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1、第4章 差动放大电路与集成运算放大器实训实训4基本运算电路的组装与测试基本运算电路的组装与测试 4.1 差动放大电路差动放大电路 4.2 集成运算放大器基础集成运算放大器基础 4.3 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 第第4章章 差差动动放放大大电电路路与与集集成成运运算算放放大大器器返回主目录第4章 差动放大电路与集成运算放大器第第 4 章章 差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器实训实训4 基本运算电路的组装与测试基本运算电路的组装与测试(一)实训目的(1)初步接触集成运算放大器,了解其外形特征、管脚设置及其基本外围电路的连接。(2)通过反相比例运算电路、加法运算
2、电路及减法运算电路输出、输入之间关系的测试，初步了解集成运放基本运算电路的功能。(3)进一步熟练示波器的使用，练习使用双踪示波器测量直流及正弦交流电压，以及对两路信号进行对比。第4章 差动放大电路与集成运算放大器(二二) 预习要求预习要求(1)复习前一章中有关集成运放及其引入负反馈的有关内容。(2)提前熟悉双踪示波器的使用方法。(三三) 实训原理实训原理1. 集成运算放大器简介集成运算放大器简介集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大器，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大本实训所用LM741集成运放的外引脚排列顺序及
3、符号如实图4.1所示。它有8个管脚，各管脚功能如图注所示。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要掌握其外围电路的接法就可以了。2. 负反馈的引入负反馈的引入由第3章可知，放大器引入负反馈后，可以改善很多性能。集成运放若不接负反馈或接正反馈，只要有一定的输入信号（即使是微小的输入信号），输出端就会达到最大输出值（即饱和值），运放的这种工作状态称为非线性工作状态。非线性工作状态常用在电压比较器和波形发生器等电路中，这里暂不考虑。集成运放引入负反馈后，就可工作于线性状
4、态。线性状态时，输出电压Uo与输入电压Ui之间的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入端的外接阻抗，而与运算放大器本身参数无关。这一点大家在实训中要充分体会。第4章 差动放大电路与集成运算放大器3. 几种基本运算电路几种基本运算电路依外接元件连接的不同，集成运放可以构成比例放大、加减法、微分、积分等多种数学运算电路。本实训只不过进行其中几种运算。1）反相比例运算反相比例运算电路如实图4.2(a)所示。输入信号Ui从反相输入端输入,同相输入端经电阻接地。这个电路的输出与输入之间有如下关系:Uo=即输出电压与输入电压成比例,比例系数仅与外接电阻Rf、R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接R2、R3
5、称为平衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器若使Rf=R1，则Uo=Ui，此时电路称为反相器，即输出电压与输入电压大小相等而极性相反。2）反相加法运算实图4.2（b）所示为反相加法运算电路。图中，两个输入信号Ui1、Ui2分别经R1、R2（数值与R1相等）输入反相端。R3为平衡电阻，R3=R1/R2/Rf。这个电路的输出输入关系为Uo=若Rf=R1=R2，则Uo=（Ui1+Ui2）。第4章 差动放大电路与集成运算放大器3）减法运算实图4.2(c)为减法运算电路,其中R1=R2，R3=Rf。两个输入信号Ui1、Ui
6、2分别经电阻R1、R2从反相、同相两个输入端输入。这个电路的输出输入关系为Uo=若R1=R2=R3=Rf，则Uo=Ui2Ui1。4. 调零问题调零问题由于集成运放一般都存在失调电压和失调电流，因而会影响运算精度。比如，实图4.2(a)的反相比例运算电路中,输入电压Ui=0时，输出电压Uo不为0，而是一个很小的非零数。第4章 差动放大电路与集成运算放大器调整1、5脚连接的调零电位器RP，可使输出电压变为零。这个过程就是运放的调零。调零之后再进行各种运算电路的测量，测量结果才会准确。(四四) 实训内容实训内容1. 反相比例运算电路测试反相比例运算电路测试按实图4.2(a)在模拟实验包上搭建电路，确
7、定无误后，接入15V直流稳压电源。首先对运放电路进行调零，即令Ui=0，再调整调零电位器RP，使输出电压Uo=0。（1）按实表4.1指定的电压值输入不同的直流信号Ui，分别测量对应的输出电压Uo，并计算出电压放大倍数。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器（2）将输入信号改为f=1kHz、幅值为200mV的正弦交流信号，用示波器观察输入、输出信号的波形。分析其是否满足上述反相比例关系。（3）把R1、R2换成51k，其余条件不变，重复上述（1）、（2）步的内容。（4）把R1、R2、R3、R4均接成100k，其余条件不变，重复上述（1）、（2）步的内容。2. 反相
8、加法运算电路测试反相加法运算电路测试按实图4.2(b)接线，调零过程同上。第4章 差动放大电路与集成运算放大器调节RP1、RP2，使A、B两点电位UA、UB为实表4.2中数值。分别测量对应的输出电压Uo。3. 减法运算电路测试减法运算电路测试接实图4.2(c)接线。调节RP1、RP2，使UA、UB为实表4.3中数值。分别测量对应的输出电压Uo。(五)实训报告(1)整理数据，完成表格。(2)根据测量结果将实测值与计算值相比较，分析各个基本运算电路是否符合相应运算关系。(3)总结集成运放的调零过程。第4章 差动放大电路与集成运算放大器(六)思考题经过实训，你肯定对下列问题产生了兴趣：(1)在集成运
9、放的运算电路中，为什么其输出、输入之间关系仅由外接元件决定，而与运放本身的参数无关？(2)按照反相比例运算关系，加大比例系数是否可使输出电压无限地增大呢？这显然不会。那么，增大到什么程度就不再增大了呢？(3)运放两个输入端为什么要“平衡”，集成运放内部电路的输入部分是什么电路？(4)积分微分运算电路是如何构成的？后续理论课很快便会使这些问题得到解决。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1 差动放大电路差动放大电路4.1.1 直接耦合放大中的特殊问题直接耦合放大中的特殊问题在实际应用中，对于信号的放大，一般都采用多级放大电路，以达到较高的放大倍数。多级放大电路中，各级之间的耦合方式有三种，即
10、阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。对于频率较高的交流信号进行放大时，常采用阻容耦合或变压器耦合。但是，在生产实际中，需要放大的信号往往是变化非常缓慢的信号，甚至是直流信号。对于这样的信号，不能采用阻容耦合或变压器耦合，而只能采用直接耦合方式。所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。第4章 差动放大电路与集成运算放大器或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦合电容和电感元件相当困难，所以近些年来发展起来的很多集成电路（如集成运算放大器），其
11、内部电路多采用直接耦合方式。实际上，直接耦合放大器不仅能放大直流信号，也能放大交流信号。因此，随着集成电路的发展，直接耦合放大器正得到越来越广泛的应用。然而，在多级放大器中采用直接耦合存在两个特殊问题必须加以解决。一是级间直流量的相互影响问题，二是零点漂移问题。第4章 差动放大电路与集成运算放大器图4.1.1（a）是一个简单的直接耦合放大器，后级输入端（V2的基极）直接接在前级的输出端（V1的集电极）。在这种电路中就存在前后级间直流量的相互影响问题。首先，两级放大器的静态工作点是相互影响的。当V1的静态工作点发生偏移时，这个偏移量会经过V2放大，使V2的静态工作点发生更大的偏移。其次，由于V1
12、的集电极与2的基极为同一电位，因而V1的UCE1受到V2的UBE2的钳制而只有0.7V左右致使信号电压的动态范围很小。为了克服这一不足，可在V2发射极接电阻，使V2的发射极电位升高，则其基极（V1的集电极）电位也可升高。第4章 差动放大电路与集成运算放大器如图4.1.1（b）所示。不过，若采用图4.1.1（b）所示电路，后级的集电极电位逐级高于前级的集电极电位，经过几级耦合之后，末级的集电极电位便会接近电源电压，这实际上也是限制了放大器的级数。所谓零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号不为零，而是一个随时间漂移不定的信号。零点漂移简称为零漂。产生零漂的原因有很多，如温度变化、电源电压波动、晶
13、体管参数变化等。其中温度变化是主要的，因此零漂也称为温漂。在阻容耦合放大器中，由于电容有隔直作用，因而零漂不会造成严重影响。但是，在直接耦合放大器中，由于前级的零漂会被后级放大，因而将会严重干扰正常信号的放大和传输。比如，图4.1.1所示直接耦合电路中，输入信号为零时（即Ui=0），输出端应有固定不变的直流电压Uo=UCE2。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器但是由于温度变化等原因，V1、V2的静态工作点会随之改变，于是使输出端电压发生变化，也就是有了输出信号。特别是V1工作点的变化影响最大，它会像信号一样直接耦合到V2，并被V2放大。因此，直接耦合放大器
14、的第一级工作点的漂移对整个放大器的影响是最严重的。显然，放大器的级数越多，零漂越严重。由于零漂的存在，我们将无法根据输出信号来判断是否有信号输入，也无法分析输入信号的大小。对于级间直流量的相互影响问题，一般采用降低前级输出电压、抬高后级发射极电位、采用NPN与PNP组合电路等方法加以解决。第4章 差动放大电路与集成运算放大器除图4.1.2（b）之外，图4.1.2（a）亦为抬高后级发射极电位的直接耦合电路，图4.1.2（b）则为NPN管与PNP管组合的直接耦合电路。在图4.1.2（a）中，由于二极管D的静态电阻大，静态电流流过时产生的压降大，故可有效地提高V2的发射极电位；但二极管的动态电阻小，
15、故信号电流流过时产生的压降小，因而对信号的负反馈作用小，不会引起放大倍数显著下降。这里是利用了非线性元件的静态电阻与动态电阻不相等的特性来适应直接耦合放大器对静态和动态参数的不同要求的。而图4.1.2（b）所示电路则没有这种作用。在图4.1.2（b）中，由于V1、V2两管所需的电压极性相反，V1的集电极电位比基极电位高，V2的集电极电位比基极电位低，这样的两个管子配合使用，两级电路便都能得到合适的工作电压。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器对于零点漂移问题，不能通过增加级数、提高放大倍数的办法来解决，因为这样做虽然提高了放大和分辨微弱信号的能力，但同时第一
16、级的零漂信号也被放大了。为了减小零点漂移，常用的主要措施有：采用高稳定度的稳压电源；采用高质量的电阻、晶体管，其中晶体管选硅管（硅管的ICBO比锗管的小）；采用温度补偿电路；采用差动式放大电路，等等。在上述这些措施中，采用差动放大电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。下面将对这种方法作重点介绍。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1.2基本差动放大器基本差动放大器1. 工作原理工作原理图4.1.3是基本的差动放大器，它由两个完全相同的单管放大器组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。输入信号从两管的
17、基极输入，输出信号则从两管的集电极之间输出。静态时，输入信号为零，即Ui1=Ui2=0，由于电路左右对称 ， 即 Ic1=Ic2， Ic1Rc=Ic2Rc或 Uc1=Uc2， 故 输 出 电 压 为Uo=Uc1Uc2=0。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器当电源波动或温度变化时，两管集电极电位将同时发生变化。比如，温度升高会引起两管集电极电流同步增加，由此使集电极电位同步下降。考虑到电路的对称性，两管集电极电位的减少量必然相等，即Uc1=Uc2，于是输出电压为Uo=(Uc1Uc1)(Uc2Uc2)=0。由此可见，尽管每只管子的零漂仍然存在，但两管的漂移信号
18、（Uc1、Uc2）在输出端恰能互相抵消，使得输出端不出现零点漂移，从而使零漂受到了抑制。这就是差动放大器抑制零点漂移的基本原理。第4章 差动放大电路与集成运算放大器由上述分析可知，差动放大电路是利用两边电路相同的零漂互相抵消的办法来抑制输出端零漂的。显然，两边电路的对称性将直接影响这种抵消的效果。电路对称性越好，这种抵消效果越好，对零漂的抑制能力越强。为了减小零漂，应尽量提高电路的对称程度。在集成运放等集成电路中，其输入级采用差动放大形式，由于集成工艺上可实现很高的电路对称性，因而其抑制零漂的能力都很强。2. 共模信号与差模信号共模信号与差模信号差动放大器的输入信号可以分为两种，即共模信号和差
19、模信号。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号即Ui1=Ui2时，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模（输入）信号。第4章 差动放大电路与集成运算放大器共模输入信号常用Uic来表示，即Uic=Ui1=Ui2。在共模输入时，输出电压与输入共模电压之比称为共模电压放大倍数，用Ac表示。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即Ui1=Ui2时，这种输入方式称为差模输入，所输入的信号称为差模输入信号。差模输入信号常用Uid来表示， 即Ui1=在差模输入时，输出电压与输入差模电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。差动放大器两种输入方式如图4.1.4所示。第4章 差
20、动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器由图4.1.4（a）可以看出，当差动放大器输入共模信号时，由于电路对称，其输出端的电位Uc1和Uc2的变化也是大小相等、极性相同，因而输出电压Uoc保持为零。可见，在理想情况下（电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零，或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作用。实际上，上述差动放大器对零漂的抑制作用就是它抑制共模信号的结果。因为当温度升高时，两个晶体管的电流都要增大，这相当于在两个输入端加上了大小相等、极性相同的共模信号。换句话说，产生零漂的因素可以等效
21、为输入端的共模信号。显然，Ac越小，对零漂的抑制作用越强。第4章 差动放大电路与集成运算放大器由图4.1.4（b）可以看出，当差动放大器输入差模信号(Ui1=1/2Uid，Ui2=1/2Uid）时，由于电路对称，其两管输出端电位Uc1和Uc2的变化也是大小相等、极性相反。若某个管集电极电位升高Uc，则另一个管集电极电位必然降低Uc。设两管的电压放大倍数均为A（两管对称，参数相同），则两管输出端电位增量分别为Uc1=Uc=，Uc2=Uc=差动放大器总的输出电压为Uod=Uc1Uc2=2Uc=UidA第4章 差动放大电路与集成运算放大器差模电压放大倍数为式（4.1.1）表明，差动放大器的差模电压放
22、大倍数等于组成该差动放大器的半边电路的电压放大倍数。由单管共射放大器的电压放大倍数计算式，有一般应当说明，当两管的输出端（即集电极）间接有负载RL时，上式应为第4章 差动放大电路与集成运算放大器其中RL=Rc(1/2RL)。这里RLRcRL，其原因是由于两管对称，集电极电位的变化等值反相，而与两集电极相连的RL的中点电位不变，这点相当于交流地电位。因而对每个单管来说，负载电阻（输出端对地间的电阻）应是RL的一半，即RL/2，而不是RL。差动放大器对共模信号无放大，对差模信号有放大，这意味着差动放大器是针对两输入端的输入信号之差来进行放大的，输入有差别，输出才变动，即为“差动”。在更一般的情况下
23、，两个输入信号电压既非共模，又非差模，而是任意的两个信号，这种情况称为不对称输入。不对称输入信号可以视为差模信号与共模信号的合成。第4章 差动放大电路与集成运算放大器分析这类信号时，可先将它们分解成共模信号和差模信号，然后再去处理。其中差模信号是两个输入信号之差。上述放大器的输入回路经过两个管子的发射结和两个电阻Rs，故输入电阻为rid=2(Rs+rbe)(4.1.3)放大器的输出端经过两个Rc，故输出电阻为Ro2Rc(4.1.4)3. 共模抑制比共模抑制比如上所述，差动放大器的输入信号可以看成一个差模信号与一个共模信号的叠加。第4章 差动放大电路与集成运算放大器对于差模信号，我们要求放大倍数
24、尽量地大；对于共模信号，我们希望放大倍数尽量地小。为了全面衡量一个差动放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，我们引入一个新的量共模抑制比，用来综合表征这一性质。共模抑制比KCMRR的定义为有时用对数形式表示这个定义表明，共模抑制比愈大，差动放大器放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）的能力也越强。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1.3 实际差动放大器实际差动放大器1. 带射极公共电阻的差动放大器带射极公共电阻的差动放大器上述基本差动放大器是利用电路两侧的对称性抑制零漂等共模信号的。但是它还存在两方面的不足。首先，各个管子本身的工作点漂移并未受到抑制。若要其以单端
25、输出（也叫不对称输出），则其“两侧对称，互相抵消”的优点就无从体现了；另外，若每侧的漂移量都比较大，此时要使两侧在大信号范围内作到完全抵消也相当困难。针对上述不足，我们引入了带射极公共电阻的差动放大器，如图4.1.5所示。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器带射极公共电阻Re的差放电路也叫长尾式差动放大器。接入公共电阻Re的目的是引入直流负反馈。比如，当温度升高时，两管的IC1和IC2同时增大，由于有了Re，便有以下负反馈过程：IC1IC1UBE1IB1IEUReUEIC2UBE2IB2IC2t()第4章 差动放大电路与集成运算放大器可见，这个负反馈过程与第
26、2章讨论过的静态工作点稳定电路的工作原理是一样的，都是利用电流负反馈改变三极管的UBE从而抑制I的变化。显然，Re越大，则负反馈作用越强，抑制温漂的效果越好。然而，若Re过大，会使其直流压降也过大，由此可能会使静态电流值下降。为了弥补这一不足，图4.1.5中在Re下端引入了负电源UEE，用来补偿Re上的直流压降，从而保证了放大器的正常工作。下面我们对图4.1.5所示电路作动态分析。首先将输入信号分解为共模信号Uic和差模信号Uid两部分，再分别说明Re对这两种信号放大倍数有何影响。第4章 差动放大电路与集成运算放大器对于共模输入信号，由于电路对称，两管的射极电流IE（约等于集电极电流IC）变化
27、量大小相等、极性相同（即同增同减），IE1=IE2=IE，使流过Re的总电流变化量为2IE，这个电流变化量在Re上产生的电压变化量（2IERe）构成负反馈信号，可使共模放大倍数降低。可见，Re对共模信号具有负反馈作用，能够抑制共模信号的输出。这个抑制过程实际上就是上述抑制零漂的过程。第4章 差动放大电路与集成运算放大器对于差模信号，Re却没有抑制作用。当输入差模信号时，两管的电流IE变化量数值相等，但极性相反，一个管IE增加，另一个管IE减少，即IE1=IE2，因而流过Re的总电流不变，Re上的电压降便不改变。这样，对差模信号而言，Re上没有信号压降，如同短路一般。当然，不起负反馈作用，也就不
28、会影响差模放大倍数。具有射极电阻Re的差动放大器，既利用电路的对称性使两管的零漂在输出端互相抵消，又利用Re对共模信号的负反馈作用来抑制每个管自身的零漂。由于这种放大器对零漂具有双重抑制作用，所以它的零漂比未接入Re的基本形式差动放大器要小得多。而且，由于每侧的漂移都减小了，信号可以从单端输出第4章 差动放大电路与集成运算放大器例4.1.2 在图4.1.5电路中，Rs=5 k，Rc=10k，Re=10k，UCC=UEE=12V，两管电流放大倍数均为=50。试计算：（1）静态工作点；（2）差模电压放大倍数；（3）输入、输出电阻。解（1）计算静态工作点。静态时，无信号输入，Ui1=Ui2=0。设单
29、管的发射极电流为IEQ，则Re上流过电流为2IEQ。对单管的基极回路可列出如下关系：第4章 差动放大电路与集成运算放大器IBQRs+UBE+2IEQReUEE=0又由 IEQ=(1+)IBQ所以代入数据得ICQ=IBQ=500.011=0.55mAUCEQ=UCC+UEEICQRc2IEQRe=12+120.551020.5510=7.5V第4章 差动放大电路与集成运算放大器（2）计算差模电压放大倍数。图4.1.6为图4.1.5所示电路的差模输入交流通路。由于差模信号在Re上没有压降，故将其视为交流短路。所以，其差模电压放大倍数的计算与未引入Re时基本差动放大器差模电压放大倍数的计算相同，也由
30、式（4.1.2）计算。在未接电阻RL时，式中所以第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器若接有负载电阻RL(如图4.1.6中虚线所示），则有Ad=式中RL=Rc(RL/2)（3）计算输入输出电阻。差模输入电阻及输出电阻的计算也与基本差放电路相同，即可分别由（4.1.3）式和（4.1.4）式计算。由（4.1.3）式，差模输入电阻为第4章 差动放大电路与集成运算放大器rid=2(Rs+rbe)=2(5+2.7)=15.4k由（4.1.4）式，输出电阻为ro2Rc=210=20k应当说明，这里计算的差模电压放大倍数及输出电阻都是对双端输出来说的。双端输出即从两个管的集
31、电极之间输出信号。后面还会看到单端输出的情况，即从一个管子的集电极与地之间输出信号，单端输出时的差模电压放大倍数及输出电阻不能用（4.1.2）式及（4.1.4）式计算。第4章 差动放大电路与集成运算放大器2. 带恒流源的差动放大器带恒流源的差动放大器从上述分析中可以看到，欲提高电路的共模抑制比，射极公共电阻Re越大越好。不过，Re大了之后，维持相同工作电流所需的电源电压UEE的值也必须相应增大。显然，使用过高的电源电压是不合适的。此外，Re值过大时直流能耗也大。为了解决这个矛盾，我们先对Re的作用从动态和静态两个角度作一分析。从加强对共模信号的负反馈作用考虑，只要求Re的动态电阻值大，而不是要
32、求其静态电阻值大。第4章 差动放大电路与集成运算放大器的动态电阻值大时，当其流过的电流IRe有微小变化IRe时,便会在Re上产生较大的电压变化IReRe，从而产生强烈的负反馈。从减小电源电压UEE及降低直流压降考虑，要求Re的静态电阻小。所以，只要Re的动态电阻大、静态电阻小就可以解决上述矛盾。不过，普通线性电阻的静态电阻与动态电阻相同，无法达到我们的要求。为此，我们要选用一种动态电阻大、静态电阻小的非线性元件来代替Re。晶体三极管恒流源电路就具有这种特性。由三极管的输出特性曲线可知，在放大区工作时，三极管的动态电阻rce比静态电阻RCE大得多。若将三极管接成第2章所学过的工作点稳定电路，如4
33、.1.7所示，则由于存在电流负反馈，其输出电流IC基本恒定，故这种电路称为恒流源电路。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器从集电极与地之间看进去，恒流源电路的输出电阻比三极管本身的动态电阻rce要大得多。正因为恒流源电路输出电阻很大，因此用它代替图4.1.5中的Re是相当理想的。图4.1.8所示即带恒流源的差动放大器。图（b）是图（a）的简化表示图。在图4.1.8电路中，V3是一个恒流源，它能维持自身集电极电流IC3恒定。而IC3=IC1+IC2，所以IC1与IC2也就保持恒定，它们不能同时增加或同时减少，也就是不随共模信号的增减而变化，这就大大抑制了共模信
34、号。这种抑制作用相当于用恒流源的很大的输出电阻（严格来讲，恒流源的输出电阻为）对共模信号引入了很强的负反馈。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器在图4.1.8电路中，V3是一个恒流源，它能维持自身集电极电流IC3恒定。而IC3=IC1+IC2，所以IC1与IC2也就保持恒定，它们不能同时增加或同时减少，也就是不随共模信号的增减而变化，这就大大抑制了共模信号。这种抑制作用相当于用恒流源的很大的输出电阻（严格来讲，恒流源的输出电阻为）对共模信号引入了很强的负反馈。而对于差模信号，则不受IC3恒定的影响，因为当差模信号使一侧管的集电极电流IC1增大时，另一侧管的集
35、电极电流IC2必将减少同样的值，两者互相抵消，恰与IC3恒定相符。也就是说，恒流源的恒流性质对于差模信号是起不到负反馈作用的。第4章 差动放大电路与集成运算放大器为了弥补电路不对称造成的失调，往往在差放电路中引入调零电路，以电路形式上的不平衡来抵消元件参数的不对称。调零电路分为射极调零和集电极调零，如图4.1.9所示。图中电位器R为调零电位器，调节RP的滑动端位置，可使输出为零。比如，（a）图中，若输入为零时输出Uo为正，则可将RP的滑动端向左移动，使Ic1，Ic2，便使Uo趋于零。同样的情况，若发生在（b）图，则应将电位器中点向右移动，以增加V1的集电极负载电阻，降低其集电极电位，使Uo降为
36、零。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器例4.1.3图4.1.10（a）为带恒流源及调零电位器的差动放大器，二极管VD的作用是温度补偿，它使恒流源IC3基本不受温度变化的影响。设UCC=UEE=12V，Rc=100k，RP=200，R1=6.8k，R2=2.2k，R3=33k，Rs=10k，E3=UVD=0.7V，各管的值均为72，求静态时的UC1，差模电压放大倍数及输入输出电阻。解（1）静态分析。由R1与R2的分压关系有第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器所以IC3IE3=IC1=IC2于是UC1=UCCIC1Rc=12
37、0.0865100=3.35V（2）求差模电压放大倍数及输入输出电阻。图4.1.10（b）为（a）图的差模交流通路，图中RP中点（V3的集电极）为交流电位的地。根据（4.1.2）式并考虑到电位器RP对放大倍数的影响，差模电压放大倍数为第4章 差动放大电路与集成运算放大器因为rbe1=300+(1+)故差模输入电阻为输出电阻为第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1.4 差动放大器的几种接法差动放大器的几种接法1. 双端输入、双端输入、 双端输出双端输出; 2. 双端输入、双端输入、 单端输出单端输出;这种接法如图4.1.11（a）所示。由图可见，输出信号Uo只从一个管子（V1）的集电极与地之
38、间引出，因而Uo只有双端输出时的一半，电压放大倍数Ad也只有双端输出时的一半，即输入电阻不随输出方式而变，而输出电阻变为roRc第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出;这种接法如图4.1.11（b）所示。信号只从一只管子（这里是V1）的基极与地之间输入，而另一只管子的基极接地。表面看来，似乎两管不是工作在差动状态。但是，若将发射极公共电阻Re换成恒流源，那么，Ic1的任何增加都将等于Ic2的减少，也就是说，输出端电压的变化情况将和差动输入（即双端输入）时一样。此时，V1、V2的发射极电位Ue将随着输入电压Ui而变，变化
39、量为Ui/2，于是，V1管的Ube1=UiUi/2=Ui/2，V2管的Ube2=0Ui/2=Ui/2，故还是属于差动输入。第4章 差动放大电路与集成运算放大器即使Re不是由恒流源代替，只要Re足够大，上述结论仍然成立。这样，单端输入就与双端输入的情况基本一样。电压放大倍数,输入、输出电阻的计算也与双端输入相同。实际上，V2的输入信号是原输入信号Ui通过发射极电阻Re耦合过来的，Re在这里起到了把Ui的一半传递给V2的作用。单端输入、双端输出的接法可把单端输入信号转换成双端输出信号，作为下一级的差动输入，以便更好地利用差动放大的特点。这种接法还常用于负载是两端悬浮（任何一端都不能接地）且要求输出
40、正、负对称性好的情况。例如，电子示波器就是将单端信号放大后，双端输出送到示波管的偏转板上的。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4. 单端输入、单端输入、 单端输出单端输出;这种接法如图4.1.11（c）所示，它既具有（a）图单端输出的特点，又具有（b）图单端输入的特点。它的Ad、ro的计算与双 端 输 入 、 单 端 输 出 的 情 况 相 同 ， 可 用 （ 4.1.8） 式 及（4.1.9）式计算。这种接法与第2章所讲的单管基本放大电路不同，其主要优点是抑制零漂的能力比单管基本放大电路强，而且通过改变输入或输出端的位置，可以得到同相或反相输出。输入、输出在同一侧（如图4.1.11(c)中
41、那样均在V1一侧）的为反相放大输出，若由V1基极输入而由V2集电极输出，则变为同相输出。第4章 差动放大电路与集成运算放大器总起来讲，差动放大器的几种接法中，只有输出方式对差模放大倍数和输出电阻有影响，也就是说，不论何种输入方式，只要是双端输出，其差模放大倍数就等于单管放大倍数，输出电阻就等于2Rc；只要是单端输出，差模放大倍数及输出电阻均减少一半。另外，输入方式对输入电阻也无影响。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.2 集成运算放大器基础集成运算放大器基础4.2.1集成运算放大器概述集成运算放大器概述运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，由于它最初主要用作模拟计算机的运算放
42、大，故至今仍保留这个名字。集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。集成运算放大器简称为集成运放。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，目前，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的核心器件之一。第4章 差动放大电路与集成运算放大器(1)所有元件都是在同一硅片上，在相同的条件下，采用相同的工艺流程制造，因而各元件参数具有同向偏差，性能比较一致。这是集成电路特有的优点，利用这一优点恰恰可以制造像差动放大器那样的对称
43、性要求很高的电路。实际上，集成电路的输入级几乎都无例外地采用差动电路，以便充分利用电路对称性，使输出的零漂得到较好的抑制。(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，高阻值电阻在硅片上占用面积很大，难以制造，而制作晶体管在硅片上所占面积较小。例如，一个5k电阻所占用硅片的面积约为一个三极管所占面积的三倍。所以，常采用三极管恒流源代替所需要的高值电阻。第4章 差动放大电路与集成运算放大器(3)集成电路工艺不宜制造几十微微法以上的电容，更难以制造电感元件。为此，若电路确实需要大电容或电感，只能靠外接来解决。由于直接耦合可以减少或避免使用大电容及电感，所以集成电路中基本上都采用这种耦合方式。(4)
44、集成电路中需用的二极管也常用三极管的发射结来代替，只要将三极管的集电极与基极短接即可。这样做的原因主要是这样制作的“二极管”的正向压降的温度系数与同类型三极管的UBE的温度系数非常接近，提高了温度补偿性能。由此可见，集成电路在设计上与分立元件电路有很大差别，这在分析集成电路的结构和功能时应当予以注意。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.2.2 集成运算放大器的内部电路简介集成运算放大器的内部电路简介集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。本节主要从使用的角度来介绍典型集成运放内部电路的组成、工作原理和性能，从而对集成运放有个全面而深入的了解。集成运放
45、的内部电路可分为输入级、偏置电路、中间级及输出级四个部分。输入级由差动放大器组成，它是决定整个集成运放性能的最关键一级，不仅要求其零漂小，还要求其输入电阻高，输入电压范围大,并有较高的增益等。偏置电路用来向各放大级提供合适的静态工作电流,决定各级静态工作点。在集成电路中，广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。第4章 差动放大电路与集成运算放大器中间级主要是提供足够的电压放大倍数，同时承担将输入级的双端输出在本级变为单端输出，以及实现电位移动等任务。输出级主要是给出较大的输出电压和电流，并起到将放大级与负载隔离的作用。常用的输出级电路形式是射极输出器和互补对称电路，有些还附加有过载保护电路。
46、下面以国产第二代通用型集成运放F007(5G24、A741)为例，对各部分电路的功用作以分析。F007的电原理图如图4.2.1所示。电路共有九个对外引线端：、为信号输入端，为信号输出端，在单端输入时，和相位相反，和相位相同，故称为反相输入端，为同相输入端；和为正、负电源端；和为调零端；和为（消除寄生自激振荡的）补偿端。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器1. 输入级输入级输入级的性能好坏对提高集成运放的整体质量起着决定性作用。很多性能指标，如输入电阻、输入电压（包括差模电压、共模电压）范围、共模抑制比等，主要由输入级的性能来决定。在图4.2.1中，V1V7以
47、及R1、R2、R3组成F007的输入级。其中，V1V4组成共集共基复合差动放大器（V1、V2为共集电路，V3、V4为共基电路），构成整个运放的输入电路。差模信号由V1、V2的基极（、端）输入，经放大后由V4、V6的集电极以单端形式输出到中间级V16的基极。V5、V6、V7构成V3、V4的有源负载。第4章 差动放大电路与集成运算放大器由V1、V2组成的共集电路输入电阻已经很高，它们的发射极又串有V3、V4共基电路的输入阻抗，使输入端、之间的差模输入阻抗比一般差动电路提高一倍，可高达1M。由于两只PNP管V3、V4的基射结之间的反向击穿电压较高，因而差模输入电压范围较宽，可达+30V。V1、V2的
48、集电极经V8接到+15V，Uc1=Uc2=150.7=14.3V。可见，当共模输入电压为13V时，V1、V2的集基之间仍可有1.3V的反偏电压，仍可正常工作，故可输入的共模电压较高。第4章 差动放大电路与集成运算放大器由于有源负载比较对称，使共模抑制比可以很高。V7的作用除了向V5、V6提供偏流外，还将V3、V5集电极电压的变化传递到V6的基极，使V6的集电极电压变化量提高一倍，从而使单端输出的电压接近于双端输出的电压。2. 偏置电路偏置电路在集成运放中，为了减少静耗、限制温升，必须降低各管的静态电流。而集成工艺本身又限制了大阻值偏置电阻的制作，因此，集成运放多采用恒流源电路作为偏置电路。这样
49、既可使各级工作电流降低，又可使各级静态电流稳定。F007中采用的恒流源电路是“镜像电流源”及“微电流源”电路，下面分别介绍。第4章 差动放大电路与集成运算放大器1）镜像电流源电路镜像电流源在第2章已经作过介绍。这里为了便于讨论，再作以简要说明，其电路如图4.2.2所示。V1、V2是做在同一小块硅片上的两个相邻三极管，由于工艺、结构及材料均相同，因此，二者性能参数相同，又因UBE1=UBE2=UBE，因此电流也对称相等，即IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC由图可得R中的电流为IR=根据分流关系，又可有第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器当2时，有我们称
50、IR为基准电流，而将IC2作为输出电流，供给其它放大级。由式（4.2.1）可知，IC2等于IR，一旦IR确定，IC2便随之确定，IR稳定，IC2也随之稳定，IC2与IR成为一种镜像关系，故称其为镜像电流源。镜像电流源的输出电流IC2只决定于基准电流IR，而与V2集电极负载大小及性质无关。第4章 差动放大电路与集成运算放大器2）微电流源上述镜像电流源有一个不足之处，那就是当需要输出电流IC2很小时，就需要R值很大，这必然给工艺带来困难。为了既减小IC2又不加大R值，常采用图4.2.3所示微电流源电路，它是在上述镜像电流源的V2的发射极中串入了一个电阻Re。由图可知，UBE1UBE2=UBE=IE
51、2Re故有第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器在上式中，V1、V2基射之间电压之差UBE数值很小，只需阻值不大的Re便可获得微小的工作电流IC2，故称之为微电流源。可以证明，IC2与IC1之间满足下式：UTln式中UT为温度的电压当量，常温下UT=26mV。例如，当IC1=1mA，IC2=10A时，由式（4.2.2）可求出Re12k，而对应的R=14.3k。若不采用微电流源，而是采用图4.2.2所示镜像电流源，当UCC=15V时，要达到IC2=10A，R约为1.43M，此值已超出了集成工艺可实现的范围。所第4章 差动放大电路与集成运算放大器所以，微电流源达到
52、了接入小电阻、输出小电流的目的。另外，由于Re的负反馈作用，还可抑制电源电压波动及温度的变化对输出电流的影响，成为稳定的微恒流源。3）F007的偏置电路图4.2.4示出了F007的偏置电路，由V8至V13以及R4、R5组成。图中共三对镜像电流源，它们是V8与V9、V10与V11、V12与V13（其中V10与V11是微电流源）。流过R5的电流IR是V12与V13、V10与V11这两对电流源的基准电流。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器由图可有可见，IR是一个基本恒定的基准电流。IR在V13中的镜像电流IC13向中间级的V16、V17提供静态电流；IR在V10
53、中的镜像电流IC10为V9提供集电极电流，同时为V3、V4提供基流I3，4。即IC10=IC9+I3，4。在V8与V9电流源中，IC8为输入级的V1、V2提供集电极静态电流。第4章 差动放大电路与集成运算放大器还应指出，V8、V9与恒流源V10在这里组成了一个共模负反馈环节，具有稳定IC3、IC4的作用。比如，当温度升高使IC3、IC4增加时，也会引起IC8增加，IC9便也随之增加。但IC10恒定，结果导致I3，4减少，进而使IC3、IC4减少，从而保证了V3、V4静态工作点的稳定，提高了输入级的共模抑制比。3. 中间级中间级中间级是由V16、V17组成的复合管共射放大电路，其输入电阻大，对输
54、入级的影响小；其集电极负载为有源负载（由恒流源V13组成），而V13的动态电阻很大，加之放大管的很大，因此中间级的放大倍数很高。第4章 差动放大电路与集成运算放大器此外，在V16、V12的集电极与基极之间还加接了一只约30pF的补偿电容，用以消除自激。4. 输出级输出级F007的输出级主要由三部分电路组成：由V14、V18、V19组成的互补对称电路；由V15、R7、R8组成的UBE扩大电路；由VD1、VD2、R9、R10组成的过载保护电路。（关于互补对称电路及UBE扩大电路的工作原理，请看第5章中的有关内容。）信号从中间级的V13、V16（V17）的集电极加至互补对称电路两管基极，放大后从端输
55、出。过载保护电路是为防止功放管电流过大造成损坏而设置的。第4章 差动放大电路与集成运算放大器正常工作时，VD1、VD2不通。当V14导通（V18、V19截止）且导通电流过大时，会引起UR9增大而使VD1导通，VD1对IB14分流，从而限制V14的输出电流。同样，当V18、V19导通（V14截止）且导通电流过大时，会引起UR10增大而使VD2导通，ID2对IB18分流，从而限制了复合管V18、V19的输出电流。这就是过载保护功能。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.2.3 集成运放的基本技术指标集成运放的基本技术指标衡量集成运放质量好坏的技术指标很多，基本指标有10项左右。实用中可通过器件手
56、册直接查到各种型号运放的技术指标。不过，并不是一种运放的所有各项技术指标都是最优的，往往各有侧重。即使是同一型号的组件在性能上也存在一定的分散性，因而使用前常需要进行测试和筛选。为此，必须了解各项性能参数的含义。1.输入失调电压UOS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，需在集成运放两输入端额外附加的补偿电压称为输入失调电压UOS。UOS越小越好，一般约为0.55mV。第4章 差动放大电路与集成运算放大器2. 输入失调电流输入失调电流IOSIOS是当运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差，IO
57、S=|IB1IB2|。它是由内部元件参数不一致等原因造成的。IOS越小越好，一般为1nA10A。3. 输入偏置电流输入偏置电流 IBIB是当输出电压为零时，流入运放两输入端静态基极电流的平均值IB=(IB1+IB2)/2。该值越小，信号源内阻变化时引起输出电压的变化越小，因此，IB越小越好，一般为1nA100A。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod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电压之比称开环差模电压放大倍数Aod。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以上。5. 共模抑制比共模抑
58、制比KCMRRKCMRR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMRR=|Aod/Aoc|，其含义与差动放大器中所定义的KCMRR相同，高质量的运放KCMRR可达160dB。第4章 差动放大电路与集成运算放大器6. 输入失调电压温漂输入失调电压温漂dUOS/dt和输入失调电流温漂和输入失调电流温漂dIOS/dt在规定的工作温度范围内，输入失调电压对温度的变化率称为输入失调电压温漂，用以表征UOS受温度变化的影响程度，一般为150V/，好的可达0.5V/。在规定的工作温度范围内，输入失调电流对温度的变化率称为输入失调电流温漂，用以表征IOS受温度变化的影响程度，一般为15nA/，好的可达
59、pA/数量级。7. 最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmax UIcmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最大共模输入电压。超过此值，集成运放的共模抑制比、差模放大倍数等会显著下降。第4章 差动放大电路与集成运算放大器8. 最大差模输入电压最大差模输入电压UIdmaxUIdmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。输入差模电压超过UIdmax时，可能使输入级的管子反向击穿。9. 差模输入电阻差模输入电阻ridrid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数量级，以场效应管为输入级的可达104M。10. 开环输出电
60、阻开环输出电阻roro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。第4章 差动放大电路与集成运算放大器除上述这些指标外，集成运放还有最大输出电压、最大输出电流、带宽、单位增益带宽、静态功耗等技术指标。还应说明，随着技术的改进，近些年来，各种专用型集成运放也不断问世，如高阻型（输入电阻高）、高压型（输出电压高）、大功率型（输出功率高达十几瓦）、低功耗型（静态功耗低，如12V、10100A）、低漂移型（温漂小）、高速型（过渡时间短、转换率高）等。通用型集成运放价格便宜，容易购买；专用型集成运放则可满足一些特殊要求。有关具体器件的详细资料，须参看生产厂家提供的
61、产品说明。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.3 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 4.3.1 理想运算放大器的条件及特点理想运算放大器的条件及特点在分析集成运放构成的应用电路时，将集成运放看成理想运算放大器，可以使分析大大简化。理想运算放大器应当满足以下各项条件：开环差模电压放大倍数Aod=；差模输入电阻rid=；输出电阻ro=0；输入偏置电流IB1=IB2=0；共模抑制比KCMRR=；第4章 差动放大电路与集成运算放大器失调电压、失调电流及它们的温漂均为0；上限频率fH=。尽管理想运放并不存在，但由于实际集成运放的技术指标比较理想，在具体分析时将其理想化一般是允许的。这种分析计
62、算所带来的误差一般不大，只是在需要对运算结果进行误差分析时才予以考虑。本书除特别指出外，均按理想运放对待.在分析运放应用电路时，还须了解运放是工作在线性区还是非线性区，只有这样才能按照不同区域所具有的特点与规律进行分析。第4章 差动放大电路与集成运算放大器1. 线性区线性区集成运放工作在线性区时，其输出信号和输入信号之间有以下关系成立:Uo=Aod(U+U)(4.3.1)由于一般集成运放的开环差模增益都很大，因此，都要接有深度负反馈，使其净输入电压减小，这样才能使其工作在线性区。理想运放工作在线性区时，可有以下两条重要特点： 由于Aod=，而输出电压Uo总为有限值，则由式（4.3.1）有U+U
63、=第4章 差动放大电路与集成运算放大器由于集成运放的开环差模输入电阻rid=，输入偏置电流IB=0，当然不会向外部电路索取任何电流，因此其两个输入端的电流都为零，即Ii+=Ii=0(4.3.3)这就是说，集成运放工作在线性区时，其两个输入端均无电流，这一特点称为“虚断”。一般实际的集成运放工作在线性区时，其技术指标与理想条件非常接近，因而上述两条特点是成立的。第4章 差动放大电路与集成运算放大器2. 非线性区非线性区由于集成运放的开环增益Aod很大，当它工作于开环状态（即未接深度负反馈）或加有正反馈时，只要有差模信号输入，哪怕是微小的电压信号，集成运放都将进入非线性区，其输出电压立即达到正向饱
64、和值Uom或负向饱和值Uom。此时，（4.3.1）式不再成立。理想运放工作在非线性区时，有以下两条特点：只要输入电压U+与U不相等，输出电压就饱和。因此有Uo=UomU+UUo=UomU+U第4章 差动放大电路与集成运算放大器虚断仍然成立，即Ii+=Ii=0综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，可将集成运放按理想运放对待，判断它是否工作在线性区。一般来说，集成运放引入了深度负反馈时，将工作在线性区。在此基础上，可运用上述线性区或非线性区的特点分析电路的工作原理，使分析工作大为简化。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.3.2基本运算放大器基本运算放大器基本运算放大器包括反相输入放大器和同
65、相输入放大器，它们是构成各种复杂运算电路的基础，是最基本的运算放大器电路。1. 反相输入放大器反相输入放大器反相输入放大器又称为反相比例运算电路，其基本形式如图4.3.1所示。输入信号Ui经R1加至集成运放的反相输入端。Rf为反馈电阻，将输出电压Uo反馈至反相输入端，形成深度的电压并联负反馈。第4章 差动放大电路与集成运算放大器2）电压放大倍数（比例系数）在图4.3.1中，If=Ii=考虑到Ii=0，故Ii=If即或第4章 差动放大电路与集成运算放大器上式表明，集成运放的输出电压与输入电压相位相反，大小成比例关系。比例系数(即电压放大倍数）等于外接电阻Rf与R1之比值，显然与运放本身的参数无关
66、。因此，只要选用不同的Rf、R1电阻值，便可方便地改变此例系数。而且，只要选用优质的精密电阻使这两个电阻值精确、稳定，即使放大器本身的参数发生一些变化，Auf的值还是非常精确、稳定的。输出电压与输入电压相位相反体现在（4.3.5）式中的负号上。特别当Rf=R1时，Auf=1，即输出电压与输入电压大小相等，相位相反，因此称此时的电路为反相器。图4.3.1中，同相输入端接入电阻R2的目的是为了保持运放电路静态平衡。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器集成运放的输入级均为差动放大器，而差动放大器两边电路参数应当对称。静态时，集成运放的输入信号电压与输出电压均为零，
67、此时电阻R1与Rf相当于并联地接在运放反相输入端与地之间，这个并联电阻相当于差动输入级一个三极管的基极电阻。为了使差动输入级的两侧对称，在运放同相端与地之间也接入了一个电阻R2，并使R2=R1Rf，这样便可使电路达到静态平衡，所以R2被称为平衡电阻。3）输入、输出电阻由于反相输入端为虚地（U=0），所以反相输入放大器的输入电阻为第4章 差动放大电路与集成运算放大器设ro为集成运放开环时的输出电阻（其值不会很大），则图4.3.1中电压负反馈使闭环输出电阻降低为rof=其中，反馈系数F=R1/(R1+Rf)，Aod，所以可有rof02. 同相输入放大器同相输入放大器同相输入放大器又称为同相比例运算
68、电路，其基本形式如图4.3.2所示。输入信号Ui经R2加至集成运放的同相端。Rf为反馈电阻，输出电压经Rf及R1组成的分压电路，取R1上的分压作为反馈信号加到运放的反相输入端，形成了深度的电压串联负反馈。R2为平衡电阻，其值应为R2=R1Rf。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器1）电压放大倍数（比例系数）由图4.3.2可以列出If=由虚断有Ii+=Ii=0故I1=If即第4章 差动放大电路与集成运算放大器再由虚短及Ii+=0，有U=U+=Ui所以经整理得电压放大倍数为Auf=上式表明，集成运放的输出电压与输入电压相位相同，大小成比例关系。比例系数（即电压放
69、大倍数）等于1+Rf/R1，此值与运放本身的参数无关。第4章 差动放大电路与集成运算放大器输出电压与输入电压相位相同体现在式（4.3.7）中的（1+Rf/R1）为正值上。作为同相输入放大器的特例，我们令Rf=0（即将反馈电阻短路）或（和）R1=（即将反相输入端电阻开路），则由式（4.3.7）可得Auf=1。这表明，Uo=Ui，输出电压与输入电压相等。我们称这种电路为电压跟随器。这种电压跟随器比第2章讨论的射极输出器（也是电压跟随器）性能强得多，它的输入电阻很高，输出电阻很低，“跟随”性能很稳定。2）输入、输出电阻同相输入放大器是一个电压串联负反馈电路，理想情况下，输入电阻为无穷大，即rif，而
70、输出电阻为零，即ro0第4章 差动放大电路与集成运算放大器即使考虑到实际参数，输入电阻仍然很大，输出电阻仍然很低。应当指出，在同相输入放大器中，“虚短”仍然成立，但因反相端不为地电位，因此不再有虚地存在。由于两输入端都不为地，使得集成运放的共模输入电压值较高。以上两种基本运算放大器，无论是反相输入方式还是同相输入方式，输出信号总是通过反馈网络加到集成运放的反相输入端，以实现深度负反馈的。正是加了深度负反馈，才使得电压放大倍数仅取决于反馈电路和输入电路的元件值而与运放本身参数几乎无关；也正是由于电压负反馈，才使得电路的输出电阻很低，而输入电阻依反馈类型不同或很高（同相放大器）或很低（反相放大器）
71、。第4章 差动放大电路与集成运算放大器例4.3.1在图4.3.1中，已知R1=10k，Rf=500k，求电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2。解第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.3.3集成运放在信号运算中的应用集成运放在信号运算中的应用集成运放使用不同的输入形式，外加不同的负反馈网络，可以实现多种数学运算。由于输入、输出量均为模拟量，所以信号运算统称为模拟运算。尽管数字计算机的发展在许多方面代替了模拟计算机，然而在许多实时控制和物理量的测量方面，模拟运算仍有其很大优势，所以，信号运算电路仍是集成运放应用的重要方面。1. 加法、加法、 减法运算减法运算1）加法运算加法运算是指电路
72、的输出电压等于各个输入电压的代数和。在图4.3.1所示的反相输入放大器中再增加几个支路便组成反相加法运算电路，如图4.3.3所示。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器图中，有三个输入信号加在了反相输入端。同相端的平衡电阻值为R4=R1R2R3Rf。反相加法运算电路也称反相加法器。由虚地，有U=U+=0则各支路中电流分别为由虚断，Ii=0，则I1+I2+I3=If第4章 差动放大电路与集成运算放大器即变为可见，上式可以模拟这样的函数关系:y=a1x1+a2x2+a3x3当R1=R2=R3=R时，式（4.3.8）变为特别，当R=Rf时，Uo=(Ui1+Ui2+U
73、i3)(4.3.10)第4章 差动放大电路与集成运算放大器Uo1=同样，当仅有Ui2、Ui3输入时，对应的输出电压Uo2、Uo3分别为Uo2=这样，当Ui1、Ui2、Ui3均输入时，其输出电压Uo为例4.3.2设计一个反相加法器，要求实现y=(5x1+x2+4x3)运算，且输入电阻不低于10k。解将式y=(5x1+x2+4x3)与式(4.3.8)对照，可得下列关系：第4章 差动放大电路与集成运算放大器即依题意，输入电阻不低于10k，故可选R1=10k，则Rf=50k，R2=50k，R3=12.5k，所设计的电路与图4.3.3相同，其中平衡电阻R4为R4=R1R2R3R5=4.545k2）减法运
74、算减法运算是指电路的输出电压与两个输入电压之差成比例，减法运算又称为差动比例运算或差动输入放大。图4.3.4即为减法运算电路。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器由图可见，运放的同相输入端和反相输入端分别接有输入信号Ui1和Ui2。从电路结构来看，它是由同相输入放大器和反相输入放大器组合而成。下面用叠加原理进行分析。当Ui2=0、仅Ui1单独作用时，该电路为反相输入放大器，其输出电压为Uo1=当Ui1=0、仅Ui2单独作用时，该电路为同相输入放大器，其输出电压为第4章 差动放大电路与集成运算放大器这样，当Ui1、Ui2同时作用时，其输出电压为Uo1与Uo2的
75、叠加，即Uo=Uo1+Uo2=特别，当R1=R2，R3=Rf时Uo=而当R1=Rf时Uo=Ui2Ui1第4章 差动放大电路与集成运算放大器可见，输出电压与两个输入电压之差成比例(（4.3.12）式)，特殊情况下，比例系数为1(（4.3.13）式)，从而实现了减法运算。2. 积分、微分运算积分、微分运算1）积分运算积分运算电路是模拟计算机中的基本单元，利用它可以实现对微分方程的模拟，能对信号进行积分运算。此外，积分运算电路在控制和测量系统中应用也非常广泛。在图4.3.1所示反相输入放大器中，将反馈电阻Rf换成电容C，就成了积分运算电路，如图4.3.5所示。积分运算电路也称为积分器。第4章 差动放
76、大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器由于U-=0,i1=if=故上式说明，输出电压为输入电压对时间的积分，实现了积分运算。式中负号表示输出与输入相位相反。R1C为积分时间常数，其值越小，积分作用越强，反之，积分作用越弱。当输入电压为常数(ui=UI)时，(4.3.14）式变为第4章 差动放大电路与集成运算放大器由上式可以看出，当输入电压固定时，由集成运放构成的积分电路，在电容充电过程（即积分过程）中，输出电压（即电容两端电压）随时间作线性增长，增长速度均匀。而简单的RC积分电路所能实现的则是电容两端电压随时间按指数规律增长，只在很小范围内可近似为线性关系。从这一点来看，集
77、成运放构成的积分器实现了接近理想的积分运算。例4.3.3在图4.3.5中，R-1=20k，C=1F，ui为一正向阶跃电压,ui=0,tf0(f-0=-0/2)时衰减得更快，可将上述滤波电路再加一级RC低通电路，组成二阶低通滤波电路，如图4.3.12（a）所示。图中，第一个电容C的一端接到运放的输出端，目的是引入反馈，使高频段幅度衰减更快，更接近理想特性。图4.3.12（b）画出了两种低通滤波器归一化的对数幅频特性曲线。由曲线可以看出，在ff0时，二阶滤波（线2）可提供-40dB/10倍频程的衰减，而一阶滤波（线1）的衰减速度为-20dB/10倍频程，二阶滤波效果要好得多。第4章 差动放大电路与
78、集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器2）高通滤波器高通滤波器能够通过高频信号，抑制或衰减低频信号。将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容位置互换，如图4.3.13所示，就成为高通滤波器。2. 电压比较器电压比较器电压比较器的功能是将一个输入电压与另一个输入电压或基准电压进行比较，判断它们之间的相对大小，比较结果由输出状态反映出来。集成运放用作比较器时，工作于开环状态，只要两端输入电压有差别（差动输入），输出端就立即饱和。为了改善输入、输出特性，常在电路中引入正反馈。电压比较器可分为单限比较器与滞回比较器。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器1）单
79、限比较器图4.3.14（a）是一个简单的单限比较器电路图。图中，运放的同相输入端接基准电位（或称参考电位）UR。被比较信号由反相输入端输入。集成运放处于开环状态。当uiUR时，输出电压为负饱和值-Uom；当uiUR时，输出电压为正饱和值+Uom。其传输特性如图4.3.14（b）所示。可见，只要输入电压在基准电压UR处稍有正负变化，输出电压uo就在负最大值到正最大值处变化。作为特殊情况，若图4.3.14中UR=0V，即集成运放的同相端接地，则基准电压为0V，这时的比较器称为过零比较器。当过零比较器的输入信号ui为正弦波时，输出电压uo为正负宽度相同的矩形波，如图4.3.15所示。第4章 差动放大
80、电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器2）滞回比较器滞回比较器如图4.3.16所示。它是在过零比较器的基础上，从输出端引一个电阻分压支路到同相输入端，形成正反馈。这样，作为参考电压的同相端电压U+不再是固定的，而是随输出电压uo而变。图中V-DZ是一对反向串联的稳压管（称双向稳压管），其在两个方向的稳压值UVDZ相等，都等于一个稳压管的稳压值加上另一个稳压管的导通压降，这样，便把比较器的输出电压钳位于UVDZ值。当输出电压为正最大值+UVDZ时，同相输入端的电压设为UT，则有此间，若保持ui-UT，输出则保持-UVDZ不变。一旦ui从大逐渐
81、减小到刚刚小于-UT，则输出电压迅速从-UVDZ跃变为+UVDZ。由此可以看出，由于正反馈支路的存在，同相端电位受到输出电压的制约，使基准电压变为两个值：第4章 差动放大电路与集成运算放大器UT与-UT。其中UT是输出电压从正最大到负最大跃变时的基准电压，而-UT是输出电压从负最大到正最大跃变时的基准电压。这使比较器具有滞回的特性，其传输特性曲线具有滞回曲线的形状，如图4.3.16（b）所示。我们把两个基准电压之差称为回差。显然，改变R2的值可以改变回差的大小。图4.3.16（a）中，若同相端电阻R2不接地，改接到一个固定电压UR上，如图4.3.17（a）所示。此时两个基准电压也跟着改变。当输
82、出电压为+UVDZ时，基准电压（即同相端电压）为而当输出电压为-UVDZ时，基准电压为第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器将（4.3.26）、（4.3.27）式与（4.3.24）、（4.3.25）式相比可知，加上固定电压UR之后，两个基准电压不再是大小相等、符号相反的两个数，与图3.1.16（b）对应的滞回曲线也要沿横轴方向移动的距离，如图4.3.17（b）所示。从上述滞回比较器的传输特性可以看出，只要干扰信号的峰值小于半个回差，比较器就不会因干扰而误动作，从而提高了抗干扰能力。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.3.
83、5集成运放在波形发生器中的应用集成运放在波形发生器中的应用在模拟系统中常用的正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等信号，都可以用集成运放来构成。用集成运放构成的波形发生器，电路简单、频率与幅度易于调节，因而应用很广。本节只介绍非正弦波发生器，正弦波发生器则放在第6章振荡器中介绍。1. 矩形波发生器矩形波发生器在图4.3.16所示滞回比较器的基础上增加一条RC负反馈支路，就构成一个矩形波发生器，如图4.3.18（a）所示。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器图中，Rf和C组成负反馈支路，R1和R2组成正反馈支路，R3为限流电阻。电容C的端电压uC为运放的反相输入端电
84、压，而同相输入端电压（即比较器的基准电压UT）为电阻R2的端电压UR2。输出电压uo的极性如何变化则由uC与UT比较的结果来决定。设通电之后，运放输出电压为正值UVDZ(为正或为负纯属偶然），则基准电压为此时uCUT+，uo经Rf向C充电，充电电流方向如图中实线所示，uC按指数规律上升。充电期间，只要uCUT-，输出电压就保持-UVDZ不变。当uC=UT-时，输出电压又开始翻转，由-UVDZ跃变为+UVDZ。此后，电容又充电，到u=UT+时，输出再一次翻转。这样，电容反复充电、放电，其端电压uC在第4章 差动放大电路与集成运算放大器之间来回渐变，形成三角波电压；而比较器的输出电压uo在+UVD
85、Z与-UVDZ两值间来回翻转，形成矩形波电压，如图4.3.18（b）所示。可以证明，矩形波的周期T为频率f为f=第4章 差动放大电路与集成运算放大器可见，矩形波的频率f只与RfC及R2/R1有关，而与输出电压的幅度无关。通常用调节Rf的方法来调节频率。改变电容C的充电放电时间常数可以调节波形的占空比，如图4.3.19所示。图中，当RP动点上移时，充电时间常数大于放电时间常数，矩形波正波变宽，负波变窄；反之，负波变宽，正波变窄。2. 方波方波三角波发生器三角波发生器图4.3.20（a）是一个方波三角波发生器。图中，运放N1构成滞回比较器，产生方波输出；运放N2构成反相积分器，产生三角波。第4章
86、差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器设N1输出电压为uo1，它也是N2的输入电压。受双向稳压管的钳制，uo1只能取UVDZ与-UVDZ两个值。由图可以看出，滞回比较器N1的同相端电压u+由uo1和uo共同决定，即当u+0时，N1输出为正饱和值，即uo1=+UVDZ；当u+0时，运放反相输入端电压u-微大于零，运放输出端电压uo10，则二极管V-D1导通，VD2截止，由于通过VD1实现了反馈，加之“虚地”的存在，故uo0。当输入电压ui0，则VD1截止，VD2导通，通过VD2、Rf实现了反馈，构成反相比例运算电路，故输出电压为第4章
87、 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器由此可见，一个周期内输出电压半周为0，半周与输入电压成比例。输入与输出波形如图4.3.25（b）所示。设集成运放开环增益Ad为50万倍，二极管导通电压为0.7V，则VD1导通时运放的差模输入电压为ud=u-u+=上式说明，折算到运放输入端，仅1.4V就可使二极管VD1导通。同理，使VD2导通的电压也降到这个数量级。显然，这样的精密整流电路可对微弱输入信号电压进行整流。第4章 差动放大电路与集成运算放大器4.3.7集成运放应用中的几个问题集成运放应用中的几个问题在实际应用中，除了根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几
88、个方面的问题。1. 对集成运放的粗测对集成运放的粗测根据集成运放内部的电路结构，可以用万用表粗略测量出各引脚之间有无短路或开路现象，判断其内部有无损坏。测试时必须注意，不可用大电流挡（如R1()挡）测量，以免电流过大而烧坏PN结；也不可用高电压档（如R10k档）测量，以免电压过高损坏组件。第4章 差动放大电路与集成运算放大器例如，对F007（5G24），可参照图4.2.1进行测量。测量、脚之间电阻，判断输入端之间有否短路；测量、脚之间电阻，其应约等于R1与R3之和；测量、脚之间电阻应为两管发射结电阻与电阻R6之和。2. 调零问题调零问题如前所述，由于失调电压、失调电流的影响，使运放在输入为零时
89、，输出不等于零。为此，必须采取调零措施予以补偿。有些运放设有调零端子，如F007的、脚。这时可选用精密的线绕电位器进行调零，如图4.3.26所示。将两输入端的电阻接地，调整电位器，使输出电压为零。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器有些集成运放未设调零端子，特别是双运放、四运放一般没有专门调零端。对这样的运放，可采用辅助调零的办法加以解决。具体接线如图4.3.27所示。辅助调零实质上是在输入端额外引入一个与失调作用相反的直流电位，以此来抵消失调的影响。以（a）图为例，辅助直流电位经电位器RP、电阻R1引到了反相输入端，调节电位器触点，便可改变加至反相端的辅助
90、直流电位，从而使得当输入信号为零时，输出电压uo亦为零。3. 消除自激问题消除自激问题运放在工作时容易产生自激振荡。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器为此，目前大多数集成运放内电路已设置了消振的补偿网络，有些运放引出有消振端子，用以外接RC消振网络。此外，在实际使用时，还可按图4.3.28所示，在电源端、反馈支路及输入端联接电容或阻容支路，来消除自激。4. 保护措施保护措施这里所说的保护措施是针对在使用集成运放时，由于电源极性接反、输入输出电压过大、输出短路等原因造成集成运放损坏的问题而采取的。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成
91、运算放大器为防止电源极性接反，可在正、负电源回路中顺接二极管。若电源接反，二极管因反偏而截止，等于电源断路，起到了保护运放的作用。如图4.3.29所示。为防止输入差模或共模电压过高损坏集成运放的输入级，可在集成运放输入端并接极性相反的两只二极管，从而使输入电压的幅度限制在二极管的正向导通电压之内，如图4.3.30所示。不过，二极管本身的温度漂移会使放大器输出的漂移变大，应引起注意。第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器第4章 差动放大电路与集成运算放大器输出保护是为了防止输出碰到过电压时使输出级击穿，可采用图4.3.31所示电路。输出正常时，双向稳压管未击穿，其相当于开路，对电路没有影响。当输出端电压大于双向稳压管稳压值时，稳压管被击穿，反馈支路阻值大大减小，负反馈加深，从而将输出电压限制在双向稳压管的稳压范围内。第4章 差动放大电路与集成运算放大器
