1、103第 5 章 集成运算放大器及其应用在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产，因此其发展速度极为惊人。目前集成电路的应用几乎遍及所有产业的各种产品中。在军事设备、工业设备、通信设备、计算机和家用电器等中都采用了集成电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模/数和数/ 模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路
2、等。在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种，也是其他各类模拟集成电路应用的基础，因此这里首先给予介绍。5.1 集成电路与运算放大器简介5.1.1 集成运算放大器概述集成运放是模拟集成电路中应用最为广泛的一种，它实际上是一种高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。之所以被称为运算放大器，是因为该器件最初主要用于模拟计算机中实现数值运算的缘故。实际上，目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍沿用了运算放大器（简称运放）的名称。集成运放的发展十分迅速。通用型产品经历了四代更替，各项技术指标不断改进。同时，发展了适应特殊需要的各种专用型集成运放。第
3、一代集成运放以 A709（我国的 FC3）为代表，特点是采用了微电流的恒流源、共模负反馈等电路，它的性能指标比一般的分立元件要提高。主要缺点是内部缺乏过电流保护，输出短路容易损坏。第二代集成运放以二十世纪六十年代的 A741 型高增益运放为代表，它的特点是普遍采用了有源负载，因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。电路中还有过流保护措施。但是输入失调参数和共模抑制比指标不理想。 第三代集成运放代以二十世纪七十年代的 AD508 为代表，其特点使输入级采用了 “超 管” ，且工作电流很低。从而使输入失调电流和温漂等项参数值大大下降。第四代集成运放以二十世纪八十年代的 HA2900 为代表
4、，它的特点 是制造工艺达到大规模集成电路的水平。将场效应管和双极型管兼容在同一块硅片上，输入级采用 MOS 场效应管，输入电阻达 100M 以上，而且采取调制和解调措施，成为自稳零运算放大器，使失调电压和温漂进一步降低，一般无须调零即可使用。目前，集成运放和其他模拟集成电路正向高速、高压、低功耗、低零漂、低噪声、大功率、大规模集成、专业化等方向发展。除了通用型集成运放外，有些特殊需要的场合要求使用某一特定指标相对比较突出的运104放，即专用型运放。常见的专用型运放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高压型、大功率型、高精度型、跨导型、低噪声型等。5.1.2 模拟集成电路的特点由于受制造工艺的
5、限制，模拟集成电路与分立元件电路相比具有如下特点：1.采用有源器件由于制造工艺的原因，在集成电路中制造有源器件比制造大电阻容易实现。因此大电阻多用有源器件构成的恒流源电路代替，以获得稳定的偏置电流。BJT 比二极管更易制作，一般用集- 基短路的 BJT 代替二极管。2.采用直接耦合作为级间耦合方式由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过 100pF，至于电感，只能限于极小的数值（1H 以下） 。因此，在集成电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管复合或组合电路集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是 BJT 或 FET 最容易制作，而复合和组合结构的电路性能
6、较好，因此，在集成电路中多采用复合管（一般为两管复合）和组合（共射-共基、共集-共基组合等）电路。5.1.3 集成运放的基本组成输 入 级( 差动放大 ）中 间 级( 电压放大 ）输 出 级( 互补输出 ）偏 置 电 路uNuouP图 5-1 集成运放的组成框图集成运放的类型很多，电路也不尽相同，但结构具有共同之处，其一般的内部组成原理框图如图 5-1 所示，它主要由输入级、中间级和输出级和偏置电路四个主要环节组成。输入级主要由差动放大电路构成，以减小运放的零漂和其他方面的性能，它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。中间级的主要作用是获得高的电压增益，一般由一级或多级放大器构
7、成。输出级一般由电压跟随器（电压缓冲放大器）或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高运放的带负载能力和输出功率。偏置电路则是为各级提供合适的工作点及能源的。此外，为获得电路性能的优化，集成运放内部还增加了一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路和频率补偿电路等。uNuouPAuNuPuo( b ) ( a ) A图 5-2 集成运放的电路符号a）国际符号 b）惯用符号集成运放的电路符号如图 5-2 所示（省略了电源端、调零端等） 。集 成 运 放 有 两 个 输 入105端 分 别 称 为 同 相 输 入 端 uP 和 反 相 输 入 端 uN； 一 个 输 出 端 uo。 其中的“” 、
8、 “+”分别表示反相输入端 uN 和同相输入端 uP。在实际应用时，需要了解集成运放外部各引出端的功能及相应的接法，但一般不需要画出其内部电路。5.1.4 集成运放的主要参数集成运放的参数是否正确、合理选择是使用运放的基本依据，因此了解其各性能参数及其意义是十分必要的。集成运放的主要参数有以下几种。1.开环差模电压增益 Aod是指运放在开环、线性放大区并在规定的测试负载和输出电压幅度的条件下的直流差模电压增益（绝对值） 。一般运放的 Aod 为 60120dB，性能较好的运放 Aod140dB 。值得注意的是，一般希望 Aod 越大越好，实际的 Aod 与工作频率有关，当频率大于一定值后，A
9、od 随频率升高而迅速下降。2.温度漂移放大器的零点漂移的主要来源是温度漂移，而温度漂移对输出的影响可以折合为等效输入失调电压 UIO 和输入失调电流 IIO，因此可以用以下指标来表示放大器的温度稳定性即温漂指标。在规定的温度范围内，输入失调电压的变化量U IO 与引起 UIO 变化的温度变化量T 之比，称为输入失调电压/温度系数 UIO/T。U IO/T 越小越好，一般为(1020) V/。3.最大差模输入电压 Uid,max这是指集成运放的两个输入端之间所允许的最大输入电压值。若输入电压超过该值，则可能使运放输入级 BJT 的其中一个发射结产生反向击穿。显然这是不允许的。U id,max
10、大一些好，一般为几到几十伏。4.最大共模输入电压 Uic,max这是指运放输入端所允许的最大共模输入电压。若共模输入电压超过该值，则可能造成运放工作不正常，其共模抑制比 KCMR 将明显下降。显然，U ic,max大一些好，高质量运放最大共模输入电压可达十几伏。5.单位增益带宽 fTfT 是指使运放开环差模电压增益 Aod 下降到 0dB（即 Aod =1）时的信号频率，它与三极管的特征频率 fT 相类似，是集成运放的重要参数。6.开环带宽 fHfH 是指使运放开环差模电压增益 Aod 下降为直流增益的 倍（相当于3dB）时的信21号频率。由于运放的增益很高，因此 fH 一般较低，约几赫兹至几
11、百赫兹左右（宽带高速运放除外） 。7.转换速率 SR这是指运放在闭环状态下，输入为大信号（如矩形波信号等）时，其输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(tuS转换速率 SR 反映运放对高速变化的输入信号的响应情况，主要与补偿电容、运放内部各管的极间电容、杂散电容等因素有关。S R 大一些好，S R 越大，则说明运放的高频性能越好。一般运放 SR 小于 1V/s，高速运放可达 65 V/s 以上。106需要指出的是，转换速率 SR 是由运放瞬态响应情况得到的参数，而单位增益带宽 fT 和开环带宽 fH 是由运放频率响应（即稳态响应）情况得到的参数，它们均反映了运放的高频性能，从这一点来
12、看，它们的本质是一致的。但它们分别是在大信号和小信号的条件下得到的，从结果看，它们之间有较大的差别。8.最大输出电压 Uo,max最大输出电压 Uo,max 是指在一定的电源电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。除上述指标外，集成运放的参数还有共模抑制比 KCMR、差模输入电阻 Rid、共模输入电阻 Ric、输出电阻 Ro、电源参数、静态功耗 PC 等，其含义可查阅相关手册，这里不再赘述。5.2 差动放大电路5.2.1 零点漂移集成运放电路各级之间由于均采用直接耦合方式，直接耦合放大电路具有良好的低频频率特性，可以放大缓慢变化甚至接近于零频（直流）的信号（如温度、湿度等缓慢变化的传感信
13、号） ，但却有一个致命的缺点，即当温度变化或电路参数等因素稍有变化时，电路工作点将随之变化，输出端电压偏离静态值（相当于交流信号零点）而上下漂动，这种现象称为“零点漂移” ”，简称“零漂 ”。由于存在零漂，即使输入信号为零，也会在输出端产生电压变化从而造成电路误动作，显然这是不允许的。当然，如果漂移电压与输入电压相比很小，则影响不大，但如果输入端等效漂移电压与输入电压相比很接近或很大，即漂移严重时，则有用信号就会被漂移信号严重干扰，结果使电路无法正常工作。容易理解，多级放大器中第一级放大器零漂的影响最为严重。如放大器第一级的静态工作点由于温度的变化，使电压稍有偏移时，第一级的输出电压就将发生微
14、小的变化，这种缓慢微小的变化经过多级放大器逐步放大后，输出端就会产生较大的漂移电压。显然，直流放大器的级数越多，放大倍数越高，输出的漂移现象越严重。因此，直接耦合放大电路必须采取措施来抑制零漂。抑制零点漂移的措施通常采用以下几种：第一是采用质量好的硅管。硅管受温度的影响比锗管小得多，所以目前要求较高的直流放大器的前置放大级几乎都采用硅管。第二是采用热敏元件进行补偿。就是利用温度对非线性元件（晶体管二极管、热敏电阻等）的影响，来抵消温度对放大电路中三极管参数的影响所产生的漂移。第三是采用差动式放大电路。这是一种广泛应用的电路，它是利用特性相同的晶体管进行温度补偿来抑制零点漂移的，将在下面介绍。5
15、.2.2 简单差动放大电路差动放大电路又称为差分放大器。这种电路能有效的减少三极管的参数随温度变化所引起的漂移，较好地解决在直流放大器中放大倍数和零点漂移的矛盾，因而在分立元件和集成电路中获得十分广泛的应用。1.电路组成和工作原理简单差动放大电路如图 5-3 所示，它由两个完全对称的单管放大电路构成，有两个输入端和两个输出端。其中三极管 VT1, VT2 的参数和特性完全相同（如 1 =2 = 等） ，RB1=RB2=RB，R C1=RC2=RC。显然，两个单管放大电路的静态工作点和电压增益等均相同。当107然，实际电路总存在一定的差异，不可能完全对称，但在集成电路中，这种差异很小。图 5-3
16、 简单差动放大电路由于两管电路完全对称，因此，静态（u i =0）时，直流工作点 UC1=UC2 ，此时电路的输出 uo= UC1UC2 = 0（这种情况称为零输入时零输出） 。当温度变化引起管子参数变化时，每一单管放大器的工作点必然随之改变（存在零漂） ，但由于电路的对称性，U C1 和 UC2 同时增大或减小，并保持 UC1 =UC2，即始终有输出电压 uo =0，或者说零漂被抑制了。这就是差动放大电路抑制零漂的原理。设每个单管放大电路的放大倍数为 Au1，在电路完全对称的情况下，有（5.1）o2ciibeRr显然 uo1=Au1ui1，u o2=Au1ui2 ，而差动放大电路的输出取自两
17、个对称单管放大电路的两个输出端之间（称为平衡输出或双端输出） ，其输出电压 uo = uo1uo2= Au1(ui1ui2) （5.2）由式（5.2）可知，差动放大电路输出电压与两单管放大电路的输入电压之差成正比， “差动”的概念由此而来。实际的输入信号（即有用信号）电压通常加到两个输入端之间（称为平衡输入或双端输入） ，由于电路对称，因此两管的发射结电流大小相等、方向相反，此时若一管的输出电压升高，另一管则降低，且有 uo1= uo2 ，所以 uo=uo1uo2=2uo1，因此输出电压不但不会为 0，反而比单管输出大一倍。这就是差动放大电路可以有效放大有用输入信号的原理。设有用信号输入时，两
18、管各自的输入电压（参考方向均为 b 极指向 e 极）分别用 uid1 和uid2 表示，则有，u id1 = ui /2， uid2= ui /2，u id1= uid2。显然，u id1 与 uid2 大小相等、极性相反，通常称它们为一对差模输入信号或差模信号。而电路的差动输入信号则为两管差模输入信号之差，即 uid =uid1uid2=2uid1= ui 。在只有差模输入电压 uid 作用时，差动放大电路的输出电压就是差动输出电压 uod 。通常把输入差模信号时的放大器增益称为差模增益，用 Aud 表示，即（5.3）ido显然，差模增益就是通常的放大器的电压增益，对于简单差动放大电路，有（
19、5.4）bec1drRuu差模增益 Aud 表示电路放大有用信号的能力。一般情况下要求|A ud| 尽可能大。以上讨论的是差动放大电路如何放大有用信号的。下面介绍它是如何抑制零漂信号（即108共模信号）的原理， 设在一定的温度变化值 T 的情况下，两个单管放大器的输出漂移电压分别为 uoc1 和 uoc2 ，u oc1 和 uoc2 折合到各自输入端的等效输入漂移电压分别为 uic1 和 uic2 ，显然有uoc1 = uoc2 ，u ic1 = uic2将 uic1 与 uic2 分别加到差动放大电路的两个输入端，它们大小相等，极性相同，通常称它们为一对共模输入信号或共模信号。共模信号可以表
20、示为 uic1 = uic2 = uic。显然，共模信号并不是实际的有用信号，而是温度等因素变化所产生的漂移或干扰信号，因此需要进行抑制。当只有共模输入电压 uic 作用时，差动放大电路的输出电压就是共模输出电压 uoc ，通常把输入共模信号时的放大器增益称为共模增益，用 Auc 表示，则（5.5）iocu在电路完全对称情况下，差动放大电路双端输出时的 uoc=0，则 Auc =0共模增益 Auc 表示电路抑制共模信号的能力。|A uc|越小，电路抑制共模信号的能力也越强。当然，实际差动放大电路的两个单管放大器不可能做到完全对称，因此 Auc 不可能完全等于0。需要指出的是，差动放大电路实际工
21、作时，总是既存在差模信号，也存在共模信号，因此，实际的 ui1 和 ui2 可表示为 ui1=uic+uid1ui2=uic+uid2=uicuid1由上述二式容易得到：uic=(ui1+ui2)/2 （5.6）uid1= uid2 =(ui1ui2)/2电路的差模输入电压uid=2uid1= ui1ui2 = ui （5.7）2.共模抑制比在差模信号和共模信号同时存在的情况下，若电路基本对称，则对输出起主要作用的是差模信号，而共模信号对输出的作用要尽可能被抑制。为定量反映放大器放大有用的差模信号和抑制有害的共模信号的能力，通常引入参数共模抑制比，用 KCMR 表示。它定义为（5.8a）cdC
22、MRuAK共模抑制比用分贝表示则为（5.8b）（ Blg20cdCRu显然，K CMR 越大，输出信号中的共模成分相对越少，电路对共模信号的抑制能力就越强。5.2.3 射极耦合差动放大电路前面所讨论的简单差动放大电路在实际应用中存在以下不足。 即使电路完全对称，每一单管放大电路仍存在较大的零漂，在单端输出（非对称输出，即输出取自任一单管放大电路的输出）的情况下，该电路和普通放大电路一样，没有任109何抑制零漂的能力。电路不完全对称时，抑制零漂的作用明显变差。 每一单管放大电路存在的零漂（即工作点的漂移）可能使它们均工作于饱和区，从而使整个放大器无法正常工作。采用射极耦合差动放大电路可以较好地克
23、服简单差动放大电路的不足，一种实用的射极耦合差动放大电路如图 5-4a 所示，电路中接入V EE 的目的是为了保证输入端在未接信号时基本为零输入（I B, RB 均很小） ，同时又给 BJT 发射结提供了正偏。其中，RC1=RC2=RC，R B1=RB2=RB。由图 5-4a 可以看出，射极耦合差动放大电路与简单差动放大电路的关键不同之处在于两管的发射极串联了一个公共电阻 RE（因此也称为电阻长尾式差动放大电路） ，而正是 RE 的接入使得电路的性能发生了明显变化。当输入信号为差模信号时，则 ui1= ui2 =uid2，因此两管的发射极电流 iE1 和 iE2 将一个增大、另一个同量减小，即
24、流过 RE 的电流 iE =iE1+iE2 保持不变， RE 两端的电压也保持不变（相当于交流 iE =0, uE =0） ，也就是说， RE 对差模信号可视为短路，由此可得该电路的差模交流通路如图 5-4b 所示。显然， RE 的接入对差模信号的放大没有任何影响。当输入（等效输入）信号为共模信号时，则 uic1= uic2 =uic，因此两管的发射极电流 iE1 和iE2 将同时同量增大或减小，相当于交流 iE1= iE2，即 iE =iE1+iE2=2iE1，u E= iERE=2iE1RE。容易看出，此时 RE 对每一单管放大电路所呈现的等效电阻为 2RE，由此可得该电路的共模交流通路如
25、图 5-4c 所示。显然，R E 的接入对共模信号产生了明显影响，这个影响就是每一单管放大电路相当于引入了反馈电阻为 2RE 的电流串联负反馈。当 RE 较大时，单端输出的共模增益也很低，有效地抑制了零漂，并稳定了静态工作点。由图 5-4c 可以看出，R E 越大，共模负反馈越深，可以有效地提高差动放大电路的共模抑制比。但由于集成电路制造工艺的限制，R E 不可能很大；另外，R E 太大，则要求负电源电压也很高（以产生一定的直流偏置电流） ，这一点对电路的实现是不利的。针对上述问题，可以考虑将 RE 用直流恒流源来代替。110图 5-4 射极耦合差动放大电路a）基本电路 b) 差模交流通路 d
26、)共模交流通路5.3 集成运放的应用集成运放应用十分广泛，电路的接法不同，集成运放电路所处的工作状态也不同，电路也就呈现出不同的特点。因此可以把集成运放的应用分为两类：线性应用和非线性应用。5.3.1 集成运放的线性应用在集成运放的线性应用电路中，集成运放与外部电阻、电容和半导体器件等一起构成深度负反馈电路或兼有正反馈而以负反馈为主。此时，集成运放本身处于线性工作状态，即其输出量和净输入量成线性关系，但整个应用电路的输出和输入也可能是非线性关系。需要说明的是，在实际的电路设计或分析过程中常常把集成运放理想化。理想运放具有以下理想参数。 开环电压增益 Aod 。 差模输入电阻 rid。 输出电阻
27、 rod=0。 共模抑制比 KCMR，即没有温度漂移。 开环带宽 fH。 转换速率 SR。 输入端的偏置电流 IBN=IBP=0。 干扰和噪声均不存在。111在一定的工作参数和运算精度要求范围内，采用理想运放进行设计或分析的结果与实际情况相差很小，误差可以忽略，但却大大简化了设计或分析过程。集成运放实际是一种高增益的电压放大器，其电压增益可达 104106 以上。另外其输入阻抗很高，BJT 型运放达几百千欧以上， MOS 型运放则更高；而输出电阻较小，一般在几十欧左右，并具有一定的输出电流驱动能力，最大可达几十到几百毫安。由于集成运放的开环增益很高，且通频带很低（几到几百 Hz，宽带高速运放除
28、外） ，因此当集成运放工作在线性放大状态时，均引入外部负反馈，而且通常为深度负反馈。由前面关于深度负反馈放大器计算的讨论可知，运放两个输入端之间的实际输入（净输入）电压可以近似看成为 0，相当于短路，即 uP=uN （5.9）但由于两输入端之间不是真正的短路，故称为“虚短” 。另外，由于集成运放的输入电阻很高，而净输入电压又近似为 0，因此，流经运放两输入端的电流可以近似看成为 0， 即 iIN=iIP=0 （5.10）（以后 iIN 和 iIP 都用 iI 表示，i I=0） ，相当于开路。但由于两输入端间不是真正的开路，故称为“虚断” 。利用“虚短”和“虚断”的概念，可以十分方便地对集成运
29、放的线性应用电路进行快速简捷地分析。集成运放的线性应用主要有模拟信号的产生、运算、放大、滤波等。下面首先从基本运算电路开始讨论。1.比例运算电路比例运算电路是运算电路中最简单的电路，其输出电压与输入电压成比例关系。比例运算电路有反相输入和同相输入两种。（1）反相输入比例运算电路图 5-5 所示为反相输入比例运算电路，该电路输入信号加在反相输入端上，输出电压与输入电压的相位相反，故得名。在实际电路中，为减小温漂提高运算精度，同相端必须加接平衡电阻 RP 接地，R P 的作用是保持运放输入级差分放大电路具有良好的对称性，减小温漂提高运算精度， 。其阻值应为 RP=R1Rf 。后面电路同理。由于运放
30、工作在线性区，净输入电压和净输入电流都为零。图 5-5 反相输入比例运算电路由“虚短”的概念可知，在 P 端接地时，u P=uN =0，称 N 端为“虚地” 。由“虚断”的概念可知 ii=if 有 112fo1Rui该电路的电压增益 ifAu即 i1fouR（5.11）输出电压 uo 与输入电压 ui 之间成比例（负值）关系。该电路引入了电压并联深度负反馈，电路输入阻抗（为 R1）较小，但由于出现虚地，放大电路不存在共模信号，对运放的共模抑制比要求也不高，因此该电路应用场合较多。值得注意的是，虽然电压增益只和 Rf 和 R1 的比值有关，但是电路中电阻 R1、R P、R f 的取值应有一定的范
31、围。若 R1、R P、R f 的取值太小，由于一般运算放大器的输出电流一般为几十毫安，若 R1、R P、R f 的取值为几欧姆的话，输出电压最大只有几百毫伏。若R1、R P、R f 的取值太大，虽然能满足输出电压的要求，但同时又会带来饱和失真和电阻热噪声的问题。通常取 R1 的值为几百欧姆至几千欧姆。取 Rf 的值为几千至几百千欧姆。后面电路同理。（2）同相输入比例运算电路图 5-6 同相输入比例运算电路图 5-6 所示为同相输入比例运算电路，由于输入信号加在同相输入端，输出电压和输入电压的相位相同，因此将它称为同相放大器。由“虚断”的概念可知 iP=iN=0， 由“虚短”的概念可知 ui=u
32、p=uN其电压增益 1ffoif RuAu即 i1fouRu（5.12）同相输入电路为电压串联负反馈电路，其输入阻抗极高，但由于两个输入端均不能接地，放大电路中存在共模信号，不允许输入信号中包含有较大的共模电压，且对运放的共模抑制比要求较高，否则很难保证运算精度。图 5-6 所示为同相输入比例运算电路中，若 R1 不接，或 Rf 短路，组成如图 5-7 所示电路。此电路是同相比例运算的特殊情况,此时的同相比例运算电路称为电压跟随器。电路的输出完全跟随输入变化。u i=uP=uN=uo, Au=1，具有输入阻抗大，输出阻抗小。在电路中作用113与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。常用
33、于多级放大器的输入级和输出级。图 5-7 电压跟随器2.加法电路电路测试 35：加法电路的测试 （见 9.5） 若多个输入电压同时作用于运放的反相输入端或同相输入端，则实现加法运算；若多个输入电压有的作用于反相输入端，有的作用于同相输入端，则实现减法运算。图 5-8 所示为加法电路，该电路可实现两个电压 uS1 与 uS2 相加。输入信号从反相端输入，同相端虚地。则有：u P=uN=0；又有“虚断”的概念可知 iI=0，图 5-8 加法电路因此，在反相输入节点 N 可得节点电流方程： fON2S1NSRuuR即 f2S1整理可得 )(S2f1fOuRu若 R1=R2 =Rf ，则上式变为（5.
34、13）21S实现了真正意义的反相求和。图 5-8 所示的加法电路也可以扩展到实现多个输入电压相加的电路。利用同相放大电路也可以组成加法电路。3.减法电路电路测试 36 减法电路（一）的测试（见 9.5） （1）减法电路（一）图 5-9 所示电路第一级为反相比例放大电路，设 Rf 1=R1，则 uO1= uS1。第二级为反相加114法电路，图 5-9 减法电路（一）可导出（5.14）)(S212fO2fuRu若 R2=Rf 2，则式（5.14）变为 （5.15）S1即实现了两信号 uS1 与 uS2 的相减。此电路优点是调节比较灵活方便。 由于反相输入端与同相输入端 “虚地”，因此在选用集成运放
35、时，对其最大共模输入电压的指标要求不高，此电路应用比较广泛。（2）减法电路（二）电路测试 37 减法电路（二）的测试（见 9.5） 电路如图 5-10 所示。该电路是反相输入和同相输入相结合的放大电路。图 5-10 减法电路（二）根据“虚短”和“虚断”的概念可知uP=uN，u I=0，i I=0并可得下列方程式：（5.16）fOS1R（5.17）3P2u利用 uN = uP，并联解式（ 5.16）和式（5.17）可得115S1f232fOuRRu在上式中，若满足 Rf/R=R3/R2，则该式可简化为（5.18）)(S12fu当 Rf=R，有uO=uS2uS1 （5.19）式 （ 5.19） 表
36、 明 ， 输 出 电 压 uO 与 两 输 入 电 压 之 差 （ uS2uS1） 成 比 例 ， 实 现 了 两 信 号 uS2 与 uS1 的相 减 。从原理上说,求和电路也可以采用双端输入(或称差动输入) 方式、此时只用一个集成运放，即可同时实现加法和减法运算。但由于电路系数的调整非常麻烦，所以实际上很少采用。如需同时进行加法、通常宁可多用一个集成运放，而仍采用反相求和电路的结构形式。4.积分电路电路测试 38 积分电路的测试（见 9.5） 图 5-11 积分电路在电子电路中，常用积分运算电路和微分运算电路作为调节环节，此外，积分运算电路还用于延时、定时和非正弦波发生电路中。积分电路有简
37、单积分电路、同相积分电路、求和积分电路等。下面重点介绍一下简单积分电路。简单积分电路如图 5-11 所示。 反相比例运算电路中的反馈电阻由电容阻所取代，便构成了积分电路根据“虚短”和“虚断”的概念有：u I=0，i I=0，i 1= i2= uS/R电流 i2 对 C 进行充电，且为恒流充电（充电电流与电容 C 及电容上电压无关） 。假设电容 C 初始电压为 0，则 ttiCd12ORuSS（5.20）式（5.20）表明，输出电压与输入电压的关系满足积分运算要求，负号表示它们在相位上是相反的。RC 称为积分时间常数，记为 。实际的积分器因集成运算放大器不是理想特性和电容有漏电等原因而产生积分误
38、差，严重时甚至使积分电路不能正常工作。最简便的解决措施是，在电容两端并联一个电阻 Rf，引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象，但 RfC 的数值应远大于积分时间。通常在精度要求不高、信号变化速度适中的情况下，只要积分电路功能正常，对积分误差可不加考虑。若要提高精度，则可采用高性能集成运放和高质量积分电容器。116利用积分运算电路能够将输入的正弦电压，变换为输出的余弦电压，实现了波形的移相；将输入的方波电压变换为输出的三角波电压，实现了波形的变换；对低频信号增益大，对高频信号增益小，当信号频率趋于无穷大时增益为零，实现了滤波功能。5.微分电路电路测试 39 微分电路的测试（见 9.
39、5） 微分是积分的逆运算。将图 5-12 所示积分电路的电阻和电容元件互换位置，即构成微分电路，微分电路如图 5-12 所示。微分电路选取相对较小的时间常数 RC 。图 5-12 微分电路同样根据“虚地”和“虚断”的概念有：u I=0，i I=0，i 1= i2设 t=0 时，电容 C 上的初始电压为 0，则接入信号电压 uS 时有：tCidS1（5.21）tRuS2O式（5.21）表明，输出电压与输入电压的关系满足微分运算的要求。因此微分电路对高频噪声和突然出现的干扰（如雷电）等非常敏感，故它的抗干扰能力较差，限制了其应用。6.有源滤波器允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分频率的信号
40、被急剧衰减（即被滤掉）的电子器件称为滤波器。滤波器可分为按照其功能，又可以分为低通、带通、高通、带阻滤波器。图 5-13 所示为四种滤波器的幅频特性。图中 fH 为上限截止频;f L 为下限截止频率；f 0 为中心频率，即通带和阻带的中点。 Auf0( a ) A0fHf0( b ) fLf0( c ) f0( d ) fHfHfLfLf0f0A0A0A0AuAuAu图 5-13 四种滤波器的幅频特性a）低通 b)高通 a）带通 b)带阻滤波器具有“选频”的功能。在电子通信、电子测试及自动控制系统中，常常利用滤波117器具有“选频”的功能来进行模拟信号的处理（用于数据传送、抑制干扰等） 。此外
41、，滤波器在无线电通信、信号检测和自动控制中对信号处理、数据传输和干扰抑制等方面也获得了广泛应用。滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器两种。一般主要采用无源元件 R, L 和 C 组成的模拟滤波器称为无源滤波器；由集成运放和 R, C 组成的滤波器称为有源滤波器。有源滤波器具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。不过，有源滤波器的工作频率不高，一般在几千赫以下。在频率较高的场合，常采用 LC 无源滤波器或固态滤波器。无源滤波器一般不存在噪声问题，而有源滤波器由于使用了放大器滤波器的噪声性
42、能就比较突出，信噪比很差的有源滤波器也很常见。因此，使用有源滤波器时要注意以下几点：一是滤波器的电阻尽可能小一些，电容则要大一些；二是反馈量尽可能大一些，以减小增益；三是放大器的开环频率特性应该比滤波器的通频带要宽。图 5-14 一阶 RC 有源低通滤波电路如图 5-14 所示为一简单的一阶 RC 有源低通滤波电路。该电路在一级无源 RC 低通滤波电路的输出端再加上一个同相比例放大器，使之与负载很好地隔离开来，由于同相比例放大器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，其带负载能力很强，同时该电路还具有电压放大作用。5.3.2 集成运放的非线性应用在集成运放的非线性应用电路中，运放一般工作在开环或仅
43、正反馈状态，而运放的增益很高，在非负反馈状态下，其线性区的工作状态是极不稳定的，因此主要工作在非线性区，实际上这正是非线性应用电路所需要的工作区。电压比较电路是用来比较两个电压大小的电路。在自动控制、越限报警、波形变换等电路中得到应用。由集成运放所构成的比较电路，其重要特点是运放工作于非线性状态。开环工作时，由于其开环电压放大倍数很高，因此，在两个输入端之间有微小的电压差异时，其输出电压就偏向于饱和值；当运放电路引入适时的正反馈时，更加速了输出状态的变化，即输出电压不是处于正饱和状态（接近正电源电压+V CC） ，就是处于负饱和状态（接近负电源电压V ） 。处于运放电压传输特性的非线性区。由此
44、可见，分析比较电路时应注意：比较器中的运放， “虚短”的概念不再成立，而“虚断”的概念依然成立。应着重抓住输出发生跳变时的输入电压值来分析其输入输出关系，画出电压传输特118性。电压比较器简称比较器，它常用来比较两个电压的大小，比较的结果（大或小）通常由输出的高电平 UOH 或低电平 UOL 来表示。1.简单电压比较器电路测试 40 简单电压比较器的测试（见 9.5） 简单电压比较器的基本电路如图 5-15a 所示，它将一个模拟量的电压信号 uI 和一个参考电压 UREF 相比较。模拟量信号可以从同相端输入，也可从反相端输入。图 5-15a 所示的信号为反相端输入，参考电压接于同相端。图 5-
45、15 简单电压比较器的基本电路a）电路 b)传输特性当输入信号 uIU REF，输出即为高电平 uO=UOH（+V CC）当输入信号 uIU REF，输出即为高电平 uO=UOL（V ）显然，当比较器输出为高电平时，表示输入电压 uI 比参考电压 UREF 小；反之当输出为低电平时，则表示输入电压 uI 比参考电压 UREF 大。根据上述分析，可得到该比较器的传输特性如图 5-15b 中实线所示。可以看出，传输特性中的线性放大区（MN 段）输入电压变化范围极小，因此可近似认为 MN 与横轴垂直。通 常 把 比 较 器 的 输 出 电 压 从 一 个 电 平 跳 变 到 另 一 个 电 平 时
46、对 应 的 临 界 输 入 电 压 称 为 阀值 电 压 或 门 限 电 压 ， 简 称 为 阀 值 ， 用 符 号 UTH 表 示 。 对 这 里 所 讨 论 的 简 单 比 较 器 ， 有UTH=UREF。也可以将图 5-15a 所示电路中的 UREF 和 uI 的接入位置互换，即 uI 接同相输入端，U REF接反相输入端，则得到同相输入电压比较器。不难理解，同相输入电压比较器的阀值仍为UREF，其传输特性如图 5-15b 中虚线所示。作为上述两种电路的一个特例，如果参考电压 UREF=0(该端接地） ，则输入电压超过零时，输出电压将产生跃变，这种比较器称为过零比较电路。2.迟滞电压比较
47、器电路测试 41 迟滞电压比较器的测试（见 9.5） 当基本电压比较电路的输入电压若正好在参考电压附近上下波动时，不管这种波动时信号本身引起的还是干扰引起的，输出电平必然会跟着变化翻转。这表明虽然简单电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。在实际运用中，有的电路过分灵敏会对执行机构产生不利的影响，甚至使之不能正常工作。实际电路希望输入电压在一定的范围内，输出电压保持原状不变。滞回比较电路就具有这一特点。迟滞比较器电路如图 5-16a 所示，由于输入信号由反相端加入，因此为反相迟滞比较器。为限制和稳定输出电压幅值，在电路的输出端并接了两个互为串联反向连接的稳压二极管。同时通过 R3 将输出
48、信号引到同相输入端即引入了正反馈。正反馈的引入可加速比较电路的119转换过程。由运放的特性可知，外接正反馈时，滞回比较电路工作于非线性区，即输出电压不是正饱和电压（高电平 UOH 或） ，就是负饱和电压（低电平 UOL） ，二者大小不一定相等。设稳压二极管的稳压值为 UZ，忽略正向导通电压，则比较器的输出高电平 UOHUZ，输出低电平 UOLUZ。图 5-16 迟滞比较器a）反相迟滞比较器电路 b）传输特性 c）U REF=0 时的传输特性 d）U REF=0 时 UI 与 UO 的波形当运放输出高电平时（u O=UOHUZ） ，根据“虚断” ，有 ，运放同相端输入电PNu压为参考电压 和输出电压 UZ 共同作用的结果，利用叠加定理有：REF 32ZREF332OREF32REF32Pu 又因为输入信号 ，所以此时的输入电压和 比较
