模拟基础技术电路 4

课题三集成运算放大器应用电路236任务1集成运算放大器线性应用电路的安装与调试任务2倒车报警电路的安装与调试237任务1集成运算放大器线性应用电路的安装与调试238

学习目标1．掌握典型差动放大电路的构成及原理。2．了解集成运算放大器的内部电路。3．了解集成运算放大器的主要参数，能简单选择集成运算放大器。4．掌握使用集成运算放大器的注意事项，能正确使用集成运算放大器。5．理解“虚短”与“虚断”的概念，掌握集成电路的分析、计算方法。6．能正确安装、调试由集成运算放大器组成的电路。239集成运算放大器是一个高增益的多级直耦放大器，由于早期主要用于模拟电子计算机中进行数学运算，故称为“运算放大器”。目前，运算放大器的应用已远远超出数学运算的范畴而遍及电子技术的各个领域，如信号放大、信号变换、测量与控制等方面。本任务将学习如何正确使用集成运算放大器，了解集成电路的分析、计算方法和集成运算放大器的线性应用，并完成集成运算放大器线性应用电路的安装、调试。240

任务引入一、典型差动放大电路1．典型差动放大电路的构成及原理差动放大电路又称为差分放大电路，简称“差放”。典型的差动放大电路如图所示。241

相关知识典型的差动放大电路上图中两个三极管的参数一致，并安装在同一个热槽中，以保证两个三极管温升一致。实际应用中，为了保证两个三极管的参数一致，人们还制造出孪生对管。两个集电极电阻RC1、RC2

阻值相等，两个基极电阻RB1、RB2

阻值相等，整个电路保持对称。RE

为发射极电阻，像放大电路的一个尾巴，所以该电路又称为长尾式差动放大电路。输入信号从两个三极管的基极输入，输出信号从两个三极管的集电极输出。242由于信号从两个三极管的集电极输出，所以

uo=uo1

－

uo2，当输入信号为0时，uo1、uo2

相等，输出电压

uo=uo1

－

uo2=0；当有零点漂移产生时，由于两个三极管的参数和工作条件相同，所以

uo1、uo2

同时下降或同时上升，uo1、uo2

变化幅度也相同，最终使输出信号

uo

保持不变，这就是差动放大电路抑制零点漂移的原理。由此可见，电路的对称性是差动放大电路能抑制零点漂移的主要原因。2432442．差模信号、共模信号及共模抑制比通常把大小相等、方向相反的信号，称为差模信号；而把大小相等、方向相同的信号，称为共模信号。差动放大电路的差模放大倍数和其中一个三极管组成的放大电路的放大倍数相同，所以，差动放大电路是以增加一个三极管为代价有效解决了零点漂移问题。245由于制造三极管和安装电路时存在一定的误差，所以电路不可能绝对对称，电路对共模信号将有一定的放大作用。人们把对共模信号的放大倍数定义为共模放大倍数，用

Ac

表示；对差模信号的放大倍数定义为差模放大倍数，用

Ad

表示。差模放大倍数和共模放大倍数的比值的绝对值，称为共模抑制比，用

KCMR

表示，即：共模抑制比是反映差动放大电路对共模信号抑制能力的重要指标。2463．差动放大电路的信号输入、输出形式差动放大电路有两个输入端，分别称为同相输入端和反相输入端；有两个输出端。每个输入端都可以单独输入信号，而每个输出端也可以单独输出信号，所以差动放大电路有双端输入

－

双端输出、双端输入

－

单端输出、单端输入

－

单端输出、单端输入

－

双端输出四种形式。分析差动放大电路可知，双端输出方式抑制零点漂移的效果最好。当电路采用单端输出方式时，由于电阻RE

对共模信号的反馈作用，电路依然有较好的抑制零点漂移的效果。二、集成运算放大器的结构、主要参数及使用方法1．集成运算放大器的结构集成运算放大器的型号虽然很多，但一般都是由差动输入级、中间放大级、输出级和偏置电路组成的。集成运算放大器的内部组成框图如图所示。247集成运算放大器的内部组成框图集成运算放大器内部一般采用直接耦合，而不采用阻容耦合结构，NPN型、PNP型三极管配合使用，并大量采用恒流源设置静态工作点或作为有源负载，以提高电路性能。如图所示为集成运算放大器内部原理图。248集成运算放大器内部原理图249（1）差动输入级由于集成运算放大器是直接耦合放大器，处理好第一级的零点漂移问题就可以提高整个电路的性能指标，所以集成运算放大器的第一级通常采用差动放大电路。（2）中间放大级中间放大级的主要任务是使电路获得较大的电压放大倍数，所以中间放大级是直接耦合的多级放大器。250（3）输出级输出级的作用是提供一定幅度的电流和电压输出，要求有较高的输入电阻和较低的输出电阻，以提高负载能力，常采用互补对称放大电路，也可采用射极输出器作为输出极。（4）偏置电路偏置电路为各部分电路提供合适的静态工作点。2．集成运算放大器的外形及符号（1）集成运算放大器的外形常用集成运算放大器的外形如图所示，有金属圆壳式封装、单列直插式封装、双列直插式封装和贴片式封装等形式。目前常用的是单列直插式封装形式、双列直插式封装形式和贴片式封装形式。251常用集成运算放大器的外形252（2）集成运算放大器的符号集成运算放大器的图形符号如图所示，文字符号为A或AJ。它有两个输入端，分别是同相输入端“+”和反相输入端“－”。当信号从同相输入端输入时，输出信号的极性和输入信号的极性相同；当信号从反相输入端输入时，输出信号的极性和输入信号的极性相反。集成运算放大器的图形符号253（3）典型集成运算放大器举例1）LM324芯片是目前应用最广泛的通用集成运算放大器之一，有TTL型和MOS型两大类，其包含四个运算放大单元。2）NE5532芯片是一种高性能、低噪声集成运算放大器，内部有两个运算放大单元。由于它具有低噪声的优点，故特别适合应用在高品质音响设备、仪器仪表以及电话通道放大器中。3．集成运算放大器的主要技术参数（1）开环差模电压放大倍数

Aud：集成运算放大器在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。（2）输入失调电压

UIO：当输入电压为零时，输出电压应该也为零，但实际电路的输出电压并不为零，将此输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。（3）输入失调电流

IIO：当输入电压为零时，差动输入级的差动对管的基极电流之差，用于表征差动输入级输入电流的不对称程度。（4）最大差模输入电压

UIDM：集成运算放大器两个输入端之间所能承受的最大差模输入电压。差模电压超过此电压时，输入三极管将出现击穿现象。254（5）最大共模输入电压

UICM：集成运算放大器两个输入端之间所能承受的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入三极管将出现饱和现象，放大器失去共模抑制能力。（6）开环差模输入电阻

rid：输入差模信号时，集成运算放大器的输入电阻。（7）共模抑制比

KCMR：差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值。（8）开环输出电阻

ro：在开环状态下，输出端电压变化量和输出电流变化量的比值，它反映集成运算放大器带负载能力的强弱。2554．集成运算放大器的使用方法（1）集成运算放大器的选用集成运算放大器的型号众多，性能各异，在进行电路设计时，应优先选用通用型集成运算放大器，以节约成本。对于有特殊要求的电路，要根据电路特点选用如高输入电阻、低温漂、高速度、低电压、低功耗、大功率等特殊类型的集成运算放大器。（2）零点调整当集成运算放大器输入电压为零时，输出电压应该也为零，如果此时有电压输出，则需将输入信号短路，调整调零电位器，使输出电压为零。256（3）输入限幅保护集成运算放大器输入信号的幅度不能太大，为了保护集成运算放大器，可在它的输入端安装两个反向并联的保护二极管，如图所示，这样就可以将输入信号的幅度限制在

±UV（UV

为二极管的正向压降）之间。257集成运算放大器的输入限幅保护电路（4）输出限幅保护输出限幅保护电路是为了防止输出端输出高电压、引起过流而设计的，如图所示。图中，VZ为双向稳压管，它相当于两个稳压管反向串联，使输出端电压限制在

±UZ

之间。258集成运算放大器的输出限幅保护电路（5）电源保护为了防止电源接反而损坏集成运算放大器，可在电源的输入端分别串联一个二极管，如图所示。当电源接反时，它们都处于截止状态，可以防止反向电压输入集成运算放大器而导致元件损坏。259集成运算放大器的电源保护电路三、集成运算放大器的工作特点1．集成运算放大器的理想化在分析各种具体的集成运算放大器应用电路时，为了使问题简化，通常把集成运算放大器看成是一个理想元件，其理想特性主要有以下几点：（1）开环差模电压放大倍数

Aud

→∞。（2）开环差模输入电阻

rid

→∞。（3）开环输出电阻

ro

→0。（4）共模抑制比

KCMR

→∞。（5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。2602．集成运算放大器的传输特性表示输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性曲线。如图所示为集成运算放大器的传输特性曲线，从图中可以看出其分为线性区和饱和区（非线性区）。集成运算放大器可工作在线性区，也可工作在非线性区。261集成运算放大器的传输特性曲线3．理想集成运算放大器工作于线性区的特点由于理想集成运算放大器的开环差模电压放大倍数趋于无穷大，因此电路中必须引入负反馈才能保证集成运算放大器工作于线性状态。这时输出电压与输入电压满足线性放大关系，即：uo=Aud（uP

－uN）式中，uo

为有限值，而理想集成运算放大器的

Aud

→∞，因而净输入电压

uP

－uN=0，即

uP=uN，这一特性称为“虚短”。如果有一输入端接地，则另一输入端也非常接近地电位，称为“虚地”。又因为理想集成运算放大器的开环差模输入电阻

rid

→∞，所以两个输入端的输入电流也均为零，即

iP=iN=0，这一特性称为“虚断”。2624．理想集成运算放大器工作于非线性区的特点只要输入无穷小的差值电压，输出电压就会达到正的最大值或负的最大值，其特点是：当

uP>uN

时，uo=+Uom当

uP<uN

时，uo=－

UomuP≠uN，可见，当理想集成运算放大器工作在非线性区时，电路不再有“虚短”特性。又由于理想集成运算放大器的开环差模输入电阻

rid

→∞，故净输入电流为零，即

iP=iN=0，可见，当理想集成运算放大器工作在非线性区时，仍具有“虚断”特性。263四、集成运算放大器的线性应用1．比例运算器反相比例运算器如图所示，输入信号从集成运算放大器的反相输入端输入。图中，Rf

为负反馈电阻，R2为补偿电阻，为保持集成运算放大器的对称性，R2=Rf//R1。反相比例运算器的输出信号和输入信号反相。

264反相比例运算器265根据基尔霍夫电流定律可得，对于节点

N

有

iR1=if+iN。再由“虚断”的概念可知，iN=0，所以

iR1=if，即

。因为

iN=0，电阻R2上无电流流过，所以

N

点为零电位，即

N

点为“虚地”，uN=0，代入

，整理可得

。因此电路的放大倍数

。当

Rf=R1

时，电路的放大倍数为

－1，输出信号和输入信号大小相等、相位相反，此时电路称为反相器。266同相比例运算器（2）同相比例运算器同相比例运算器如图所示，信号从电路的同相输入端输入，电路的放大倍数

。当

Rf=0时，电路的放大倍数

Auf=1，且输出信号和输入信号同相，此时电路称为电压跟随器。267加法运算电路2．加法运算电路加法运算电路如图所示，电路的输出为：当

R1=R2=R3=Rf

时，输出为

uo=－（ui1+ui2+ui3）。3．减法运算电路减法运算电路如图所示，输入信号分别从同相输入端和反相输入端输入，当电路中

R1=R2、R3=Rf

时，输出为

uo=（ui2

－

ui1）。当

R1=R2=R3=Rf

时，输出为

uo=ui2

-ui1。减法运算电路常作为测量放大器，用于放大各种微弱的差值信号。268减法运算电路2694．积分与微分运算电路（1）积分运算电路积分运算电路如下图所示。积分运算电路常用于实现延时、定时、波形变换等功能，它的输出为

。当积分运算电路的输入为方波信号时，如果电路的时间常数

R1C

远大于方波的脉冲宽度，则它的输出波形为三角波，如下图所示（图为实际波形的交流分量）。积分运算电路270积分运算电路输入为方波时的输出波形a）理论波形b）实测波形271微分运算电路（2）微分运算电路微分运算电路如图所示。在自动控制系统中，微分运算电路常用于产生控制脉冲信号，它的输出为

uo=。当输入信号为方波时，如果电路的时间常数

R1C远小于方波的脉冲宽度，则它的输出波形为尖脉冲，如下图所示。272微分运算电路输入为方波时的输出波形a）理论波形b）实测波形任务2倒车报警电路的安装与调试273

学习目标1．掌握电压比较器的电路组成及工作原理。2．能正确安装、调试倒车报警电路。274集成运算放大器除了工作于深度负反馈状态用于数学运算以外，还可以利用其开环增益为无穷大的特点（只要给反相输入端和同相输入端之间输入微小的电压差值，就会使集成运算放大器的输出电压偏向它的饱和值，输出电压在+Uom

和

－Uom

之间跳跃变化），实现电压比较、波形变换等功能。这时，集成运算放大器工作在传输特性曲线的非线性区。本任务将要制作的倒车报警电路，就是利用集成运算放大器组成电压比较器，实现对车后障碍物的报警。此外，路灯控制电路、温度控制电路等也可利用这一原理设计。275

任务引入一、基本电压比较器电压比较器简称比较器，其基本电路如图所示。276

相关知识基本电压比较器当输入电压

ui

小于基准电压

UR时，输出高电平+Uom；当输入电压

ui

大于基准电压

UR

时，输出低电平

－

Uom。基本电压比较器的传输特性曲线如图所示。277基本电压比较器的传输特性曲线当给基本电压比较器的输入端加入正弦波信号时，可以