第8章-集成運(yùn)算放大器

電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第8章集成運(yùn)算放大器在日常生活、工作中，我們可能會(huì)遇到運(yùn)算放大器或其所屬電路發(fā)生故障的情況。運(yùn)算放大器是一種可能發(fā)生很多內(nèi)部故障的復(fù)雜集成電路。然而，我們無法對(duì)運(yùn)算放大器內(nèi)部進(jìn)行故障檢修。你作為一個(gè)電氣專業(yè)的學(xué)生，試從專業(yè)角度進(jìn)行分析。那么運(yùn)算放大器在電路中有什么作用呢？學(xué)完本章課的內(nèi)容你就會(huì)明白了。下面來討論這些問題并解決這些疑惑。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解集成運(yùn)算放大器的組成及各部分的功能；2.掌握集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)組成和電路符號(hào)；3.掌握集成運(yùn)放的主要參數(shù)和理想化條件；4.熟悉差動(dòng)放大器的基本電路和工作原理；5.掌握反相比例、同相比例、比較輸入、積分和微分等幾種基本運(yùn)算電路；6.掌握放大電路中四種負(fù)反饋類型；7.能夠使用儀器儀表對(duì)集成電路進(jìn)行檢測(cè)；8.熟悉常用的幾種集成電路的外形結(jié)構(gòu)；9.能夠根據(jù)電路故障選用合適的集成運(yùn)放。第8章集成運(yùn)算放大器第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介8.1.1集成運(yùn)算放大器的概述集成電路是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。采用半導(dǎo)體制造工藝將管子、電阻等元器件以及電路的連線都集中制作在一塊半導(dǎo)體硅基片上的器件，稱為集成電路。集成電路可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，集成運(yùn)算放大電路屬于模擬集成電路的一種。按每塊芯片上制作的元件數(shù)量多少集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運(yùn)算放大器、寬帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相器、模／數(shù)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓電源等。運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，集成運(yùn)算放大器(簡稱集成運(yùn)放)是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。第8章集成運(yùn)算放大器1.集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)組成集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，一般由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成。如圖8-1所示。8.1集成運(yùn)算放大器簡介8.1.2集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)組成和電路符號(hào)輸入級(jí)：一般是差動(dòng)放大器，利用其對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能，輸入級(jí)有反相輸入端“-”、同相輸入端“+”兩個(gè)輸入端；中間級(jí)：主要作用是提高電壓增益，一般由多級(jí)放大電路組成；第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介輸出級(jí)：一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。并盡可能擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，增大輸出電壓幅度，提高輸出功率。偏置電路：為各級(jí)提供合適的工作電流。一般由各種類型的電流源電路組成。此外還有一些過載保護(hù)電路及高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等輔助環(huán)節(jié)。2.集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）元器件參數(shù)的精度較差，但誤差的一致性好，宜于制成對(duì)稱性好的電路，如差動(dòng)放大電路。（2）制作電容困難，所以級(jí)間采用直接耦合方式。（3）制作三極管比制作電阻更方便，所以常用由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管組成的恒流源為各級(jí)提供偏置電流，或者用做有源負(fù)載。（4）采用一些特殊結(jié)構(gòu)，如橫向PNP管（β低、耐壓高、fT?。?、雙集電極晶體管等。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介3.集成運(yùn)放的電路符號(hào)與外形集成運(yùn)放的圖形符號(hào)如圖8-2所示，是國際標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)。三角形表示放大器，三角形所指方向?yàn)樾盘?hào)傳輸方向，Ao為“∞”時(shí)表示開環(huán)增益極高。它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。同相輸入端標(biāo)“+”（或P），表示輸出端信號(hào)與該端輸入信號(hào)同相；反相輸入端“-”（或N），表示輸出端信號(hào)與該端輸入信號(hào)反相。輸出端的“+”表示輸出電壓為正。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介圖中只畫出了兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。同相輸入端：當(dāng)輸入電壓從同相端輸入，即從“+”端與地之間輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同相。反相輸入端：當(dāng)輸入電壓從反相端輸入，即從“-”端與地之間輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓反相。圖中分別用u+，u-和uo表示集成運(yùn)放的同相輸入端、反相輸入端和輸出端對(duì)地的電壓。實(shí)際集成運(yùn)放有圓殼式封裝、扁平式封裝和雙列直插式封裝等，如圖8-3所示。目前前面兩種已不再使用。集成運(yùn)放的引腳除輸入/輸出三個(gè)端外，還有電源端、公共端（地端）、調(diào)零端、相位補(bǔ)償端、外接偏置電阻端等。這些引腳雖未在電路符號(hào)上標(biāo)出，但在實(shí)際使用時(shí)必須了解各引腳的功能及外接線的方式。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介1.集成運(yùn)放的主要參數(shù)（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ao：輸出和輸入之間無任何反饋元件時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)8.1.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)和理想化條件Ao一般為104~107。（2）最大輸出電壓UOpp：集成運(yùn)放在線性區(qū)的最大不失真輸出電壓。（3）輸入失調(diào)電壓UIO：由于電路元件的不對(duì)稱性，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，為使輸出電壓為零而需在輸入端所加的補(bǔ)償電壓。實(shí)際上常表示為輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓UO折合到輸入端的電壓的值UIO一般為幾毫伏，其值越小越好。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介（4）輸入失調(diào)電流IIO：當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)電流之差的絕對(duì)值，即IIO=IB1-IB2，IIO一般為10-2μA級(jí)別，其值越小越好。（5）輸入偏置電流IB：輸入電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，即IB一般為10-1μA級(jí)別，其值越小越好。（6）最大差模輸入電壓UidM：集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間所能承受的最大差值電壓。（7）最大共模輸入電壓UicM：集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間所能承受的最大共模輸入電壓。集成運(yùn)放還有輸入電阻、輸出電阻和共模抑制比等參數(shù)。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介2.集成運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖8-4所示為表示輸出與輸入電壓關(guān)系的特性曲線，稱為電壓傳輸特性。第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介

3.理想運(yùn)算放大器的條件在分析集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，為了簡化電路分析，常將集成運(yùn)放理想化。理想化的條件是：第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介實(shí)際運(yùn)算放大器的上述指標(biāo)接近理想化的條件，因此借助理想運(yùn)放進(jìn)行分析所引起的誤差很小，工程上是允許的，而分析過程簡化很多。如圖8-5所示為理想運(yùn)放的電路符號(hào)。4.理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有第8章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器簡介兩個(gè)輸入端電位相等，好像短接在一起一樣，但并非真的短路，所以稱為虛短路，簡稱“虛短”。由理想運(yùn)放電路可知兩個(gè)輸入端之間輸入電阻無窮大，好像斷路一樣，但并非真的斷路，所以稱為虛斷路，簡稱“虛斷”。當(dāng)集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，由集成運(yùn)放的電壓傳輸特性可知第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路1.多級(jí)放大電路的耦合方式為了獲得足夠高的增益或滿足對(duì)輸入電阻、輸出電阻的特殊要求，實(shí)用的放大電路通常由幾級(jí)基本放大單元級(jí)聯(lián)而成，構(gòu)成多級(jí)放大電路。各級(jí)之間的連接方式稱為耦合方式。常用的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合三種。8.2.1直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移直接耦合又稱直流耦合。優(yōu)點(diǎn)：（1）信號(hào)傳輸通路沒有電抗元件，可以放大直流及緩慢變化的信號(hào)；（2）體積小，便于集成。缺點(diǎn)：（1）各級(jí)之間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響；（2）存在較嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問題。2.直接耦合多級(jí)放大電路的特點(diǎn)如果將直接耦合放大電路的輸入端短路，其輸出端應(yīng)有一固定的直流電壓，即靜態(tài)輸出電壓。但實(shí)際上輸出電壓將隨著時(shí)間的推移，偏離初始值而緩慢地隨機(jī)波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。零漂實(shí)際上就是靜態(tài)工作點(diǎn)的漂移。3.零點(diǎn)漂移第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路4.產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如電源電壓的波動(dòng)，電路元件參數(shù)的變化以及溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響，都會(huì)使放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)。即使這種變動(dòng)很微小，也會(huì)被傳送到下一級(jí)進(jìn)行放大，這樣逐級(jí)放大下去就產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。這些原因中以溫度的影響最為嚴(yán)重(所以零點(diǎn)漂移也常叫溫漂)；而在多組直接耦合放大電路的各級(jí)漂移中，又以第一級(jí)的漂移影響最大，因?yàn)榈谝患?jí)的漂移會(huì)被送到后面各級(jí)逐級(jí)放大。最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移，這種漂移電壓大到一定程度時(shí)，就無法與正常放大的信號(hào)區(qū)分，使得放大器不能正常工作。因此，抑制零漂要著重于第一級(jí)。采用高性能的差動(dòng)放大電路是克服零點(diǎn)漂移問題的有效方法。8.2.2差動(dòng)放大器的基本電路和工作原理從電路結(jié)構(gòu)上說，差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大電路組成。由于該電路具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，因而成為集成運(yùn)算放大器的基本組成單元。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路1.差動(dòng)放大電路的工作原理最簡單的差動(dòng)放大電路如圖8-6所示，它由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大電路組成。在該電路中，晶體管VT1、VT2型號(hào)一樣、特性相同，RB1為輸入回路限流電阻，RB2為基極偏流電阻，RC為集電極負(fù)載電阻。輸入信號(hào)電壓由兩管的基極輸入，輸出電壓從兩管的集電極之間提取(也稱雙端輸出)，由于電路的對(duì)稱性，在理想情況下，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)必然一一對(duì)應(yīng)相等。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路2.抑制零點(diǎn)漂移在輸入電壓為零，即ui1=ui2=0的情況下，由于電路對(duì)稱，存在IC1=IC2，所以兩管的集電極電位相等，即UC1=UC2，故uo=UC1-UC2=0。當(dāng)溫度升高引起三極管集電極電流增加時(shí)，由于電路對(duì)稱，存在ΔIC1=ΔIC2，導(dǎo)致兩管集電極電位的下降量必然相等，即ΔUC1=ΔUC2所以輸出電壓仍為零，即uo=ΔUC1-ΔUC2=0。由以上分析可知，在理想情況下，由于電路的對(duì)稱性，輸出信號(hào)電壓采用從兩管集電極間提取的雙端輸出方式，對(duì)于無論什么原因引起的零點(diǎn)漂移，均能有效地抑制。抑制零點(diǎn)漂移是差動(dòng)放大電路最突出的優(yōu)點(diǎn)。但必須注意，在這種最簡單的差動(dòng)放大電路中，每個(gè)管子的漂移仍然存在。3.動(dòng)態(tài)分析差動(dòng)放大電路的信號(hào)輸入有共模輸入、差模輸入和比較輸入三種類型，輸出方式有單端輸出、雙端輸出兩種。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路（1）共模輸入。在電路的兩個(gè)輸入端輸入大小相等、極性相同的信號(hào)電壓，這種輸入方式稱為共模輸入。大小相等、極性相同的信號(hào)為共模信號(hào)。很顯然，由于電路的對(duì)稱性，在共模輸入信號(hào)的作用下，兩管集電極電位的大小、方向變化相同，輸出電壓為零(雙端輸出)。說明差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)無放大作用。共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)為零。（2）差模輸入。在電路的兩個(gè)輸入端輸入大小相等、極性相反的信號(hào)電壓，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。大小相等、極性相反的信號(hào)，為差模信號(hào)。在如圖8-6所示電路中，設(shè)ui1>0，ui2<0，則在ui1的作用下，VT1管的集電極電流增大，導(dǎo)致集電極電位下降ΔUC1(為負(fù)值)；同理，在Ui2的作用下，VT2管的集電極電流減小ΔIC2，導(dǎo)致集電極電位升高ΔUC2(為正值)，由于ΔIC1=ΔIC2，很顯然，ΔUC1和ΔUC2大小相等、一正一負(fù)，輸出電壓為uo=ΔUC1-ΔUC2。若ΔUC1=2V，ΔUC2=2V，則uo=(-2-2)V=-4V可見，差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)具有較好的放大作用，這也是其電路名稱的由來。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路（3）比較輸入。兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小和相對(duì)極性是任意的，既非差模，又非共模。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常運(yùn)用這種比較輸入的方式。例如，我們要將某一爐溫控制在1000℃，利用溫度傳感器將爐溫轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)作為ui2加在VT2的輸入端。而ui1是一個(gè)基準(zhǔn)電壓，其大小等于1000℃時(shí)溫度傳感器的輸出電壓。如果爐溫高于或低于1000℃，ui2會(huì)隨之發(fā)生變化，使ui2與基準(zhǔn)電壓ui1之間出現(xiàn)差值。差動(dòng)放大電路將其差值進(jìn)行放大，其輸出電壓為uo=

(ui1-ui2)。ui1-ui2的差值為正，說明爐溫低于1000℃，此時(shí)uo為負(fù)值；反之，uo為正值。我們就可利用輸出電壓的正負(fù)去控制給爐子降溫或升溫。差動(dòng)放大電路是依靠電路的對(duì)稱性和采用雙端輸出方式，用雙倍的元件換取有效抑制零漂的能力。每個(gè)管子的零漂并未受到抑制。再者，電路完全對(duì)稱是不可能的。如果采用單端輸出(從一個(gè)管子的集電極與地之間取輸出電壓)零點(diǎn)漂移就根本得不到抑制。為此，必須采用有效措施抑制每個(gè)管子的零點(diǎn)漂移。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路4.典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路如圖8-7所示，與最簡單的差動(dòng)放大電路相比，該電路增加了調(diào)零電位器RP、發(fā)射極公共電阻RE和負(fù)電源EE。下面分析電路抑制零點(diǎn)漂移的原理、發(fā)射極公共電阻RE(可以認(rèn)為調(diào)零電位器RP是RE的一部分)和負(fù)電源EE的作用。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路由于電路的對(duì)稱性，無論是溫度的變化還是電源電壓的波動(dòng)，都會(huì)引起兩個(gè)三極管集電極電流和電壓的相同變化，即ΔUC1=ΔUC2，或ΔUO1=ΔUO2，因此，其中相同的變化量互相抵消，使輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。當(dāng)然，實(shí)際情況是：為了克服電路不完全對(duì)稱引起的零點(diǎn)漂移及減小每個(gè)三極管集電極對(duì)地的漂移電壓，電路中增加了發(fā)射極公共電阻RE，它具有電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。例如溫度升高時(shí)，VT1和VT2的集電極電流IC1和IC2都要增大，它們的發(fā)射極電流IE2和IE2會(huì)增大，流過發(fā)射極公共電阻的電流IE=IE2+IE2也會(huì)增大，RE上的電壓增大，VT1和VT2的發(fā)射極電位升高，使UBE2和UBE2減小，則IB1和IB2減小，從而抑制了IC1和IC2的增加。這樣，由于溫度變化引起的每個(gè)管子的漂移，通過RE的作用得到了一定程度的抑制。抑制零點(diǎn)漂移的過程，如圖8-8所示。由溫度變化造成每個(gè)三極管輸出電壓的漂移都得到一定程度的抑制，且RE的阻值越大，抑制零漂的作用就會(huì)越強(qiáng)。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路由于差模信號(hào)使兩個(gè)三極管的集電極電流一增一減，只要電路的對(duì)稱性足夠好，其變化量的大小相等，流過RE的電流就等于靜態(tài)值不變，因此RE對(duì)差模信號(hào)的放大基本上不產(chǎn)生影響。既然RE不影響差模信號(hào)的放大，為了使RE抑制零漂的作用顯著一些，其阻值可以取得大一些。但是，在UCC一定的情況下，過大的RE會(huì)使管壓降UCE變小，靜態(tài)工作點(diǎn)下移，集電極電流減小，電壓放大倍數(shù)下降。為此，接入負(fù)電源EE來補(bǔ)償RE上的靜態(tài)壓降(一般使EE=URC)，從而保證兩個(gè)三極管合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。在輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，因電路不會(huì)完全對(duì)稱，會(huì)使輸出電壓不等于零。這時(shí)可調(diào)節(jié)電位器RP使輸出電壓為零，所以RP稱為調(diào)零電位器。但因RP會(huì)使電壓放大倍數(shù)降低，所以其阻值不宜過大，一般為幾十歐到幾百歐。由以上分析可知，典型差動(dòng)放大電路既可利用電路的對(duì)稱性、采用雙端輸出的方式抑制零點(diǎn)漂移；又可利用發(fā)射極公共電阻RE的作用抑制每個(gè)三極管的零點(diǎn)漂移、穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。因此，這種典型差動(dòng)放大電路即使是采用單端輸出，其零點(diǎn)漂移也能得到有效地抑制。所以這種電路得到了廣泛的應(yīng)用。第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，所以信號(hào)輸入、輸出方式有如下四種情況。8.2.3輸入—輸出方式雙端輸入、雙端輸出的情況如圖8-9a所示，根據(jù)前面分析的差模電壓放大倍數(shù)為1.雙端輸入、雙端輸出差動(dòng)輸入電阻rid和輸出電阻rod分別為第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路雙端輸入、單端輸出的情況如圖8-9b所示，由于輸出只從VT1的集電極輸出，所以輸出電壓只有雙端輸出的一半，即差模電壓放大倍數(shù)為2.雙端輸入、單端輸出如果從VT2管輸出，只是Uo的相位與前者相反輸入電阻和輸出電阻分別為第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路共模電壓放大倍數(shù)為共模抑制比單端輸入、雙端輸出的情況如圖8-9c所示，Ui僅加在VT1管輸入端，VT2管的輸入端接地；或者Ui僅加在VT2管輸入端，VT1管的輸入端接地：這種輸入方式稱為單端輸入，是實(shí)際電路中最常見的一種。若忽略電路對(duì)共模信號(hào)的放大作用，則單端輸入就等效為雙端輸入情況，故雙端輸入、雙端輸出的結(jié)論均適用單端輸入、雙端輸出。這種接法的特點(diǎn)是把單端輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端輸出，作為下一級(jí)的差動(dòng)輸入，適用于負(fù)載兩端任何一端不接地，而且輸出正負(fù)對(duì)稱性好的情況。而實(shí)際上常常需要對(duì)地輸出，所以單端輸入、雙端輸出接法就不適用。3.單端輸入、雙端輸出第8章集成運(yùn)算放大器8.2差動(dòng)放大電路單端輸入、單端輸出的情況如圖8-9d所示，它與雙端輸入、單端輸出等效。這種接法的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的抑制零漂的能力，而且可以根據(jù)不同的輸出端，得到同相和反相關(guān)系。綜上所述，差動(dòng)放大電路的電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān)，只要是雙端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同；如為單端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)是單管基本放大電路電壓放大倍數(shù)的一半。輸入電阻是相同的。4.單端輸入、單端輸出第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路如圖8-10所示為反相比例運(yùn)算電路，輸入電壓ui通過電阻R1加到集成運(yùn)放的反相端，所以輸出電壓uo與ui反相。反饋電阻RF跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反相輸入端，引入的是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端經(jīng)電阻R2接地。R2稱為直流平衡電阻，其作用是使集成運(yùn)放兩輸入端的對(duì)地直流電阻相等，故R2=R1//RF。8.3.1反相比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路的輸出電壓和輸入電壓之間存在一定的比例關(guān)系。比例運(yùn)算電路是最基本的運(yùn)算電路，是各種運(yùn)算電路的基礎(chǔ)。根據(jù)輸入信號(hào)的接法不同，比例運(yùn)算電路分為反相比例運(yùn)算電路和同相比例運(yùn)算電路。它們是構(gòu)成各種復(fù)雜運(yùn)算電路的基礎(chǔ)，是最基本的運(yùn)算放大電路。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路根據(jù)理想運(yùn)放“虛短”和“虛斷”的概念可得上式表明uo與ui是反相比例關(guān)系，且比例關(guān)系只取決于RF與R1的比值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。若R1=RF，則有uo=-ui，該電路稱為反相電路。由反相比例運(yùn)算電路可得其輸入電阻為第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路雖然理想運(yùn)放的輸入電阻為無窮大，引入并聯(lián)負(fù)反饋后，反相比例運(yùn)算電路的輸入電阻并不大。電路中R2=R1//RF為平衡電阻，其作用是使集成電路的兩個(gè)輸入端在靜態(tài)時(shí)對(duì)地有相同的等效電阻。反相比例運(yùn)算電路主要有如下特點(diǎn)：（1）它是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，可作為反相放大器，調(diào)節(jié)R1、RF比值即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)Auf；Auf值可大于1也可小于1；（2）輸入電阻等于R1，較??；（3）u-=u+=0，所以運(yùn)放共模輸入信號(hào)等于零，對(duì)集成運(yùn)放KCMR的要求較低。這也是所有反相運(yùn)算電路的特點(diǎn)；（4）根據(jù)反相運(yùn)算電路中u-=u+=0這種情況，常將集成運(yùn)放輸入端稱為“虛地”。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路如圖8-11所示為同相比例運(yùn)算電路，輸入電壓ui通過電阻R2作用于集成運(yùn)放的同相輸入端，所以輸出電壓uo與ui同相。反饋電阻RF跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反相輸入端，引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。反相輸入端經(jīng)電阻R1接地。平衡電阻R2=R1//RF。8.3.2同相比例運(yùn)算電路第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路根據(jù)運(yùn)放輸入端“虛斷”“虛短”可得虛斷上式表明uo與ui是同相比例關(guān)系，且比例關(guān)系只取決于RF與R1的阻值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路若RF=0，R1=∞，則有uo=ui，該電路稱為電壓跟隨器，如圖8-12所示。根據(jù)運(yùn)算同相端“虛斷”可得，同相比例運(yùn)算電路的輸入電阻為R1=∞；因此，同相比例運(yùn)算電路主要有如下特點(diǎn)：（1）它是深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，可作為同相放大器，調(diào)節(jié)R1、RF值即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)AuF，電壓跟隨器是它的應(yīng)用特例；（2）輸入電阻趨于無窮大。在同相放大器電路分析中不存在“虛地”概念，只能利用“虛短”和“虛斷”進(jìn)行分析。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路加法運(yùn)算就是對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行求和，根據(jù)輸出信號(hào)和求和信號(hào)反相還是同相分為反相加法運(yùn)算和同相加法運(yùn)算兩種方式。8.3.3加法運(yùn)算（1）反相輸入加法運(yùn)算電路。如圖8-13所示為反相輸入加法運(yùn)算電路，是利用反相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)的。圖中，輸入信號(hào)ui1、ui2、ui3分別通過電阻加至運(yùn)放的反相輸入端，做反相加法運(yùn)算的電路。平衡電阻R2=R11//R12//R13//RF。1.加法運(yùn)算電路第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路聯(lián)立以上兩式可得：

根據(jù)運(yùn)放同相端“虛斷”，對(duì)ui1、ui2應(yīng)用疊加原理可求取第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路根據(jù)同相輸入時(shí)輸出電壓與運(yùn)放同相端電壓u+的關(guān)系式可得可見實(shí)現(xiàn)了同相加法運(yùn)算。若R2=R3=R4，2R1=RF，則上式可簡化為uo=ui1+ui2。這種電路在改變某一路輸入端電阻時(shí)，會(huì)影響其他各路信號(hào)的輸出比例，因此調(diào)節(jié)不便。此外，由于不存在“虛地”，使運(yùn)放的共模輸入電壓較高，因而在實(shí)際工作中，這種電路不如反相輸入方式的加法運(yùn)算電路應(yīng)用廣泛。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路如圖8-15所示為單級(jí)運(yùn)放減法運(yùn)算電路，這種形式的電路實(shí)際就是由單級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的差分放大電路。在圖中，輸入信號(hào)ui1、ui2分別加至反相輸入端和同相輸入端。對(duì)該電路同樣用“虛短”和“虛斷”來分析。8.3.4減法運(yùn)算電路第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路首先，設(shè)當(dāng)ui1單獨(dú)作用時(shí)，ui2=0接零，此時(shí)電路相當(dāng)于一個(gè)反相比例運(yùn)算電路，可得ui1產(chǎn)生的輸出電壓uo1為：同理，設(shè)當(dāng)ui2單獨(dú)作用時(shí)，ui1=0接零，電路為同相比例運(yùn)算電路，則有輸出電壓電路總的輸出電壓為應(yīng)用疊加原理可求得總輸出電壓為

第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路將反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻RF換成電容，就構(gòu)成如圖8-16所示的積分運(yùn)算電路。8.3.5積分運(yùn)算電路第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路聯(lián)立以上兩式可得由上式可知uo與ui成積分關(guān)系，其中R1CF為時(shí)間常數(shù)，負(fù)號(hào)表示uo與ui反相。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路例如，設(shè)ui為如圖8-17所示的階躍電壓。

第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路當(dāng)輸出電壓uo達(dá)到集成運(yùn)放的負(fù)向飽和值-UoM時(shí)，停止積分。如圖8-19所示，在積分運(yùn)算電路的反相輸入端增加幾個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了加法—積分運(yùn)算電路。利用疊加原理可得輸出電壓uo為輸入電壓ui1和ui2單獨(dú)作用時(shí)輸出電壓的代數(shù)和，所以可得：從而實(shí)現(xiàn)了ui1、ui2的積分—加法運(yùn)算。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路將積分運(yùn)算電路中的R1和C對(duì)調(diào)位置，就構(gòu)成了如圖8-20所示的微分運(yùn)算電路。8.3.6微分運(yùn)算電路第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路聯(lián)立以上兩式可得上式中uo與ui成微分關(guān)系，負(fù)號(hào)表示兩者反相。當(dāng)集成運(yùn)放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)時(shí)，輸出電壓uo不是趨向于正飽和值UoH，就是趨于負(fù)飽和值UoL，輸出與輸入不再有線性關(guān)系，而是非線性關(guān)系。8.3.7比較輸入運(yùn)算電路電壓比較器是用來比較兩個(gè)電壓大小的電路。如圖8-21所示為由集成運(yùn)放構(gòu)成的同相電壓比較器。1.電壓比較器第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路集成運(yùn)放的反向輸入端接參考電壓uR，同相輸入端接輸入被比較電壓ui。當(dāng)ui與uR比較導(dǎo)致u+>u-時(shí)，集成運(yùn)放輸出正飽和值UoH，當(dāng)ui與uR比較導(dǎo)致u+<u-時(shí)，集成運(yùn)放輸出負(fù)飽和值UoL。如圖8-22所示為基本電壓比較器的電壓傳輸特性圖。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路當(dāng)參考電壓uR=0時(shí)，則反相輸入端接地，ui與零電壓比較，電路稱為過零比較器。利用過零比較器可將正弦波變?yōu)榉讲?。如圖8-23所示為過零比較器電路和ui是正弦波電壓時(shí)，過零比較器輸入電壓ui、輸出電壓uo的波形。圖8-23所示為過零比較器及其輸入、輸出電壓波形。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路如圖8-24所示為存在干擾時(shí)，單限比較器的輸出、輸入波形。為解決這一問題，常常采用滯回電壓比較器。2.滯回比較器（遲滯比較器）第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路（1）電路結(jié)構(gòu)與傳輸特性。反相滯回電壓比較器有兩個(gè)門限電平，故傳輸特性呈滯回狀態(tài)。電路圖及其傳輸特性如圖8-25所示。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路滯回電壓比較器用于控制系統(tǒng)時(shí)主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。存在干擾時(shí)，滯回比較器的輸入、輸出波形如圖8-26所示。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路半導(dǎo)體集成電路識(shí)別與檢測(cè)知識(shí)拓展一、集成電路外引線的識(shí)別使用集成電路前，必須認(rèn)真查對(duì)和識(shí)別集成電路的引腳，確認(rèn)電源、接地、輸入、輸出及控制等相應(yīng)的引腳號(hào)，以免因錯(cuò)接而損壞器件。引腳排列的一般規(guī)律如下。①圓型集成電路：識(shí)別時(shí)，面向引腳正視。從定位銷順時(shí)針方向依次為1，2，3，4……。②扁平和雙列直插型集成電路：識(shí)別時(shí)，將文字符號(hào)標(biāo)記正放（一般集成電路上有一缺口，將缺口或圓點(diǎn)置于左方），由頂部俯視，從左下腳起，按逆時(shí)針方向數(shù)，依次為1，2，3，4……。二、集成電路的檢測(cè)1.在線檢測(cè)與脫機(jī)檢測(cè)①在線檢測(cè)：測(cè)量集成電路各腳的直流電壓，與標(biāo)準(zhǔn)值比較，判斷集成電路的好壞。②脫機(jī)檢測(cè)：測(cè)量集成電路各腳間的直流電阻，與標(biāo)準(zhǔn)值比較，判斷集成電路的好壞。測(cè)得的數(shù)據(jù)與集成電路資料上數(shù)據(jù)相符，則可判定集成電路是好的。圓型多用于模擬集成電路，扁平型多用于數(shù)字集成電路，雙列直插型廣泛應(yīng)用于模擬和數(shù)字集成電路。第8章集成運(yùn)算放大器8.3基本運(yùn)算電路2.在線檢測(cè)的技巧在線檢測(cè)集成電路各引腳的直流電壓時(shí)，為防止表筆在集成電路各引腳間滑動(dòng)造成短路，可將萬用表的黑表筆與直流電源的“地”端固定連接，方法是在“地”端焊接一段帶有絕緣層的銅導(dǎo)線，將銅導(dǎo)線的裸露部分纏繞在黑表筆上，放在電路板的外邊，防止與板上的其他地方連接。這樣用一只手握住紅表筆，找準(zhǔn)欲測(cè)量集成電路的引腳，另一只手可扶住電路板，保證測(cè)量時(shí)表筆不會(huì)滑動(dòng)。3.集成電路的替換檢測(cè)當(dāng)集成電路整機(jī)線路出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)者往往用替換法來進(jìn)行集成電路的檢測(cè)。用同型號(hào)的集成塊進(jìn)行替換試驗(yàn)，是見效最快的一種檢測(cè)方法。但是要注意，替換試驗(yàn)的前提是必須保證負(fù)載不短路。第8章集成運(yùn)算放大器本章實(shí)訓(xùn)差動(dòng)放大器實(shí)訓(xùn)目的1.理解差動(dòng)放大器性能及特點(diǎn)；2.學(xué)習(xí)差動(dòng)放大器主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法。實(shí)訓(xùn)器材1.±12V直流電源；2.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；3.雙蹤示波器；4.交流毫伏表；5.直流電壓表；6.模電實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)訓(xùn)原理如圖8-27所示是差動(dòng)放大器的基本結(jié)構(gòu)。它由兩個(gè)元件參數(shù)相同的基本共射極放大電路組成。當(dāng)開關(guān)S撥向左邊時(shí)，構(gòu)成典型的差動(dòng)放大器。調(diào)零電位器RP用來調(diào)節(jié)VT1、VT2管的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得輸入信號(hào)Ui＝0時(shí)，雙端輸出電壓Uo＝0。RE為兩管共用的發(fā)射極電阻，它對(duì)差模信號(hào)無負(fù)反饋?zhàn)饔?，因而不影響差模電壓放大倍?shù)，但對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，故可以有效地抑制零漂，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。第8章集成運(yùn)算放大器本章實(shí)訓(xùn)差動(dòng)放大器當(dāng)開關(guān)S撥向右邊時(shí)，構(gòu)成具有恒流源的差動(dòng)放大器。它用晶體管恒流源代替發(fā)射極電阻RE，可以進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器抑制共模信號(hào)的能力。第8章集成運(yùn)算放大器本章實(shí)訓(xùn)差動(dòng)放大器實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和步驟1.典型差動(dòng)放大器性能測(cè)試按圖8-27所示連接實(shí)驗(yàn)電路，開關(guān)S撥向左邊構(gòu)成典型差動(dòng)放大器。（1）測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)。①調(diào)節(jié)放大器零點(diǎn)。信號(hào)源不接入。將放大器輸入端A、B與地短接，接通±12V直流電源，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓Uo，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器RP，使Uo＝0。調(diào)節(jié)要仔細(xì)，力求準(zhǔn)確。②測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)。零點(diǎn)調(diào)好以后，用直流電壓表測(cè)量VT1、VT2管各電極電位及射極電阻RE兩端電壓URE，記入表8-1。第8章集成運(yùn)算放大器本章實(shí)訓(xùn)差動(dòng)放大器（2）測(cè)量差模電壓放大倍數(shù)。斷開直流電源，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出端