是一個電壓放大倍數(shù)很高，輸入電阻很大，輸出電阻很低的多級直接耦合交直流放大電路。1.集成運(yùn)算放大器的識讀常見的集成運(yùn)算放大器有圓形、扁平型、雙列直插式等，有8管腳、14管腳等，其引線腳號排列順序的標(biāo)記，一般有色點(diǎn)、凹槽、管鍵及封裝時壓出的圓形標(biāo)記等。對于雙列直插式集成塊引線腳號的識別方法是：將集成塊水平放置，管腳向下，從缺口或標(biāo)記開始，按逆時針方向數(shù)，依次為1腳、2腳、3腳、……，外形結(jié)構(gòu)和管腳標(biāo)示如下圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器對于圓形管以管鍵為參考標(biāo)記，管腳向下，以鍵為起點(diǎn)，逆時針數(shù)1，2，3，…，外形結(jié)構(gòu)和管腳標(biāo)示如下圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.集成運(yùn)放的組成及其符號實(shí)際集成運(yùn)算放大器有內(nèi)部實(shí)際上就是一個高增益的直接耦合放大器，都是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等四部分組成，其內(nèi)部組成框圖如圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的圖形符號如圖所示。（a）圖中的

表示實(shí)際集成運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)，（b）圖中“

”表示理想集成運(yùn)放差模電壓放大倍數(shù)為極大。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器下以通用型集成運(yùn)算放大器LM741為例熟悉集成運(yùn)算放大器，其外形和管腳如下圖所示。它有8個管腳，各管腳的用途分別如下：2：反相輸入端；3：同相輸入端；6：輸出端；4：負(fù)電源端，接－15V的穩(wěn)壓電源；7：正電源端，接＋15V的穩(wěn)壓電源；1、5：外接調(diào)零電位器；8：空腳。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.集成運(yùn)算放大器的分類集成運(yùn)放按電路特性可分為通用型和專用型兩大類。通用型集成運(yùn)算放大器的參數(shù)指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般的工程設(shè)計，在沒有特殊參數(shù)要求情況下工作的集成運(yùn)放可列為通用型。專用型集成運(yùn)放是為滿足某些特殊要求或特定場合而設(shè)計的，其參數(shù)中往往有一項(xiàng)或幾項(xiàng)非常突出。專用型集成運(yùn)放按特性參數(shù)可分為低功耗或微功耗型、高精度型、高速型、寬帶型、高輸入阻抗型、高電壓型、低漂移型、低噪聲型、大功率型等。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器性能的好壞常用一些參數(shù)表征。這些參數(shù)是選用運(yùn)算放大器的主要依據(jù)。1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放沒有外接反饋電阻時（開環(huán)）的電壓放大倍數(shù)，即它體現(xiàn)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在~之間。越大，電路越穩(wěn)定。差模電壓放大倍數(shù)有時也用分貝（dB）數(shù)來表示，叫做差模電壓增益。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.共模抑制比它是用來綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，

越大越好，一般應(yīng)大于80dB。3.差模輸入電阻是指運(yùn)放對差模信號所呈現(xiàn)的電阻，即運(yùn)放兩輸入端之間的電阻。

愈大，運(yùn)算放大器精度愈高，的值一般是幾百千歐到幾兆歐姆。4.輸出電阻是指運(yùn)算放大器在開環(huán)狀態(tài)下，運(yùn)放等效為電壓源時的等效動態(tài)內(nèi)阻。它的值反映運(yùn)算放大器帶負(fù)載的能力，其值越小帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，

的值一般是幾十歐姆到幾百歐姆。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器5.輸入失調(diào)電壓一個理想的集成運(yùn)放能實(shí)現(xiàn)零輸入時零輸出，而實(shí)際的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓。

指為使輸出電壓為零，在輸入級所加的補(bǔ)償電壓值。它反映集成運(yùn)放差動放大部分參數(shù)的不對稱程度，顯然越小越好，一般為毫伏級。6.最大輸出電壓是指運(yùn)放在標(biāo)稱電源電壓時，其輸出端所能提供的最大不失真峰值電壓，有時也用

表示。一般電源電壓在±15V時，最大輸出電壓在±13V左右。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器三、理想集成運(yùn)放的主要特性及圖形符號1.理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及符號在分析運(yùn)算放大器時，為了使問題分析簡化，通常把集成運(yùn)算放大器看成理想運(yùn)算放大器。理想集成運(yùn)算放大器理想化的條件是：第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓（即同相輸入端和反相輸入端之間的電壓差值）之間的關(guān)系曲線，稱為電壓傳輸特性，如圖所示。圖中曲線上升部分的斜率為開環(huán)電壓放大倍數(shù)

，其輸出電壓不超過

。電壓傳輸特性分為線性區(qū)（虛線框內(nèi)）和非線性區(qū)（虛線框外）。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.集成運(yùn)放的工作特點(diǎn)（1）線性區(qū)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負(fù)反饋。兩個重要結(jié)論：①兩輸入端輸入電流近似為零，，稱為“虛斷”。

②同相輸入端和反相輸入端的電壓近似相等，，稱為“虛短”。（2）非線性區(qū)集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件是工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器兩個特點(diǎn)：①輸出電壓只有兩種狀態(tài)，不是正飽和電壓

，就是負(fù)飽和電壓②集成運(yùn)放的凈輸入電流近似為0，

，“虛斷”的概念仍然成立。綜上所述，在分析具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時，首先判斷集成運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)分，再運(yùn)用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)分析電路的工作原理。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器四、集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用1.反相輸入運(yùn)算電路指輸入信號加在反相輸入端與參考端之間，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后的輸出信號與輸入信號相位相反。這是應(yīng)用最廣的一種輸入方式，可構(gòu)成反相比例、加法、微分、積分等運(yùn)算電路。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（1）反相輸入比例運(yùn)算電路圖中為平衡電阻，反饋電阻

跨接于輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，則集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。根據(jù)“虛短”和“虛斷”分析可知“虛地”所以即第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：或閉環(huán)電壓放大倍數(shù)輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位相反。當(dāng)

時，

輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相反，稱為反相器。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（2）反相加法運(yùn)算電路在反相輸入比例運(yùn)算電路的反相輸入端加上若干個輸入信號電壓，就可以對多個輸入信號實(shí)現(xiàn)代數(shù)相加運(yùn)算。下圖是具有多個輸入信號的反相加法運(yùn)算電路。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩結(jié)論分析可知：其中，，…，所以第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知，上圖電路實(shí)現(xiàn)了各信號按比例進(jìn)行反相相加。如取則實(shí)現(xiàn)了各輸入信號的反相相加。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（3）反相積分電路把反相輸入比例運(yùn)算電路中的反饋電阻

換成電容

就構(gòu)成了反相積分電路，如下圖所示。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩結(jié)論分析可知：由圖可知所以第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知：輸出電壓為輸入電壓對時間的積分，且相位相反。積分電路的波形變換作用如下圖所示，可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動控制系統(tǒng)中用以延緩暫態(tài)過程的沖擊，使被控制的電動機(jī)外加電壓緩慢上升，避免其機(jī)械轉(zhuǎn)矩猛增，造成傳動機(jī)械的損壞。積分電路還常用來做顯示器的掃描電路，以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算等。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（4）反相微分電路將反相積分電路中的

和互換，就可得到反相微分（運(yùn)算）電路，如下圖所示。由于反相輸入端虛地，在這個電路中，A點(diǎn)同樣為“虛地”，即再根據(jù)“虛斷”的概念，則假設(shè)電容

的的初始電壓為0，那么則輸出電壓第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知：輸出電壓為輸入電壓對時間的微分，且相位相反。微分電路的波形變換作用如下圖所示，可將矩形波變成尖脈沖輸出。微分電路在自動控制系統(tǒng)中可用作加速環(huán)節(jié)，例如電動機(jī)出現(xiàn)短路故障時，起加速保護(hù)作用，迅速降低其供電電壓。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.同相輸入運(yùn)算電路指輸入信號加在同相輸入端與參考端之間，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后的輸出信號與輸入信號相位同相?？蓸?gòu)成同相比例、加法等運(yùn)算電路。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（1）同相輸入比例運(yùn)算電路電路如圖所示，反饋電阻

接到其反相端，使電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩個結(jié)論分析可知：即或第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知，輸出電壓與輸入電壓的相位相同，成一定比例關(guān)系。當(dāng)或時，如下圖所示，

，即

，即輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，該電路稱為電壓跟隨器

。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（2）同相加法電路在同相輸入比例運(yùn)算電路的同相輸入端加上若干個輸入信號電壓，就可以對多個輸入信號實(shí)現(xiàn)代數(shù)相加運(yùn)算。下圖是具有兩個輸入信號的同相加法運(yùn)算電路。由圖可知，根據(jù)“虛斷”的概念所以即解得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器又且，所以解得根據(jù)“虛短”可得整理后得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：若取，則若再有，則實(shí)現(xiàn)了同相加法運(yùn)算。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.差分輸入運(yùn)算電路當(dāng)運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端都接有輸入信號時，稱為差分輸入運(yùn)算電路，如下圖所示。對圖分析可知，又有綜合上式解得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：差分輸入運(yùn)算電路也稱為減法運(yùn)算電路，在測量與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器五、集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用運(yùn)算放大器工作在開環(huán)或正反饋時，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，此時輸出電壓

不是正飽和電壓

，就是負(fù)飽和電壓

，“虛短”現(xiàn)象不再存在，“虛斷”

仍然成立。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的典型電路。電壓比較器的基本功能是比較兩個或多個模擬量的大小，并由輸出端的高、低電平來表示比較結(jié)果。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器反相輸入電壓比較器：電路如下圖（a）所示。集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，工作在非線性區(qū)傳輸特性如圖（b）所示第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器若希望當(dāng)

，，只需將

與

調(diào)換即可構(gòu)成同相輸入電壓比較器，如圖（c）所示，