1、電工電子學1 集成電路是相對于分立元件而言的，就是把整個電路中的元器件以及各元件之間的聯結制作在一塊半導體基片上，構成具有特定功能的電子電路。集成電路按其功能可分為數字集成電路和模擬集成電路。集成運算放大器簡稱集成運放，是模擬集成電路中應用極為廣泛的一種。 本章主要介紹集成運放的組成、性能指標、反饋方式以及集成運放在信號運算、信號處理和信號產生等方面的應用。29.1 集成運算放大器概述 運算放大器是一種具有很高電壓放大倍數的多級直接耦合放大電路。隨著半導體集成工藝的發展，出現了集成運算放大器。由于采用集成工藝，和分立元件組成的具有同樣功能的電路相比，集成運放具有體積小、重量輕、成本低等優點，而

2、且實現了元件、電路和系統的統一，大大提高了設備的可靠性和穩定性。目前集成運放的品種除了通用型外，還出現了各種專用型，使得運算放大器的應用遠遠超出了數學運算范圍，在信號產生、信號處理、信號檢測、波形轉換和自動控制等方面獲得了廣泛的應用。39.1.1 集成運放的基本組成 集成運算放大器有很多種類型，不同類型的集成運放用途不同，其內部電路也不一樣。但不管內部結構如何，集成運放都是由四個基本部分組成：輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。如圖9.1.1所示。4u輸入級是集成運放的關鍵部分，要求具有較高的輸入電阻，能減小零點漂移和抑制干擾信號，常采用差動式放大電路。u中間級的主要作用是使集成運放獲得高的電壓

3、放大倍數，因此又稱電壓放大級。中間級常采用一級或多級共射放大電路。u輸出級與負載相接，要求具有較低的輸出電阻以提高帶負載能力，一般由射級輸出器或互補射級輸出器(功放電路)組成。u偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流（偏置電流）。5 9.1.2 差動放大電路1. 電路組成圖9.1.2所示是一個基本的差動放大電路，又稱射極耦合差動放大電路（長尾式差動放大電路），圖中兩管通過射極電阻RE和UEE耦合。該電路由兩個對稱的單管共射放大電路組成，晶體管T1和T2的特性相同，電路結構對稱，電路的參數也對稱，即RB1=RB2 =RB，RC1=RC2=RC。6 2. 信號輸入輸入信號有兩種類型：共模信號和差

4、模信號。（1）共模輸入當差放電路的兩個輸入端對地輸入信號ui1和ui2大小相等，極性相同時，即ui1 = ui2，稱為共模輸入。（2）差模輸入當差放電路的兩個輸入端對地輸入信號ui1和ui2大小相等，極性相反時，即 ，稱為差模輸入。通常兩個輸入端之間加入的信號之差稱為差模輸入信號。（3）比較輸入如果兩個輸入端信號既非共模，又非差模時，稱為比較輸入。7 2. 抑制零點漂移的原理 在圖9.1.2所示電路中，無論溫度變化還是電源電壓波動，都將使集電極電流產生變化，且變化趨勢是相同的，其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號uic。 8 在實際工作中，常常需要對地輸出，即從c1或c2對地輸出（這種輸出稱

5、為單端輸出），而這時漂移依然存在。實際上由于每管的零點漂移依然存在，電路不可能完全對稱，即使采用雙端輸出方式，兩個單管放大電路輸出漂移不可能完全抵消，因此在差放電路中引入射極電阻RE以減小每個單管放大電路的輸出漂移。它抑制零漂的原理如下。93. 輸入和輸出方式 差放電路有雙端輸入和單端輸入兩種輸入方式。同樣也有雙端輸出和單端輸出兩種輸出方式。因此，差動放大電路共有四種輸入輸出方式。（1）雙端輸入雙端輸出（2）雙端輸入單端輸出 （3）單端輸入雙端輸出（4）單端輸入單端輸出 10 4. 共模抑制比 差動放大電路對差模信號和共模信號都有放大作用，但對差動放大電路來說，差模信號是有用信號，共模信號則是

6、需要抑制的。因此要求差放電路的差模放大倍數盡可能大，而共模放大倍數盡可能小。為了衡量差放電路放大差模信號和抑制共模干擾的能力，引入共模抑制比作為技術指標，用KCMR表示。其定義為差模電壓放大倍數與共模電壓放大倍數之比，即 （9.1.11） 或用對數形式（單位為分貝，dB）表示： （9.1.12） 顯然，KCMR值越大越好。KCMR值越大，表明差放電路分辨差模信號的能力越強，受共模信號的影響越小。 11ucudAAKCMRucuducudAlgAlgAAlgK202020CMR9.1.3 集成運放的工作原理 1. 電路結構和工作原理圖9.1.8所示電路是一個三級直接耦合放大電路。122. 外形和

7、符號 集成運算放大器是一種集成器件，它的外形通常有三種形式：圓殼式、扁平式、雙列直插式，如圖9.1.9所示。目前常用的是第三、第四代的中大規模集成電路，外形為雙列直插式。雙列直插式有8、10、12、14、16管腳等種類，使用時可查閱有關手冊，辨認管腳，以便正確連線。13 (a) 圓金屬殼式 (b) 雙列直插式 (c) 扁平式 圖9.1.9 集成運放外形圖9.1.4 集成運放的特性 在實際應用中，集成運放可視為高電壓放大倍數、低漂移的放大器。為了合理使用集成運放，必須了解它的特性。下面介紹集成運放的主要參數、電壓傳輸特性和理想特性。 1. 集成運放的主要參數（1）開環電壓放大倍數Auo（2）最大

8、輸出電壓UOM（3）輸入失調電壓UIO（4）輸入失調電流IIO（5）輸入偏置電流IIB（6）共模抑制比KCMR（7）最大差模輸入電壓Uidmax（8）最大共模輸入電壓Uicmax14 集成運放的電壓傳輸特性是指開環應用時輸出電壓與輸入電壓的關系曲線。集成運放的電壓傳輸特性如圖9.1.12所示。從運放的電壓傳輸特性可以看出，集成運放有兩個工作區：線性區和飽和區。當運放工作在線性區時，輸出信號和輸入信號之間滿足線性關系：uo= Auo（u+ -u-） （9.1.14） 3. 集成運放的理想特性159.2 放大電路中的負反饋 在電子電路中，反饋技術得到了極為廣泛的應用。在放大電路中采用負反饋，可以改

9、善放大電路性能。因而實用的放大電路幾乎都采用負反饋，故通常將實用的放大電路稱作負反饋放大電路。本節將討論負反饋的概念，負反饋放大電路的類型，負反饋對放大電路性能的影響，以及負反饋的分析方法。 9.2.1 反饋的基本概念1. 反饋的定義 圖9.2.1 反饋放大電路框圖電路中的反饋是指將電路的輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部通過一定的電路（反饋電路）送回到輸入回路，與輸入信號一同控制電路的輸出。可用圖9.2.1所示的方框圖來表示。162. 反饋的分類 （1）正反饋和負反饋根據反饋極性的不同，可以分為正反饋和負反饋。（2）直流反饋和交流反饋根據反饋信號的交直流性質，可以將反饋分為直流反饋和交流反

10、饋。（3）電壓反饋和電流反饋根據輸出端反饋采樣信息的不同，可以將反饋分為電壓反饋和電流反饋。（4）串聯反饋和并聯反饋根據反饋信號與輸入信號在放大電路輸入端聯結方式的不同，可以將反饋分為串聯反饋和并聯反饋。17 3. 負反饋放大電路的一般表達式負反饋放大電路可用如圖9.2.2所示的方框圖表示。184. 放大電路中為何引入不同類型的負反饋放大電路工作時，由于多種因素影響，會使輸出信號變化，為使輸出信號保持穩定，放大電路都要引入某種類型的負反饋。負反饋放大電路的輸入端要和信號源相聯接，輸出端要和負載相聯接，因此放大電路引入負反饋時必須和信號源及負載匹配。9.2.2 負反饋放大電路的分析很多情況下，放

11、大電路中交、直流反饋同時存在。放大電路中引入負反饋是為了改善其動態性能，直流負反饋多為穩定工作點而設置，因此，這里主要討論的是交流負反饋。（1）反饋極性的判別（2）反饋方式的判別19 1. 串聯電壓負反饋 圖9.2.3（a）所示是一個由理想運放組成的放大電路，輸入信號加在同相輸入端。分析步驟如下： 圖9.2.3 串聯電壓負反饋202. 串聯電流負反饋 由理想運放組成的同相輸入放大電路如圖9.2.4（a）所示。 圖9.2.4 串聯電流負反饋213. 并聯電壓負反饋 由理想運放組成的反相輸入放大電路如圖9.2.6（a）所示，同相端經電阻R2接地。 圖9.2.6 并聯電壓負反饋224并聯電流負反饋

12、電路如圖9.2.8（a）所示。輸入信號由運放的反相端輸入，同相端經電阻R2接地。 圖9.2.8 并聯電流負反饋23 9.2.3 負反饋對放大電路性能的影響放大電路中引入負反饋后，反饋信號削弱了輸入信號，使得凈輸入信號減小，導致輸出信號減小而使閉環放大倍數下降， 。但是放大電路的各種性能指標卻得以改善，故它的應用十分廣泛。 1提高放大倍數的穩定性 2. 擴展通頻帶通頻帶是放大電路的技術指標，某些放大電路要求有較寬的通頻帶。引入負反饋是展寬頻帶的有效措施之一。 3. 減小非線性失真 由于放大電路中含有非線性器件，會使輸出波形產生非線性失真。 4. 對輸入電阻和輸出電阻的影響放大電路引入負反饋后，由

13、于反饋電路的接入，勢必對放大電路的輸入、輸出電阻產生影響。反饋類型和反饋深度不同，影響程度也不相同。24ofAA9.3 集成運放在信號運算方面的應用 由于開環電壓放大倍數Auo很高，集成運放開環工作時線性區很窄。因此，為了保證運放處于線性工作區，通常都要引入深度負反饋。集成運放引入適當的負反饋，可以使輸出和輸入之間滿足某種特定的函數關系，實現特定的模擬運算。當反饋電路為線性電路時，可以實現比例、加法、減法、積分、微分等運算。 1反相輸入比例運算 反相輸入比例運算電路如圖9.3.1所示。輸入信號經R1加到反相輸入端，同相輸入端通過R2接地。R2為平衡電阻，其作用是保持運放輸入級電路的對稱性，一般

14、取R2=R1/Rf。反饋電阻Rf跨接在輸出端與反相輸入端之間，形成深度并聯電壓負反饋。25 圖9.3.1 反相比例運算電路 2同相輸入比例運算同相輸入比例運算電路如圖9.3.2所示。輸入信號經R2加到同相輸入端，反相輸入端通過R1接地。反饋電阻Rf仍然接在輸出端與反相輸入端之間，形成深度串聯電壓負反饋。與圖9.3.1電路一樣，R2為平衡電阻， 取R2=R1/Rf。269.3.3 減法運算在基本運算電路中，如果兩個輸入端都有信號輸入，為差動輸入，電路實現差動運算。差動運算被廣泛地應用在測量和控制系統中。圖9.3.7所示的是采用差動輸入方式的減法運算電路。兩輸入信號ui1和ui2分別加到運放的反相

15、端和同相端，輸出電壓仍然由Rf送回到反相端。為了使兩輸入端平衡以提高共模抑制比，一般取R1=R2，Rf=R3。采用疊加原理進行分析。279.3.4 積分運算 圖9.3.11所示為積分運算電路。與反相比例運算電路結構相似，只是用電容C代替電阻Rf作為反饋元件。28299.3.5 微分運算如果將積分電路中電容C與電阻R1位置對調，則得到如圖9.3.14所示的微分運算電路。9.4 集成運放在信號處理方面的應用 在電路系統中，常需要對信號進行各種處理，如濾波、電壓比較、采樣保持等。本節介紹集成運放作為有源濾波器和電壓比較器的應用。 9.4.1 有源濾波器濾波器是一種選頻電路，它能使頻率在選定范圍內的信

16、號順利通過，而超出此范圍的信號則衰減很大，從而選出有用信號，抑制無用信號。在無線電通信、自動控制和各種測量系統中都有著重要的應用。301. 低通濾波器圖9.4.1（a）是一個低通濾波電路。它由一階RC低通濾波電路和同相輸入的集成運放組成。設輸入信號ui是頻率為 的正弦電壓，可用向量 表示。31Ui2. 高通濾波器將低通濾波電路中R和C的位置對調就變為高通濾波電路。圖9.4.3（a）是一個一階RC高通濾波電路。329.4.2 電壓比較器 電壓比較器的主要功能是對兩個電壓進行比較，并可判斷出其大小。由于集成運放的開環電壓放大倍數極高，兩個輸入端之間只要有微小電壓，運放便進入非線性區，輸出為飽和值。

17、當運放工作在飽和區時，當u+ u-時，輸出電壓uo為正飽和Uo+；當u+ u- 時，輸出電壓uo為負飽和Uo- 。因此，若將運放的兩個輸入端分別接輸入電壓和參考電壓，并使其工作在開環狀態，便構成電壓比較器。電壓比較器在測量、通信和波形變換等方面應用廣泛。1基本電壓比較器2過零比較器3有限幅的比較器339.5 集成運放在信號產生方面的應用 實際應用中有各種類型的信號產生電路，其中正弦波振蕩器是應用十分廣泛的一種信號產生電路。正弦波振蕩電路是無需外加輸入信號便能自動產生正弦交流信號的電路，通過調整振蕩電路的參數，可改變正弦波信號的頻率和幅值。它是無線電通信、廣播系統的重要組成部分，也廣泛應用在測量、遙控和自動控制等領域。 利用集成運放可以構成正弦波振蕩器，其實質是放大器引入了正反饋。34 9.5.1 產生正弦波振蕩的條件1. 自激振蕩及其產生的條件所謂自激振蕩是指在不外加信號的條件下，內部電路能