電子技術(shù)課件：集成運算放大電路及其應(yīng)用

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

本章以集成運算放大電路(以下簡稱集成運放)為研究對象，在介紹其內(nèi)部單元電路的基礎(chǔ)上，對集成運放的工作原理及性能指標(biāo)做簡要說明，最后介紹集成運放在信號運算電

路中的廣泛應(yīng)用。

3.1集成運算放大電路

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，集成運算放大器是基礎(chǔ)，它是具有兩個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、自動控制等領(lǐng)域外，在收音機、電視機、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:

(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)運算放大電路的輸入級采用差分放大電路。

(3)在集成運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。

3.1.1基本結(jié)構(gòu)

從本質(zhì)上講，集成運放是一個雙端輸入，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高增益放大電路。從外部來看，其結(jié)構(gòu)特點為兩個輸入端，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，集成運放常由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成，如圖3－1所示。圖3－1集成運放電路的組成

輸入級是提高運放性能的關(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、抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強。為此，輸入級均采用差分放大電路(見2.8節(jié))，它具有同相和反相兩個輸入端。中間級主要進行電壓放大，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，能夠輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補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運放電路提供穩(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靜態(tài)工作點穩(wěn)定工作。

3.1.2差分放大電路

差分放大電路是由兩個完全相同的三極管組成的對稱結(jié)構(gòu)的放大電路。它具有抑制共模信號放大差模信號的功能，并且可以有效地防止零點漂移現(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差模信號源呈現(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:它是在差模信號作用下差分放大電路相對于負(fù)載電阻RL而言的戴維南等效電路的內(nèi)阻。也可以認(rèn)為是在差模信號作用下，從RL

兩端向放大電路看進去的等效電阻。其在數(shù)值上等于差模信號作用下，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共模信號源呈現(xiàn)的等效電阻，即

3.1.3恒流源電路

集成運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，其表達式為

所得的集電極電流為

當(dāng)β?2時，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)簡單，應(yīng)用廣泛，但電源一定情況下，增大負(fù)載電流會造成電阻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(因為發(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，對應(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

，上式可簡化為．

當(dāng)β?1時

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，可以實現(xiàn)對負(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達到微安量級，而此時IR

仍然很大，所以限流電阻R=(UCC-UBE1)/IR不會太大。可見，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

因為IE2≈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

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

運放多級放大電路提供合適的靜態(tài)電流。利用一個基準(zhǔn)電流去獲得多個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)。下面通過一個簡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集成運算放大器簡介

如前邊所述，集成運放是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。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、中間級、輸出級和偏置電路四個單元組成。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻補償電路等

1.工作原理

圖3－8是一個由晶體三極管組成的簡單運放原理圖。圖3－8簡單運放原理圖

V1

、V2組成差動放大電路，信號由雙端輸入，單端輸出。為了提高整個電路的電壓增益，

V3

、V4構(gòu)成復(fù)合管，利用它組成共射極放大電路。由V5

、V6組成兩級電壓跟隨器而構(gòu)成電路的輸出級，它不僅可以提高帶負(fù)載的能力，而且可進一步使直流電位下降，以達到輸入信號電壓uid=ui1-ui2

為零時，輸出電壓uo=0V，同時二極管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放大電路的共模抑制比。。

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

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

2.偏置電路

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

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

為一對橫向PNP型晶體管，它們組成鏡像電流源IE8=IE9

，供給輸入級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，輸入級的偏置電路本身構(gòu)成反饋環(huán)，可減小零點漂移。

V12

和V13構(gòu)成雙端輸出的鏡像電流源。V12

是一個雙集電極的橫向PNP型晶體管，可視為兩個晶體管，它們的兩個基—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的有源負(fù)載;另一種輸出為V13A的集電極，供給輸出級的偏置電流，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

圖3－9(b)所示為741的簡化電路，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的特點。

3.1.5集成運放的性能指標(biāo)

集成運放對信號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放輸入端向差模輸入信號源索取電流的能力。要求rid

愈大愈好，一般集成運放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放在小信號輸出時的負(fù)載能力。有時只用最大輸出電流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放對共模輸入信號的抑制能力，其定義與差動放大電路相同。KCMR愈大愈好。

6.最大差模輸入電壓

Uidmax

從集成運放輸入端看進去，一般都有兩個或兩個以上的發(fā)射結(jié)相串聯(lián)，若輸入端的差模電壓過高，會使發(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

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

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稱程度和調(diào)零的難易。對集成運放我們要求輸入信號為零

時，輸出也為零，但實際中往往輸出不為零，將此電壓折合到集成運放的輸入端的電壓，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下降到中頻時的0.707倍時為截止頻率，用分貝表示正好下降了3dB，故對應(yīng)此時的頻率fh

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

Aod繼續(xù)下降;當(dāng)Aod

=1時，與此對應(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的條件下測量的。在實際應(yīng)用中，有時需要集成運放工作在大信號情況(輸出電壓峰值接近集成運放的最大輸出電壓Uopp

)，此時用轉(zhuǎn)換速率表示其特性:．

集成運放種類全、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給出了集成運放的性能特點和用途。無特殊要求時應(yīng)選用通用型集成運放，以便獲得較高的性價比。有特殊要求時選用特殊型集成運放會使電路性能提高。．

3.2集成運放的應(yīng)用

3.2.1集成運放的傳輸特性集成運放電路的圖形符號如圖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集成運放圖形符號

集成運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集成運放傳輸特性

1.集成運放的線性工作區(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，運算放大器是一個線性放大元件。Aod為運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，由于Aod

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

2.集成運放的非線性工作區(qū)

集成運放工作在飽和區(qū)時，這時輸出電壓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，

uo=+Uopp

。當(dāng)uP

<uN

時，

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

在分析由集成運放組成的運算電路時，通常將其視為理想化的集成運放，它除了具有“虛斷”和“虛短”的特點外，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→∞。

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

3.2.2比例運算電路

1.反相比例運算電路

如果輸入信號從集成運放的反相輸入端引入，便是反相比例運算電路。

圖3－12是一反相比例運算電路。輸入信號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'為補償電阻，以保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性，

R'電阻阻值為ui=0時，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反相比例運算電路

根據(jù)理想運放“虛斷”和“虛短”的特點可知:．

該式表明，

uo

與ui是比例關(guān)系，其比例系數(shù)是Rf∥R1

，負(fù)號表示uo與ui相位相反。當(dāng)R1=Rf時，則有u

o=-ui

。

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

2.同相比例運算電路

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

根據(jù)理想運放“虛斷”和“虛短”的特點可知:

由于集成運放的輸入電流為零，因而iR1=iF

，即

上式表明，

uo與ui

同相且uo大于ui。

同相比例運算電路作為一個放大器，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，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加法運算電路

若所有輸入信號均從集成運放的同一輸入端引入，則實現(xiàn)加法運算。加法運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

如果所有輸入信號在集成運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)理想運放“虛斷”和“虛短”的特點可知:

由反相求和電路可知:

解得．．

2.同相求和電路

如果所有輸入信號在集成運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)理想運放“虛斷”和“虛短”的特點可知:

則有

因為iP=0，所以．

即

求得．．

3.2.4加減運算電路

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

路統(tǒng)稱為加減運算電路。

1.兩輸入信號的加減運算

在集成運放同相輸入端引入一信號，反相輸入端引入另一信號，采用兩輸入信號的加減運算電路(如圖3－17所示)，便可實現(xiàn)兩個信號的加減運算。圖3－17兩輸入信號的加減運算

根據(jù)理想運放“虛斷”和“虛短”的特點可知:

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

uo1=-(Rf/R1)ui1

;當(dāng)電路中僅有信號ui2

作用時，其輸出為uo2

，此時該電路為同相比例運算電路，

uo2=uN/R1(R1

+Rf

)。根據(jù)疊加原理可知，電路輸出為．

又因為

由上面兩式可得

則．

．

2.四輸入信號的加減運算

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

上述四輸入信號的加減運算電路只用一個集成運放，也可以用兩個兩級求和集成完成和差運算，電路如圖3－19所示。圖3－19兩級集成運放組成的和差電路

由于理想運放的輸出電阻為零，所以其輸出電壓uo不受負(fù)載的影響。當(dāng)多級理想運放相連時，后級對前級的輸出電壓uo不產(chǎn)生影響。．

3.2.5積分運算

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

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

由電路得

因為反相輸入端是虛地，

uN=0，即

并且式中uC

(0)是積分前時刻電容C上的電壓，稱為電容端電壓的初始值，所以．．

當(dāng)uC(0)=0時，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，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)時間在[0，t1]期間時，

ui=-

E，電容器放電，則．

所以

當(dāng)t=t2

時，

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)果是在集成運放理想化下得出來的，與實際中誤差偏差較大。實際電路則是在電容兩端并接一個電阻Rf，利用Rf來抑制偏差。其電路如圖3－22所示。．圖3－22實際積分運算電路

3.2.6微分運算

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

因為iN=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。由于微分電路對輸入信號中的快速變化分量敏感，故其穩(wěn)定性差。在實際中采用圖3－23(b)所示的微分電路。

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

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

對于多個信號作用的運算電路，在分析單一信號作用的基礎(chǔ)上，利用疊加定理，得出輸入信號共同作用時，輸入與輸出的運算關(guān)系。

3.3能力訓(xùn)練

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

1.集成運算放大器的檢測

運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，引腳數(shù)目較多，對于檢測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單的電子線路進行檢測的方法。

檢測電路如圖3－24所示，運算放大器加上正負(fù)電源，將萬用表撥在直流50V擋，并加在其輸出端。靜態(tài)時，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，說明該運算放大器性能良好，而且放大能力很高。若萬用表指針擺動很小，說明其放大能

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

2.LM741運算放大器

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，之后再根據(jù)電壓或電流信號間接推算出物理量變化，以達到感測、控制的目的。很多情況

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

僅是放大信號，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，一般仍以運算放大器應(yīng)用較為廣泛，此處介紹LM741運算放大器。

LM741是一種應(yīng)用廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級放大就可以達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)部補償，

電路簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護電路，不易損壞。其工作時需要一對同樣大小的正負(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運算放大器外形圖圖3－26LM741運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)自動化控制設(shè)備中。其一作為低功耗放大器實現(xiàn)音頻信號的放大；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，人耳可以識別的聲音頻率范圍為20Hz~20kHz，其中對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)后傳入集成運放LM741，該音頻小信號由芯片3腳輸入，經(jīng)內(nèi)部多級放大電路對音頻信號進行逐級放大，最后通過6口將放大的音頻信號進行輸出。為了使得放大的音頻信號能夠驅(qū)動揚聲器負(fù)載，該電路的末級輸出采用無輸出變壓器的功率放大電路(簡稱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

的特性理想對稱。另外，二極管VD1

和VD2保證V1和V2

在靜態(tài)工作點時微導(dǎo)通，從而消除電路工作時出現(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兩個輸入電壓的大小進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低兩個電平。它在信號變換、檢測和波形產(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。

利用集成運放可組成簡單的電壓比較器。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，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放來實現(xiàn)。圖3－32是一個由集成運放組

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

。根據(jù)信號運算電路的分析方法，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)用于儀器儀表的測量方面。下面對其在電容測量及電子聽診器方面的應(yīng)用做進一步說明。

1)電容測量

圖3－34為集成運放組成的電容測量電路。該電路的測量原理是被測電容Cx

充、放電而形成三角波，測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，但實際上，由于A2

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

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

A2

以延遲約20μs的時間進

行振蕩，可以計算出Cx

對此進行補償。Cx電容量為1000μF

時的測量時間為10s。若R1和R2采用1kΩ的電阻，則測量時間可縮短到1/10。電路輸出uo

外接計數(shù)器，就可以讀出被測電容的容量。圖3－34電容測量電路

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，還能用在搜索機械噪聲源的定位等方面，其輸出可用磁帶錄音機錄下來供分析病情使用，或送入大功率的放大器另作他用。在實驗過程中，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。便宜的振膜和高價的振膜效果一樣好。

圖3－35為集成運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算放大電路IC1和電阻器R3~R5

等組成。低通濾波放大器由運算放大器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經(jīng)IC1~IC4濾波與放大后，驅(qū)動耳機BE發(fā)聲。經(jīng)IC2等低頻濾波后的音頻信號再經(jīng)IC5

進一步放大處理，驅(qū)動二極管VD

與耳機中的聲音同步閃亮。調(diào)節(jié)RP

的阻值，可改變耳機中音量的大小。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.集成運算放大電路由

、

、

和

四部分組成。其中，輸入級采用

電路;中間級具有很高的，采用

電路實現(xiàn)。

3.長尾式差動放大電路的發(fā)射極電阻Re

越大，對

越有利。

4.理想化的集成運放，具有

和

的特點。它的性能指標(biāo)均為理想化的，對應(yīng)的4個指標(biāo)分別為:、

、

、

。

5.分別用“反相”或“同相”填空。

(1)

比例運算電路中集成運放反相輸入端為虛地，而

比例運算電路中集成運放兩個輸入端的電位等于輸入電壓。

(2)

比例運算電路的輸入電阻大，而

比例運算電路的輸入電阻小。

(3)

比例運算電路的輸入電流等于零，而

比例運算電路的輸入電流等于流過反饋電阻中的電流。

(4)

比例運算電路的比例系數(shù)大于1，而

比例運算電路的比例系數(shù)小于零。

6.集成運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.集成運放的輸入失調(diào)電壓UIO

是兩輸入端電位之差。

(

)

2.集成運放的輸入失調(diào)電流IIO

是集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流之差。

(

)

3.運放的共模抑制比

(

)

4.有源負(fù)載可以增大放大電路的輸出電流。

(

)

5.在輸入信號作用時，偏置電路改變了各放大管的動態(tài)電流。(

)

6.運算電路中一般均引入負(fù)反饋。(

)

7.在運算電路中，集成運放的反相輸入端均為虛地。

(

)

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

)．

[題3.3]選擇題。

1.集成運放電路采用直接耦合方式是因為（）。

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.通用型集成運放適用于放大（）。

A.高頻信號

B.低頻信號

C.任何頻率信號

3.集成運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.集成運放的輸入級采用差分放大電路是因為可以（）。

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)，集成運放的中間級多采用（）。

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)理想對稱，晶體三極管的β=100，

rbb'=100Ω，

UBEQ=0.7V。試計算RW

滑動端在中點時V1管和V2管的發(fā)射極靜態(tài)電流IEQ，以及動態(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UBEQ=0.7V。

試求：(1)靜態(tài)時V1

管和V2

管的發(fā)射極電流。

(2)若靜態(tài)時，

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.