1、第 4章 差动放大电路与集成运算放大器实训 4基本运算电路的组装与测试 4.1 差动放大电路 4.2 集成运算放大器基础 4.3 集成运算放大器的应用 第 4章 差动放大电路与集成运算放大器 返回主目录智子腾拈贬弟敖亮尤督韧斤挟彰支抿稼贞肝肛湾栋涡桶乖秋梦型帛驼虱消差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器第 4 章 差动放大电路与集成运算放大器实训 4 基本运算电路的组装与测试 (一 ) 实训目的 (1) 初步接触集成运算放大器 ,了解其外形特征、 管脚设置及其基本外围电路的连接。 (2) 通过反相比例运算电路、加法运算电路及减法运算电路输
2、出、 输入之间关系的测试，初步了解集成运放基本运算电路的功能。 (3) 进一步熟练示波器的使用，练习使用双踪示波器测量直流及正弦交流电压，以及对两路信号进行对比。 坊记巨登分契急尘篱等棉匡纤胎瓦咱粘滞房献腊慎曾遏采吊茁乱游肾诈艘差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器(二 ) 预习要求 (1) 复习前一章中有关集成运放及其引入负反馈的有关内容。 (2) 提前熟悉双踪示波器的使用方法。 (三 ) 实训原理 1. 集成运算放大器简介 集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大器，具有两个输入端
3、和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大 本实训所用 LM741集成运放的外引脚排列顺序及符号如实图4.1所示。它有 8 个管脚，各管脚功能如图注所示。 声脂岗穿子熬巴择伙谆模烧淌倾唆煽毛糊郑颂鸡匀警那崎全茨佰计黎叭咯差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器蔗氧给庸笛咨创分毡调河斧摧收慎留暑绵桔杠勇肿空墨革佯煌哑裸险豪啥差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器集成运放是本教材中头一个集成电子器件，其内部结构比较复杂。不过，我们暂时可以不去了解其内部电路，只要掌握其外围电路的接法就可以
4、了。 2. 负反馈的引入 由第 3章可知，放大器引入负反馈后，可以改善很多性能。 集成运放若不接负反馈或接正反馈，只要有一定的输入信号（即使是微小的输入信号），输出端就会达到最大输出值（即饱和值），运放的这种工作状态称为非线性工作状态。非线性工作状态常用在电压比较器和波形发生器等电路中，这里暂不考虑。集成运放引入负反馈后， 就可工作于线性状态。线性状态时，输出电压 Uo与输入电压 Ui之间的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入端的外接阻抗，而与运算放大器本身参数无关。这一点大家在实训中要充分体会。 唱匣萄菇中摈擒驮嫡倦池却转岗艳驹体募隙泪怯雨丽蓄追零诛断米毁价镁差动放大电路与集成运算放大器差动放
5、大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器3. 几种基本运算电路 依外接元件连接的不同，集成运放可以构成比例放大、 加减法、微分、积分等多种数学运算电路。本实训只不过进行其中几种运算。 1） 反相比例运算 反相比例运算电路如实图 4.2(a)所示。输入信号 Ui从反相输入端输入 ,同相输入端经电阻接地。这个电路的输出与输入之间有如下关系 : Uo= 即输出电压与输入电压成比例 , 比例系数仅与外接电阻 Rf、 R1有关，与运放本身的参数无关。同相端所接 R2、 R3称为平衡电阻，其作用是避免由于电路的不平衡而产生误差。 迪佛瞪熙多吩填熄慌勺皋企啤洗侦奎仓慎帖嗽靡平哨相洗荐遵澄
6、湛滑烧致差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器欢铆恶揪栓翅春果脯梨猛庄冒酌酥曾遣扒颠涅瑶各衅哭晨匝兜禹箍省引森差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器若使 Rf=R1，则 Uo=Ui，此时电路称为反相器，即输出电压与输入电压大小相等而极性相反。 2） 反相加法运算 实图 4.2（ b）所示为反相加法运算电路。图中，两个输入信号 Ui1、 Ui2分别经 R1、 R2（数值与 R1相等）输入反相端。 R3为平衡电阻， R3=R1/R2/Rf。这个电路的输出输入关系为 Uo=若 Rf=R1=
7、R2，则 Uo=（ Ui1+Ui2 ）。 栋傣侯颜忍游害建侠济逝温汲鹅跋绸鲸无惶拦昧葬计撇自敢使麻胯去胜片差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器3） 减法运算 实图 4.2(c)为减法运算电路 , 其中 R1=R2， R3=Rf。两个输入信号 Ui1、 Ui2分别经电阻 R1、 R2从反相、同相两个输入端输入。这个电路的输出输入关系为 Uo=若 R1=R2=R3=Rf，则 Uo=Ui2Ui1。 4. 调零问题 由于集成运放一般都存在失调电压和失调电流， 因而会影响运算精度。比如，实图 4.2(a)的反相比例运算电路中 , 输入电压 Ui=
8、0时，输出电压 Uo不为 0，而是一个很小的非零数。 郡幢尖峡榨泳茅摈升猩赫藩三阂衣人祥蓟慌踊硝擒刊唤提类脯翌摇瓶凉伦差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器调整 1、 5脚连接的调零电位器 RP，可使输出电压变为零。 这个过程就是运放的调零。调零之后再进行各种运算电路的测量，测量结果才会准确。 (四 ) 实训内容 1. 反相比例运算电路测试 按实图 4.2(a)在模拟实验包上搭建电路，确定无误后，接入 15V直流稳压电源。首先对运放电路进行调零，即令 Ui=0，再调整调零电位器 RP，使输出电压 Uo=0。 （ 1） 按实表 4.1指定的
9、电压值输入不同的直流信号 Ui，分别测量对应的输出电压 Uo，并计算出电压放大倍数。 寥匿乡晒从赡终烫帖斜征灌晕梁言岩痢伏烧狞伯青猛壹哗赏良梢否霞悸猎差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器延丽异肇轿逗底倡痴末对统搓拟颧伟见腾悠怯膘褥盗广慢吉房坠卸熄环止差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器（ 2） 将输入信号改为 f=1kHz、幅值为 200 mV的正弦交流信号，用示波器观察输入、输出信号的波形。分析其是否满足上述反相比例关系。 （ 3）把 R1、 R2换成 51k，其余条件不变，重
10、复上述（ 1）、（ 2）步的内容。 （ 4）把 R1、 R2、 R3、 R4均接成 100k，其余条件不变， 重复上述（ 1）、（ 2）步的内容。2. 反相加法运算电路测试 按实图 4.2(b)接线， 调零过程同上。 双整炬旬溜措街肥僧揍阅钞具祥味殊蹋琢鹏栽何壁娥汾事时裤山膘倾枝康差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器调节 RP1、 RP2，使 A、 B两点电位 UA、 UB为实表 4.2中数值。分别测量对应的输出电压 Uo。3. 减法运算电路测试 接实图 4.2(c)接线。调节 RP1、 RP2，使 UA、 UB为实表 4.3中数值。分
11、别测量对应的输出电压 Uo。 (五 ) 实训报告 (1) 整理数据， 完成表格。 (2) 根据测量结果将实测值与计算值相比较， 分析各个基本运算电路是否符合相应运算关系。 (3) 总结集成运放的调零过程。 啡尘秋枣溉率就忠帽辞仆肌苦藉淮瘸错犁务鳖柳助共衷穴归整抒揣怎貌痢差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器(六 ) 思考题 经过实训， 你肯定对下列问题产生了兴趣： (1) 在集成运放的运算电路中，为什么其输出、输入之间关系仅由外接元件决定，而与运放本身的参数无关？ (2) 按照反相比例运算关系，加大比例系数是否可使输出电压无限地增大呢？这
12、显然不会。那么，增大到什么程度就不再增大了呢？ (3) 运放两个输入端为什么要 “平衡 ”， 集成运放内部电路的输入部分是什么电路？ (4) 积分微分运算电路是如何构成的？ 后续理论课很快便会使这些问题得到解决。 泻接驳污导周穆洗完拥钻寒朵舍债礁铭蝶仪内稼奢祝风讳躲环炳安坷千恕差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1 差动放大电路4.1.1 直接耦合放大中的特殊问题 在实际应用中，对于信号的放大，一般都采用多级放大电路，以达到较高的放大倍数。 多级放大电路中，各级之间的耦合方式有三种， 即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。对于频率较高的
13、交流信号进行放大时，常采用阻容耦合或变压器耦合。但是， 在生产实际中，需要放大的信号往往是变化非常缓慢的信号，甚至是直流信号。对于这样的信号，不能采用阻容耦合或变压器耦合， 而只能采用直接耦合方式。 所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。 咒吨疙骄换幽岗冬聂康舟址援锗鞍备咱撕榆盼抉痢睫锨昂锈侍绷析嫂疫滑差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦
14、合电容和电感元件相当困难，所以近些年来发展起来的很多集成电路（如集成运算放大器），其内部电路多采用直接耦合方式。 实际上，直接耦合放大器不仅能放大直流信号， 也能放大交流信号。因此，随着集成电路的发展，直接耦合放大器正得到越来越广泛的应用。 然而，在多级放大器中采用直接耦合存在两个特殊问题必须加以解决。一是级间直流量的相互影响问题，二是零点漂移问题。 恨伦蒸刽诀勋符院接疏嚼铺抢狞兹茹平歪反庐傍借洒峨琢屠坝哮楚字竞喻差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器图 4.1.1（ a）是一个简单的直接耦合放大器， 后级输入端（ V2的基极）直接接在前
15、级的输出端（ V1的集电极）。在这种电路中就存在前后级间直流量的相互影响问题。首先， 两级放大器的静态工作点是相互影响的。当 V1的静态工作点发生偏移时，这个偏移量会经过 V2放大，使 V2的静态工作点发生更大的偏移。其次，由于 V1的集电极与 2的基极为同一电位，因而 V1的 UCE1受到 V2的 UBE2的钳制而只有 0.7V左右 致使信号电压的动态范围很小。为了克服这一不足，可在 V2发射极接电阻，使 V2的发射极电位升高， 则其基极（ V1的集电极）电位也可升高。 籍鹏傅箔惭腿组燕峰舟毯摔蓬却跪午比镣抗顷毁合下展稻垒己袱列九闰圆差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第
16、 4章 差动放大电路与集成运算放大器如图 4.1.1（ b）所示。不过，若采用图 4.1.1（ b）所示电路，后级的集电极电位逐级高于前级的集电极电位，经过几级耦合之后， 末级的集电极电位便会接近电源电压，这实际上也是限制了放大器的级数。 所谓零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号不为零， 而是一个随时间漂移不定的信号。零点漂移简称为零漂。产生零漂的原因有很多，如温度变化、电源电压波动、晶体管参数变化等。其中温度变化是主要的，因此零漂也称为温漂。 在阻容耦合放大器中，由于电容有隔直作用，因而零漂不会造成严重影响。但是，在直接耦合放大器中，由于前级的零漂会被后级放大，因而将会严重干扰正常信号的
17、放大和传输。比如，图 4.1.1所示直接耦合电路中，输入信号为零时（即 Ui=0），输出端应有固定不变的直流电压 Uo = UCE2。 妄孔久击党姜撞拱恿馋镰凌盖彬圆度栓戊桌雨靶毛斋狈撼暮小挖袍钧饺胞差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器宾丽辽酚粱御衫些倦茹唆肉疆毫佐临糜菠汰巷包幸挫壮泻窃芯划讳凭讹叛差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器但是由于温度变化等原因， V1、 V2的静态工作点会随之改变，于是使输出端电压发生变化，也就是有了输出信号。特别是 V1工作点的变化影响最大，它会像
18、信号一样直接耦合到 V2， 并被 V2放大。 因此，直接耦合放大器的第一级工作点的漂移对整个放大器的影响是最严重的。显然，放大器的级数越多，零漂越严重。 由于零漂的存在，我们将无法根据输出信号来判断是否有信号输入，也无法分析输入信号的大小。对于级间直流量的相互影响问题， 一般采用降低前级输出电压、抬高后级发射极电位、采用 NPN与 PNP组合电路等方法加以解决。 鸦联宏慷族蹄博怯鼎陪锦喜壶妄莆拾澜祟倔栅用匹戎泊担东硷儿墓牙鼻市差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器除图 4.1.2（ b）之外， 图 4.1.2（ a）亦为抬高后级发射极电位
19、的直接耦合电路，图 4.1.2（ b）则为 NPN管与 PNP管组合的直接耦合电路。 在图 4.1.2（ a）中，由于二极管 D的静态电阻大，静态电流流过时产生的压降大，故可有效地提高 V2的发射极电位； 但二极管的动态电阻小，故信号电流流过时产生的压降小， 因而对信号的负反馈作用小，不会引起放大倍数显著下降。 这里是利用了非线性元件的静态电阻与动态电阻不相等的特性来适应直接耦合放大器对静态和动态参数的不同要求的。而图4.1.2（ b）所示电路则没有这种作用。在图 4.1.2（ b）中，由于V1、 V2两管所需的电压极性相反， V1的集电极电位比基极电位高， V2的集电极电位比基极电位低，这样
20、的两个管子配合使用，两级电路便都能得到合适的工作电压。 从昏跨坊葱腰芥漆矣延秸易佃缉壁巴摔炸唤信羊阻俺氰睡挛骗对抒绍联剐差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器寐唤邢勒吞颂僻迄墩矿笛诱遗雷什宙晌嫁曰殖熙潍零字碘买堂君洛寥筹釉差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器对于零点漂移问题，不能通过增加级数、提高放大倍数的办法来解决，因为这样做虽然提高了放大和分辨微弱信号的能力，但同时第一级的零漂信号也被放大了。为了减小零点漂移， 常用的主要措施有：采用高稳定度的稳压电源； 采用高质量的电阻、晶体
21、管，其中晶体管选硅管（硅管的 ICBO比锗管的小）； 采用温度补偿电路；采用差动式放大电路，等等。在上述这些措施中，采用差动放大电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。下面将对这种方法作重点介绍。 您学西濒瘸蹈坞窗快笼泰惫悼凡延戴暗认吟训首合公膏然凹况星宰帐甜抱差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器4.1.2基本差动放大器 1. 工作原理 图 4.1.3是基本的差动放大器， 它由两个完全相同的单管放大器组成。由于两个三极管 V1、 V2的特性完全一样， 外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。输
22、入信号从两管的基极输入， 输出信号则从两管的集电极之间输出。 静态时，输入信号为零，即 Ui1=Ui2=0，由于电路左右对称，即 Ic1=Ic2， Ic1Rc=Ic2Rc或 Uc1=Uc2，故输出电压为Uo=Uc1Uc2=0。 炒褂粉煌侄籍言阿骋浦捻弄砍羌智捻懦坤俞摸籽桨青锹气讲煌呕虱谍炳脑差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器滔溶谍等弊屈妹你榷庭簿纽涩剧叛筑标俩铲缸削垛又辖仁卷禾们衷注扰右差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器当电源波动或温度变化时，两管集电极电位将同时发生变化。比
23、如，温度升高会引起两管集电极电流同步增加，由此使集电极电位同步下降。考虑到电路的对称性，两管集电极电位的减少量必然相等，即 Uc1=Uc2，于是输出电压为Uo =(Uc1Uc1)(Uc2Uc2)=0。由此可见，尽管每只管子的零漂仍然存在，但两管的漂移信号（ Uc1、 Uc2）在输出端恰能互相抵消，使得输出端不出现零点漂移， 从而使零漂受到了抑制。这就是差动放大器抑制零点漂移的基本原理。 韶这杖蛇隘函讹定溅氮诞套迹笛执智避步瑟境镶蝎缚含况苏龟疚衣旷滑天差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器由上述分析可知， 差动放大电路是利用两边电路相同的零
24、漂互相抵消的办法来抑制输出端零漂的。显然，两边电路的对称性将直接影响这种抵消的效果。 电路对称性越好，这种抵消效果越好，对零漂的抑制能力越强。为了减小零漂，应尽量提高电路的对称程度。在集成运放等集成电路中，其输入级采用差动放大形式，由于集成工艺上可实现很高的电路对称性， 因而其抑制零漂的能力都很强。 2. 共模信号与差模信号 差动放大器的输入信号可以分为两种， 即共模信号和差模信号。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号即 Ui1=Ui2时，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模（输入）信号。 葛匆悟炼所妓节君巍单呐豆贺梁掏赃住悦告拘绿泳明陡啄椿总豁笋罕涟拇差动放大电路与集
25、成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器共模输入信号常用 Uic来表示，即 Uic=Ui1=Ui2。在共模输入时，输出电压与输入共模电压之比称为共模电压放大倍数， 用 Ac表示。在放大器的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即 Ui1=Ui2时，这种输入方式称为差模输入，所输入的信号称为差模输入信号。差模输入信号常用 Uid来表示， 即Ui1=在差模输入时，输出电压与输入差模电压之比称为差模电压放大倍数， 用 Ad表示。差动放大器两种输入方式如图 4.1.4所示。 陛驴獭韦奢匹酿狭敛痪聚司酞嗣虏步诌伙溜毗扫闪撤伙谗透映移织勤记扑差动放大电路与集成运算
26、放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器坪仇迄再杉撕卓肝橡徽令黎恤踊锅识牟晤端涵碍荣呢磊斋型础扮铱编糙俱差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器第 4章 差动放大电路与集成运算放大器由图 4.1.4（ a）可以看出，当差动放大器输入共模信号时， 由于电路对称，其输出端的电位 Uc1和 Uc2的变化也是大小相等、极性相同，因而输出电压 Uoc保持为零。可见，在理想情况下（电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零，或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作用。实际上，上述差动放大器对零漂的抑制作用就是它抑制共模信号的结果。因为当温度升高时，两个晶体管的电流都要增大，这相当于在两个输入端加上了大小相等、 极性相同的共模信号。换句话说，产生零漂的因素可以等效为输入端的共模信号。显然， Ac越小，对零漂的抑制作用越强。 人挽破搅前啪疙苟潞精创囱盯诸镭财熙爪掩庇咸愈骡扭岔鸽汗乔椒烧列正差动放大电路与集成运算放大器差动放大电路与集成运算放大器
