第5章集成运算放大器及其应用
在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。
集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产，因此其发展速度极为惊人。目前集成电路的应用几乎遍及所有产业的各种产品中。在军事设备、工业设备、通信设备、计算机和家用电器等中都采用了集成电路。
集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模/数和数/模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。
在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种，也是其他各类模拟集成电路应用的基础，因此这里首先给予介绍。
5.1 集成电路与运算放大器简介
5.1.1 集成运算放大器概述
集成运放是模拟集成电路中应用最为广泛的一种，它实际上是一种高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。之所以被称为运算放大器，是因为该器件最初主要用于模拟计算机中实现数值运算的缘故。实际上，目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍沿用了运算放大器（简称运放）的名称。
集成运放的发展十分迅速。通用型产品经历了四代更替，各项技术指标不断改进。同时，发展了适应特殊需要的各种专用型集成运放。
第一代集成运放以μA709（我国的FC3）为代表，特点是采用了微电流的恒流源、共模负反馈等电路，它的性能指标比一般的分立元件要提高。主要缺点是内部缺乏过电流保护，输出短路容易损坏。
第二代集成运放以二十世纪六十年代的μA741型高增益运放为代表，它的特点是普遍采用了有源负载，因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。电路中还有过流保护措施。但是输入失调参数和共模抑制比指标不理想。
第三代集成运放代以二十世纪七十年代的AD508为代表，其特点使输入级采用了“超β管”，且工作电流很低。从而使输入失调电流和温漂等项参数值大大下降。
第四代集成运放以二十世纪八十年代的HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。将场效应管和双极型管兼容在同一块硅片上，输入级采用MOS场效应管，输入电阻达100MΩ以上，而且采取调制和解调措施，成为自稳零运算放大器，使失调电压和温漂进一步降低，一般无须调零即可使用。
目前，集成运放和其他模拟集成电路正向高速、高压、低功耗、低零漂、低噪声、大功率、大规模集成、专业化等方向发展。
除了通用型集成运放外，有些特殊需要的场合要求使用某一特定指标相对比较突出的运
103
104 放，即专用型运放。常见的专用型运放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高压型、大功率型、高精度型、跨导型、低噪声型等。
5.1.2 模拟集成电路的特点
由于受制造工艺的限制，模拟集成电路与分立元件电路相比具有如下特点：
1.采用有源器件
由于制造工艺的原因，在集成电路中制造有源器件比制造大电阻容易实现。因此大电阻多用有源器件构成的恒流源电路代替，以获得稳定的偏置电流。BJT 比二极管更易制作，一般用集-基短路的BJT 代替二极管。
2.采用直接耦合作为级间耦合方式
由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过100pF ，至于电感，只能限于极小的数值（1 H 以下）。因此，在集成电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。
3.采用多管复合或组合电路
集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是BJT 或FET 最容易制作，而复合和组合结构的电路性能较好，因此，在集成电路中多采用复合管（一般为两管复合）和组合（共射-共基、共集-共基组合等）电路。
5.1.3 集成运放的基本组成
u N
u
P
图5-1
集成运放的组成框图
集成运放的类型很多，电路也不尽相同，但结构具有共同之处，其一般的内部组成原理框图如图5-1所示，它主要由输入级、中间级和输出级和偏置电路四个主要环节组成。输入级主要由差动放大电路构成，以减小运放的零漂和其他方面的性能，它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。中间级的主要作用是获得高的电压增益，一般由一级或多级放大器构成。输出级一般由电压跟随器（电压缓冲放大器）或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高运放的带负载能力和输出功率。偏置电路则是为各级提供合适的工作点及能源的。此外，为获得电路性能的优化，集成运放内部还增加了一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路和频率补偿电路等。
u N u o u P u N
u P u o (b) (a)
图5-2 集成运放的电路符号
a ）国际符号
b ）惯用符号
集成运放的电路符号如图5-2所示（省略了电源端、调零端等）。集成运放有两个输入
105 端分别称为同相输入端u P 和反相输入端u N ；一个输出端u o 。其中的“-”、“+”分别表示反相输入端u N 和同相输入端u P 。在实际应用时，需要了解集成运放外部各引出端的功能及相应的接法，但一般不需要画出其内部电路。
5.1.4 集成运放的主要参数
集成运放的参数是否正确、合理选择是使用运放的基本依据，因此了解其各性能参数及其意义是十分必要的。集成运放的主要参数有以下几种。
1.开环差模电压增益Aod
是指运放在开环、线性放大区并在规定的测试负载和输出电压幅度的条件下的直流差模电压增益（绝对值）。一般运放的A od 为60～120dB ，性能较好的运放A od ＞140dB 。
值得注意的是，一般希望A od 越大越好，实际的A od 与工作频率有关，当频率大于一定值后，A od 随频率升高而迅速下降。
2.温度漂移
放大器的零点漂移的主要来源是温度漂移，而温度漂移对输出的影响可以折合为等效输入失调电压U IO 和输入失调电流I IO ，因此可以用以下指标来表示放大器的温度稳定性即温漂指标。
在规定的温度范围内，输入失调电压的变化量?U IO 与引起U IO 变化的温度变化量?T 之比，称为输入失调电压/温度系数?U IO /?T 。?U IO /?T 越小越好，一般为±(10～20) μV/℃。
3.最大差模输入电压U id,max
这是指集成运放的两个输入端之间所允许的最大输入电压值。若输入电压超过该值，则可能使运放输入级BJT 的其中一个发射结产生反向击穿。显然这是不允许的。U id,max 大一些好，一般为几到几十伏。
4.最大共模输入电压U ic,max
这是指运放输入端所允许的最大共模输入电压。若共模输入电压超过该值，则可能造成运放工作不正常，其共模抑制比K CMR 将明显下降。显然，U ic,ma x 大一些好，高质量运放最大共模输入电压可达十几伏。
5.单位增益带宽f T
f T 是指使运放开环差模电压增益A od 下降到0dB （即A od =1）时的信号频率，它与三极管的特征频率f T 相类似，是集成运放的重要参数。
6.开环带宽f H
f H 是指使运放开环差模电压增益A od 下降为直流增益的21倍（相当于-3dB ）时的信号频率。由于运放的增益很高，因此f H 一般较低，约几赫兹至几百赫兹左右（宽带高速运放除外）。
7.转换速率S R
这是指运放在闭环状态下，输入为大信号（如矩形波信号等）时，其输出电压对时间的最大变化速率，即
max
o R d )(d t t u S = 转换速率S R 反映运放对高速变化的输入信号的响应情况，主要与补偿电容、运放内部各管的极间电容、杂散电容等因素有关。S R 大一些好，S R 越大，则说明运放的高频性能越好。一般运放S R 小于1V/μs ，高速运放可达65 V/μs 以上。
需要指出的是，转换速率S R是由运放瞬态响应情况得到的参数，而单位增益带宽f T和开环带宽f H是由运放频率响应（即稳态响应）情况得到的参数，它们均反映了运放的高频性能，从这一点来看，它们的本质是一致的。但它们分别是在大信号和小信号的条件下得到的，从结果看，它们之间有较大的差别。
8.最大输出电压U o,max
最大输出电压U o,max是指在一定的电源电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰－峰值。
除上述指标外，集成运放的参数还有共模抑制比K CMR、差模输入电阻R id、共模输入电阻R ic、输出电阻R o、电源参数、静态功耗P C等，其含义可查阅相关手册，这里不再赘述。
5.2差动放大电路
5.2.1 零点漂移
集成运放电路各级之间由于均采用直接耦合方式，直接耦合放大电路具有良好的低频频率特性，可以放大缓慢变化甚至接近于零频（直流）的信号（如温度、湿度等缓慢变化的传感信号），但却有一个致命的缺点，即当温度变化或电路参数等因素稍有变化时，电路工作点将随之变化，输出端电压偏离静态值（相当于交流信号零点）而上下漂动，这种现象称为““零点漂移””，简称“零漂”。
由于存在零漂，即使输入信号为零，也会在输出端产生电压变化从而造成电路误动作，显然这是不允许的。当然，如果漂移电压与输入电压相比很小，则影响不大，但如果输入端等效漂移电压与输入电压相比很接近或很大，即漂移严重时，则有用信号就会被漂移信号严重干扰，结果使电路无法正常工作。容易理解，多级放大器中第一级放大器零漂的影响最为严重。如放大器第一级的静态工作点由于温度的变化，使电压稍有偏移时，第一级的输出电压就将发生微小的变化，这种缓慢微小的变化经过多级放大器逐步放大后，输出端就会产生较大的漂移电压。显然，直流放大器的级数越多，放大倍数越高，输出的漂移现象越严重。
因此，直接耦合放大电路必须采取措施来抑制零漂。抑制零点漂移的措施通常采用以下几种：第一是采用质量好的硅管。硅管受温度的影响比锗管小得多，所以目前要求较高的直流放大器的前置放大级几乎都采用硅管。第二是采用热敏元件进行补偿。就是利用温度对非线性元件（晶体管二极管、热敏电阻等）的影响，来抵消温度对放大电路中三极管参数的影响所产生的漂移。第三是采用差动式放大电路。这是一种广泛应用的电路，它是利用特性相同的晶体管进行温度补偿来抑制零点漂移的，将在下面介绍。
5.2.2 简单差动放大电路
差动放大电路又称为差分放大器。这种电路能有效的减少三极管的参数随温度变化所引起的漂移，较好地解决在直流放大器中放大倍数和零点漂移的矛盾，因而在分立元件和集成电路中获得十分广泛的应用。
1.电路组成和工作原理
简单差动放大电路如图5-3所示，它由两个完全对称的单管放大电路构成，有两个输入端和两个输出端。其中三极管VT1, VT2的参数和特性完全相同（如β1 =β2 =β等），R B1=R B2=R B，R C1=R C2=R C。显然，两个单管放大电路的静态工作点和电压增益等均相同。当然，实际电路
106
107 总存在一定的差异，不可能完全对称，但在集成电路中，这种差异很小。
图5-3 简单差动放大电路
由于两管电路完全对称，因此，静态（u i =0）时，直流工作点U C1=U C2 ，此时电路的输出u o = U C1-U C2 = 0（这种情况称为零输入时零输出）。当温度变化引起管子参数变化时，每一单管放大器的工作点必然随之改变（存在零漂），但由于电路的对称性，U C1和U C2同时增大或减小，并保持U C1 =U C2，即始终有输出电压u o =0，或者说零漂被抑制了。这就是差动放大电路抑制零漂的原理。
设每个单管放大电路的放大倍数为A u 1，在电路完全对称的情况下，有
o1o2c 1i1i2be
u u u R A u u r β==≈- （5.1） 显然u o1=A u 1u i1，u o2=A u 1u i2 ，而差动放大电路的输出取自两个对称单管放大电路的两个输出端之间（称为平衡输出或双端输出），其输出电压
u o = u o1-u o2= A u1(u i1-u i2) （5.2）
由式（5.2）可知，差动放大电路输出电压与两单管放大电路的输入电压之差成正比，“差动”的概念由此而来。
实际的输入信号（即有用信号）电压通常加到两个输入端之间（称为平衡输入或双端输入），由于电路对称，因此两管的发射结电流大小相等、方向相反，此时若一管的输出电压升高，另一管则降低，且有u o1= -u o2 ，所以u o =u o1-u o2=2u o1，因此输出电压不但不会为0，反而比单管输出大一倍。这就是差动放大电路可以有效放大有用输入信号的原理。
设有用信号输入时，两管各自的输入电压（参考方向均为b 极指向e 极）分别用u id1和u id2表示，则有，u id1 = u i /2，u id2= -u i /2，u id1= -u id2。
显然，u id1与u id2大小相等、极性相反，通常称它们为一对差模输入信号或差模信号。而电路的差动输入信号则为两管差模输入信号之差，即u id =u id1-u id2=2u id1= u i 。在只有差模输入电压u id 作用时，差动放大电路的输出电压就是差动输出电压u od 。通常把输入差模信号时的放大器增益称为差模增益，用A u d 表示，即
id
od d u u A u = （5.3） 显然，差模增益就是通常的放大器的电压增益，对于简单差动放大电路，有
be
c 1
d r R A A A u u u β-≈== （5.4） 差模增益A u d 表示电路放大有用信号的能力。一般情况下要求|A u d | 尽可能大。
以上讨论的是差动放大电路如何放大有用信号的。下面介绍它是如何抑制零漂信号（即
108 共模信号）的原理，
设在一定的温度变化值?T 的情况下，两个单管放大器的输出漂移电压分别为u oc1和u oc2 ，u oc1和u oc2折合到各自输入端的等效输入漂移电压分别为u ic1和u ic2 ，显然有
u oc1 = u oc2 ，u ic1 = u ic2
将u ic1与u ic2分别加到差动放大电路的两个输入端，它们大小相等，极性相同，通常称它们为一对共模输入信号或共模信号。共模信号可以表示为u ic1 = u ic2 = u ic 。显然，共模信号并不是实际的有用信号，而是温度等因素变化所产生的漂移或干扰信号，因此需要进行抑制。
当只有共模输入电压u ic 作用时，差动放大电路的输出电压就是共模输出电压u oc ，通常把输入共模信号时的放大器增益称为共模增益，用A u c 表示，则
ic
oc c u u A u = （5.5） 在电路完全对称情况下，差动放大电路双端输出时的u oc =0，则A u c =0
共模增益A u c 表示电路抑制共模信号的能力。|A u c |越小，电路抑制共模信号的能力也越强。当然，实际差动放大电路的两个单管放大器不可能做到完全对称，因此A u c 不可能完全等于0。
需要指出的是，差动放大电路实际工作时，总是既存在差模信号，也存在共模信号，因此，实际的u i1和u i2可表示为
u i1=u ic +u id1
u i2=u ic +u id2=u ic -u id1
由上述二式容易得到：
u ic =(u i1+u i2)/2 （5.6）
u id1= -u id2 =(u i1-u i2)/2
电路的差模输入电压
u id =2u id1= u i1-u i2 = u i （5.7）
2.共模抑制比
在差模信号和共模信号同时存在的情况下，若电路基本对称，则对输出起主要作用的是差模信号，而共模信号对输出的作用要尽可能被抑制。为定量反映放大器放大有用的差模信号和抑制有害的共模信号的能力，通常引入参数共模抑制比，用K CMR 表示。它定义为
c
d CMR u u A A K = （5.8a ） 共模抑制比用分贝表示则为
）
（dB lg 20c d
CMR u u A A K = （5.8b ） 显然，K CMR 越大，输出信号中的共模成分相对越少，电路对共模信号的抑制能力就越强。
5.2.3 射极耦合差动放大电路
前面所讨论的简单差动放大电路在实际应用中存在以下不足。
① 即使电路完全对称，每一单管放大电路仍存在较大的零漂，在单端输出（非对称输出，即输出取自任一单管放大电路的输出）的情况下，该电路和普通放大电路一样，没有任何抑制零漂的能力。电路不完全对称时，抑制零漂的作用明显变差。
② 每一单管放大电路存在的零漂（即工作点的漂移）可能使它们均工作于饱和区，从而使整个放大器无法正常工作。
采用射极耦合差动放大电路可以较好地克服简单差动放大电路的不足，一种实用的射极耦合差动放大电路如图5-4a所示，电路中接入-V EE的目的是为了保证输入端在未接信号时基本为零输入（I B, R B均很小），同时又给BJT发射结提供了正偏。其中，R C1=R C2=R C，R B1=R B2=R B。
由图5-4a可以看出，射极耦合差动放大电路与简单差动放大电路的关键不同之处在于两管的发射极串联了一个公共电阻R E（因此也称为电阻长尾式差动放大电路），而正是R E的接入使得电路的性能发生了明显变化。
当输入信号为差模信号时，则u i1=-u i2 =u id/2，因此两管的发射极电流i E1和i E2将一个增大、另一个同量减小，即流过R E的电流i E=i E1+i E2保持不变，R E两端的电压也保持不变（相当于交流i E=0, u E=0），也就是说，R E对差模信号可视为短路，由此可得该电路的差模交流通路如图5-4b所示。显然，R E的接入对差模信号的放大没有任何影响。
当输入（等效输入）信号为共模信号时，则u ic1=u ic2 =u ic，因此两管的发射极电流i E1和i E2将同时同量增大或减小，相当于交流i E1= i E2，即i E=i E1+i E2=2i E1，u E= i E R E=2i E1R E。容易看出，此时R E对每一单管放大电路所呈现的等效电阻为2R E，由此可得该电路的共模交流通路如图5-4c所示。显然，R E的接入对共模信号产生了明显影响，这个影响就是每一单管放大电路相当于引入了反馈电阻为2R E的电流串联负反馈。当R E较大时，单端输出的共模增益也很低，有效地抑制了零漂，并稳定了静态工作点。
由图5-4c可以看出，R E越大，共模负反馈越深，可以有效地提高差动放大电路的共模抑制比。但由于集成电路制造工艺的限制，R E不可能很大；另外，R E太大，则要求负电源电压也很高（以产生一定的直流偏置电流），这一点对电路的实现是不利的。针对上述问题，可以考虑将R E用直流恒流源来代替。
图5-4射极耦合差动放大电路
a）基本电路b)差模交流通路d)共模交流通路
109
5.3 集成运放的应用
集成运放应用十分广泛，电路的接法不同，集成运放电路所处的工作状态也不同，电路也就呈现出不同的特点。因此可以把集成运放的应用分为两类：线性应用和非线性应用。
5.3.1 集成运放的线性应用
在集成运放的线性应用电路中，集成运放与外部电阻、电容和半导体器件等一起构成深度负反馈电路或兼有正反馈而以负反馈为主。此时，集成运放本身处于线性工作状态，即其输出量和净输入量成线性关系，但整个应用电路的输出和输入也可能是非线性关系。
需要说明的是，在实际的电路设计或分析过程中常常把集成运放理想化。理想运放具有以下理想参数。
①开环电压增益A od→∞。
②差模输入电阻r id→∞。
③输出电阻r od=0。
④共模抑制比K CMR→∞，即没有温度漂移。
⑤开环带宽f H→∞。
⑥转换速率S R→∞。
⑦输入端的偏置电流I BN=I BP=0。
⑧干扰和噪声均不存在。
在一定的工作参数和运算精度要求范围内，采用理想运放进行设计或分析的结果与实际情况相差很小，误差可以忽略，但却大大简化了设计或分析过程。
集成运放实际是一种高增益的电压放大器，其电压增益可达104~106以上。另外其输入阻抗很高，BJT型运放达几百千欧以上，MOS型运放则更高；而输出电阻较小，一般在几十欧左右，并具有一定的输出电流驱动能力，最大可达几十到几百毫安。
由于集成运放的开环增益很高，且通频带很低（几到几百Hz，宽带高速运放除外），因此当集成运放工作在线性放大状态时，均引入外部负反馈，而且通常为深度负反馈。由前面关于深度负反馈放大器计算的讨论可知，运放两个输入端之间的实际输入（净输入）电压可以近似看成为0，相当于短路，
即u P=u N（5.9）但由于两输入端之间不是真正的短路，故称为“虚短”。
另外，由于集成运放的输入电阻很高，而净输入电压又近似为0，因此，流经运放两输入端的电流可以近似看成为0，
即i IN=i IP=0 （5.10）（以后i IN和i IP都用i I表示，i I=0），相当于开路。但由于两输入端间不是真正的开路，故称为“虚断”。
利用“虚短”和“虚断”的概念，可以十分方便地对集成运放的线性应用电路进行快速简捷地分析。
集成运放的线性应用主要有模拟信号的产生、运算、放大、滤波等。下面首先从基本运算电路开始讨论。
1.比例运算电路
比例运算电路是运算电路中最简单的电路，其输出电压与输入电压成比例关系。比例运110
111 算电路有反相输入和同相输入两种。
（1）反相输入比例运算电路
图5-5所示为反相输入比例运算电路，该电路输入信号加在反相输入端上，输出电压与输入电压的相位相反，故得名。在实际电路中，为减小温漂提高运算精度，同相端必须加接平衡电阻R P 接地，R P 的作用是保持运放输入级差分放大电路具有良好的对称性，减小温漂提高运算精度，。其阻值应为R P =R 1//R f 。后面电路同理。
由于运放工作在线性区，净输入电压和净输入电流都为零。
图5-5 反相输入比例运算电路
由“虚短”的概念可知，在P 端接地时，u P =u N =0，称N 端为“虚地”。
由“虚断”的概念可知i i =i f 有
f
o 1R u R u i -= 该电路的电压增益 1
f i o f R R u u A u -== 即 i 1
f o u R R u -= （5.11） 输出电压u o 与输入电压u i 之间成比例（负值）关系。
该电路引入了电压并联深度负反馈，电路输入阻抗（为R 1）较小，但由于出现虚地，放大电路不存在共模信号，对运放的共模抑制比要求也不高，因此该电路应用场合较多。
值得注意的是，虽然电压增益只和R f 和R 1的比值有关，但是电路中电阻R 1、R P 、R f 的取值应有一定的范围。若R 1、R P 、R f 的取值太小，由于一般运算放大器的输出电流一般为几十毫安，若R 1、R P 、R f 的取值为几欧姆的话，输出电压最大只有几百毫伏。若R 1、R P 、R f 的取值太大，虽然能满足输出电压的要求，但同时又会带来饱和失真和电阻热噪声的问题。通常取R 1的值为几百欧姆至几千欧姆。取R f 的值为几千至几百千欧姆。后面电路同理。
（2）同相输入比例运算电路
图5-6 同相输入比例运算电路
图5-6所示为同相输入比例运算电路，由于输入信号加在同相输入端，输出电压和输入
112 电压的相位相同，因此将它称为同相放大器。
由“虚断”的概念可知i P =i N =0，由“虚短”的概念可知u i =u p =u N
其电压增益
1
f f o i o f 1R R u u u u A u +=== 即 i 1f o 1u R R u ???? ?
?+= （5.12） 同相输入电路为电压串联负反馈电路，其输入阻抗极高，但由于两个输入端均不能接地，放大电路中存在共模信号，不允许输入信号中包含有较大的共模电压，且对运放的共模抑制比要求较高，否则很难保证运算精度。
图5-6所示为同相输入比例运算电路中，若R 1不接，或R f 短路，组成如图5-7所示电路。此电路是同相比例运算的特殊情况,此时的同相比例运算电路称为电压跟随器。电路的输出完全跟随输入变化。u i =u P =u N =u o , A u =1，具有输入阻抗大，输出阻抗小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。常用于多级放大器的输入级和输出级。
图5-7 电压跟随器 2.加法电路
电路测试35：加法电路的测试 （见9.5）
若多个输入电压同时作用于运放的反相输入端或同相输入端，则实现加法运算；若多个输入电压有的作用于反相输入端，有的作用于同相输入端，则实现减法运算。
图5-8所示为加法电路，该电路可实现两个电压u S1与u S2相加。输入信号从反相端输入，同相端虚地。则有：u P =u N =0；又有“虚断”的概念可知i I
=0，
图5-8 加法电路
因此，在反相输入节点N 可得节点电流方程：
f
O N 2N S21N S1R u u R u u R u u -=-+- 即
113
f
O 2S21S1R u R u R u -=+ 整理可得
)(
S22
f S11f O u R R u R R u +-= 若R 1=R 2 =R f ，则上式变为 ()21O S S u u u +-= （5.13）
实现了真正意义的反相求和。
图5-8所示的加法电路也可以扩展到实现多个输入电压相加的电路。利用同相放大电路也可以组成加法电路。 3.减法电路
电路测试36 减法电路（一）的测试（见9.5）
（1）减法电路（一）
图5-9所示电路第一级为反相比例放大电路，设R f 1=R 1，则u O1= -u S1
。第二级为反相加法电路，
图5-9 减法电路（一） 可导出
)
()(S2S122f O S2O122f O u u R R u u u R R u -=
+-
= （5.14） 若R 2=R f 2，则式（5.14）变为 S2S1O u u u -= （5.15）
即实现了两信号u S1与u S2的相减。
此电路优点是调节比较灵活方便。 由于反相输入端与同相输入端“虚地”，因此在选用集成运放时，对其最大共模输入电压的指标要求不高，此电路应用比较广泛。 （2）减法电路（二）
电路测试37 减法电路（二）的测试（见9.5）
电路如图5-10所示。该电路是反相输入和同相输入相结合的放大电路。
1
14
图5-10 减法电路（二）
根据“虚短”和“虚断”的概念可知
u P =u N ，u I =0，i I =0
并可得下列方程式：
f
O N N S1R u u R u u -=- （5.16） 3
P 2P S2R u R u u =- （5.17） 利用u N = u P ，并联解式（5.16）和式（5.17）可得
S1f S2323f O u R R u R R R R R R u -???
? ??+??? ??+= 在上式中，若满足R f /R =R 3/R 2，则该式可简化为
)(S1S2f O u u R
R u -= （5.18） 当R f =R ，有
u O =u S2-u S1 （5.19）
式（5.19）表明，输出电压u O 与两输入电压之差（u S2-u S1）成比例，实现了两信号u S2与u S1的相减。
从原理上说,求和电路也可以采用双端输入(或称差动输入)方式、此时只用一个集成运放，即可同时实现加法和减法运算。但由于电路系数的调整非常麻烦，所以实际上很少采用。如需同时进行加法、通常宁可多用一个集成运放，而仍采用反相求和电路的结构形式。 4.积分电路
电路测试38 积分电路的测试（见
9.5）
图5-11 积分电路
在电子电路中，常用积分运算电路和微分运算电路作为调节环节，此外，积分运算电路还用于延时、定时和非正弦波发生电路中。积分电路有简单积分电路、同相积分电路、求和
115 积分电路等。下面重点介绍一下简单积分电路。
简单积分电路如图5-11所示。反相比例运算电路中的反馈电阻由电容阻所取代，便构成了积分电路
根据“虚短”和“虚断”的概念有：u I =0，i I =0，i 1= i 2= u S /R
电流i 2对C 进行充电，且为恒流充电（充电电流与电容C 及电容上电压无关）。假设电容C 初始电压为0，则 ??
-=-=t i C t i C u d 1d 112O ?
?-=-=t u RC R u C u S d 11S O （5.20） 式（5.20）表明，输出电压与输入电压的关系满足积分运算要求，负号表示它们在相位上是相反的。RC 称为积分时间常数，记为τ。
实际的积分器因集成运算放大器不是理想特性和电容有漏电等原因而产生积分误差，严重时甚至使积分电路不能正常工作。最简便的解决措施是，在电容两端并联一个电阻R f ，引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象，但R f C 的数值应远大于积分时间。通常在精度要求不高、信号变化速度适中的情况下，只要积分电路功能正常，对积分误差可不加考虑。若要提高精度，则可采用高性能集成运放和高质量积分电容器。
利用积分运算电路能够将输入的正弦电压，变换为输出的余弦电压，实现了波形的移相；将输入的方波电压变换为输出的三角波电压，实现了波形的变换；对低频信号增益大，对高频信号增益小，当信号频率趋于无穷大时增益为零，实现了滤波功能。 5.微分电路
电路测试39 微分电路的测试（见9.5） 微分是积分的逆运算。将图5-12所示积分电路的电阻和电容元件互换位置，即构成微分电路，微分电路如图5-12所示。微分电路选取相对较小的时间常数
RC 。
图5-12 微分电路
同样根据“虚地”和“虚断”的概念有：u I =0，i I =0，i 1= i 2
设t =0时，电容C 上的初始电压为0，则接入信号电压u S 时有：
t
u C i d d S 1= t u RC
R i u d d S 2O -=-= （5.21） 式（5.21）表明，输出电压与输入电压的关系满足微分运算的要求。因此微分电路对高频噪声和突然出现的干扰（如雷电）等非常敏感，故它的抗干扰能力较差，限制了其应用。
116 6.有源滤波器
允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分频率的信号被急剧衰减（即被滤掉）的电子器件称为滤波器。
滤波器可分为按照其功能，又可以分为低通、带通、高通、带阻滤波器。图5-13所示为四种滤波器的幅频特性。图中f H 为上限截止频;f L 为下限截止频率；f 0为中心频率，即通带和阻带的中点。
A
(a) A 0
H
(b) L (c) (d) H H L L 00A 0A 0A 0A A A
图5-13 四种滤波器的幅频特性
a ）低通
b)高通 a ）带通 b)带阻
滤波器具有“选频”的功能。在电子通信、电子测试及自动控制系统中，常常利用滤波器具有“选频”的功能来进行模拟信号的处理（用于数据传送、抑制干扰等）。此外，滤波器在无线电通信、信号检测和自动控制中对信号处理、数据传输和干扰抑制等方面也获得了广泛应用。
滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器两种。一般主要采用无源元件R , L 和C 组成的模拟滤波器称为无源滤波器；由集成运放和R , C 组成的滤波器称为有源滤波器。有源滤波器具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。不过，有源滤波器的工作频率不高，一般在几千赫以下。在频率较高的场合，常采用LC 无源滤波器或固态滤波器。
无源滤波器一般不存在噪声问题，而有源滤波器由于使用了放大器滤波器的噪声性能就比较突出，信噪比很差的有源滤波器也很常见。因此，使用有源滤波器时要注意以下几点：一是滤波器的电阻尽可能小一些，电容则要大一些；二是反馈量尽可能大一些，以减小增益；三是放大器的开环频率特性应该比滤波器的通频带要宽。
图5-14 一阶RC 有源低通滤波电路
如图5-14所示为一简单的一阶RC 有源低通滤波电路。该电路在一级无源RC 低通滤波电路的输出端再加上一个同相比例放大器，使之与负载很好地隔离开来，由于同相比例放大
器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，其带负载能力很强，同时该电路还具有电压放大作用。
5.3.2 集成运放的非线性应用
在集成运放的非线性应用电路中，运放一般工作在开环或仅正反馈状态，而运放的增益很高，在非负反馈状态下，其线性区的工作状态是极不稳定的，因此主要工作在非线性区，实际上这正是非线性应用电路所需要的工作区。
电压比较电路是用来比较两个电压大小的电路。在自动控制、越限报警、波形变换等电路中得到应用。
由集成运放所构成的比较电路，其重要特点是运放工作于非线性状态。开环工作时，由于其开环电压放大倍数很高，因此，在两个输入端之间有微小的电压差异时，其输出电压就偏向于饱和值；当运放电路引入适时的正反馈时，更加速了输出状态的变化，即输出电压不是处于正饱和状态（接近正电源电压+V CC），就是处于负饱和状态（接近负电源电压-VＥＥ）。处于运放电压传输特性的非线性区。由此可见，分析比较电路时应注意：
①比较器中的运放，“虚短”的概念不再成立，而“虚断”的概念依然成立。
②应着重抓住输出发生跳变时的输入电压值来分析其输入／输出关系，画出电压传输特性。
电压比较器简称比较器，它常用来比较两个电压的大小，比较的结果（大或小）通常由输出的高电平U OH或低电平U OL来表示。
1.简单电压比较器
电路测试40 简单电压比较器的测试（见9.5）
简单电压比较器的基本电路如图5-15a所示，它将一个模拟量的电压信号u I和一个参考
电压U REF相比较。模拟量信号可以从同相端输入，也可从反相端输入。图5-15a
所示的信号
为反相端输入，参考电压接于同相端。
图5-15简单电压比较器的基本电路
a）电路b)传输特性
当输入信号u I＜U REF，输出即为高电平u O=U OH（+V CC）
当输入信号u I＞U REF，输出即为高电平u O=U OL（-VＥＥ）
显然，当比较器输出为高电平时，表示输入电压u I比参考电压U REF小；反之当输出为低电平时，则表示输入电压u I比参考电压U REF大。
根据上述分析，可得到该比较器的传输特性如图5-15b中实线所示。可以看出，传输特性中的线性放大区（MN段）输入电压变化范围极小，因此可近似认为MN与横轴垂直。
通常把比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的临界输入电压称为阀值电压或门限电压，简称为阀值，用符号U TH表示。对这里所讨论的简单比较器，有
117
118 U TH =U REF 。
也可以将图5-15a 所示电路中的U REF 和u I 的接入位置互换，即u I 接同相输入端，U REF 接反相输入端，则得到同相输入电压比较器。不难理解，同相输入电压比较器的阀值仍为U REF ，其传输特性如图5-15b 中虚线所示。
作为上述两种电路的一个特例，如果参考电压U REF =0(该端接地），则输入电压超过零时，输出电压将产生跃变，这种比较器称为过零比较电路。 2.迟滞电压比较器
电路测试41 迟滞电压比较器的测试（见9.5）
当基本电压比较电路的输入电压若正好在参考电压附近上下波动时，不管这种波动时信号本身引起的还是干扰引起的，输出电平必然会跟着变化翻转。这表明虽然简单电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。在实际运用中，有的电路过分灵敏会对执行机构产生不利的影响，甚至使之不能正常工作。实际电路希望输入电压在一定的范围内，输出电压保持原状不变。滞回比较电路就具有这一特点。
迟滞比较器电路如图5-16a 所示，由于输入信号由反相端加入，因此为反相迟滞比较器。为限制和稳定输出电压幅值，在电路的输出端并接了两个互为串联反向连接的稳压二极管。同时通过R 3将输出信号引到同相输入端即引入了正反馈。正反馈的引入可加速比较电路的转换过程。由运放的特性可知，外接正反馈时，滞回比较电路工作于非线性区，即输出电压不是正饱和电压（高电平U OH 或），就是负饱和电压（低电平U OL ），二者大小不一定相等。设稳压二极管的稳压值为U Z ，忽略正向导通电压，则比较器的输出高电平U OH ≈U Z ，输出低电平U OL ≈-
U Z 。
图5-16 迟滞比较器
a ）反相迟滞比较器电路
b ）传输特性
c ）U REF =0时的传输特性
d ）U REF =0时U I 与U O 的波形
当运放输出高电平时（u O =U OH ≈U Z ），根据“虚断”，有 P N u u =，运放同相端输入电压为参考电压REF U 和输出电压U Z 共同作用的结果，利用叠加定理有：
119 3
2Z 2REF 332O 2REF 332REF 332O 2P R R U R U R R R u R U R R R U R R R u R u ++=++=+++= 又因为输入信号N I u u =，所以此时的输入电压和P u 比较，令TH1P U u =称为上阀值电压。
3
2Z 2R E F 3T H 1R R U R U R U ++= （5.22） 当运放输出低电平时（u O = U OL ≈-U Z ），根据“虚断”，有 P N u u =，同理可得
3
2Z 2REF 332O 2REF 332REF 332O 2P R R U R U R R R u R U R R R U R R R u R u +-=++=+++= 令TH2P U u =称为下阀值电压。 3
2Z 2REF 3TH2R R U R U R U +-= （5.23） 得到了两个阀值电压，显然有U TH1＞U TH2。
当输入信号u I = u N 很小，u N ＜u P ，则比较器输出高电平u O =U OH ，此时比较器的阀值为U TH1 ；当增大u I 直到u I = u N ＞U TH1时，才有u O = U OL ，输出高电平翻转为低电平，此时比较器的阀值变为U TH2 ；若u I 反过来又由较大值（＞U TH1）开始减小，在略小于U TH1时，输出电平并不翻转，而是减小u I 直到u I = u N ＜U TH2时，才有u O = U OH ，输出低电平翻转为高电平，此时比较器的阀值又变为U TH1。以上过程可以简单概括为，输出高电平翻转为低电平的阀值为U TH1，输出低电平翻转为高电平的阀值为U TH2。
由上述分析可得到迟滞比较器的传输特性，如图5-16b 所示。可见该比较器的传输特性与磁滞回线类似，故称为迟滞（或滞回）比较器。
特别是当U REF =0时，相应的传输特性如图5-16c 所示，两个阀值则为
3
2Z 2TH1R R U R U += （5.24） 3
2Z 2TH2R R U R U +-= （5.25） 显然有 U TH2 = -U TH1。
如图5-16d 所示为U REF =0的迟滞比较器在u I 为正弦电压时的输入和输出电压波形。显然，其输出的方波较过零比较器延迟了一段时间。
由于迟滞比较器输出高、低电平相互翻转的阀值不同，因此具有一定的抗干扰能力。当输入信号值在某一阀值附近时，只要干扰量不超过两个阀值之差的范围，输出电压就可保持高电平或低电平不变。
令两个阀值之差为
3
2Z 2TH2TH12R R U R U U U +=-=? 称为回差电压。回差电压是表明滞回比较器抗干扰能力的一个参数。
另外，由于迟滞比较器输出高、低电平相互翻转的过程是在瞬间完成的，即具有触发器的特点，因此又称为施密特触发器。
电压比较器将输入的模拟信号转换成输出的高低点平，输入模拟电压可能是温度、压力、流量、液面等通过传感器采集的信号，因而它首先广泛用于各种报警电路；其次，在自动控
120 制、电子测试、模数转换、各种非正弦波的产生和变换电路中也得到广泛的应用。
3.集成电压比较器
随着集成技术的不断发展，根据比较器的工作特点和要求，集成电压比较器得到了广泛应用，现在市场上用的比较多的产品有LM239/LM339系列、LM293/LM393系列和LM111/LM211/LM311系列。LM293/LM393系列为双电压比较器；LM239/LM339系列为四电压比较器。LM111/LM211/LM311系列为单电压比较器。它们都是集电极开路输出，均可采用双电源或单电源方式供电，供电电压从＋5V 到±15V 。LM111/LM211/LM311的不同在于工作温度分别为?55°C 到 +125°C 、?25°C 到 +85°C 、0°C to 到70°C 。如图5-17所示为LM311的引脚图。
平衡
V EE 同相输入地输出电源平衡选通反相输入
图5-17 LM311的引脚图
图5-18所示为LM311在超声波接收器中的应用电路图。JSQ 为超声波接收器，接收发射器发射过来的超声波信号，TL082为双集成运放，由于信号比较微弱，经过两级放大后至LM311电压比较器的反相输入端，调节电位器，使当没有超声波时LM311输出为零，当有超声波信号时，电压比较器有输出，由于是集电极开路门，输出端通过一个上拉电阻至+5V,以便和单片机电源相匹配。
图5-18 LM311的应用电路
集成电压比较器除了用作比较器功能外，通过不同的接法，可以组成不同的用途的电路，如继电器驱动电路、振荡器、电平检测电路等等。
知识小结
集成运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大器。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差动式放大电路作为输
入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用于输出级。
差动式放大电路是集成运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；
它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。
集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它的内部电路只要求定性了解，目的在于掌握它的主
要技术指标，能根据电路系统的要求正确选用。
集成运放工作在线性工作区时，运放接成负反馈的电路形式，此时电路可实现加、减、积分和微
分等多种模拟信号的运算，。分析这类电路可利用“虚短”和“虚断”这两个重要概念，以求出输出与输入
之间的关系。
有源滤波电路通常是由运放和RC反馈网络构成的，根据幅频响应不同，可分为低通、高通、带
通、带阻和全通滤波电路。
集成运放工作在非线性工作区时，运放接成开环或正反馈的电路形式，此时电路的输出电压受电
源电压限制，且通常为二值电平（非高即低）。
电压比较器常用于比较信号大小、开关控制、波形整形和非正弦波信号发生器等电路中。集成电
压比较器由于电路简单，使用方便而得到广泛应用。
思考与练习
5.1 集成运放电路结构有什么特点？集成运放有那几部分组成？各部分的作用是什么？
5.2 集成运算放大电路实际上是一个高增益的多级直接耦合放大电路，直接耦合放大电路存在零点漂移问题，怎样衡量放大电路的零点漂移。
5.3 放大电路产生零点漂移的主要原因是什么？有甲、乙两个直接耦合放大电路，它们的电压增益分别为103和105，如果测出甲、乙两放大电路输出端的漂移电压都是200mV。它们的漂移指标是否相同？两个放大电路是否都可放大0.1mV的信号？
5.4 什么是差动放大电路的差模放大作用和共模抑制作用？
5.4 什么是共模抑制比，如何计算？
5.5 如何定义共模抑制比K CMR？在差分放大电路中，为什么用K CMR作为它的重要性能指标之一。K CMR 值的高低各代表什么物理意义？
5.6 图5-4所示差动式放大电路能抑制零点漂移的原因是什么？电阻R E在电路中起什么作用？该电路为什么要采用双电源供电模式？
5.7 双端输入、双端输出差分式放大电路如图5-4所示。在理想条件下，当u i1= 25mV，u i2=10mV，A u d=100，
A u c=0时，求差模输入电压u id、共模输入电压u ic和输出电压u o= u o1-u o2各是多少？
5.8 集成运放的输入级为什么采用差分式放大电路？对集成运放的中间级和输出级各有什么要求？一般采用什么样的电路形式？
5.9 集成电路运放的输入失调电压U IO、输入失调电流I IO和输入偏置电流I IB是如何定义的？它们对运放的工作会产生什么影响？
5.10 集成运放的温度漂移能否外接调零装置来补偿？
5.11 试说明在下列情况下，应选用何种类型的集成运放？并列出器件型号和满足要求的主要性能指标。
①作为一般交流放大电路。
②高阻信号源（R s=10MΩ）的放大电路。
③微弱电信号（u s=10μV）的放大器。
5.12 电路结构由BiFET和全MOSFET组成的集成运放的输入阻抗范围各为多少？一般用于什么场合？
121
122 5.13 高精度、低漂移型，高速型，低功耗型和高压型等专用型集成电路，它们的主要性能指标是什么？
由有关集成运放手册查找出器件型号，并列出主要参数值。
5.14 比例运算电路有哪些？其计算放大倍数的关键是什么？
5.15 在反相求和电路中，集成运放的反相输入端是如何形成虚地的？该电路属于何种反馈类型？
5.16 说明在差分式减法电路中，运放的两输入端存在共模电压。为提高运算精度，应选用何种运放？
5.17 在分析反相加法、差分式减法、反相积分和微分电路中，所根据的基本概念是什么？KCL是否得到应用？如何导出它们输入与输出的关系？
5.18 为减小共模信号对运算精度的影响，应选用何种运算电路和何种运放？
5.19 为减小运算电路的温度漂移，应选用何种运放？温度漂移产生的输出误差电压能否用外接人工调零电路的办法完全抵消？
5.20 为减小积分电路的积分误差，应选用何种运放？
5.21 什么叫无源和有源滤波电路？
5.21 差动放大电路中一管输入电压u il=3mV，试求下列不同情况下的差模分量与共模分量：①u i2=3mV；
②u i2=-3mV；③u i2=5mV；④u i2=-5mV。
5.22 若差动放大电路输出表达式为u o=1000u i2-999u i1。求：①共模放大倍数A u c，②差模放大倍数A u d，
③共模抑制比K CMR。
5.23 求图5-19所示电路的输出电压u O，设各运放均为理想的。
图5-19习题5.23图
5.24 求图5-20所示电路的输出电压u O，设运放是理想的。
图5-20 习题5.24图
《电路与电子学基础》实验报告 实验名称集成运算放大器应用 班级2013211XXX 学号2013211XXX 姓名XXX
实验7.1 反相比例放大器 一、实验目的 1．测量反相比例运算放大器的电压增益，并比较测量值与计算值。 2．测定反响比例放大器输出与输入电压波形之间的相位差。 3．根据运放的输入失调电压计算直流输出失调电压，并比较测量值与计算值。 4．测定不同电平的输入信号对直流输出失调电压的影响。 二、实验器材 LM 741 运算放大器 1个 信号发生器 1台 示波器 1台 电阻：1kΩ 2个，10kΩ 1个，100kΩ 2个 三、实验步骤 1.在EWB平台上建立如图7-1所示的实验电路，仪器按图设置。 单击仿真开关运行动态分析，记录输入峰值电压 V和输出峰值电压 ip V，并记录直流输出失调电压of V及输出与输入正弦电压波形之间的op 相位差。
Vip=4.9791mV Vop=498.9686mV Vof=99.37mV 相位差π 2.根据步骤1的电压测量值，计算放大器的闭环电压增益Av。 Av=-100.2 3.根据电路元件值，计算反相比例运算放大器的闭环电压增益。 Av=-100 4.根据运放的输入失调电压 V和电压增益Av，计算反相比例运放 if 的直流输出失调电压 V。 of Vof=100mV 四、思考与分析 1．步骤3中电压增益的计算值与步骤1，2中的测量值比较，情况如何？ 计算值为-100，测量值为-100.2，基本相等，略有误差
2．输出与输入正弦电压波形之间的相位差怎样？ 相位差为π 3．步骤1中直流输出失调电压的测量值与步骤4中的计算值比较，情况如何？ 测量值为99.37mV,计算值为100mV,基本相等，略有误差 4．步骤1中峰值输出电压占直流输出失调电压的百分之几？ 500% 5．反馈电阻 R的变化对放大器的闭环电压增益有何影响？ f 在R1一定的条件下，Rf越大，闭环电压增益越大 实验7.2 加法电路 一、实验目的 1．学习运放加法电路的工作原理。 2．分析直流输入加法器。 3．分析交直流输入加法器。 4．分析交流输入加法器。 二、实验器材 LM741 运算放大器 1个直流电源 2个 0～2mA毫安表 4个万用表 1个 信号发生器 1台
实验五集成运算放大器的基本应用(I) ─模拟运算电路─ 一、实验目的 1、了解和掌握集成运算放大器的功能、引脚 2、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算 电路的功能。 3、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。 开环电压增益A =∞ ud =∞ 输入阻抗r i =0 输出阻抗r o 带宽 f =∞ BW 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性：
（1）输出电压U O 与输入电压之间满足关系式 U O ＝A ud （U +－U －） 由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 （2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图8－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压 之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图8－1 反相比例运算电路 图8－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图8－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 // R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图8－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O U R R U - =
第九章集成运算放大器及其应用（易映萍） 9.1 差分放大电路 9.2互补功率放大电路 9.3 集成运算放大电路 9.4 理想集成运放的线性运用电路 9.5 理想集成运放的非线性运用电路 习题 第九章集成运算放大器及其应用 9.1 差分放大电路 9.1.1 直接耦合多级放大电路的零点漂移现象 工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力、液面和长度等，它们通过不同的传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性连续信号，这些信号具有以下两个特点： 1．信号比较微弱，只有通过多级放大才能驱动负载； 2．信号变化缓慢，一般采用直接耦合多级放大电路将其放大。 u＝0）时，人们在试验中发现，在直接耦合的多级放大电路中，即使将输入端短路（即 i u≠0）,这种现象称为零点漂移（简称为零漂），如图输出端还会产生缓慢变化的电压（即 o 9.1所示。 （a）测试电路（b）输出电压u o的漂移 图9.1 零点漂移现象 9.1.2 零漂产生的主要原因 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化以及半导体元器件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移，在阻容耦合放大电路中，耦合电容对这种缓慢变化的漂移电压相当于开路，所以漂移电压将不会传递到下一级电路进一步放
大。但是，在直接耦合的多级放大电路中，前一级产生的漂移电压会和有用的信号（即要求放大的输入信号）一起被送到下一级进一步放大，当漂移电压的大小可以和有用信号相当时，在负载上就无法分辨是有效信号电压还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了，使放大电路无法正常工作。 采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减小由此而产生的漂移，所以由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂，从某种意义上讲零点漂移就是静态工作点Q点随温度的漂移。 9.1.3抑制温漂的方法 对于直接耦合多级放大电路，如果不采取措施来抑制温度漂移，其它方面的性能再优良，也不能成为实用电路。抑制温漂的方法主要由以下几种： （1）采用稳定静态工作的分压式偏置放大电路中Re的负反馈作用； （2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化； （3）采用特性完全相同的三极管构成“差分放大电路”； 9.1.4 差分放大电路 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。直接耦合的多级放大电路的组成框图如图9.2所示。 图9.2 多级放大的组成框图 A倍后传送到负载上，对电路造从上图可知输入级一旦产生了温漂，会经中间级放大 u2 A≈1，对电路造成的成严重的影响，而中间级产生的温漂，由于直接到达功放级而功放的 u 影响跟输入级相比少得多，所以，我们主要应设法抑制输入级产生的温漂，故在直接耦合的多级放大电路中只有输入级常采用差分放大电路的形式来抑制温漂。 9.1.4.1 差分放大电路的组成及结构特点 一．电路组成 差分放大电路如图9.3所示。
实验十一 集成运算放大器的基本应用 —— 模拟运算电路 一、实验目的 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、交流毫伏表 4、信号发生器 三、实验原理 在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。 1、 反相比例运算电路 电路如图11-1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U 1 - = （11-1） U i O 图11-1 反相比例运算电路 为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1∥R F ，此处为了简化电路，我们选取R2=10K 。
2、反相加法电路 U O U 图11-2 反相加法运算电路 电路如图11-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )( 22 11i F i F O U R R U R R U +-= R 3=R 1∥R 2∥R F （11-2） 3、同相比例运算电路 图11-3（a ）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U )1(1 + = R 2=R 1∥R F （11-3） 当R1→∞时，U O =U i ，即得到如图11-3（b ）所示的电压跟随器。图中R2=R F ，用以减小漂移和起保护作用。一般RF 取10K Ω，R F 太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。 (a)同相比例运算 (b)电压跟随器 图11-3 同相比例运算电路 4、差动放大电路(减法器) 对于图11-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=R F 时，有如下关系式： )(1 120i i U U R RF U -= （11-4）
Op Amp Circuit Collection AN-31
Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14
Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20
实验名称 集成运算放大器的基本应用 一.实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法。 2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。 3.学习正确使用示波器交流输入方式和直流输入方式观察波形的方法，重点掌握积分输入，输出波形的测量和描绘方法。 二.实验元器件 集成运算放大器 LM324 1片 电位器 1k Ω 1只 电阻 100k Ω 2只；10k Ω 3只；5.1k Ω 1只；9k Ω 1只 电容 0.01μf 1只 三、预习要求 1.复习由运算放大器组成的反相比例、反相加法、减法、比例积分运算电路的工作原理。 2.写出上述四种运算电路的vi 、vo 关系表达式。 3.实验前计算好实验内容中得有关理论值，以便与实验测量结果作比较。 4.自拟实验数据表格。 四.实验原理及参考电路 本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。 1. 反向比例运算 反向比例运算电路如图1所示，设组件LM324为理想器件，则 11 0υυR R f -=
R f 100k R 1 10k A 10k R L v o v 1 R 9k 图1 其输入电阻1R R if ≈，图中1//R R R f ='。 由上式可知，改变电阻f R 和1R 的比值，就改变了运算放大器的闭环增益vf A 。 在选择电路参数是应考虑： ○ 1根据增益，确定f R 与1R 的比值，因为 1 R R A f vf - = 所以，在具体确定f R 和1R 的比值时应考虑；若f R 太大，则1R 亦大，这样容易引起较大的失调温漂；若f R 太小，则1R 亦小，输入电阻if R 也小，可能满足不了高输入阻抗的要求，故一般取f R 为几十千欧至几百千欧。 若对放大器输入电阻有要求，则可根据1R R i =先确定1R ，再求f R 。 ○ 2运算放大器同相输入端外接电阻R '是直流补偿电阻，可减小运算放大器偏执电流产生的不良影响，一般取1//R R R f ='，由于反向比例运算电路属于电压并联负反馈，其输入、输出阻抗均较低。 本次试验中所选用电阻在电路图中已给出。 2. 反向比例加法运算 反向比例加法运算电路如图2所示，当运算放大器开环增益足够大时，其输入端为“虚地”，11v 和12v 均可通过1R 、2R 转换成电流，实现代数相加，其输出电压 ??? ??+-=122111 v R R v R R v f f o 当R R R ==21时 ()1211v v R R v f o +- = 为保证运算精度，除尽量选用精度高的集成运算放大器外，还应精心挑选精度高、稳定性好的电阻。f R 与R 的取值范围可参照反比例运算电路的选取范围。 同理，图中的21////R R R R f ='。
实训九 集成运放的线性应用 内容一 集成运放的反相、同相比例运算电路 一、实训目的 1.掌握集成运算放大器的使用方法。 2.了解集成运放构成反相比例、同相比例运算电路的工作原理。 3.掌握集成运放反相比例、同相比例运算电路的测试方法。 二、实训测试原理 1. 反相放大电路 电路如图（1）所示。输入信号U i 通过电阻R 1加到集成运放的反相输入端，输出信号通过反馈电阻R f 反送到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈。 根据“虚断”概念，即i N =i p ，由于R 2接地， 所以同相端电位U p =0。又根据“虚短”概念可知，U N =U p ，则U N =U p =0，反相端电位也为零。但反相端又不是接地点，所以N 点又称“虚地”。则有 f 1i i =,1i = 1i R U ,f i =-f 0R U 则0U =-1 f R R i U 。 运放的同相输入端经电阻R 2接地,R 2叫平衡电阻，其大小为R 2=R 1∥R f 。 图（1） 反相放大电路 图（2） 同相放大电路 图（3） 电压跟随器 2. 同相放大电路 电路如图（2）所示。输入信号U i 通过平衡电阻R 2加到集成运放的同相输入端，输出信号通过反馈电阻R f 反送到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈。根据“虚断”与“虚短”的概念，有N P i U U U ==，i N =i P =0；则得i 1f 0)1(U R U +=若1R =∞,0f =R ,则i 0U U =即为电压跟随器，如图（3）。
三、实训仪器设备 1.直流稳压电源 2.万用表 3.示波器 四、实训器材 1. 集成块μA741(HA17741) 2. 电阻10KΩ×2 100KΩ×2 2 KΩ×2 3. 电位器1KΩ×1 五、实训电路 图（3）反相比例运算实训电路 图（4）同相比例运算实训电路 六、测试步骤及内容 1. 反相比例运算实训
第7章集成运算放大器的基本应用 7.1 集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 7.1.2 加法运算电路 7.1.3 减法运算电路 7.1.4 积分运算电路 7.1.5 微分运算电路 7.1.6 电压—电流转换电路 7.1.7 电流—电压转换电路 7.1.8 有源滤波器 *7.1.9 精密整流电路 7.2 集成运放的非线性应用 7.2.1 单门限电压比较器 7.2.2 滞回电压比较器 7.3 集成运放的使用常识 7.3.1 合理选用集成运放型号 7.3.2 集成运放的引脚功能 7.3.3 消振和调零 7.3.4 保护 本章重点: 1. 集成运算放大器的线性应用：比例运算电路、加减法运算电路、积分微分运算电路、一阶有源滤波器、二阶有源滤波器 2. 集成运算放大器的非线性应用：单门限电压比较器、滞回比较器 本章难点: 1. 虚断和虚短概念的灵活应用 2. 集成运算放大器的非线性应用 3. 集成运算放大器的组成与调试 集成运算放大器(简称集成运放)在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用。 7.1 集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 1. 同相比例运算电路 (点击查看大图)反馈方式：电压串联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 虚短: u-= u+= u i
虚断: i +=i i- =0 ， i 1 =i f 电压放大倍数: 平衡电阻R=R f//R1 2. 反相比例运算 (点击查看大图)反馈方式：电压并联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 i - =i+= 0（虚断） u + =0，u－=u+=0（虚地） i 1 =i f 电压放大倍数:
集成运算放大器电路分析及应用（完整电子教案） 3.1 集成运算放大器认识与基本应用 在太阳能充放电保护电路中要利用集成运算放大器LM317实现电路电压检测，并通过三极管开关电路实现电路的控制。首先来看下集成运算放大器的工作原理。 【项目任务】 测试如下图所示，分别测量该电路的输出情况，并分析电压放大倍数。 R1 15kΩ R3 15kΩ R4 10kΩ V2 4 V XFG1 1 VCC 5V U1A LM358AD 3 2 4 8 1 VCC 3 5 2 4 R1 15kΩR2 15kΩ R3 15kΩ R4 10kΩ V2 4 V XFG1 1 VCC 5V U1A LM358AD 3 2 4 8 1 VCC 3 5 2 4 函数信号发生器函数信号发生器 (a)无反馈电阻(b)有反馈电阻 图3.1集成运算符放大器LM358测试电路(multisim) 【信息单】 集成运放的实物如图3.2 所示。 图3.2 集成运算放大 1.集成运放的组成及其符号 各种集成运算放大器的基本结构相似，主要都是由输入级、中间级和输出级以及偏置电路组成，如图3.3所示。输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成；中间级的作用是获得较大的电压放大倍数，可以由共射极电路承担；输出级要求有较强的带负载能力，一般采用射极跟随器；偏置电路的作用是为各级电路供给合理的偏置电流。
图3.3集成运算放大电路的结构组成 集成运放的图形和文字符号如图 3.4 所示。 图3.4 集成运放的图形和文字符号 其中“-”称为反相输入端，即当信号在该端进入时， 输出相位与输入相位相反； 而“+”称为同相输入端，输出相位与输入信号相位相同。 2.集成运放的基本技术指标 集成运放的基本技术指标如下。 ⑴输入失调电压 U OS 实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时，输出电压并不为零。规定在室温(25℃)及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放的两输入端额外附加补偿电压，称之为输入失调电压U OS ，U OS 越小越好，一般约为 0.5～5mV 。 ⑵开环差模电压放大倍数 A od 集成运放在开环时(无外加反馈时)，输出电压与输入差模信号的电压之比称为开环差模电压放大倍数A od 。它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝(dB)表示，目前最高值可达 140dB(即开环电压放大倍数达 107 )。 ⑶共模抑制比 K CMRR K CMRR 是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即od CMRR oc A K =A ，其含义与差动放大器中所定义的 K CMRR 相同，高质量的运放 K CMRR 可达160d B 。 ⑷差模输入电阻 r id r id 是集成运放在开环时输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻，一般为M Ω数量级，以场效应晶体管为输入级的r id 可达104M Ω。分析集成运放应用电路时，把集成运放看成理想运算放大器可以使分析简化。实际集成运 放绝大部分接近理想运放。对于理想运放，A od 、K CMRR 、r id 均趋于无穷大。 ⑸开环输出电阻 r o r o 是集成运放开环时从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能力越强。理想集成运放r o 趋于零。 其他参数包括输入失调电流I OS 、输入偏置电流 I B 、输入失调电压温漂 d UOS /d T 和输入失调电流温漂 d IOS /d T 、最大共模输入电压 U Icmax 、最大差模输入电压 U Idmax 等，可通过器件
集成运放基本应用之一—模拟运算电路
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实验十二集成运放基本应用之一——模拟运算电路 一、实验目的 1、了解并掌握由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的原理与功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性： 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放： 开环电压增益A ud=∞ 输入阻抗r i=∞ 输出阻抗r o=0 带宽f BW=∞ 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压U O与输入电压之间满足关系式 U O＝A ud（U+－U－） 由于A ud=∞，而U O为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短”。
（2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图5－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的 关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图5－1 反相比例运算电路 图5－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图5－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 / R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图5－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O )U R R (1U + = R 2＝R 1 / R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图5－3(b)所示的电压跟随器。图中R 2＝R F ， i 1 F O U R R U -=
实验集成运算放大器的基本应用（Ⅱ）——有源滤波器 一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
(a)电路图 (b)频率特性 图9－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A + = 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1 f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31 Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 2、高通滤波器（HPF ） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。 只要将图9－2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图9－3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH 分析方法，不难求得HPF 的幅频特性。 (a) 电路图 (b) 幅频特性 图9－3 二阶高通滤波器 电路性能参数A uP 、f O 、Q 各量的函义同二阶低通滤波器。 图9－3（b ）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，可见，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。 3、 带通滤波器（BPF ）
实验--集成运算放大器的基本应用
实验集成运算放大器的基本应用（Ⅱ）——有源滤波器一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC 有滤波器级联实现。 1、 低通滤波器（LPF ） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图9－2（a ）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图9－2（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图 (b)频率特性 图9－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A += 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1f O = 截止频率，它是二阶低通滤波 器通带与阻带的界限频率。 uP A 31Q -= 品质因数，它的大小影响低 通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
实验二 集成运算放大器的基本应用(I) ─ 模拟运算电路 ─ 一 实验目的 1. 研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2. 了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二 实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 集成运算放大器配接不同的外围元件可以方便灵活地实现各种不同的运算电路（线性放大和非线性电路）。用运算放大器组成的运算电路（也叫运算器），可以实现输入信号和输出信号之间的数学运算和函数关系，是运算放大器的基本用途之一，这些运算器包括比例器、加法器、减法器、对数运算器、积分器、微分器、模拟乘法器等各种模拟运算功能电路。 (1) 反相比例运算电路 电路如图1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 i U 10-=- =i 1 F O U R R U
图1 反相比例运算电路 (2) 同相比例运算电路 图2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i U 11=+ =i 1 F O )U R R (1U R 2＝R 1 // R F 图2 同相比例运算电路 三 实验设备与器件 1. ±12V 直流电源 2. 函数信号发生器 3. 交流毫伏表 4. 直流电压表 5. 集成运算放大器OP07×1 9.1K Ω、10 K Ω、100 K Ω电阻各1个，导线若干。 2 3 6 7 4 1 8 2 3 1 8 4 6 7
东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称：电子电路实验 第一次实验 实验名称：运算放大器的基本应用 院（系）：吴健雄学院专业：电类强化 姓名：周晓慧学号：61010212 实验室: 105实验组别： 同组人员：无实验时间：2012年03月23日评定成绩：审阅教师：
实验一运算放大器的基本应用 一、实验目的： 1、熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法； 2、熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、幅频特性、传输特性曲线、 带宽的测量方法； 3、了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度 漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念； 4、了解运放调零和相位补偿的基本概念； 5、掌握利用运算放大器设计各种运算功能电路的方法及实验测量技能。 二、预习思考： 1、查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释 参数含义。
2、 设计一个反相比例放大器，要求：|A V |=10，Ri>10K Ω，将设计过程记录在预习报告上； （1） 仿真原理图 （2） 参数选择计算 因为要求|A v |=10，即|V 0/V i |= |-R f /R 1|=10,故取R f =10R 1,.又电阻应尽量大些，故取：R 1=10k Ω，Rk=100 k Ω, R L =10 k Ω （3） 仿真结果 图中红色波形表示输入，另一波形为输出，通过仿真可知|V 0/V i |=9.77≈10，仿真正确。 3、 设计一个电路满足运算关系U O = -2U i1 + 3U i2
§8.1 比 例运算电 路 8.1.1 反相比例电路 1. 基本电路 电压并联负反馈输入端虚短、虚断 特点： 反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低 输出电阻小，带负载能力强 要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 2. T型反馈网络（T型反馈网络的优点是什么？） 虚短、虚断
8.1.2 同相比例电路 1. 基本电路：电压串联负反馈 输入端虚短、虚断 特点： 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强 V-=V+=V i，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高 2. 电压跟随器 输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小§8.2 加减运算电路 8.2.1 求和电路 1.反相求和电路 2.
虚短、虚断 特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 3.同相求和电路 4. 虚短、虚断 8.2.2 单运放和差电路
8.2.3 双运放和差电路 例1:设计一加减运算电路 设计一加减运算电路，使 V o=2Vi1+5Vi2-10Vi3 解：用双运放实现
如果选Rf1=Rf2=100K，且R4= 100K 则：R1=50K R2=20K R5=10K 平衡电阻 R3= R1// R2// Rf1=12.5K R6=R4//R5//Rf2= 8.3K 例2:如图电路，求A vf，Ri 解： §8.3 积分电路和微分电路 8.3.1 积分电路 电容两端电压与电流的关系：
积分实验电路 积分电路的用途 将方波变为三角波（Vi：方波，频率500Hz，幅度1V）
§8.1比 例运算电 路 8.1.1反相比例电路 1.基本电路 电压并联负反馈输入端虚短、虚断 特点： 反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低 输出电阻小，带负载能力强 要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 2. T型反馈网络（T型反馈网络的优点是什么？） 虚短、虚断
8.1.2同相比例电路 1.基本电路：电压串联负反馈 输入端虚短、虚断 特点： 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强 V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高 2.电压跟随器 输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小§8.2加减运算电路 8.2.1求和电路 1.反相求和电路 2.
虚短、虚断 特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 3.同相求和电路 4. 虚短、虚断 8.2.2单运放和差电路
8.2.3双运放和差电路 例1:设计一加减运算电路 设计一加减运算电路，使Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3 解：用双运放实现
如果选Rf1=Rf2=100K，且R4= 100K 则：R1=50K R2=20K R5=10K 平衡电阻R3= R1// R2// Rf1=12.5K R6=R4//R5//Rf2= 8.3K 例2:如图电路，求Avf，Ri 解： §8.3积分电路和微分电路 8.3.1积分电路 电容两端电压与电流的关系：
积分实验电路 积分电路的用途 将方波变为三角波（Vi：方波，频率500Hz，幅度1V）
单电源供电集成运算放大器的电路及其应用 文章包括以下四个部分 一、单电源运放应用：基础知识 二、单电源运放应用：基本电路 三、单电源运算放大器电路应用：滤波 四、单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计 大多数集成运算放大器电略部采用正、负对称的双电源供电，在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图1所示为两种采用单电源供电的供电电路。 采用单电源对集成这算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高（且通常抬高至电源电压的一半，即E＋/2），抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即E＋/2。 图中，集成运算放大器两输入端抬高的电压由R4、R5对电源分压后产生，约等于E+ /2；C2为滤波电容；C1和C3分别为输入、输出隔直电容。为了减小输入失调电流的影响，图1（a）中R1应等于R2与R4的并联值，图1（b）中R1应等于R2与R3的并联值。 图1（a）为反相输入方式，电路的交流放大倍数为R4/R3=100倍；图1（b）为同相输入方式，电路的交流放大倍数为R3/R2=10倍。
单电源运放应用图集(一)：基础知识 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC ＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放
江西省电子信息技师学院 实验一：集成运算放大器的基本应用 一、实验目的 1、学习软件ISIS的使用方法。 2、学习集成运算放大器的基本应用设计。 二、软件使用有关说明 1、运行ISIS软件 2、界面熟悉 3、软件操作： （1）原理图放大和缩小：使用工具栏中的放大、缩小按钮；或采用鼠标滚轮来操作。
（2）删除一个元件或者连线：鼠标右键连续点两次目标。 （3）添加一个元件到原理图：选择DEVICE栏上的“P”按钮，找到元件作在的库，双击目标（object）内的元件名字，则可加入到待选栏里面。以后选择元件就在待选栏中鼠标左键单击一个元件名，在原理图区中鼠标左键单击则可加一个元件到原理图上。 （4）连线：如果要将两个元件连接起来，按如下操作 （5）添加节点： （6）修改元件参数：右键单击一个元件，变成红色后，左键单击即可出现属性框以修改相应属性。 三、实验原理 集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。 1．反相放大器 反相放大器是最基本的电路，如下图所示。
其闭环电压增益为： 输入电阻R i＝ R1 输出电阻R o≈ 0 平衡电阻R p = R1∥R F 反馈电阻R F值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移。取值应远大于信号源V i的内阻。若R F＝ R1则为反相器，可作为信号的极性转换电路。 2、同相放大器 同相放大器也是最基本的电路．如下图所示。 其闭环电压增益为： 输入电阻R i＝R IC 式中，R IC——运放本身同相端对地的共模输入电阻．一般为108Ω。 输出电阻R o≈ 0 平衡电阻R p = R1∥R F 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点．广泛用于前置放大级。 若R F＝ 0，R1≈∞ (开路)，则为电压跟随器。与晶体管电压跟随器(射极输出器)相比．集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高．几乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更小，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器（跟随器）。 3．加法器 基本的加法器电路如下图所示。
集成运算放大器的应用实验报告 【摘要】：本题目关于放大器设计的基本目标：使用一片通用四运放芯片LM324组成预设的电路，电路包括三角波产生器、加法器、滤波器、比较器四个设计模块，每个模块均采用一个运放及一定数目的电容、电阻搭建，通过理论计算分析，最终实现规定的电路要求。 【关键字】：运算放大器LM324、三角波信号发生器、加法器、滤波器、比较器
一、设计任务 使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能： 使用低频信号源产生，的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。 （a） （b） 图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号运算放大器。 要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。 二、设计方案 1、三角波发生器 由于用方波发生器产生方波，再经过积分电路电路产生三角波需要运用两个运算放大器，而LM324只有四个运算放大器，每个电路运用一个，所以只能用一个运算放大器产生三角波。同时由于器件不提供稳压二极管，所以电阻电容的参数必须设计合理，用直流电压源代替稳压管。对方波放生电路进行分析发现，如果将输出端改接运放的负输入端，出来的波形近似为三角波。电路仿真如下图所示：