《电子技术》课件-第3章

第3章集成运算放大电路及其应用3.1集成运算放大电路3.2集成运放的应用3.3能力训练习题

本章以集成运算放大电路(以下简称集成运放)为研究对象，在介绍其内部单元电路的基础上，对集成运放的工作原理及性能指标做简要说明，最后介绍集成运放在信号运算电

路中的广泛应用。

3.1集成运算放大电路

集成电路根据其集成度不同，分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。就功能而言，有数字集成电路和模拟集成电路，而后者又分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成数/模和模/数转换电路。其中，集成运算放大器是基础，它是具有两个不同相位输入端的高增益放大器，除广泛应用于精密检测、自动控制等领域外，在收音机、电视机、音箱设备、摄像设备等家用电器中也得到了广泛应用。其电路具有以下特点:

(1)在集成元件工艺中难于制造电感元件，不便于制造大电阻与大电容。

(2)运算放大电路的输入级采用差分放大电路。

(3)在集成运算放大电路中往往采用晶体管恒流源代替电阻，作为有源负载，并为单元电路提供合适的静态工作点。

3.1.1基本结构

从本质上讲，集成运放是一个双端输入，具有高输入电阻、低输出电阻、能够抑制温漂的直接耦合的多级高增益放大电路。从外部来看，其结构特点为两个输入端，分别为同相输入端和反相输入端，其中同相和反相是指运放的输入电压与输出电压之间的相位关系。其中同相输入端用uP

表示，反相输入端用uN表示，输出电压用uo

表示，均以地为公共端。从内部来看，集成运放常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图3－1所示。图3－1集成运放电路的组成

输入级是提高运放性能的关键部分，要求其输入电阻高、静态电流小、差模放大倍数高、抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。为此，输入级均采用差分放大电路(见2.8节)，它具有同相和反相两个输入端。中间级主要进行电压放大，要求它的电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路组成，其放大管常采用复合管，以提高电流放大能力，集电极负载电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。输出极与负载相连，要求其输出电阻低，带负载能力强，能够输出足够大的电压和电流，一般由互补功率放大电路和射极输出器组成。偏置电路的作用是为整个运放电路提供稳定合适的偏置电流，一般由各种恒流源电路组成，从而保证放大电路的各级静态工作点稳定工作。

3.1.2差分放大电路

差分放大电路是由两个完全相同的三极管组成的对称结构的放大电路。它具有抑制共模信号放大差模信号的功能，并且可以有效地防止零点漂移现象。

1.差分放大电路的四种接法

在差分放大电路中，为了防止干扰和满足负载的需要，常将信号源的一端接地，或者将负载电阻的一端接地。根据输入端和输出端接地情况不同，差分放大电路共有四种不同接法的电路，它们分别是双端输入、双端输出电路(如图3－2(a)所示)，双端输入、单端输出电路(如图3－2(b)所示)，单端输入、双端输出电路(如图3－2(c)所示)，以及单端输入、单端输出电路(如图3－2(d)所示)。图3－2差分放大电路的四种接法

四种差分放大电路的比较如表3－1所示。

综上所述，差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同；如为单端输出，它的差模电压放大倍数是单管

基本电压放大倍数的一半，输入电阻都是相同的。

2.差分放大电路的主要指标

(1)差模电压放大倍数Aud：指在差模输入信号作用下，产生输出电压Uod与差模输入电压Uid

之比，即

(2)共模电压放大倍数Auc:指在共模输入信号作用下，产生输出电压Uoc与差模输入电压Uic

之比，即

(3)共模抑制比KCMR

:指差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc之比的绝对值，也常用分贝表示。它可以确切地反映差分放大电路的共模抑制能力。

(4)差模输入电阻rid

:它是差分放大电路对差模信号源呈现的等效电阻。其在数值上等于差模输入电压与差模输入电流之比，即

(5)差模输出电阻rod:它是在差模信号作用下差分放大电路相对于负载电阻RL而言的戴维南等效电路的内阻。也可以认为是在差模信号作用下，从RL

两端向放大电路看进去的等效电阻。其在数值上等于差模信号作用下，输出开路电压Uo∞d与输出短路电流Io0d之比，即

(6)共模输入电阻ric

:它是差分放大电路对共模信号源呈现的等效电阻，即

3.1.3恒流源电路

集成运算放大电路中恒流源电路是重要的组成部分，一方面为多级放大电路提供稳定的静态工作电流，另一方面作为放大电路的有源负载，进一步提高了电路的放大能力。下

面介绍集成电路中常用的恒流源电路。

1.镜像电流源电路

图3－3为一镜像电流源电路，它由两只特性完全相同的晶体管V1

和V2

组成。对于V1而言，

UBE1=UCE1，其集电极电流IC1=βIB1

。图中V1和V2的基—射间的电压相等，即UBE1=UBE2

，故它们的基极电流IB1=IB2=IB

，而由于电流放大系数β1=β2=β，故集电极电流I

C1=IC2=Io=βIB

。图3－3镜像电流源

电阻中R流过的电流为基准电流，其表达式为

所得的集电极电流为

当β≫2时，输出电流．

可见Io

和IR呈镜像关系，故称此电路为镜像电流源。RL

为负载，

Io

为负载的输出电流。

镜像电流源结构简单，应用广泛，但电源一定情况下，增大负载电流会造成电阻R的功率增大。因此，派生了其他类型的电流源电路。

2.比例电流源

比例电流源是为了克服镜像电流源IC2=Io≈IR的关系，而使Io可以大于或小于IR

，并与IR

成比例关系。它解决了镜像电流源在增加负载时出现电路功耗过高的情况。其电路如图3－4所示。图3－4比例电流源

从电路图可得

由于V1和V2

的发射结都处于导通状态，其伏安特性曲线十分陡峭(因为发射区都是重掺杂的)，发射结正偏压的微小变化，就会导致发射极电流的显著变化，所以，当IE1

与IE2相差不大(小于10倍)时，对应的发射结正偏压UBE1

与UBE2相差十分微小，故可近似认为UBE1=UBE2

，上式可简化为．

当β≫1时

故有IRRe1=IoRe2

，即．

所以在0.1<Re1Re2<10的范围内，负载的输出电流为

由式(3－2)可知，在改变电阻R和调节电阻Re1

的条件下，可改变流过电阻R的基准电流，通过改变Re1

与R

e2

的比例关系，可以实现对负载电流Io

的调节作用。．

3.微电流源

为了采用阻值较小的电阻获得较小的输出电流，可以将比例电流源中Re1

的电阻减小为零，便可得到微电流源，如图3－5所示。其输出的电流Io

的分析过程如下。图3－5微电流源．

把Io≈IE2

，

IR≈IE1

代入IE2≪IE1

得Io≪IR

。正

确地选取Re2

的值，可以使Io达到微安量级，而此时IR

仍然很大，所以限流电阻R=(UCC-UBE1)/IR不会太大。可见，该电路能够在R不太大的条件下，获得微小的输出电流。

定量分析如下:．

式中，

UT

是温度电压当量，IS1与IS2

分别是V1

与V2

发射结的反向饱和电流。由于V1

与V2特性相同，所以

则

因为IE2≈Io，

IE1≈IR

，代入上式得．

【例3－1】在图3－5电路中，

UCC=15V，IR=1mA，

Io=IC2=10μA，常温下，

UT=26mV，试确定

Re2及R

的值。

解由公式(3－3)得

由公式(3－4)得．

4.多路电流源

前面几个电流源电路都是用一个参考电流去获得另一个固定电流，如果加以推广，可以用一个参考电流去获得多个电流，而且各个电流的数值可以不同。这样，就可以为集成

运放多级放大电路提供合适的静态电流。利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流的电路称为多路电流源电路。

图3－6所示电流是在镜像电流源和微电流源的基础上得到的多路电流源电路。其中V1

是参考电流源。根据电路的关系，可得到以下关系式:

由于这几个晶体管的UBE

数值大致相等，因此有下列近似关系:

当

IE1确定后，可能通过选择合适的电阻，以获得不同数值的电流。图3－6多路电流源

5.电流源作为有源负载

恒流源在集成电路中除了设置偏置电流外，还可能作为放大电路的有源负载，以提高电路的放大倍数。下面通过一个简单的基本共射放大电路来说明。

图3－7(a)是带负载电阻RL

基本共射放大电路，在负载电阻已定的情况下，若RC越大，则Au越大。这里用一个恒流源代替RC

，如图3－7(b)所示，则交流等效电路如图3－7(c)所示。由于恒流源的等效内阻为无穷大，可视为开路，即变化的电流βIb全部流向负载电阻RL

，所以提高了放大倍数。图3－7(d)是用镜像电流源组成的电路。

图3－7(e)是它的交流等效电路。其中V2

等效为一个内阻rce2。在要求精度比较高或者RL的数值与rce2

可以相比的情况下，需考虑V1

等效模型中rce1

的影响。这样得到的电压放大倍数为

三极管是有源元件，用三极管作为V1

的负载就称其为有源负载。．图3－7有源负载共射放大器

3.1.4集成运算放大器简介

如前边所述，集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，均由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个单元组成。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿电路等

1.工作原理

图3－8是一个由晶体三极管组成的简单运放原理图。图3－8简单运放原理图

V1

、V2组成差动放大电路，信号由双端输入，单端输出。为了提高整个电路的电压增益，

V3

、V4构成复合管，利用它组成共射极放大电路。由V5

、V6组成两级电压跟随器而构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压uid=ui1-ui2

为零时，输出电压uo=0V，同时二极管VD

、电阻R6

、电压-UEE负责给V9

提供基准电压，这与V9

一起构成电流源电路，从而提高V5

的电压跟随能力。

V7、V8

组成恒流源电路提高差动放大电路的共模抑制比。。

由此可见，运算放大器由差动放大电路、中间级、输出级和恒流源四部分组成，它有两个输入端(即反相输入端1和同相输入端2)和一个输出端3。

典型的集成电路运算放大器741的原理电路如图3－9(a)所示，该电路由输入级、偏置电路、中间级和输出级组成。图3－9(b)是其简化电路。图3－9741型集成电路运算放大器图3－9741型集成电路运算放大器

2.偏置电路

741型集成运放由24个晶体管、10个电阻和1个电容组成。在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故采用微电流源电路提供各级的静态工作点。

如图3－9(a)所示，由+UCC→V12→R5→V11→-UEE构成主偏置电路，决定偏置电路的基准电流IREF。主偏置电路中的V10

和V11

组成微电流源电路(IREF≈IC11

)，由IC10

供给输入级中V2

、V4

的偏置电流，即IC10=IB3+IB4=IS

，如图3－9(b)中的IS

所示，远小于IREF

。

V8

和V9

为一对横向PNP型晶体管，它们组成镜像电流源IE8=IE9

，供给输入级V1

、V2

的工作电流(IE8≈IC10

)，这里IE9

为IE8

的基准电流。于是IC1=IC2=(1+2/β)IC8/2，IC1≈IC3=IC4≈IC5=IC6

。必须指出，输入级的偏置电路本身构成反馈环，可减小零点漂移。

V12

和V13构成双端输出的镜像电流源。V12

是一个双集电极的横向PNP型晶体管，可视为两个晶体管，它们的两个基—集结彼此并联。一路输出为V13B

集电极，使IC16+IC17=IC13B

，主要作为中间放大级的有源负载;另一种输出为V13A的集电极，供给输出级的偏置电流，使V14

、V20

工作在甲乙类放大状态(第4章中讲述)，其中rce13为集电极与发射极间的等效电阻。

3.输入级

图3－9(b)所示为741的简化电路，将图3－9(a)中产生恒定电流的电路采用恒流源来代替。输入级是由V1~V6

组成的差分式放大电路，由V6

的集电极输出。V1

、V3

和V2

、V4

组成共集共基复合差动电路，纵向NPN型晶体管V1、V2

组成共集电路可以提高输入阻抗。其中共集共基放大电路具有输入电阻较大以及电压放大能力较强的特点。

3.1.5集成运放的性能指标

集成运放对信号的放大性能通过以下参数来说明，这些参数通常称为集成运放的性能指标。

2.最大输出电压Uopp

能使输出电压和输入电压保持不失真的最大输出电压，称为运算放大电路的最大输出电压。LM741在UCC

=±15V，

RL≥10kΩ的条件下，Uopp=±14V。

3.差模输入电阻rid

rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的能力。要求rid

愈大愈好，一般集成运放rid

为几百千欧至几兆欧。

4.输出电阻ro

ro

的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Iomax

表示它的极限负载能力。

5.共模抑制比KCMR

共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义与差动放大电路相同。KCMR愈大愈好。

6.最大差模输入电压

Uidmax

从集成运放输入端看进去，一般都有两个或两个以上的发射结相串联，若输入端的差模电压过高，会使发射结击穿。NPN管发射结击穿电压仅有几伏，

PNP横向管的发射结击

穿电压则可达数十伏，如F007的Uidmax为±30V。

7.最大共模输入电压Uicmax

输入端共模信号超过一定数值后，集成运放工作不正常，失去差模放大能力。因此，在实际应用中，特别注意输入共模信号的大小。

8.输入失调电压UIO

输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器)，它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零

时，输出也为零，但实际中往往输出不为零，将此电压折合到集成运放的输入端的电压，常称为输入失调电压UIO

。其值在1~10mV范围，要求愈小愈好。

9.输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO

输入偏置电流是指输入差放管的基极偏置电流，用IIB

=(IB1+IB2

)/2表示;而将IB1

、IB2

之差的绝对值称为输入失调电流IIO，即IIo=IB1-IB2。IIB和IIO

愈小，它们的影响也愈小。IIB

的数值通常为十分之几微安，则IIO

更小。

10.-3dB带宽fh

当Aod下降到中频时的0.707倍时为截止频率，用分贝表示正好下降了3dB，故对应此时的频率fh

称为上、下限截止频率，又常称为-3dB带宽。当输入信号频率继续增大时，

Aod继续下降;当Aod

=1时，与此对应的频率称为单位增益带宽。

11.转换速率SR

频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中，有时需要集成运放工作在大信号情况(输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压Uopp

)，此时用转换速率表示其特性:．

集成运放种类全、类型多，可分为通用型(LM741或F007)和特殊型两种，其中，特殊型集成运放又有高阻型、高速型、低功耗型、高精度型、高压型、大功率型几种情况。表3－2给出了集成运放的性能特点和用途。无特殊要求时应选用通用型集成运放，以便获得较高的性价比。有特殊要求时选用特殊型集成运放会使电路性能提高。．

3.2集成运放的应用

3.2.1集成运放的传输特性集成运放电路的图形符号如图3－10所示。同相输入端用“+”表示，反向输入端用“-”表示。用uP

、uN、uo

分别表示对地的同相输入电压、反向输入电压和输出电压。Aod表示差模开环放大倍数。图3－10集成运放图形符号

集成运放的输出电压与输入电压之间的关系称为电压传输特性。从集成运放的传输特性(见图3－11)看，可分为线性工作区和饱和工作区。运算放大电路可工作在线性区，也可工作在饱和区，但分析方法不一样。图3－11集成运放传输特性

1.集成运放的线性工作区

放大器的线性工作区是指输出电压uo

与输入电压ui

(

ui=uP-uN

)成正比时的输入电压ui的取值范围，记作uimin~uimax。

uo

与ui

成正比，可表示为．

此时，运算放大器是一个线性放大元件。Aod为运算放大器的开环电压放大倍数，由于Aod

很高，即使输入毫伏级的信号，也足以使输出电压饱和，其饱和值为+Uopp或-Uopp，达到接近电源电压值。正常情况下，输入电流都是μA或nA级，才能保证其工作在线性区。否则过大的电流会烧坏集成运放芯片。

2.集成运放的非线性工作区

集成运放工作在饱和区时，这时输出电压uo只有两种可能，即+Uopp或-Uopp

，而uP与uN

不一定相等。当u

P>uN

时，

uo=+Uopp

。当uP

<uN

时，

uo=-Uopp。此外，集成运放工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也近似为零。

在分析由集成运放组成的运算电路时，通常将其视为理想化的集成运放，它除了具有“虚断”和“虚短”的特点外，它的性能指标均为理想化的。具体参数如下:

开环电压放大倍数Auo→∞;

差模输入电阻rid→∞;

开环输出电阻ro→0;

共模抑制比KCMR→∞。

集成运放的应用很广，下面侧重介绍它在信号运算方面的应用电路，主要包括比例、加减、积分与微分等运算。

3.2.2比例运算电路

1.反相比例运算电路

如果输入信号从集成运放的反相输入端引入，便是反相比例运算电路。

图3－12是一反相比例运算电路。输入信号ui经输入电阻R1

送到反相输入端，而同相输入端通过电阻R'接“地”。反馈电阻Rf

跨接在输出端和输入端之间。其中，

R'为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性，

R'电阻阻值为ui=0时，反相输入端总等效电阻，即各路电阻的并联，

R'=R∥Rf。图3－12反相比例运算电路

根据理想运放“虚断”和“虚短”的特点可知:．

该式表明，

uo

与ui是比例关系，其比例系数是Rf∥R1

，负号表示uo与ui相位相反。当R1=Rf时，则有u

o=-ui

。

反相比例运算电路作为一个放大器，其闭环电压放大倍数、输入电阻、输出电阻分别为．

2.同相比例运算电路

如果输入信号从集成运放的同相输入端引入，此电路便为同相比例运算电路。其电路图如图3－13所示。图3－13同相比例运算电路

根据理想运放“虚断”和“虚短”的特点可知:

由于集成运放的输入电流为零，因而iR1=iF

，即

上式表明，

uo与ui

同相且uo大于ui。

同相比例运算电路作为一个放大器，其闭环电压放大倍数、输入电阻、输出电阻分别为

若图3－13中的R1=∞或Rf=0，则ui=uo

。此时，该电路构成电压跟随器，分别如图3－14(a)、(b)所示。图3－14电压跟随器

3.2.3加法运算电路

若所有输入信号均从集成运放的同一输入端引入，则实现加法运算。加法运算电路分为反向求和电路和同相求和电路。

1.反相求和电路

如果所有输入信号在集成运放的反向输入端引入，则可组成反相求和电路。其电路如图3－15所示。图3－15反相求和电路

根据理想运放“虚断”和“虚短”的特点可知:

由反相求和电路可知:

解得．．

2.同相求和电路

如果所有输入信号在集成运放的同相输入端引入，则可组成同相求和电路。其电路如图3－16所示。图3－16同相求和电路

根据理想运放“虚断”和“虚短”的特点可知:

则有

因为iP=0，所以．

即

求得．．

3.2.4加减运算电路

若一部分输入信号从同相输入端引入，另一部分输入信号从反相输入端引入，则实现减法运算。如果电路能够实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的运算，则该电

路统称为加减运算电路。

1.两输入信号的加减运算

在集成运放同相输入端引入一信号，反相输入端引入另一信号，采用两输入信号的加减运算电路(如图3－17所示)，便可实现两个信号的加减运算。图3－17两输入信号的加减运算

根据理想运放“虚断”和“虚短”的特点可知:

设当电路中仅有信号ui1作用时，其输出为uo1，此时该电路为反比例运算电路，

uo1=-(Rf/R1)ui1

;当电路中仅有信号ui2

作用时，其输出为uo2

，此时该电路为同相比例运算电路，

uo2=uN/R1(R1

+Rf

)。根据叠加原理可知，电路输出为．

又因为

由上面两式可得

则．

．

2.四输入信号的加减运算

四输入信号的加减运算电路如图3－18所示，其分析方法和两输入信号加减运算一样，具体过程如下。图3－18四输入信号的加减运算电路．

上述四输入信号的加减运算电路只用一个集成运放，也可以用两个两级求和集成完成和差运算，电路如图3－19所示。图3－19两级集成运放组成的和差电路

由于理想运放的输出电阻为零，所以其输出电压uo不受负载的影响。当多级理想运放相连时，后级对前级的输出电压uo不产生影响。．

3.2.5积分运算

积分运算可以完成对输入电压的积分运算。与反相比例运算电路比较，用电容C代替Rf

作为反馈元件，就是积分运算电路，如图3－20所示。图3－20反相积分电路基本形式

由电路得

因为反相输入端是虚地，

uN=0，即

并且式中uC

(0)是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值，所以．．

当uC(0)=0时，即电路为零状态响应:

若输入电压为如图3－21(a)所示的直流电压，并假定uC

(0)=0，则t≥0时，由于ui=E，故．图3－21基本积分电路的积分波形

若输入电压为如图3－21(b)所示的周期为T的方波，当时间在[0，t1]期间时，

ui=-

E，电容器放电，则．

所以

当t=t2

时，

uo=-Uom

。如此周而复始，即可得到三角波输出。

上述积分电路分析结果是在集成运放理想化下得出来的，与实际中误差偏差较大。实际电路则是在电容两端并接一个电阻Rf，利用Rf来抑制偏差。其电路如图3－22所示。．图3－22实际积分运算电路

3.2.6微分运算

微分运算是积分运算的逆运算，在电路结构上反馈电容与输入端电阻位置对调，就成为微分运算电路，其电路如图3－23所示。

因为iN=0，并且uN→0，所以图3－23微分电路

输出电压uo

与输入电压ui的变化率成正比。由于微分电路对输入信号中的快速变化分量敏感，故其稳定性差。在实际中采用图3－23(b)所示的微分电路。

通过分析由集成运放组成的各种运算电路，可以总结该类型电路计算的一般方法。

对于单一信号作用的运算电路，首先应列出关键节点的电流方程，所谓关键节点是那些输入电压和输出电压产生关系的节点，如P点和N点;然后根据“虚短”和“虚断”的原则，进行分析处理，即可得出输入与输出信号之间的关系。

对于多个信号作用的运算电路，在分析单一信号作用的基础上，利用叠加定理，得出输入信号共同作用时，输入与输出的运算关系。

3.3能力训练

该部分包括两部分的内容，一是集成运算放大器的检测，二是特定集成运放芯片LM741的使用说明和应用。

1.集成运算放大器的检测

运算放大器的内部结构较为复杂，引脚数目较多，对于检测其性能好坏具有一定难度，下面介绍一种利用万用表配合简单的电子线路进行检测的方法。

检测电路如图3－24所示，运算放大器加上正负电源，将万用表拨在直流50V挡，并加在其输出端。静态时，万用表的读数为28V左右;手持螺丝刀的绝缘柄，用其金属部分依次碰触运算放大器的同相输入端和反相输入端。若万用表指针从28V摆到15~20V，说明该运算放大器性能良好，而且放大能力很高。若万用表指针摆动很小，说明其放大能

力较差;若万用表指针不动，说明其内部已损坏。图3－24用万用表检测传输特性

2.LM741运算放大器

工程应用中，一般使用各类传感器将位移、角度、压力、流量等物理器转换为电信号，之后再根据电压或电流信号间接推算出物理量变化，以达到感测、控制的目的。很多情况

下，传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要用放大器进行信号放大，以顺利测得电流电压信号，而放大器所能完成的工作不仅

仅是放大信号，还能应用于缓冲隔离、阻抗匹配以及将电压转换为电流或将电流转换为电压等方面。现今放大器种类繁多，一般仍以运算放大器应用较为广泛，此处介绍LM741运算放大器。

LM741是一种应用广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。本电路采用内部补偿，

电路简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。其工作时需要一对同样大小的正负电源，其值从±12VDC至±18VDC不等，而一般使用

±15VDC的电压。LM741运算放大器的外形与引脚配置分别如图3－25、图3－26所示。图3－25LM741运算放大器外形图图3－26LM741运算放大器引脚配置图

由图3－26可知，引脚1和5为偏置调零端，

2为反相输入端，

3为正相输入端，

4为负电源端，

6为输出端，

7为正电源端，8为空引脚。通过在1端和5端加入电位器实现放大器的调零功能。

3.LM741基本应用电路

LM741通常应用于电子仪表及工业自动化控制设备中。其一作为低功耗放大器实现音频信号的放大；其二组成电压比较器电路；其三组成有源滤波器；其四实现RC正弦波发生器；其五组成恒流源电路。

1)在功率放大电路中的应用

一般而言，人耳可以识别的声音频率范围为20Hz~20kHz，其中对1000~4000Hz的声音最为敏感，而人类的言语频率主要分布在500~3000Hz。如图3－27所示，声音经麦克风后传入集成运放LM741，该音频小信号由芯片3脚输入，经内部多级放大电路对音频信号进行逐级放大，最后通过6口将放大的音频信号进行输出。为了使得放大的音频信号能够驱动扬声器负载，该电路的末级输出采用无输出变压器的功率放大电路(简称OTL电路)，它是由NPN三极管V1

、PNP型三极管V2

以及大容量电容器C5

组成的，其中V1和V2

的特性理想对称。另外，二极管VD1

和VD2保证V1和V2

在静态工作点时微导通，从而消除电路工作时出现的交越失真现象。图3－27LM741在功率放大电路中的应用

2)在电压比较器电路中的应用

电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高低两个电平。它在信号变换、检测和波形产生电路、模拟与数字电路之间的接口电路中应用广泛。

利用集成运放可组成简单的电压比较器。其中图3－28为同相电压比较器及输出波形，图3－29为反相电压比较器及输出波形。当参考电压Ur为0时，可构成同相和反相过零比

较器。图3－28同相电压比较器及输出波形图3－29反相电压比较器及输出波形

3)在有源滤波电路中的应用

如果在集成运放的基础上增加电阻、电容等无源元件便可构成有源滤波器。它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。就理想滤波器的幅频特性而言，允许通过的频段为通

带，信号衰减到零的频段称为阻带。图3－30为二阶低通滤波电路及其幅频特性，图3－31为二阶高通滤波电路及其幅频特性。图3－30二阶低通滤波电路及其幅频特性图3－31二阶高通滤波电路及其幅频特性

4)在恒流源电路中的应用

恒流源是输出电流保持恒定的电流源，输出电流并不因负载的变化而改变，为一种理想的电流源，常通过分立元件三极管或者集成运放来实现。图3－32是一个由集成运放组

成的交流恒流源电路。该电路通过集成运放组成电流串联负反馈电路来实现，电路要求R1=R2=R3=R4

。根据信号运算电路的分析方法，可以得出电路的输出电流和电压的关系为图3－32交流恒流源电路

5)在波形产生电路中的应用

另外，利用LM741也可以构成RC正弦波发生器，从而实现波形的变换。图3－33为正弦波发生器的原理图。图3－33正弦波发生器

4.LM741构成仪器仪表电路

集成运放LM741除了可组成以上五种基本电路外，还可应用于仪器仪表的测量方面。下面对其在电容测量及电子听诊器方面的应用做进一步说明。

1)电容测量

图3－34为集成运放组成的电容测量电路。该电路的测量原理是被测电容Cx

充、放电而形成三角波，测量三角波的振荡周期就可知电容量的大小。由A

1

可构成密勒积分电路，经A2

构成的施密特电路形成正反馈而产生振荡。其振幅由R3和R4

决定，等于电源电压的1/3。Cx

的充电电流由电源电压和R2

决定，放电电流由电源电压和(R1

+R2

)决定。从原理上讲，振荡周期应不受电源电压的影响，但实际上，由于A2

差动输入电压的限制与晶体管驱动电路的常数等影响，故不允许电源电压大幅度地变动。

电源电压的范围为±13~±15V，正、负电源电压的绝对值需要相等。不接电容Cx时，

A2

以延迟约20μs的时间进

行振荡，可以计算出Cx

对此进行补偿。Cx电容量为1000μF

时的测量时间为10s。若R1和R2采用1kΩ的电阻，则测量时间可缩短到1/10。电路输出uo

外接计数器，就可以读出被测电容的容量。图3－34电容测量电路

2)电子听诊器

由于老式的听诊器没有放大作用，因此声音微弱，塞在耳朵里很不舒服，不能隔离环境噪声，频率响应也不可调。而电子听诊器由于接有放大器，因此可将微弱的心跳声放大

到清晰可闻的程度。电子听诊器除了能清晰监听病人的胸(腹)声音外，还能用在搜索机械噪声源的定位等方面，其输出可用磁带录音机录下来供分析病情使用，或送入大功率的放大器另作他用。在实验过程中，发现拾音头BM用普通振膜拾音头的中频响应好，背景噪声也小。便宜的振膜和高价的振膜效果一样好。

图3－35为集成运放组成的电子听诊器电路。该电子听诊器由拾音传感器、前置放大器、低通滤波放大器、缓冲、音频放大器和LED显示电路组成。拾音传感器由传声器BM和R1

等组成。前置放大器由集成运算放大电路IC1和电阻器R3~R5

等组成。低通滤波放大器由运算放大器IC2和电阻器R6~R8

、电容器C3、C4

等组成，其截止频率略大于100Hz。缓冲放大器由集成运算放大器IC3担任。音频放大器由音量电位器RP

、低电压音频放大集成电路

IC4

、电阻器R13、电容器C5

、C6等组成。LED显示电路由双色发光二极管VD

、驱动放大集成电路IC5和电阻器R9~R12

组成。

拾音传感器拾取的信号经IC1~IC4滤波与放大后，驱动耳机BE发声。经IC2等低频滤波后的音频信号再经IC5

进一步放大处理，驱动二极管VD

与耳机中的声音同步闪亮。调节RP

的阻值，可改变耳机中音量的大小。改变电阻器R5

和R6

的阻值大小，可改变低通滤波器的截止频率，从而改变电子听诊器的频响效果。集成运算放大器的元件选择方面，

IC

1

~IC3

和IC

5均选用LM741型放大器，

IC

4

选用LM386音频放大器。图3－35电子听诊器电路

习题

[题3.1]填空题。

1.在集成电路中，由于制造大容量的

较困难，所以大多采用

的耦合方式。

2.集成运算放大电路由

、

、

和

四部分组成。其中，输入级采用

电路;中间级具有很高的，采用

电路实现。

3.长尾式差动放大电路的发射极电阻Re

越大，对

越有利。

4.理想化的集成运放，具有

和

的特点。它的性能指标均为理想化的，对应的4个指标分别为:、

、

、

。

5.分别用“反相”或“同相”填空。

(1)

比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地，而

比例运算电路中集成运放两个输入端的电位等于输入电压。

(2)

比例运算电路的输入电阻大，而

比例运算电路的输入电阻小。

(3)

比例运算电路的输入电流等于零，而

比例运算电路的输入电流等于流过反馈电阻中的电流。

(4)

比例运算电路的比例系数大于1，而

比例运算电路的比例系数小于零。

6.集成运算放大器的放大倍数Aod=105

，用分贝数表示为

dB。

[题3.2]判断题。

1.集成运放的输入失调电压UIO

是两输入端电位之差。

(

)

2.集成运放的输入失调电流IIO

是集成运放两个输入端静态电流之差。

(

)

3.运放的共模抑制比

(

)

4.有源负载可以增大放大电路的输出电流。

(

)

5.在输入信号作用时，偏置电路改变了各放大管的动态电流。(

)

6.运算电路中一般均引入负反馈。(

)

7.在运算电路中，集成运放的反相输入端均为虚地。

(

)

8.凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系。(

)．

[题3.3]选择题。

1.集成运放电路采用直接耦合方式是因为（）。

A.可获得很大的放大倍数

B.可使温漂小

C.集成工艺难于制造大容量电容

2.通用型集成运放适用于放大（）。

A.高频信号

B.低频信号

C.任何频率信号

3.集成运放制造工艺使得同类半导体管的（）。

A.指标参数准确

B.参数不受温度影响

C.参数一致性好

4.集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以（）。

A.减小温漂B.增大放大倍数C.提高输入电阻

5.为增大电压放大倍数，集成运放的中间级多采用（）。

A.共射放大电路B.共集放大电路

C.共基放大电路

[题3.4]电路如图3－36所示，电路参数理想对称，晶体三极管的β=100，

rbb'=100Ω，

UBEQ=0.7V。试计算RW

滑动端在中点时V1管和V2管的发射极静态电流IEQ，以及动态参数Ad和ri

。图3－36[题3.4]图

[题3.5]电路如图3－37所示，所有二极管为硅管，

β=200，

rbb‘=200Ω，静态时UBEQ=0.7V。

试求：(1)静态时V1

管和V2

管的发射极电流。

(2)若静态时，

uo>0，则应如何调节Rc2

的值才能使uo=0V?若静态uo=0V，则Rc2=?电压放大倍数为多少?图3－37[题3.5]图

[题3.6]电路如图3－38所示，已知β1=β2=β0

=100，

R=136kΩ。各管的UBE均为0.7V，试求IC2

的值。图3－38[题3.6]图

[题3.7]多路电流源电路如图3－39所示，已知所有晶体管的特性均相同，各管的UBE均为0.7V，试求IC1

、IC2

的值图3－39[题3.7]图

[题3.8]在图3－40所示电路中，已知V1~V3

特性完全相同，

β≫2;反相输入端的输入电流为ii1

，同相输入端的输入电流为ii2

，

试问:

(1)iC2≈?

(2)iB2≈?

(3)Aui=Δuo/(ii1-ii2)=?图3－40[题3.8]图

[题3.9]如图3－41所示，已知UCC=12V，

UEE=6V;晶体管具有理想特性，发射结电压UBE=0