8.3集成運算放大電路8.3.1集成運算放大器的理想化條件8.3.2基本運算電路8.3.3信號測量電路8.3.4信號處理電路8.3.5波形產生電路8.3.6集成運放使用中的問題1將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上集成電路優點：工作穩定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小集成電路分類：模擬、數字集成電路；單極型、雙極型集成電路；小、中、大、超大規模集成電路；8.3

集成運算放大器集成電路的概念集成電路:1.電路一般采用直接耦合的電路結構，而不采用阻容耦合結構。2.輸入級采用差動放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂。3.NPN管和PNP管配合使用，從而改進單管的性能。4.大量采用恒流源設置靜態工作點或做有源負載，提高電路性能。特點：HOME2集成運算放大器的原理電路T3T4T5T1T2IS與uo反相

u+

u–反相輸入端同相輸入端與uo同相輸入級中間級輸出級對輸入級要求：盡量減小零漂,提高KCMRR，輸入阻抗ri

盡可能大對中間級要求：足夠大的電壓放大倍數。對輸出級要求：帶負載能力強,有足夠的輸出電流io

.輸出阻抗ro小8.3.1HOME3集成運放芯片＋－u－u+uo－＋＋

uo∞國際符號國內符號三種封裝形式：圓外殼封裝、扁平管封裝、雙列直插式封裝已經不用正在使用外形符號反相輸入端同相輸入端輸出端u+

u-

u0

均為對地電壓

u-

u+

u+u-uo8.31HOME4uiuo+UOM-UOMuiuo_++Ao例：若Ec=12V，Ao=106，則|ui|<12V時，運放處于線性區。線性放大區8.3.1集成運算放大器的理想化條件飽和區HOME51.開環差模電壓放大倍數Ad趨于無窮4.共模抑制比KCMMR趨于無窮2.差模輸入電阻rid趨于無窮3.輸出電阻ro趨于08.3.1、集成運放的理想化條件5.帶寬趨于無窮1.理想運放具有如下特點HOME6由于運放的開環放大倍數很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件虛短路輸出電壓恒定，放大倍數與負載變化無關。帶負載能力極強。虛開路運放工作在線性區的特點2.運放工作在線性區的兩個重要特性HOME7分析運放組成的線性電路的基本原則虛短路虛開路放大倍數與負載無關。u+uo_++u–Ii信號的放大、運算濾波電路運放線性應用HOME8HOME9＋

uo∞u-

u+uo3.電壓傳輸特性uomuid實際傳輸特性理想傳輸特性線性區非線性區非線性區-uomuidAo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其工作于線性區。HOME10比例運算電路作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。電路結構：引入深度電壓并聯負反饋或電壓串聯負反饋。這樣放大倍數與運放本身無關，只與反饋系數即外部元件有關。8.3.2

基本運算電路HOME11i1=i2.放大倍數虛短路虛開路1.反相比例運算電路結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。電壓并聯負反饋uo_++R2R1RPuii1i2總電流反饋電流凈輸入電流HOME12.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地的靜態電阻相等，保證靜態時輸入級的對稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當放大倍數大時，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數較大時，該電路結構不再適用。HOME13.共模電壓電位為0，虛地輸出電阻小；共模電壓為0；“虛地”是反相輸入的特點。_++R2R1RPuii1i2.反饋方式電壓并聯負反饋輸出電阻很小，輸入電阻也不大。HOME14反相比例電路的特點：1.共模輸入電壓為0，因此對運放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。接近恒壓源。3.由于并聯負反饋的作用，輸入電阻小，因此從信號源取的電流較大。對信號源要求較高。5.在放大倍數較大時，該電路結構不再適用。4.輸入和輸出反相。HOME152、同相比例運算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯負反饋。輸入電阻高。虛短路虛開路結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。虛開路udiufHOME16同相比例電路的特點：3.共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。2.由于串聯負反饋的作用，輸入電阻大。4.輸入與輸出同相，放大倍數大于等于1。HOME17_++uiuo此電路是電壓串聯負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器結構特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。HOME183.加減運算電路作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相求和與反相求和。電路結構：引入深度電壓并聯負反饋或電壓串聯負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系數有關。HOME19（1）加法運算電路R12_++R2R11ui2uoRPui1實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。圖8.22加法運算電路HOME20i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用疊加法求虛地HOME21在圖8.22所示的反相加法運算電路中，若R11=5k?，R12=10k?，RF=20k?，uI1=1V，uI2=2V，最大輸出電壓Uom=±12V。求輸出電壓uo

。解：因uo＜Uom

，故電路工作在線性區，可實現反相加法運算。例8.4HOME22_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：（2）減法運算電路：雙端輸入差動放大器疊加法圖8.23減法運算電路HOME23設計一個簡單的電壓比較器，要求如下：UREF=2V；輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V；當輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。解：

因輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。故輸入信號應加在反相輸入端，同相輸入端加2V的參考電壓。又因輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V，故可采用具有限幅作用的硅穩壓管接在輸出端，它的穩定電壓為6V。例8.6HOME24圖8.38[例8.6]的電路圖當輸出低電平時，穩壓管穩定電壓為6V，故輸出電壓為-6V。綜上所述，滿足設計要求的電路如圖8.38所示。當輸出高電平時，穩壓管作普通二極管使用，其導通電壓約為0.7V，故輸出電壓為0.7V；HOME25_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動放大器放大了兩個信號的差，可實現減法運算。該電路的特點是：由于采用雙端差動輸入，故具有高共模抑制比；但是由于有并聯負反饋存在，故它的輸入電阻不高。HOME261.它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運算電路與加減運算電路小結HOME27i1iFui-++RR2Cuo4.積分運算電路由于是反相積分故為負例一HOME28tui0tuo0U-UomTM積分時限如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出飽和。恒流充電，故積分效果好。幾乎線性，不是指數充電。HOME29tui0tuo0思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣，請自己計算。運放實驗中請自己驗證。輸入方波，輸出是三角波。例二也可以構作同相微分和同相積分電路，則輸出為正，輸入與輸出同相。HOME30積分電路的主要用途：1.在電子開關中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變為三角波。3.A/D轉換中，將電壓量變為時間量。4.移相。HOME31u–=u+=0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：5.微分運算電路HOMEuit032運算電路要求1.熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數公式。2.掌握以上基本運算電路的級聯組合的計算。3.會用“虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u–)

”分析給定運算電路的放大倍數。HOME338.3.3信號測量電路1.電壓-電流變換器R1R1++AR2R2uoUsRLIL（1）接地負載的電壓-電流變換器自己推導HOME34（2）懸浮負載的電壓-電流變換器要求：輸出電阻大。所以，要有電流負反饋。負載懸地！（a）反相電壓—電流變換器（b）同相電壓—電流變換器圖8.27懸浮負載的電壓—電流變換器HOME35_++R2iIRFiF基本的電流—電壓變換器uo

2.電流—電壓變換器HOME36典型的電流—電壓變換器_++R2iLRFiFUs+-uovHOME37把表頭改裝成靈敏度較高、輸入電阻較大的電壓表。_++RFRGF輸入電阻大，相當于電壓表的內阻是。IG正比于UX若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓

Uxmax=IGmaxRF=1mV3.電壓、電流的測量UxIG虛短路虛開路（1）電壓測量HOME38此電路的優點：(1)量程由表頭的滿偏電流IG和電阻RF決定。RF選用小電阻，能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對被測電路影響小；(3)測量值與表頭內阻RG無關，表頭的互換性好；(4)RF小，可以做得較精密。因此能較準確地測量小電壓。UX=UF=RF

IGHOME39電壓表擴大量程_++RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計算取R1=100kR2=900k,R3=1MR1R2R31mV10mV100mV圖8.30多量程直流電壓表HOME40_++RFRGF1mV表頭10010A10100A11mA表頭的滿偏電壓UG=IGRF=1mV（2）.電流測量+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX圖8.31多量程直流電流表HOME414.測量放大器uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRw+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻選擇合適的電阻，使輸出電壓與溫度之間有某一比例關系，由此可實現溫度測量及控制。測溫電橋圖8.33測量放大器us1us2HOME42(1)熱敏電阻Rt和R組成測量電橋。當電橋平衡時us1=us2

，相當于共模信號，故輸出uo=0，若測量橋臂感受溫度變化后，產生與ΔRt

相應的微小信號變化Δus1，這相當于差模信號，能進行有效地放大。(2)三個集成運放分為二級。第一級由A1和A2組成對稱差分放大電路，它們均為同相比例放大器，具有串聯反饋的形式，輸入電阻很大。第二級是A3，它是差分放大器，具有抑制共模信號的能力。由圖8.33可知：HOME43非線性應用：是指運放處于非線性工作狀態，即工作在飽和區。此時，輸出與輸入uo=f(ui)是非線性函數關系。運放組成非線性電路主要有以下兩種形式：運放處于開環uo++Auiuiuo飽和區線性放大區+UOM-UOMuoui8.3.4信號處理電路HOME44++AuoR1RF1ui運放電路中有正反饋。由于線性與非線性運放電路的分析方法不同，所以分析前，必須首先確定運放是否工作在線性區。HOME45確定運放工作區的方法：判斷電路中有無負反饋。若有負反饋，則運放工作在線性區；若無負反饋，或有正反饋，則運放工作在非線性區。處于非線性狀態運放的特點：1.虛短路不成立。2.輸入電阻仍可以認為很大。3.輸出電阻仍可以認為是0。分析非線性運放電路的依據：u+>u-

則輸出為+Uom，反之輸出為-UomHOME46uoui0+UOM-UOM++uoui1.信號幅度比較電路++uouiuoui0+UOM-UOM（1）電壓比較器傳輸特性曲線ui>0則輸出為正，反之為負。ui＜0則輸出為正，反之為負。過零比較HOME47++uouiURuoui0+Uom-UomUR當ui<UR時,uo=+Uom當ui>UR時,uo=-Uom

單閾值比較反相輸入（UR不為零）傳輸特性HOME48uoui0+Uom-UomUR傳輸特性UR：參考電壓ui：被比較信號

++uouiUR–特點：運放處于開環狀態。當ui>UR時,uo=+Uom當ui<UR時,uo=-Uom

同相端輸入HOME49++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變為方波。uot+Uom-Uom方波與正弦波同相。問：若反相輸入則如何？可實現過零檢測HOME50++uiuoui0+UZ-UZ電路改進：用穩壓管進行限幅。++uiuoUZRR′電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩壓管接在負反饋回路上uoUZR注意此電阻不可少此電路兼有線性與非線性兩種工作狀態HOME51單閾值比較器的特點1.電路簡單。2.當Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。tuiuot過零附近仍處于放大區uiuo飽和區線性放大區+UOM-UOMHOME52(2)滯回比較器8.39滯回比較器

HOME53由圖8.39(a)可知當輸出為+UZ時，當輸出為-UZ時，

稱為下限閾值電壓稱為上限閾值電壓

HOME54注意①由于該電路存在正反饋，因而輸出高、低電平轉換很快。

調節R2、R3的比值，可改變回差電壓值。回差電壓大，抗干擾能力強，延時增加。實用中，就是通過調整回差電壓來改變電路某些性能的。②兩個閾值的差稱為回差電壓，即這個正反饋過程很快使輸出uO由UZ跳轉到-UZ。例如，設開始時uO=UZ，當uI增加到UT+，使uO

有下降趨勢時，正反饋過程為：HOME55③還可以在同相端再加一個固定值的參考電壓UREF。此時，回差電壓不受影響，改變的只是閾值，在電壓傳輸特性上表現為特性曲線沿uI前后平移。因此，抗干擾能力不受影響，但越限保護電路的門限發生了改變。④目前有專門設計的集成比較器供選用。常用的單電壓集成比較器J631、四電壓集成比較器CB75339引腳圖如圖8.40所示。HOME56

（a）單電壓集成比較器（b）四電壓集成比較器圖8.40常用電壓比較器引腳圖HOME57電路如圖8.41（a）所示，試求上、下限閾值電壓，并畫出電壓傳輸特性。（a）電路圖（b）電壓傳輸特性圖8.41HOME例8.758

故當反相輸入端電壓ui

<-1.5V時，輸出電壓由低電平-6V跳變為高電平6V。電壓傳輸特性如圖8.41（b）所示。解：當反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓時，輸出電壓被雙向穩壓管箝位于在高電平6V。此時，同相輸入端電壓即為上限閾值電壓當ui

>-1.5V時，輸出電壓由高電平6V跳變為被雙向穩壓管箝位的低電平V。此時，同相輸入端電壓跳變為下限閾值電壓HOME59圖8.42窗口比較器(3)窗口比較器

窗口比較器的電路圖和電壓傳輸特性如圖8.42所示，主要用來檢測輸入電壓是否在兩個電平之間。HOME602．信號幅度的采樣保持采樣保持電路的任務是將信號定期和設備接通（稱為采樣），并且將那時的信號保持下來，直至下一次采樣后，又保持在新的電平。采樣保持電路是模數（A/D）轉換電路的一個組成部分，圖8.43基本采樣保持電路HOME61為了提高采樣保持電路的輸入電阻，降低電路的輸出電阻，以便減小信號源和負載對電路性能的影響，實用中可采用已制成單片集成電路的集成采樣保持器，其各引腳功能如圖8.44所示。圖8.44

LF198/298/398采樣保持電路HOME623.有源濾波器主要用作測量信號的低通濾波。(a)反相比例放大LPF（b）同相比例放大LPF

圖8.45低通濾波器（LPF）HOME63試確定圖8.45(b)所示的低通濾波器的電阻和電容值。要求fc=1kHz，Au=2。解①已知fc=1kHz，先取C=0.01μF，由②根據集成運放同相和反相兩個輸入端直流通路電阻平衡要求，有取用標稱值求取R值，故HOME例8.864已知但標稱值無32kΩ，則R1、RF均可采用二個標稱值為10kΩ和22kΩ的精密電阻串聯來代替。故HOME658.3.5波形產生電路1.正弦信號產生電路（1）.產生自激振蕩的原理改成正反饋只有正反饋電路才能產生自激振蕩。基本放大電路Ao反饋電路F+

–HOME66如果：則去掉仍有信號輸出。基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號代替了放大電路的輸入信號。基本放大電路Ao反饋電路F+

+HOME67自激振蕩條件的推導基本放大電路Ao反饋電路F+

–HOME68FAo=1自激振蕩的條件基本放大電路Ao反饋電路FHOME69如果：(1)正反饋足夠強,輸入信號為0時仍有信號輸出，這就是產生了自激振蕩。(2)要獲得非正弦自激振蕩,反饋回路中必須有RC充放電電路。例如：前面介紹的方波發生器、三角波發生器、鋸齒波發生器等。(3)要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數和反饋系數寫成：HOME70自激振蕩的條件：因為：所以，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過調整放大電路的放大倍數達到。HOME71問題1：如何啟振？Uo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時Uo=0，達到穩定振蕩時Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態擾動，這些擾動可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網絡：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。HOME72問題2：如何穩幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩幅，這時若|AF|仍大于1，則輸出將會飽和失真。達到需要的幅值后，將參數調整為AF=1，即可穩幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩定振蕩的條件：HOME73（2）.RC振蕩電路用RC電路構成選頻網絡的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網絡有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2一、選頻電路HOME74HOME75時，相移為0。R1C1R2C2HOME76如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：傳遞函數：相頻特性：幅頻特性：fof+90–90fHOME77二、用運放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因為：uo_++R2RCRCR1圖8.47RC文氏橋振蕩器HOME78在圖8.47中，試求①該振蕩電路的頻率范圍？②該采用多大的、什么樣的電阻才能得到較理想的正弦波輸出電壓？解：下限頻率為上限頻率為①HOME例8.979②電阻R1由同相比例運算電路的放大倍數為3求得因：故：為實現穩幅，R1

應采用正溫度系數的熱敏電阻。HOME80能自行啟動的電路（1）uotRtA半導體熱敏電阻起振時，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出uo為某值時，|AF|=1，從而穩幅。HOME81能自行啟動的電路（2）R22為一小電阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；_++R21RCCR1R22D1D2隨著uo的增加，R22逐漸被短接，A自動下降到使|AF|=1，使得輸出uo穩定在某值。HOME82輸出頻率的調整：通過調整R或/和C來調整頻率。_++RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：雙聯可調電容，改變C，用于細調振蕩頻率。K：雙聯波段開關，切換R，用于粗調振蕩頻率。HOME83電子琴的振蕩電路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21HOME84+-RR3R1R2VDZCucuoA

圖8.48矩形波發生電路電路組成(1)方波發生器2.非正弦信號產生電路HOME85工作原理HOME86振蕩周期HOME87RCucR2R1R3Rw

R'wR''wVDZuoA+-圖8.49占空比可調的矩形波發生電路占空比可調的矩形波發生電路HOME88占空比可調的矩形波發生電路和波形HOME89(2)鋸齒波發生電路積分運算電路(A2)起延時作用。電路的主要特點:（a）電路圖（b）波形圖圖8.50鋸齒波發生器同相輸入滯回比較器（A1）起開關作用；HOME90HOMEHOME91(3)壓控振蕩器圖中控制端電壓規定為正。