《电工电子技术》-第五章

5.1概述5.1.1集成运算放大器概述集成电路是采用半导体集成工艺制成的具有特定电路功能的独立模块。集成运算放大器(以下简称为集成运放)是模拟集成电路的最重要品种，广泛应用于各种电子电路之中。集成运放是一种由直接耦合多级放大电路集成制造的高放大倍数(简称增益)放大器。性能理想的集成运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。因此，集成运放在电路设计上具有许多特点，主要有以下几点。下一页返回5.1概述(1)级间采用直接藕合方式。

(2)尽可能用有源器件代替无源器件。

(3)利用对称结构改善电路性能。集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，一般是由差动放大电路输入级、中间放大级、互补输出级和偏置电流源四部分组成，如图5-1所示。

1.差动放大器输入级差动放大器输入级要使用高性能的差动放大电路，它必须要求有较高的输入电阻，而且对共模信号有很强的抑制能力，以克服零点漂移，所以采用双端输入的形式。上一页下一页返回5.1概述2.中间级中间级要提供高的电压增益，故称为中间放大级。为减小对前级的影响，还要求有较高的输入电阻，以保证运算放大器的运算精度。中间级的电路形式多为带有源负载的高增益放大器。

3.互补输出级输出级由PNP和NPN两种极性的晶体管或复合管组成，故称为互补输出级。其主要作用是获得正负两个极性的输出电压或电流，提供足够的功率，满足负载的需要。互补输出级要具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，起到将放大器与负载隔离的作用。除此以外，还应该具有过电流、过载输出等保护措施，以防止输出端因意外短路或负载电流过大而被损坏。上一页下一页返回5.1概述4.偏置电流源偏置电流源电力的作用是给上述各电路提供合适的偏置电流，偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定静态工作点。5.1.2集成运算放大器的主要参数集成运放的性能指标比较多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数的设置均比较适中的是通用型运算放大器，对某些技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。上一页下一页返回5.1概述1.运算放大器的静态技术指标

(1)输入失调电压UOS

当输入电压为零时，为了使输出电压也为零，两输入端之间所加的补偿电压称输入失调电压UOS

。它反映了差放输入级不对称的程度。UOS值越小，说明运放的性能越好。通用型运放的UOS为毫伏数量级，好的可小于1mV，差的可达10mV左右。

(2)输入失调电流IOS

在零输入时，差动输入级的差动对管基极电流之差，用于表征差动级输入电流不对称的程度。上一页下一页返回5.1概述(3)输入偏置电流IB

运算放大器两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差动放大对管输入电流的大小。

(4)输入失调电压温漂dUOS/dT

在规定工作范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

(5)输入失调电流温漂dIOS/dT

在规定工作范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

(6)最大差模输入电压Uidmax

运算放大器两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差动管将出现反向击穿现象。上一页下一页返回5.1概述(7)最大共模输入电压Uiemax

在保证运算放大器正常的工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差动对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

2.运算放大器的动态技术指标

(1)开环差模电压放大倍数Aod

开环差模电压放大倍数指运放未外接反馈电路时的空载电压放大倍数。Aod是决定运放精度的重要因素，其值越大越好。通用型运放的Aod一般在103~107之间。(2)差模输入电阻rid

差模信号输入时，运放开环(无反馈)输入电阻一般在几十千欧到几十兆欧之间。理想运放。上一页下一页返回5.1概述

(3)差模输出电阻rO

差模输出电阻是运放输入端短路、负载开路时，运放输出端的等效电阻，一般为20~200Ω左右。

(4)共模抑制比KCMR

与差动放大电路中的定义相同，它是差模电压增益Aud与共模电压增益Aue之比，常用分贝数(dB)来表示KCMR=20lg(Aud/Auc)(5)-3dB带宽fH运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降3dB所定义的带宽fH。上一页下一页返回5.1概述(6)单位增益带宽fC(BW·G)fC指Aud下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fC。(7)转换速率SR(压摆率)它反映运放对于快速变换的输入信号的响应能力，即SR=|duO/dt|max

(8)等效输入噪声电压Un

输入短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。上一页下一页返回5.1概述5.1.3运算放大器的特性和分类

1.集成运放的电压传输特性集成放大器的符号按照国家标准如图5-2所示。运放的符号中有三个引线端，即两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号“+”或“IN+”表示;另一个称为反相输入端，即该端输入信号的极性与输出端相异，用符号“一”或“IN”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有“+”号。实际的集成运放通常必须有正、负电源端，有的种类还有补偿端和调零端。集成运放各引脚的功能和主要参数要查相关的手册。上一页下一页返回5.1概述输入电压与输出电压之间的关系特性称为电压传输特性。从运放的电压传输特性看，可以分为线性区和非线性区，如图5-2(c)所示。线性区是指输出电压和输入电压之间呈线性关系的区域，即uO=Aud(u+-u-)其中:Aud为集成运放的开环差模电压放大倍数。非线性区是指不满足线性区关系的区域，即输出电压uO不随输入电压的变化而变化，一般为接近电源的常数。上一页下一页返回5.1概述2.集成运放的分类为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除发展了性能指标比较适中的通用型运放外，还发展了适用不同需要的专用型集成运放，它们在某些技术指标上比较突出。根据运放的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。

(1)通用型通用型运放的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用I型运放已经很少使用了。以典型的CF741(uA741)通用型运放为例，输入失调电压为1~2mV、输入失调电流为20nA、差模输入电阻为2MΩ.、开环增益为100dB、共模抑制比为50dB、输出电阻为75Ω、共模输出电压为士13V、转换率0.5V/us。上一页下一页返回5.1概述5.1.4理想运算放大器1.理想运算放大器的条件满足下列参数指标的运算放大器可视为理想运算放大器。(1)开环差模放大倍数Aod=，实际上Aod>=80dB即可。(2)差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路大2~3个数量级即可。(3)输出电阻RO=0，实际上RO比输入端电路的电阻小2~3个数量级即可。(4)带宽足够宽。上一页下一页返回5.1概述(5)共模抑制比足够大。

实际上，在做一般原理性分析时，运算放大器产品都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。

2.理想运算放大器的特性理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运算放大电路十分有用。为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作。上一页下一页返回5.1概述(1)虚短由于运算放大器的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10~14V。因此，运算放大器的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚短路，简称虚短，显然不能将两输入端真正短路。上一页下一页返回5.1概述(2)虚断由于运算放大器的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此，流人运放输入端的电流往往不足1μA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚开路，简称虚断，显然不能将两输入端真正断路。下面举两个例子以说明虚短和虚断的运用。上一页返回5.2集成运算放大器的线性应用

集成运放的应用有线性应用和非线性应用两种，只要改变运放的开闭环状态、反馈极性和输入方式，就可以获得不同的应用电路。当集成运放在负反馈状态时，集成运放工作在线性区。分析运放的线性应用时，集成运放存在着虚短和虚断的特点。集成运放的线性应用主要有比例、求和、积分、微分、指数、对数、乘法、除法以及有源滤波等，本章主要介绍前四种。5.2.1求和运算电路

1.反相输入求和电路在反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，如图5-3所示。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf，所以输出是两输入信号的比例和，即下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用当R1=R2=Rf时，输出等于两输入反相之和，即

uO=-(ui1+ui2)

2.同相输入求和电路在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图5-4所示。因运放具有虚断的特性，故对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用而u-=u+由此可得出即上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用其中:RP=R1//R2//R',Rn=Rf//RO当RP=Rn、R1=R2=Rf时，有 uO=ui1+ui2

3.双端输入求和电路双端输入也称为差动输入，双端输入求和运算电路如图5-5所示。其输出电压表达式的推导方法和同相输入运算电路相似。当ui1=ui2=0时，用叠加原理分别求出ui3=0和ui4=0时的输出电压uop。当ui3=ui4=0时，分别求出ui1=0和ui2=0时的输出电压uon。先求uop上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用式中RP=R3//R4//R,Rn=R1//R2//Rf再求uon当R1=R2=R3=R4=R、Rf=R'时，Rn=Rn，于是上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用5.2.2积分和微分运算电路1.积分运算电路积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图5-6所示。根据虚地有i=ui/R，而电容有，于是当输入信号时阶跃直流电压ui时，即

上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用如图5-7所示，给出了阶跃输入和方波输入下积分的输出波形。这里要注意当输入信号在某一时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一时间段的最终数值。因为地的原因，积分电阻R两端无电位差，因此C不能放电，故输出电压保持不变。2.微分运算电路微分运算电路如图5-8所示。显然iR=uR/R,iC=Cdui/dt上一页下一页返回5.2集成运算放大器的线性应用当输入电压是阶跃信号或有脉冲式幅值干扰信号时，由上式看出，输出值过大，会使集成运放内部的放大管处于饱和或截止状态，当信号消失时放大管还不能回到放大区，出现阻塞现象，电路不能正常工作。同时，由于反馈网络为滞后环节，易产生自激振荡，使电路不稳定。解决上述问题的方案是在输入端串联一个小电阻，以限制输入电流;在反馈电阻上并联稳压二极管以限制输出电压，并联电容提高电路的稳定性。在自动控制系统中的PID调解器，就是同时包含比例、积分和微分运算的电路，其原理可参见相关书籍。集成运放的线性应用还有对数和指数运算电路、乘法和除法运算电路等，限于篇幅，不再介绍。上一页返回5.3正弦波振荡器

正弦波振荡器能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡器也称为正弦波振荡电路或正弦波发生电路。5.3.1产生正弦波的条件

1.正弦波发生电路的组成为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，因为很难控制正反馈的量。如果正反馈量过大，则输出幅度越来越大，最后由于晶体管的非线性限幅，必然产生非线性失真。下一页返回5.3正弦波振荡器反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R,C和L,C等电抗元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成有四个环节，即放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。

2.产生正弦波的条件产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分相似。只不过在负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相位移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相位移。比较图5-9(a),(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。上一页下一页返回5.3正弦波振荡器由于振荡电流的输入信号Xi=0，所以Xi'=Xf。由于正、负号的改变，有反馈的放大倍数为Af=A/(1-AF)振荡条件是AF=1幅度平衡条件是|AF|=1相位平衡条件是3.起振条件和稳幅原理振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求|AF|>1上一页下一页返回5.3正弦波振荡器这称为起振条件。既然|AF|>1，起振后就要产生增幅振荡，需要靠晶体管放大信号作用时的非线性特性取限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这需要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这将在下面具体的振荡电路中加以介绍。

5.3.2RC正弦振荡电路

1.RC网络的频率响应

RC串并联网络的电路如图5-10所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下上一页下一页返回5.3正弦波振荡器上一页下一页返回5.3正弦波振荡器谐振频率为当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为幅频特性相频特性上一页下一页返回5.3正弦波振荡器当f=f0时的反馈系数|F|=1/3，且与频率f0的大小无关，此时的相角，即调节谐振率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。

2.RC文氏桥振荡电路

(1)RC文氏桥振荡电路的构成

RC文氏桥振荡器的电路如图5-11所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R;负反馈网络。

C1、R1和C2,R2正反馈支路与R3,R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏电桥。当C1=C2,R1=R2时

|F|=Uf/UO=1/3上一页下一页返回5.3正弦波振荡器为满足振荡的幅度条件|F|=1，所以Af>=3。缴人R3、R4支路，构成串联电压负反馈

Af=1+R3/R4>=3

(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程

RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的组织增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。上一页下一页返回5.3正弦波振荡器5.3.3LC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成的，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。

1.LC并联谐振电路的频率响应

LC并联谐振电路如图5-12(a)所示。显然，输出电压是频率的函数。输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小;反之，频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图5-12(b)所示。上一页下一页返回5.3正弦波振荡器谐振时谐振频率

考虑电感支路的损耗，用R表示。谐振时，电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数对于如图5-12(b)所示的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1>Q2。并联谐振电路的谐振阻抗上一页下一页返回5.3正弦波振荡器谐振时，LC并联谐振电路相当于一个电阻。

2.变压器反馈式LC振荡电路变压器反馈式LCZHE振荡电路如图5-13所示。LC并联谐振电路作为晶体管的负载，反馈线圈L2与电感线圈L1相藕合，将反馈信号送入晶体管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可改变反馈的极性。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。有关同名端的极性如图5-14所示。变压器带宽式LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为

上一页下一页返回5.3正弦波振荡器3.电感三点式LC振荡电路如图5-15所示为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，②端是中间抽头，如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图5-15所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中晶体管是共基极接法，所以使发射极的净输入电压减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。4.电容三点式LC振荡电路与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路，如图5-16所示。上一页下一页返回5.3正弦波振荡器5.石英晶体LC振荡电路利用石英晶体高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图5-17所示。石英晶体的阻抗频率特性曲线与如图5-17(a)所示的电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近于零。对于如图5-17(b)所示的电路，要满足正反馈的条件，为此石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达几千以上，由如图5-18所示可知，石英晶体振荡电路可以获得很高的振荡频率稳定性。上一页返回5.4集成运算放大器的非线性应用

当集成运放处在开环或正反馈状态，集成运放就工作在非线性区。分析运放的非线性应用时，虚短和虚断不再适用。集成运放的非线性应用有比较器、非正弦波发生器等。本节只介绍比较器及其应用。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压信号进行比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阀值是固定的，有的只有一个阀值，有的具有两个阀值。5.4.1固定电压比较器

1.过零电压比较器和固定电压比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图5-19所示。下一页返回5.4集成运算放大器的非线性应用使比较器状态发生反转的输入电压值称为比较器的阀值，计作UT。将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压UREF上，就得到固定电压比较器，电路如图5-20所示，调节UREF可方便地改变阀值。

2.比较器的基本特点比较器工作在开环或正反馈状态。开关特性是因为开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性是因为大幅度工作，使输入不成线性关系。上一页下一页返回5.4集成运算放大器的非线性应用5.4.2滞回比较器从输出引出一个电阻分压支路到同相输入端就构成滞回比较器，其电路如图5-21(a)所示。当输入电压ui从零逐渐增大，且ui<=UT时，uO=U+om,UT称为下限阀值(触发)电平。当输入电压ui>=UT时，uO=U-om

。此时触发电平变为U'T，U'T称为下限阀值(触发)电平。

当ui逐渐减小，而且ui=U'T以前，uO始终等于U-om，因此出现了如图5-21(b)所示的滞回特