電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 蘇莉萍 第3-5章 多級放大電路及集成運算放大器、負反饋放大電路、集成運算放大器應(yīng)用電路

課題三多級放大電路及

集成運算放大器3.1多級放大電路3.2差動放大電路3.3功率放大電路3.4集成運算放大器簡介課題小結(jié)

3.1多級放大電路

在實際的電子設(shè)備中，為了得到足夠大的放大倍數(shù)或者使輸入電阻和輸出電阻達到指標要求，一個放大電路往往由多級組成。多級放大電路一般由輸入級、中間級及輸出級組成，如圖3.1所示。圖3.1多級放大電路框圖

3.1.1級間耦合方式

多級放大電路是將各單級放大電路連接起來，這種級間連接方式稱為耦合。

1.阻容耦合

阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級和后級連接起來。這個電容器稱為耦合電容，如圖3.2所示。第一級的輸出信號通過電容器C2和第二級的輸入端相連接。圖3.2阻容耦合兩級放大電路

阻容耦合的優(yōu)點是：前級和后級直流通路彼此隔開，每一級的靜態(tài)工作點相互獨立，互不影響，便于分析和設(shè)計電路。因此，阻容耦合在多級交流放大電路中得到了廣泛應(yīng)用。

阻容耦合的缺點是：信號在通過耦合電容加到下一級時會大幅衰減，對直流信號(或變化緩慢的信號)很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。

2.變壓器耦合

變壓器耦合是利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入端連接起來，如圖3.3所示。圖3.3變壓器耦合兩級放大電路

變壓器耦合的優(yōu)點是：由于變壓器不能傳輸直流信號，且有隔直作用，因此各級靜態(tài)工作點相互獨立，互不影響。變壓器在傳輸信號的同時還能夠進行阻抗、電壓、電流變換。

變壓器耦合的缺點是：體積大、笨重等，不能實現(xiàn)集成化應(yīng)用。

3.直接耦合

直接耦合是將前級放大電路和后級放大電路直接相連的耦合方式，如圖3.4所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。直接耦合的缺點是：由于失去隔離作用，使前級和后級的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級靜態(tài)工作點相互影響。另外還存在著零點漂移現(xiàn)象?，F(xiàn)討論如下：

(1)靜態(tài)工作點相互牽制。如圖3.4所示圖3.4直接耦合放大電路

(2)零點漂移現(xiàn)象。由于溫度變化等原因，使放大電路在輸入信號為零時輸出信號不為零的現(xiàn)象稱為零點漂移。產(chǎn)生零點漂移的主要原因是溫度變化而引起的。因而，零點漂移的大小主要由溫度所決定。

3.1.2耦合對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

1.信號源和輸入級之間的關(guān)系

信號源接放大電路的輸入級，輸入級的輸入電阻就是它的負載，因此可歸結(jié)為信號源與負載的關(guān)系。如圖3.5所示，放大電路的輸入電壓和輸入電流可用下面兩式計算：圖3.5信號源內(nèi)阻、放大電路輸入電阻對輸入信號的影響

2.各級間關(guān)系

中間級級間的相互關(guān)系歸結(jié)為：前級的輸出信號為后級的信號源，其輸出電阻為信號源內(nèi)阻，后級的輸入電阻為前級的負載電阻。如圖3.6所示，第二級的輸入電阻為第一級的負載，第三級的輸入電阻為第二級的負載，以此類推。圖3.6多級放大器級間關(guān)系．

3.多級放大電路的動態(tài)分析

例3.1電路如圖3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50，C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，

求：(1)電壓放大倍數(shù)；

(2)輸入電阻、輸出電阻。

(2)求輸入電阻、輸出電阻：

3.1.3放大電路的頻率特性

在實際應(yīng)用中，放大器所放大的信號并非單一頻率，例如，語言、音樂信號的頻率范圍在20~20000Hz，圖像信號的頻率范圍在0~6MHz。所以，要求放大電路對信號頻率范圍內(nèi)所有頻率的信號都具有相同的放大效果，輸出才能不失真地重顯輸入信號。實際電路中存在的電容、電感元件及三極管本身的結(jié)電容效應(yīng)，對交流信號都具有一定的影響，所以對不同頻率具有不同的放大效果。由這種原因所產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。

1.幅頻特性

共射極放大電路的幅頻特性如圖3.7所示。圖3.7共射極放大電路的幅頻特性

高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降原因是三極管結(jié)電容和雜散電容的容抗隨頻率增加而減小。結(jié)電容通常為幾十到幾百皮法，雜散電容也不大，因而頻率不高時可視為開路。在高頻時輸入的電流被分流，使得IC

減小，輸出電壓降低，導致高頻區(qū)電壓增益下降，如圖3.8所示。圖3.8高頻通路

2.通頻帶圖3.9兩級放大電路的通頻帶

3.2差動放大電路

3.2.1差動放大電路的組成典型差動放大電路如圖3.10所示，其結(jié)構(gòu)上的特點是左右兩半電路完全對稱。圖3.10中V1、V2是兩個型號和特性相同的晶體管；電路有兩個輸入信號ui1和ui2，分別加到兩個晶體管V1、V2的基極；輸出信號uo從兩個晶體管的集電極之間取出，這種輸出方式稱為雙端輸出；RE

稱為共發(fā)射極電阻，可使靜態(tài)工作點穩(wěn)定。圖3.10典型差動放大

3.2.2差動放大電路的工作原理

1.抑制零點漂移的原理

靜態(tài)時，ui1=ui2=0，此時由負電源UEE通過電阻RE和兩管發(fā)射極提供兩管的基極電流。由于電路左右兩邊的參數(shù)對稱，兩管的集電極電位也相等，即

輸出電壓為

當溫度變化時，由于電路對稱，所引起的兩管集電極電流的變化量必然相同。例如，溫度升高，兩管的集電極電流都會增大，集電極電位都會下降。由于電路是對稱的，所以兩管的集電極電流的變化量相等，即

所以輸出電壓

由此可見，溫度變化時，盡管兩邊的集電極電壓會相應(yīng)變化，但電路的雙端輸出電壓Uo會保持為零。

以上分析說明：差動放大電路在零輸入時，具有零輸出；靜態(tài)時，溫度有變化依然保持零輸出，即消除零點漂移。

2.輸入信號分析

圖3.10所示的電路中，輸入信號Ui1和Ui2有以下3種情況：

3.差動放大電路的功能

差動放大電路的功能是抑制共模信號輸出，只放大差模信號。在共模信號的作用下，對于完全對稱的差動放大電路來說，由于兩管的集電極電位變化量相同，因而輸出電壓等于零，所以它對共模信號沒有放大能力，亦即共模放大倍數(shù)為零。

利用疊加定理可求得輸出電壓：

上式表明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關(guān)，而與信號本身的大小無關(guān)，這就是差動放大電路的差值特性。

例3.2某差動放大器如圖3.10所示，已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB，輸入信號中Ui1=3.001V、Ui2=2.999V，

問：①理想情況下(即電路完全對稱時)Uo為多少?

②當KCMRR=80dB時，Uo為多少?

③當KCMRR=100dB時，Uo

為多少?

解首先求出差模和共模輸入電壓。

差模輸入電壓

共模輸入電壓

(1)求理想狀態(tài)下的Uo。已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB=104，而理想狀態(tài)下，共模電壓放大倍數(shù)Aud=0。所以差模輸出電壓為

(2)求KCMRR=80dB時，Uo

的值。由共模抑制比定義可知Auc=Aud/KCMRR，用分貝表示時則有

所以共模電壓放大倍數(shù)為Aud=80dB-80dB=0dB，得Auc=1。

其共模輸出電壓為

所以在差模和共模信號同時存在的情況下，可利用疊加原理來求總的輸出電壓，即總的輸出電壓等于差模電壓與共模電壓之和：

3.2.3差動放大電路的計算

差動放大電路的靜態(tài)和動態(tài)計算方法與基本放大電路大體相同。區(qū)別是差動放大電路在靜態(tài)時，其輸入端基本上是零電位，將RE從接地改為接負電源-UEE。由于接入負電源，

所以偏置電阻RB可以取消，改為-UEE和RE提供基極偏置電流。在一些單電源供電的差放電路中，必須接有基極偏置電阻RB，使其為晶體管提供合適的偏置電壓。

1.靜態(tài)工作點的計算

2.動態(tài)指標計算

3.2.4具有恒流源的差動放大電路

在前面的差放電路中，RE

越大，其抑制溫漂的能力越強。但在電源電壓一定時，RE越大則ICQ越小，放大倍數(shù)會減小。此外，在集成電路中，不易制作高阻值電阻。因此，常采用由晶體管組成的恒流源電路來代替射極電阻RE，因恒流源電路動態(tài)電阻很大而直流電阻較小。具有恒流源的差動放大電路如圖3.11(a)所示。圖3.11具有恒流源的差動放大電路

3.2.5差動放大電路的輸入輸出方式

除了已經(jīng)介紹過的雙端輸入雙端輸出的差動放大電路(如圖3.12(a)所示)外，在一些實際應(yīng)用中，有時要求電路輸出端有一端接地，因此稱為單端輸出；有時要求電路輸入端有一端接地，稱為單端輸入。因此，差動放大電路出現(xiàn)以下幾種輸入輸出方式：雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出等。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)信號源和負載的要求選擇。圖3.12雙端輸入雙端與單端輸出電路

1.雙端輸入－單端輸出

電路如圖3.12(b)所示。雙端輸入單端輸出電路的輸出uo與輸入ui1的極性(或相位)相反，而與ui2的極性(或相位)相同，所以ui1輸入端稱為反相輸入端，而ui2輸入端稱為同相輸入端。雙端輸入單端輸出方式是集成運放的基本輸入輸出方式。

單端輸出的優(yōu)點在于它有一端接地，負載電阻RL接在一管集電極和地之間，便于它和其他放大電路相連接。但是輸出電壓僅是一管集電極對地電壓，另一管的輸出電壓沒有用上，所以其差模電壓放大倍數(shù)比雙端輸出時少一半，即

因輸入回路與雙端輸入相同，所以其差模信號輸入電阻與雙入雙出接法時相同。而輸出電阻近似為一管集電極與地之間的電阻，即

2.單端輸入－雙端輸出

單端輸入雙端輸出電路如圖3.13(a)所示圖3.13單端輸入雙端與單端輸出電路

3.單端輸入－單端輸出

電路如圖3.13(b)所示。單端輸入差放的差模信號為ui1，共模信號為ui1/2。電路的差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻與雙端輸入單端輸出電路相同。

綜上所述，4種方式的輸入電阻近似值相等，而放大倍數(shù)和輸出電阻則與輸出方式有關(guān)。單端輸出時，差模放大倍數(shù)和輸出電阻是雙端輸出時的一半。

例3.4差分放大電路如圖3.14(a)所示，已知UCC=UEE=12V，RC=10kΩ，RL=20kΩ、Io=1mA、三極管的β=100、rbb'=200Ω、UBEQ=0.7V。①求ICQ1、UCEQ1、ICQ2、UCEQ2；②畫出該電路的差模交流通路；③求電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。圖3.14例題3.4圖

4.差放電路的調(diào)零

為了克服電路元件參數(shù)不可能完全對稱所造成的靜態(tài)時輸出電壓不為零的現(xiàn)象，在實用的電路中都設(shè)計有調(diào)零電路，即人為地將電路調(diào)到零輸入時輸出也為零的狀態(tài)。圖3.15

是幾種常用的調(diào)零電路。

(a)射極調(diào)零；(b)集電極調(diào)零；(c)基極調(diào)零圖3.15差放的調(diào)零電路

例3.5差分放大電路如圖3.16所示，已知UCC=UEE=12V，Rc=RE=5.1kΩ，三極管的β=100、rbb‘=200Ω，UBEQ=0.7V，電位器觸頭位于中間位置，試求：

①ICQ1、UCQ1、ICQ2、UCQ2；

②差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uod/Uid、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro；

③指出電位器在該電路中的作用。圖3.16例題3.5圖

3.3功率放大電路

3.3.1功率放大電路的特點及分類1.特點功率放大電路的特點如下：(1)輸出功率足夠大。(2)效率高。(3)非線性失真小。(4)保護及散熱。

2.功率放大器的分類

功率放大器一般是根據(jù)功放管工作點選擇的不同進行分類的，有甲類、乙類及甲乙類功率放大器。當靜態(tài)工作點Q設(shè)在負載線性段的中點，整個信號周期內(nèi)都有電流IC

通過時，如圖3.17(a)所示，稱為甲類功放。若將靜態(tài)工作點Q設(shè)在橫軸上，則IC僅在半個信號周期內(nèi)通過，其輸出波形被削掉一半，如圖3.17(b)所示，稱為乙類功放。若將靜態(tài)工作點設(shè)在線性區(qū)的下部靠近截止區(qū)，則其IC的流通時間為多半個信號周期，輸出波形被削掉一部分，如圖3.17(c)所示，稱為甲乙類功放。圖3.17功率放大器的分類

3.3.2乙類互補對稱功放

如果電路處在甲類放大狀態(tài)，則靜態(tài)工作電流大，因而效率低。若用一個管子組成甲乙類或乙類放大電路，就會出現(xiàn)嚴重的失真現(xiàn)象。乙類互補對稱功放既可保持靜態(tài)時功耗又可減小失真，如圖3.18所示。圖3.18乙類互補對稱功放電路

1.電路組成及工作原理

選用兩個特性接近的管子，使之都工作在乙類狀態(tài)，一個在正弦信號的正半周工作，另一個在負半周工作，便可得到一個完整的正弦波形。

2.分析計算

由于在正常互補對稱功率放大電路中，V1、V2管交替工作，因此，分析V1、V2管工作的半周情況，可推知整個放大器的電壓、電流波形?，F(xiàn)以V1管工作的半周情況為例進行分析。圖3.19ui為正半周時的工作情況

(1)計算輸出功率Po。輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Uom

，則

因為

即

(2)計算管耗PV。設(shè)uo=Uomsinωt，則V1管的管耗為

兩管管耗和為

(3)計算直流電源供給功率PU。直流電源供給的功率包括負載得到的功率和V1、V2管消耗的功率兩部分。

(4)計算效率η。

當Uom≈UCC時：

由于Uom≈UCC忽略了管子的飽和壓降Uces，所以實際效率比這個數(shù)值要低一些。

3.3.3甲乙類互補對稱電路

20二極管偏置互補對稱電路圖3.21擴大電路

3.3.4采用復合管的互補對稱功率放大電路

1.復合管

在功率放大電路中，如果負載電阻較小，并要求得到較大的功率，則電路必須為負載提供很大的電流。如RL=4Ω，額定功率PN=16W，則由PN=I2RL可得負載電流有效值為2A，若管子的β=20，則基極電流IB=100mA。一般很難從前級獲得這樣大的電流，因此需設(shè)法進行電流放大，通常在電路中采用復合管。

所謂復合管就是把兩只或兩只以上的三極管適當?shù)剡B接起來等效成一只三極管。連接時，應(yīng)遵守兩條規(guī)則：

①在串聯(lián)點，必須保證電流的連續(xù)性；

②在并聯(lián)點，必須保證總電流為兩個管子電流的代數(shù)和。復合管的連接形式共有四種，如圖3.22所示。圖3.22復合管的四種連接形式

觀察圖3.22可知：

(1)復合管的極性取決于推動級。即V1為NPN型，則復合管就為NPN型。

(2)輸出功率的大小取決于輸出管V2。

(3)若V1和V2管的電流放大系數(shù)分別為β1、β2，則復合管的電流放大系數(shù)β≈β1·β2。

2.復合管互補對稱功率放大電路

利用圖3.22(a)和圖3.22(b)形式的復合管代替圖3.20中的V1和V2

管，就構(gòu)成了采用復合管的互補對稱輸出級，如圖3.23所示。它可以降低對前級推動電流的要求，不過其直接

為負載RL提供電流的兩個末級對管V3、V4的類型截然不同。在大功率情況下，兩者很難選配到完全對稱。圖3.24則與之不同，其兩個末級對管是同一類型，因此比較容易配對。這種電路被稱為準互補對稱電路。電路中Rc1、Rc3的作用是使V2和V4管能有一個合適的靜態(tài)工作點。3.23復合管互補對稱電路3.24準互補對稱電路

3.3.5集成功率放大電路

1.OTL(無輸出變壓器)互補對稱功率放大電路

圖3.25為一典型OTL功率放大電路。圖3.25集成運放驅(qū)動的OTL功率放大器

2.OCL(無輸出電容)互補對稱功率放大電路

圖3.26是一種集成運放驅(qū)動的實際OCL功率放大器。圖3.26集成運放驅(qū)動的OCL功率放大器

3.3.6功率放大器應(yīng)用中的幾個問題

1.功放管散熱問題

功率放大器的工作電壓、電流都很大。功放管一般工作在極限狀態(tài)下，所以在給負載輸出功率的同時，功放管也要消耗部分功率，使管子升溫發(fā)熱，致使晶體管損壞。為此，應(yīng)注意功放管的散熱措施，通常是給功放管加裝由銅、鋁等導熱性良好的金屬材料制成的散熱片，由于功放管管殼很小，溫升的熱量主要通過散熱片傳送。

2.功放管的二次擊穿問題

圖3.27所示為晶體管擊穿特性曲線。AB段為一次擊穿段，是由于Uce過大引起的雪崩擊穿，是可逆的，當外加電壓減小或消失后管子可恢復原狀。若在一次擊穿后，iC繼續(xù)增大，管子將進入二次擊穿BC段，二次擊穿是不可逆的，會致使管子毀壞。防止功放管二次擊穿的主要措施為：①改善管子散熱情況，使其工作在安全區(qū)；②應(yīng)用時避免電源劇烈波動、輸入信號突然大幅度增加、負載開路或短路等，以免出現(xiàn)過壓、過流；③在負載兩端并聯(lián)二極管和電容，以防止負載的感性引起功放管過壓或過流，在功放管的c、e端并聯(lián)穩(wěn)壓管以吸收瞬時過壓。圖3.27晶體管二次擊穿曲線

3.4集成運算放大器簡介

3.4.1集成運算放大器外形圖常見集成運算放大器的封裝形式有圓形、扁平形雙列直插式等，引腳有8引腳、14引腳等，其外形如圖3.28所示。其引線腳號排列順序標記一般有色點、凹槽、管鍵及封裝時壓出的圓形等。圖3.28集成運放外形結(jié)構(gòu)示意圖

3.4.2集成運算放大器內(nèi)部組成原理

集成運算放大器內(nèi)部組成原理框圖如圖3.29所示。圖3.29集成運算放大器內(nèi)部組成原理框圖

各部分功用如下：

1.輸入級

輸入級是提高運算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分，要求其輸入電阻高，為了能減小零點漂移和抑制共模干擾信號，輸入級都采用具有恒流源的差動式放大電路，故也稱為差動輸入級。

2.中間級

中間級的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，因此又稱為電壓放大級。要求中間級本身具有較高的電壓增益，為了減小前級的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。另外，中間級還應(yīng)向輸出級提供較大的驅(qū)動電流，并能根據(jù)需要實現(xiàn)單端輸入雙端差動輸出，或雙端差動輸入單端輸出。

3.輸出級

輸出級的主要作用是輸出足夠的電流以滿足負載的需要，同時還需要有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，以起到將放大級和負載隔離的作用。輸出級一般由射級輸出器組成，以降低輸出電阻，從而提高電路的帶負載能力。

4.偏置電路

偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。此外，還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路和高頻補償環(huán)節(jié)等。下面以通用型集成運算放大器μA741作為模擬集成電路的典型例子分析其原理，其原理電路如圖3.30所示。圖3.30μA741內(nèi)部電路

3.4.3集成運放的符號、引腳構(gòu)成及主要參數(shù)

1.集成運放的符號與引腳構(gòu)成

集成運放內(nèi)部電路隨型號的不同而不同，但基本框圖相同。集成運放有兩個輸入端：一個是同相輸入端，用“+”表示；另一個是反相輸入端，用“-”表示。輸出端用“+”表示。若將反相輸入端接地，信號由同相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號的相位相同；若將同相輸入端接地，信號從反相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號相位相反。集成運放的引腳除輸入、輸出端外，還有正、負電源端及調(diào)零端等。F007的符號及引腳排列如圖3.31所示。圖3.31F007的符號及引腳排列

2.集成運放的主要參數(shù)

集成運放的參數(shù)是評價其性能優(yōu)劣的主要指標，也是正確選擇和使用的運放依據(jù)。

1)電源電壓

能夠施加于運放電源端子的最大直流電壓稱為電源電壓。一般有兩種表示方法，用正、負兩種電壓UCC、UEE表示或用它們的差值表示。

2)最大差模輸入電壓Uid(max)

Uid(max)是運放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。輸入差模電壓超過Uid(max)時，可能會使輸入級的管子反向擊穿。

3)最大共模輸入電壓Uic(max)

Uic(max)是在線性工作范圍內(nèi)集成運放所能承受的最大共模輸入電壓。超過此值，集成運放的共模抑制比、差模放大倍數(shù)等會顯著下降。

4)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入差模電壓之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud。Aud越高，運放組成電路的精度越高，性能越穩(wěn)定。

5)輸入失調(diào)電壓Uos

實際上，集成運放難以做到差動輸入級完全對稱。當輸入電壓為零時，為了使輸出電壓也為零，需在集成運放兩輸入端額外附加補償電壓，該補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓Uos。

Uos越小越好，一般為0.5~5mV。

6)輸入失調(diào)電流Ios

Ios是當運放輸出電壓為零時，兩個輸入端的偏置電流之差，即Ios=|IB1-IB2|，它是由于內(nèi)部元件參數(shù)不一致等原因造成的。Ios越小越好，一般為1~10μA。

7)輸入偏置電流IB

IB是輸出電壓為零時，流入運放兩輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，即IB=(IB1+IB2)/2。IB

越小越好，一般為1~100μA。

8)共模抑制比KCMRR

KCMRR是差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比，即KCMRR=|Aud/Aoc|。KCMRR越高越好。

9)差模輸入電阻rid

rid是開環(huán)時輸入電壓變化量與它引起的輸入電流的變化量之比，即從輸入端看進去的動態(tài)電阻。rid一般為兆歐級。

10)輸出電阻ro

ro是開環(huán)時輸出電壓變化量與它引起的輸出電流的變化量之比，即從輸出端看進去的電阻。ro越小，運放的帶負載能力越強。

課題小結(jié)

(1)多級放大電路常見的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合三種。放大交流信號一般采用阻容耦合，它簡單價廉。對于要求實現(xiàn)阻抗、電壓、電流變換的場合，采用變壓器耦合。這兩種耦合方式的特點是可以克服零漂，但低頻響應(yīng)差，不便于集成化。由于變壓器體積大、價高，故變壓器耦合采用得較少。

(2)直接耦合放大器因不采用耦合電容，故既可放大頻率較高的交流信號，又可放大緩慢變化的交流信號，這就帶來了直接耦合的特殊問題———零點漂移。零漂嚴重時會無法

從輸出信號中分辨出有用信號，故直接耦合放大器必須具有抑制零漂能力。

(3)差動放大電路是集成運算放大器的重要組成單元，其主要性能是能有效地抑制零漂。差動放大電路的任務(wù)是放大差模信號與抑制共模信號。根據(jù)輸入輸出方式的不同組合，差動放大電路共有四種典型接法。分析這些電路時，要根據(jù)兩邊電路的不同輸入信號分量分別計算。

(4)集成運算放大器是模擬集成電路的典型器件。通用型運放使用廣泛，其基本知識是今后運放應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)重點理解集成運放參數(shù)的意義，以便能正確地選擇和應(yīng)用。課題四負反饋放大電路4.1反饋的基本概念4.2負反饋放大器電路分析4.3負反饋對放大器性能的影響課題小結(jié)

4.1反饋的基本概念

反饋在電子技術(shù)中的應(yīng)用主要有兩個方面：(1)負反饋的應(yīng)用：主要用來改善放大器的各項性能指標。例如穩(wěn)定靜態(tài)工作點和放大倍數(shù)，減小非線性失真；展寬頻帶，改變輸入和輸出電阻。因此，所有的實用型放大器都具有負反饋的性質(zhì)。(2)正反饋的應(yīng)用：主要用來產(chǎn)生自激振蕩，獲得各種不同類型和頻率的輸出波形(在課題六將詳細闡述)。

4.1.1反饋的定義

在基本放大器中，信號由輸入端加入，經(jīng)過放大器放大后，從輸出端取出，信號為單方向正向傳送。如果通過一定的電路將輸出信號(電壓或電流)的一部分或全部，反方向送回放大器的輸入端，這樣一個反向傳輸信號的過程稱為反饋過程。在放大電路中引入負反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，稱為負反饋放大器。而無反饋放大器為開環(huán)系統(tǒng)，稱為基本放大器。反饋放大器的方框圖如圖4.1所示。圖4.1反饋放大器方框圖

4.1.2反饋的判別

一個電路是否存在反饋，要看電路中有無反饋支路。反饋支路就是通過反饋元件(電阻、電容和電感等)能把輸出端的輸出量送回到輸入回路的支路。如圖4.2(a)中射極電阻R4、R5既與輸出電路有聯(lián)系，又與輸入電路有聯(lián)系；在圖4.2(b)中，R3支路及R1、R2支路連接于輸出與輸入之間，這些都是反饋元件。圖4.2判別有無反饋的電路

4.1.3直流反饋和交流反饋

電路中的反饋元件可以反映直流量的變化，也可以反映交流量的變化，前者稱為直流反饋，后者稱為交流反饋。如圖4.2(a)中的R4，它兩端并有電解電容C3，C3對交流電呈通路，即R4上無交流壓降，只有直流壓降，因此R4起直流反饋作用。R5兩端沒有并電容，它上面除產(chǎn)生直流壓降外，還有通過負載的交變電流所產(chǎn)生的壓降，因此它起直流反饋和交流反饋的雙重作用。

在圖4.2(b)中，C2有隔直流通交流的作用，所以R3起交流反饋作用，R2上通過的交流電被C3旁路到地，故R2只起直流反饋作用。

不過，最可靠的方法還是分別畫出交、直流等效電路來進行辨認。如果反饋元件存在于直流通路中，則為直流反饋；若反饋元件存在于交流通路中，則為交流反饋。圖4.2所示電路的直流、交流通路分別如圖4.3和圖4.4所示，分析所得結(jié)論與上述相同。圖4.3圖4.2電路的直流通路圖4.4圖4.2電路的交流通路

4.1.4正反饋和負反饋

1.基本概念

在放大電路中引入反饋后，削弱輸入信號、使放大器輸出幅度減小的反饋稱為負反饋。反之，增強輸入信號、使放大器輸出幅度增大的反饋稱為正反饋。

2.判別方法

具體判別方法采用“瞬時極性法”，即假定信號源某一瞬間所在處極性為正，以此類推，根據(jù)電路各點的相位與信號源相位的相對關(guān)系，標出電路各點電壓的極性，再看這種極性的變化反映到電路輸入端的作用是削弱輸入信號，還是增強輸入信號。若是削弱，則為負反饋；反之，則為正反饋。圖4.5正反饋電路和負反饋電路

4.1.5串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

1.基本概念

所謂串聯(lián)反饋，就是反饋電路輸出端和信號源是串聯(lián)的，即反饋信號和外加信號串聯(lián)疊加，如圖4.6(a)所示。串聯(lián)反饋的主要特點：一是具有分壓作用，二是增加了反饋環(huán)內(nèi)的輸入電阻。

所謂并聯(lián)反饋，就是反饋電路輸出端和信號源是并聯(lián)的，即反饋信號和外加信號并聯(lián)疊加，如圖4.6(b)所示。并聯(lián)反饋的主要特點：一是具有分流作用，二是減小了反饋環(huán)路內(nèi)的輸入電阻。圖4.6串聯(lián)和并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)方框圖

2.判別方法

判別反饋放大電路是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋，只要將信號源內(nèi)阻RS短路，看反饋電壓是否存在。若反饋電壓存在，就是串聯(lián)反饋；若反饋電壓不存在，則是并聯(lián)反饋。

例如，在圖4.2電路中，按上述方法判別，可知圖4.2(a)電路為串聯(lián)反饋，經(jīng)簡化后的電路如圖4.7(a)所示；圖4.2(b)電路為并聯(lián)反饋，經(jīng)簡化后的電路如圖4.7(b)所示。圖4.7判別串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的簡化電路

4.1.6電壓反饋和電流反饋

1.基本概念

電流反饋：是指反饋電路輸入端和放大電路負載串聯(lián)連接，是電流取樣，故稱為電流反饋，如圖4.8(a)所示。

電壓反饋：是指反饋電路輸入端和放大電路負載并聯(lián)連接，反饋電壓和輸出電壓成正比，是電壓取樣，故稱為電壓反饋，如圖4.8(b)所示。圖4.8電壓反饋和電流反饋結(jié)構(gòu)方框圖

2.判別方法

判別是電壓反饋還是電流反饋，只要將放大電路輸出端負載短路，看反饋是否存在，若反饋電壓不存在，就是電壓反饋；若反饋電壓仍存在，則是電流反饋。

例如圖4.2(a)電路，當短路RL后反饋電壓仍存在，故是電流反饋。圖4.2(b)短路RL后，反饋電壓不存在，則是電壓反饋。

4.2負反饋放大器電路分析

4.2.1電流并聯(lián)負反饋放大電路圖4.9是一種常見的電流并聯(lián)負反饋電路。

1.判別反饋極性用瞬時極性法標出圖4.9電路中各處的信號極性，可以看出圖中的反饋信號與信號源電壓US

反相，將減弱US對ib1的分量，故為負反饋。圖中的RS為信號源內(nèi)阻。圖4.9電流并聯(lián)負反饋典型應(yīng)用放大電路

2.判別反饋類型

將信號源內(nèi)阻RS

短路，則反饋電壓不存在(V1恒等于US)，故為并聯(lián)反饋。由于并聯(lián)具有分流作用，所以ib1=ii-if，且減小了輸入電阻。

將輸出端短路，可以看出反饋電壓依然存在，故為電流反饋。

所以圖4.9判定為電流并聯(lián)負反饋電路。

例4.1分析判斷圖4.10(a)中電路的反饋類型。

解判別反饋極性：在圖4.10(b)中逐級遞推，從信號流程可看出，V1采用共集電極(同相)方式，第二級V2采用共基極(同相)方式，第三級V3采用共發(fā)射極(反相)方式。因此加到第一級V1基極的反饋信號極性為

，故為負反饋。

判別反饋類型：將輸入信號對地短路，反饋電壓不存在；將負載電阻RL短路，反饋信號依然存在，因此圖4.10(a)是電流并聯(lián)負反饋圖4.10另一種電流并聯(lián)負反饋放大電路及其等效電路

4.2.2電壓并聯(lián)負反饋放大電路

圖4.11是一種常用的電壓并聯(lián)負反饋放大電路。圖4.11電壓并聯(lián)負反饋典型應(yīng)用放大電路

3.反饋控制過程

4.2.3電流串聯(lián)負反饋放大電路

常見的電流串聯(lián)負反饋放大器如圖4.12(a)所示，其交流通路如圖4.12(b)所示。圖4.12電流串聯(lián)負反饋放大器典型應(yīng)用電路

1.判別反饋極性

從圖4.12(a)可看出，輸入端反饋電壓與輸入電壓是串聯(lián)的，用瞬時極性法判別，反饋信號削弱輸入信號，故其是一種串聯(lián)負反饋電路。

2.判別反饋類型

該電路的反饋電壓取自V1管的射極電位Ue，其中直流反饋電壓Ue正比于Ie，起穩(wěn)定直流靜態(tài)工作點的作用，所以直流反饋電阻應(yīng)是Rf與Re的串聯(lián)。由于Re接有旁路電容Ce，故對交流無反饋作用，交流反饋電阻僅為Rf(如圖4.12(b)所示的交流通路)，而Rf上的壓降Uf正比于電流Ie，即正比于輸出電流信號Io，由此可判斷出電路為電流反饋。當然，也可通過輸出端Uo短路時Uf不會消失來判斷為電流反饋。

4.2.4電壓串聯(lián)負反饋放大電路

常用的單級電壓串聯(lián)負反饋放大器電路如圖4.13(a)所示，其交流通路如圖4.13(b)所示。圖4.13電壓串聯(lián)負反饋放大器典型應(yīng)用電路

1.判別反饋類型

圖4.13(a)的反饋信號Uf取自V1的發(fā)射極電位。若將輸出端短路，則反饋信號消失，故是一種電壓反饋。

2.判別反饋極性

用瞬時極性法判別，可得Ub(V1基極信號電壓)和Ue(即Uf)極性相同，反饋信號削弱輸入信號，所以這是負反饋，在輸入端有

故是一種串聯(lián)反饋。

綜合上述判別結(jié)果，圖4.13(a)是一種電壓串聯(lián)負反饋放大電路。

3.判別電路組態(tài)

從圖4.13可看出，電路的輸入電壓加在基極與集電極之間，輸出電壓從發(fā)射極和集電極輸出。所以集電極是輸入、輸出交流電壓的公共端，是共集電極電路。又由于輸出電壓從發(fā)射極輸出，所以又叫射極輸出器。

4.反饋控制過程

當某種原因引起輸入電壓Uo增加時，將產(chǎn)生下述自動調(diào)節(jié)過程

結(jié)果使輸出電壓Uo穩(wěn)定。

4.2.5判斷反饋類型和性質(zhì)舉例

例4.2判斷圖4.14電路中所有的交流反饋，指出反饋網(wǎng)絡(luò)、反饋類型和反饋性質(zhì)。

解將輸出端短路，看反饋信號與輸出電壓Uo和電流Io中哪一個成正比，來判斷是電壓反饋還是電流反饋。將輸入端短路，使輸入信號為零，看反饋信號是否能加到放大器凈輸入端，來判斷是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。再利用瞬極性法判斷電路的反饋性質(zhì)。圖4.14多級反饋放大電路

2.瞬時極性法

在假定輸入信號Ui瞬時極性的前提下，利用晶體管單級放大電路輸入與輸出之間相位關(guān)系的上述規(guī)律，判斷出同一瞬間反饋信號Uf極性的方法，稱為瞬時極性法。

運用瞬時極性法判斷單級或多級反饋放大電路的性質(zhì)時，可按如下步驟進行：

(1)先判斷單級或多級電路中各單級放大器各為共什么極的電路；

(2)找出連接單級或多級放大電路輸入與輸出、起反饋作用的反饋網(wǎng)絡(luò)或反饋元件；

(3)利用瞬時極性法判別反饋信號的極性；

(4)寫出凈輸入信號、原輸入信號與反饋信號的關(guān)系，從而確定反饋的性質(zhì)。

根據(jù)以上基本原則和方法，對圖4.14電路進行判斷如下：

第一級為共發(fā)射極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R3引入了局部的串聯(lián)電流負反饋。

第二級為共集電極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R4引入了局部的串聯(lián)電壓負反饋。

第三級為共發(fā)射極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R7引入局部的串聯(lián)電流負反饋。

例4.3圖4.15各電路是集成運放組成的放大器，判斷其反饋類型及性質(zhì)。圖4.15由集成運放組成的反饋放大器

解在分立元件電路中，Ui的一端直接接到基本放大器的一個輸入端上。區(qū)別串、并聯(lián)反饋時，只要把基本放大器接Ui的輸入端對地假想短路，也就是把Ui短路即可。

在集成運放組成的反饋放大器中，基本放大器是集成運放。但Ui是通過集成運放的偏置電阻以后才加到集成運放的輸入端，所以，這里把基本放大器輸入端對地短路就不是把Ui對地短路，而是Ui經(jīng)偏置電阻加在集成運放的哪個輸入端，就把哪個輸入端對地短路。

現(xiàn)以圖4.15(d)電路為例判斷電路的反饋類型和性質(zhì)。圖4.15(d)中，將負載RL假想短路，輸出電流Io仍然流動，經(jīng)R3、R4對放大器輸入端產(chǎn)生作用，故是電流反饋；集成運放反相輸入端假想接地，R3的上端接地，反饋消失，故是并聯(lián)反饋。

4.3負反饋對放大器性能的影響

4.3.1對放大倍數(shù)的影響引入負反饋以后，放大器的放大倍數(shù)由A變?yōu)锳f=A/(1+AF)。將Af對A

求導，得到

4.3.2對頻帶的影響

在放大器的低頻端，由于耦合電容阻抗增大等原因，使放大器放大倍數(shù)下降；在高頻端，由于分布電容、三極管極間電容的容抗減小等原因，使放大器放大倍數(shù)下降。

引入負反饋以后，當高、低頻端的放大倍數(shù)下降時，反饋信號跟著減小，對輸入信號圖4.16負反饋展寬頻帶的削弱作用減弱，使放大倍數(shù)的下降變得緩慢，因而通頻帶展寬，如圖4.16所示。圖4.16負反饋展寬頻帶

4.3.3對非線性失真的影響

由于放大電路中存在著三極管等非線性器件，所以，即使輸入的是正弦波，輸出也不是正弦波，產(chǎn)生了波形失真，如圖4.17(a)所示。輸入的正弦波在輸出端輸出時，變成了正半周幅度大、負半周幅度小的失真波形。

引入負反饋后，輸出端的失真波形反饋到輸入端，與輸入信號相減，使凈輸入信號成為正半周幅度小、負半周幅度大的波形。這個波形被放大輸出后，正負半周幅度的不對稱程度減小，非線性失真得以減小，如圖4.17(b)所示。圖4.17負反饋減小非線性失真

4.3.4對放大器輸入、輸出電阻的影響

設(shè)基本放大器的輸入、輸出電阻分別為ri、ro，負反饋放大器的輸入、輸出電阻分別為rif、rof。

1.對輸入電阻的影響

1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大

由于負反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串聯(lián)，故使放大器的輸入電阻增大。根據(jù)推算，串聯(lián)負反饋時，rif=(1+AF)ri。

2)并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小

由于負反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并聯(lián)，使得放大器的輸入電阻減小。根據(jù)推算，并聯(lián)負反饋時，

2.對輸出電阻的影響

1)電壓負反饋使輸出電阻減小

由于負反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并聯(lián)，使得放大器的輸出電阻減小。根據(jù)推算，并聯(lián)負反饋時，

2)電流負反饋使輸出電阻增大

由于負反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串聯(lián)，使得放大器的輸出電阻增大。增大情況與具體電路有關(guān)。

課題小結(jié)

本課題介紹了負反饋放大器的基本組成規(guī)則，反饋類型和性質(zhì)的判斷方法及負反饋的引入對放大器性能的影響。負反饋的引入使放大倍數(shù)下降，但放大器的性能得到了改善。在本課題的分析中，重點放在了基本概念的講解上，盡量避免煩瑣的數(shù)學推導，并對大部分概念列舉了實例以加深讀者印象。希望通過對本課題的學習，能使讀者對負反饋放大器的基本特點有較深刻的認識。課題五集成運算放大器應(yīng)用電路5.1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)5.2集成運放的線性應(yīng)用5.3集成運放的非線性應(yīng)用5.4集成運放在應(yīng)用中的實際問題課題小結(jié)

5.1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)

5.1.1理想運算放大器的特點理想運算放大器的特點如下:(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞：(2)差模輸入電阻rid→∞：(3)輸出電阻ro→0：(4)共模抑制比KCMRR→∞：(5)輸入偏置電流IB1=IB2=0：(6)失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。

5.1.2負反饋是集成運放線性應(yīng)用的必要條件

由于集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)很大(Aud→∞)，而開環(huán)電壓放大倍數(shù)受溫度的影響，因此很不穩(wěn)定，采用深度負反饋可以提高其穩(wěn)定性。此外運放的開環(huán)頻帶窄，例如F007只有7Hz，無法適應(yīng)交流信號的放大要求，加負反饋后可將頻帶擴展(1+AF)倍。另外負反饋還可以改變輸入、輸出電阻等。所以要使集成運放工作在線性區(qū)，采用負反饋是必要條件。

為了便于分析集成運放的線性應(yīng)用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個概念。

(1)由于集成運放的差模開環(huán)輸入電阻rid→∞，輸入偏置電流IB≈0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零，即Ii-=Ii+=0。這就是說，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。

(2)由于兩輸入端無電流，則兩輸入端電位相同，即U-=U+。由此可見，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。

5.1.3運算放大器的基本電路

運算放大器的基本電路有反相輸入式、同相輸入式兩種。反相輸入式是指信號由反相端輸入，同相輸入式是指信號由同相端輸入，它們是構(gòu)成各種運算電路的基礎(chǔ)。

1.反相輸入式放大電路

圖5.1所示為反相輸入式放大電路，輸入信號經(jīng)R1加入反相輸入端，Rf

為反饋電阻，把輸出信號電壓Uo反饋到反相端，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負反饋。圖5.1反相輸入式放大電路

1)“虛地”的概念

由于集成運放工作在線性區(qū)，U+=U-、Ii+=Ii-

，即流過R2的電流為零。則U+=0，U-=U+=0，說明反相端雖然沒有直接接地，但其電位為地電位，相當于接地，是“虛假接地”，簡稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪噍斎胧椒糯箅娐返闹匾攸c。

2)電壓放大倍數(shù)

在圖5.1中，有

或

上式表明:反相輸入式放大電路中，輸入信號電壓Ui和輸出信號電壓Uo相位相反，大小成比例關(guān)系，比例系數(shù)為Rf/R1，可以直接作為比例運算放大器。當Rf=R1

時，Auf=-1，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相位相反，此電路稱為反相器。

同相輸入端電阻R2用于保持運放的靜態(tài)平衡，要求R2=R1∥Rf。R2稱為平衡電阻。

3)輸入電阻、輸出電阻

由于U-=0，所以反相輸入式放大電路輸入電阻為

由于反相輸入式放大電路采用并聯(lián)負反饋，所以從輸入端看進去的電阻很小，近似等于R1。由于該放大電路采用電壓負反饋，其輸出電阻很小(ro≈0)。

4)主要特點

反相輸入式放大電路的主要特點如下:

(1)集成運放的反相輸入端為“虛地”(U-=0)，它的共模輸入電壓可視為零，因此對集成運放的共模抑制比要求較低。

(2)由于深度電壓負反饋輸出電阻小(ro≈0)，因此帶負載能力較強。

(3)由于并聯(lián)負反饋輸入電阻小(ri=R1)，因此要向信號源汲取一定的電流。

2.同相輸入式放大電路

圖5.2所示電路為同相輸入式放大電路，輸入信號Ui經(jīng)R2加到集成運放的同相端，Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻(R2=R1∥Rf)。圖5.2同相輸入式放大電路

在圖5.2中如果把Rf短路(Rf=0)，把R1斷開(R1→∞)，則

即輸入信號Ui和輸出信號Uo大小相等，相位相同。我們把這種電路稱為電壓跟隨器，如圖5.3所示。由集成運放組成的電壓跟隨器比由射極輸出器組成的電壓跟隨器性能更好，其輸入電阻更高，輸出電阻更小，性能更穩(wěn)定。圖5.3電壓跟隨器

3)輸入電阻和輸出電阻

由于采用了深度電壓串聯(lián)負反饋，該電路具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻(rif→∞，ro→0)。這是同相輸入式放大電路的重要特點。

4)主要特點

同相輸入式放大電路屬于電壓串聯(lián)負反饋電路，主要特點如下:

(1)由于深度串聯(lián)負反饋，使輸入電阻增大，最高可達2000MΩ以上。

(2)由于深度電壓負反饋，輸出電阻ro→0。

(3)由于U-=U+=Ui，運放兩輸入端存在共模電壓，因此要求運放的共模抑制比較高。

通過對反相輸入式和同相輸入式運放電路的分析，可以看到，輸出信號是通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到反相輸入端的，從而實現(xiàn)了深度負反饋，并且使得其電壓放大倍數(shù)與運放本身的參數(shù)無關(guān)。采用了電壓負反饋使得輸出電阻減小，帶負載能力增強。反相輸入式采用了并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小，而同相輸入式采用了串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大。

5.2集成運放的線性應(yīng)用

利用集成運放在線性區(qū)工作的特點，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多種數(shù)學運算。輸入信號電壓和輸出信號電壓的關(guān)系Uo=f(Ui)，可以模擬成數(shù)學運算關(guān)系y=f(x)，所以信號運算統(tǒng)稱為模擬運算。盡管數(shù)字計算機的發(fā)展在許多方面替代了模擬計算機，但模擬計算機在物理量的測量、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測量儀表系統(tǒng)、模擬運算等領(lǐng)域仍有著廣泛應(yīng)用。

5.2.1比例運算

比例運算的代數(shù)方程式是y=K·X。前面介紹的反相輸入式和同相輸入式放大電路的輸入、輸出電壓的關(guān)系式分別是

其電阻之比是常數(shù)。它們的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系是比例關(guān)系，因此能實現(xiàn)比例運算。調(diào)整Rf和R1的比值，就可以改變比例系數(shù)K。若取反相輸入式放大電路的Rf=R1，比例系數(shù)K=-1、Uo=-Ui，就實現(xiàn)了y=-X的變號運算。此電路稱為反相器

5.2.2加法、減法運算圖5.4反相加法器

例5.1設(shè)計運算電路。要求實現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運算。

解此題的電路模式為Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三個輸入信號的加法運算。由式(5-7)可知各個系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號的輸入電阻的比例關(guān)系所決定，由于式中各系數(shù)都是正值，而反相加法器的系數(shù)都是負值，因此需加一級變號運算電路。實現(xiàn)這一運算的電路如圖5.5所示。圖5.5例5.1電路

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下:

取Rf1=Rf2=R4=10kΩ，則

例5.2設(shè)計一個加減法運算電路，使其實現(xiàn)數(shù)學運算Y=X1+2X2-5X3-X4。

解此題的電路模式應(yīng)為Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用兩個反相加法器可以實現(xiàn)加減法運算，電路如圖5.6所示。圖中:圖5.6加減法運算電路

5.2.3積分、微分運算

1.積分運算

積分運算是模擬計算機中的基本單元電路，數(shù)學模式為y=K∫X

dt，電路模式為u=K∫Uidt，該電路如圖5.7所示。圖5.7積分運算電路

在反相輸入式放大電路中，將反饋電阻Rf換成電容器C，就成了積分運算電路。由于

因而

2.微分運算

微分運算是積分運算的逆運算。將積分運算電路中的電阻、電容互換位置就可以實現(xiàn)微分運算，如圖5.8所示。圖5.8微分運算電路

由式(5-10)可以看出，輸入信號Ui與輸出信號Uo有微分關(guān)系，即實現(xiàn)了微分運算。負號表示輸出信號與輸入信號反相，RfC

為微分時間常數(shù)，其值越大，微分作用越強。

5.3集成運放的非線性應(yīng)用

電壓比較器的基本功能是比較兩個或多個模擬輸入量的大小，并將比較結(jié)果由輸出狀態(tài)反映出來。電壓比較器工作在開環(huán)狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。

5.3.1單限電壓比較器

圖5.9(a)所示電路為簡單的單限電壓比較器。圖中，反相輸入端接輸入信號Ui，同相輸入端接基準電壓UR。集成運放處于開環(huán)工作狀態(tài)，當Ui<UR

時，輸出為高電位Uom，當Ui