第6章 集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用

第6章集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用【本章內(nèi)容提要】集成電路的基本知識(shí)；集成運(yùn)放的內(nèi)部組成及各部分的作用；理想運(yùn)放的性能指標(biāo)及工作特點(diǎn)；放大電路中的反饋，包括反饋的類(lèi)別、判斷方法和負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響；集成運(yùn)放應(yīng)用電路舉例。

本章內(nèi)容提要重點(diǎn)：（1）差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功用；（2）集成運(yùn)放的主要參數(shù)，理想運(yùn)放的特點(diǎn)；（3）反饋的概念及負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響；（4）集成運(yùn)放的應(yīng)用電路。難點(diǎn)：（1）共模抑制比的物理意義；（2）“虛短”和“虛斷”的含義及應(yīng)用；（3）滯回電壓比較器的原理與應(yīng)用。6.1

集成電路概述6.1.1集成電路及其發(fā)展

分立元件電路：所謂分立元件電路是指由單個(gè)電阻、電容、二極管、三極管等元件連接起來(lái)組成的電路。由于分立元件電路中的元器件都裸露在外，因此體積大，工作可靠性差。

集成電路：集成電路簡(jiǎn)稱(chēng)IC（IntegratedCircuits），是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件。它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將電路的有源器件（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等）、無(wú)源器件（電阻、電感、電容）及其布線(xiàn)集中制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，形成緊密聯(lián)系的一個(gè)整體電路。

集成電路的特點(diǎn)：與分立元件電路相比，集成電路具有突出特點(diǎn)：體積小，重量輕；可靠性高，壽命長(zhǎng)；速度高，功耗低；成本低。

集成電路的發(fā)展：人們經(jīng)常以電子器件的每一次重大變革作為衡量電子技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。1904年出現(xiàn)的半導(dǎo)體器件（如真空三極管）稱(chēng)為第一代器件，1948年出現(xiàn)的半導(dǎo)體器件（如半導(dǎo)體三極管）稱(chēng)為第二代器件，1959年出現(xiàn)的集成電路稱(chēng)為第三代器件，而1974年出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路，則稱(chēng)為第四代器件?？梢灶A(yù)料，隨著集成工藝的發(fā)展，電子技術(shù)將日益廣泛地應(yīng)用于人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)方面。6.1.2集成電路的特點(diǎn)及分類(lèi)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可將集成電路分成不同種類(lèi)。（1）按制造工藝分類(lèi)。按照集成電路的制造工藝不同可分為半導(dǎo)體集成電路（又分雙極型集成電路和MOS集成電路），薄膜集成電路和混合集成電路。（2）按功能分類(lèi)。集成電路按其功能的不同，可分為數(shù)字集成電路，模擬集成電路和微波集成電路。（3）按集成規(guī)模分類(lèi)。集成規(guī)模又稱(chēng)集成度，是指集成電路內(nèi)所含元器件的個(gè)數(shù)。按集成度的大小，集成電路可分為小規(guī)模集成電路（SSI），內(nèi)含元器件數(shù)小于100；中規(guī)模集成電路（MSI），內(nèi)含元器件數(shù)為100～1000個(gè)；大規(guī)模集成電路（LSI），元器件數(shù)為1000～10000個(gè)；超大規(guī)模集成電路（VLSI），元器件數(shù)目在10000至100000之間。集成電路的集成化程度仍在不斷地提高，目前，已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)含上億個(gè)元器件的集成電路。6.1.3集成電路制造工藝簡(jiǎn)介在集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中，在直徑為3～10mm的硅片上，同時(shí)制造幾百甚至幾千個(gè)電路。人們稱(chēng)這個(gè)硅晶片為基片，稱(chēng)每一塊電路為管芯，如圖6-1所示。圖6-1基片制成后，再經(jīng)劃片、壓焊、測(cè)試、封裝后成為產(chǎn)品。圖6-2（a）、（b）所示分別為圓殼式、雙列直插式集成電路的外形及其剖面圖。圖6-21.集成電路制作工藝的幾個(gè)名詞集成電路的制造工藝較為復(fù)雜，在制造過(guò)程中需要很多道工序，現(xiàn)將制造過(guò)程中的幾個(gè)主要工藝名詞介紹如下：（1）氧化：在溫度為800～1200oC的氧氣中使半導(dǎo)體表面形成SiO2薄層，以防止外界雜質(zhì)的污染。（2）光刻與掩模：制作過(guò)程中所需的版圖稱(chēng)為掩模，利用照相制版技術(shù)將掩模刻在硅片上稱(chēng)為光刻。（3）擴(kuò)散：在1000oC左右的爐溫下，將磷、砷、或硼等元素的氣體引入擴(kuò)散爐，經(jīng)一定時(shí)間形成雜質(zhì)濃度一定的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。每次擴(kuò)散完畢都要進(jìn)行一次氧化，以保護(hù)硅片的表面。（4）外延：在半導(dǎo)體基片上形成一個(gè)與基片結(jié)晶軸同晶向的半導(dǎo)體薄層，稱(chēng)為外延生長(zhǎng)技術(shù)。所形成的薄層稱(chēng)為外延層，其作用是保證半導(dǎo)體表面性能均勻。（5）蒸鋁：在真空中將鋁蒸發(fā)，沉積在硅片表面，為制造連線(xiàn)或引線(xiàn)做準(zhǔn)備。2.集成電路中元件的特點(diǎn)與分立元件相比，集成電路中的元件有如下特點(diǎn)：（1）具有良好的對(duì)稱(chēng)性。由于元件在同一硅片上用相同的工藝制造，且因元件很密集而環(huán)境溫度差別很小，所以元件的性能比較一致，而且同類(lèi)元件溫度對(duì)稱(chēng)性也較好。（2）電阻與電容的數(shù)值有一定的限制。由于集成電路中電阻和電容要占用硅片的面積，且數(shù)值愈大，占用面積也愈大。因而不易制造大電阻和大電容。電阻阻值范圍為幾十歐～幾千歐，電容容量一般小于100pF。（3）用有源元件取代無(wú)源元件。由于縱向NPN管占用硅片面積小且性能好，而電阻和電容占用硅片面積大且取值范圍窄，因此，在集成電路的設(shè)計(jì)中盡量多采用NPN型管，而少用電阻和電容。用NPN型管的發(fā)射結(jié)作為二極管和穩(wěn)壓管，用NPN型管基區(qū)體電阻作為電阻，用PN結(jié)勢(shì)壘電容或MOS管柵極與溝道間等效電容作為電容等。6.2集成運(yùn)放的基本組成及各部分的作用從原理上說(shuō)，集成運(yùn)放的內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高放大倍數(shù)的直接耦合的多級(jí)放大電路。它通常包含4個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路，如圖6-3所示。輸入級(jí)的作用是提供與輸出端成同相和反相關(guān)系的兩個(gè)輸入端，通常采用差動(dòng)放大電路，對(duì)其要求是溫漂要小，輸入電阻要大。中間級(jí)主要是完成電壓放大任務(wù)，要求有較高的電壓增益，一般采用帶有源負(fù)載的共射電壓放大電路。輸出級(jí)是向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的功率放大器。偏置電路是向各級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流，一般采用電流源。下面分別介紹。圖6-36.2.1偏置電路——電流源在電子電路中，特別是模擬集成電路中，廣泛使用不同類(lèi)型的電流源。它的用途之一是為各種基本放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流；第二個(gè)用途是用做放大電路的有源負(fù)載。下面討論幾種常見(jiàn)的電流源。1.鏡像電流源

圖6-4所示為鏡像電流源的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中T1管和T2管具有完全相同的輸入特性和輸出特性，且由于兩管的b、e極分別相連，UBE1=UBE2，IB1=IB2，因而就像照鏡子一樣，T2管的集電極電流和T1管的相等，所以該電路稱(chēng)為鏡像電流源。由圖可知，T1管的b、c極相連，T1管處于臨界放大狀態(tài)，電阻R中電流IR為基準(zhǔn)電流，表達(dá)式為：圖6-4且IR=IC1+IB1+IB2=IC2+2

IB2=（1+2/β）IC2，所以當(dāng)＞＞2時(shí)，有可見(jiàn)，只要電源VCC和電阻R確定，則IC2就確定。恒定的IC2可作為提供給某個(gè)放大級(jí)的靜態(tài)偏置電流。另外，在鏡像電流源中，T1的發(fā)射結(jié)對(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用，可有效地抑制IC2的溫漂。例如當(dāng)溫度升高使T2的IC2增大的同時(shí)，也使T1的IC1增大，從而使UBE1（UBE2）減小，致使IB2減小，從而抑制了IC2的增大。2.微電流源圖6-5是模擬集成電路中常用的一種電流源。與鏡像電流源相比，在T2的射極電路接入電阻RE，當(dāng)基準(zhǔn)電流IR一定時(shí)，IC2可確定如下：因?yàn)閳D6-5所以由式（6-3）可知，利用兩管發(fā)射結(jié)電壓差△UBE可以控制輸出電流IC2。由于△UBE的數(shù)值較小，這樣，用阻值不大的RE即可獲得微小的工作電流，故稱(chēng)此電流源為微電流源。（6-3）6.2.2輸入級(jí)——差分放大電路集成運(yùn)放的輸入級(jí)采用差分放大電路（也稱(chēng)差動(dòng)放大電路），就其功能來(lái)說(shuō)，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。在集成運(yùn)放中多以差分放大電路作為輸入級(jí)。差分放大電路常見(jiàn)的形式有三種：基本形式、長(zhǎng)尾式和恒流源式。1.基本形式差分放大電路（1）輸入信號(hào)類(lèi)型將兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的單管放大電路組合在一起，就成為差分放大電路的基本形式，如圖6-6所示。圖6-6在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號(hào)，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱(chēng)為差模輸入。差模輸入方式下，差動(dòng)放大電路兩輸入端總的輸入信號(hào)稱(chēng)為差模輸入信號(hào)，用uid表示，ui

d為兩輸入端輸入信號(hào)之差，即ui

d=ui1–ui2

或者ui1=-ui2=ui

d（6-5）差模輸入電路如圖6-7所示。圖6-7共模輸入電路如圖6-8所示。當(dāng)差分放大電路的兩個(gè)輸入端輸入的信號(hào)大小不等時(shí)，可將其分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)。信號(hào)的輸入方式如圖6-6所示。由于差模輸入信號(hào)uid=ui1–ui2，共模輸入信號(hào)uic可以寫(xiě)為：圖6-8于是，加在兩輸入端上的信號(hào)可分解為：（2）電壓放大倍數(shù)差分放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)叫做差模電壓放大倍數(shù)，用Aud表示，假設(shè)兩邊單管放大電路完全對(duì)稱(chēng)，且每一邊單管放大電路的電壓放大倍數(shù)為Au1，可以推出當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，Aud為：上式表明：差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。多用一個(gè)放大管后，雖然電壓放大倍數(shù)沒(méi)有增加，但是換來(lái)了對(duì)零漂的抑制。這正是差分放大電路的優(yōu)點(diǎn)。差分放大電路對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)叫做共模電壓放大倍數(shù)，用Auc表示，可以推出，當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，Auc為：

上式表明：差分放大電路對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大作用。（3）工作原理由電壓放大倍數(shù)可以看出，差分放大電路只對(duì)差模信號(hào)有放大作用，而對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大作用，這正是我們所希望的結(jié)果。因?yàn)楣材Ｐ盘?hào)就是由于外界干擾而產(chǎn)生的有害信號(hào)，如零漂信號(hào)，必須加以抑制。這里可以這樣解釋?zhuān)翰罘址糯箅娐肪哂袑?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)有外界干擾時(shí)，例如溫度變化，對(duì)兩只管子的影響完全相同，因此在兩輸入端產(chǎn)生的輸入信號(hào)也完全相同，這就是共模輸入信號(hào)。綜上所述，差分放大電路要想放大輸入信號(hào)，必須使兩輸入端的信號(hào)有差別，正所謂“輸入有差別，輸出才有變動(dòng)”，差分放大電路由此得名。（4）共模抑制比差分放大電路的共模抑制比用符號(hào)KCMR表示，它定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，一般用對(duì)數(shù)表示，單位為分貝（dB），即

共模抑制比描述差分放大電路對(duì)共模信號(hào)即零漂的抑制能力。KCMR愈大，說(shuō)明抑制零漂的能力愈強(qiáng)。在理想情況下，差分放大電路兩側(cè)的參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)，兩管輸出端的零漂完全抵消，則共模電壓放大倍數(shù)Auc=0，共模抑制比KCMR=∞。對(duì)于基本形式的差分放大電路而言，由于內(nèi)部參數(shù)不可能絕對(duì)匹配，所以輸出電壓uO仍然存在零點(diǎn)漂移，共模抑制比很低。而且從每個(gè)三極管的集電極對(duì)地電壓來(lái)看，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒(méi)有改善。因此，在實(shí)際工作中一般不采用這種基本形式的差分放大電路，而是在此基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，組成了長(zhǎng)尾式差分放大電路。2.長(zhǎng)尾式差分放大電路（1）電路組成在圖6-6的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)放大管的發(fā)射極接入一個(gè)發(fā)射極電阻RE，如圖6-9所示。這個(gè)電阻像一條“長(zhǎng)尾”，所以這種電路稱(chēng)為長(zhǎng)尾式差分放大電路。圖6-9工作原理分析：長(zhǎng)尾電阻RE對(duì)共模信號(hào)具有抑制作用。假設(shè)在電路輸入端加上正的共模信號(hào)，則兩個(gè)管子的集電極電流iC1、iC2同時(shí)增加，使流過(guò)發(fā)射極電阻RE的電流iE增加，于是發(fā)射極電位uE升高，從而兩管的uBE1、uBE2降低，進(jìn)而限制了iC1、iC2的增加。但是對(duì)于差模輸入信號(hào)，由于兩管的輸入信號(hào)幅度相等而極性相反，所以iC1增加多少，iC2就減少同樣的數(shù)量，因而流過(guò)RE的電流總量保持不變，即△uE=0，所以RE對(duì)差模輸入信號(hào)無(wú)影響。由以上分析可知，長(zhǎng)尾電阻RE的接入使共模放大倍數(shù)減小，降低了每個(gè)管子的零點(diǎn)漂移，但對(duì)差模放大倍數(shù)沒(méi)有影響，因此提高了電路的共模抑制比。RE愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，隨著RE的增大，RE上的直流壓降將愈來(lái)愈大。為此，在電路中引入一個(gè)負(fù)電源VEE來(lái)補(bǔ)償RE上的直流壓降，以免輸出電壓變化范圍太小。引入VEE后，靜態(tài)基極電流可由VEE提供，因此可以不接基極電阻Rb，如圖6-9所示。（2）靜態(tài)分析當(dāng)輸入電壓等于零時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，故設(shè)IBQ1=IBQ

2=IBQ，ICQ1=ICQ

2

=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，β1=β

2=β。

由三極管的基極回路可得：

IBQR+UBEQ+2IE

QRE=VEE

則靜態(tài)基極電流為：靜態(tài)集電極電流和電位為：

ICQ≈IBQ

UCQ=VCC-ICQ

Rc(對(duì)地)靜態(tài)基極電位為：

UBQ=-IBQR(對(duì)地)（3）動(dòng)態(tài)分析當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，由于兩管的輸入電壓大小相等、方向相反，流過(guò)兩管的電流也大小相等、方向也相反，結(jié)果使得長(zhǎng)尾電阻RE上的電流變化為零，則uE=0?？梢哉J(rèn)為：RE對(duì)差模信號(hào)呈短路狀態(tài)。交流通路如圖6-10所示。圖6-10

說(shuō)明：圖中RL為接在兩個(gè)三極管集電極之間的負(fù)載電阻。當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，一管集電極電位降低，另一管集電極電位升高，而且升高與降低的數(shù)值相等，于是可以認(rèn)為RL中點(diǎn)處的電位為零。也就是說(shuō)，在RL/2處相當(dāng)于交流接地。根據(jù)交流通路可得差模電壓放大倍數(shù)為：其中RL/=Rc//（RL/2）。從兩管輸入端向里看，差模輸入電阻為：

Rid=2（R+rbe）

兩管集電極之間的輸出電阻為：

Ro=2Rc在長(zhǎng)尾式差分放大電路中，為了在兩參數(shù)不完全對(duì)稱(chēng)的情況下能使靜態(tài)時(shí)的uo為零，常常接入調(diào)零電位器RP，如圖6-11所示。例6-1在圖6-11所示的差分放大電路中，已知VCC=VEE=12V，三極管的=50，Rc=30kΩ，RE=27kΩ，R=10kΩ，RP=500Ω，設(shè)電位器RP的活動(dòng)端調(diào)在中間位置，負(fù)載電阻RL=20kΩ。試估算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q、差模電壓放大倍數(shù)Aud、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。解由三極管的基極回路可知圖6-11則ICQ≈IBQ=50×0.004=0.2mAUCQ=VCC-ICQRc=12–0.2×30=6V

UBQ=-IBQR=-0.004×10=-0.04V=-40mV放大電路中引入RE對(duì)差模電壓放大倍數(shù)沒(méi)有影響，但調(diào)零電位器只流過(guò)一個(gè)管子的電流，因此將使差模電壓放大倍數(shù)降低。放大電路的交流通路如圖6-12所示。圖6-12差模電壓放大倍數(shù)為：式中輸入電阻輸出電阻Ro=2Rc=2×30=60kΩ3.恒流源式差分放大電路

電路產(chǎn)生背景：在長(zhǎng)尾式差分放大電路中，RE越大，抑制零漂的能力越強(qiáng)。但RE的增大是有限的，原因有兩個(gè)：一是在集成電路中難于制作大電阻；二是在同樣的工作電流下RE越大，所需VEE將越高。為此，可以考慮采用一個(gè)三極管代替原來(lái)的長(zhǎng)尾電阻RE。在三極管輸出特性的恒流區(qū)，當(dāng)集電極電壓有一個(gè)較大的變化量△uCE時(shí)，集電極電流iC基本不變。此時(shí)三極管C-E之間的等效電阻的值很大。用恒流三極管充當(dāng)一個(gè)阻值很大的長(zhǎng)尾電阻RE，既可在不用大電阻的條件下有效地抑制零漂，又適合集成電路制造工藝中用三極管代替大電阻的特點(diǎn)，因此，這種方法在集成運(yùn)放中被廣泛采用。恒流源式差分放大電路如圖6-13所示。由圖可見(jiàn)，恒流管T3的基極電位由RB1、RB2分壓后得到，可認(rèn)為基本不受溫度變化的影響，則當(dāng)溫度變化時(shí)T3的發(fā)射極電位和發(fā)射極電流也基本保持穩(wěn)定，而兩個(gè)放大管的集電極電流iC1和iC2之和近似等于iC3，所以iC1和iC2將不會(huì)因溫度的變化而同時(shí)增大或減小，可見(jiàn)，接入恒流三極管后，抑制了共模信號(hào)的變化。有時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，常常不把恒流源式差分放大電路中恒流管T3的具體電路畫(huà)出，而采用一個(gè)簡(jiǎn)化的恒流源符號(hào)來(lái)表示，如圖6-14所示。圖6-13圖6-144.差分放大電路的四種輸入、輸出接法差分放大電路有兩個(gè)放大三極管，它們的基極和集電極分別是放大電路的兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。差分放大電路的輸入、輸出端可以有4種不同的接法，即雙端輸入、雙端輸出，雙端輸入、單端輸出，單端輸入、雙端輸出，單端輸入、單端輸出，如圖6-15所示。圖6-15根據(jù)前面對(duì)雙端輸入、雙端輸出差分放大電路的分析，讀者可自行分析其他三種接法的差分電路。當(dāng)輸入、輸出的接法不同時(shí)，放大電路的性能、特點(diǎn)也不盡相同。其性能比較如表6-1所列。表6-1差分放大電路四種接法之性能比較接法性能雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、單端輸出單端輸入、雙端輸出單端輸入、單端輸出AudRid2（R+rbe）2（R+rbe）≈2（R+rbe）≈2（R+rbe）Ro2RcRc2RcRcKCMR很高較高很高較高特點(diǎn)Aud與單管放大電路的Au基本相同；適用于輸入信號(hào)和負(fù)載的兩端均不接地的情況Aud約為雙端輸出時(shí)的一半；適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出Aud與單管放大電路的Au基本相同；適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出Aud約為雙端輸出時(shí)的一半；適用于輸入、輸出均要求接地的情況；選擇從不同的管子輸出，可使輸出、輸入電壓反相或同相6.2.3中間級(jí)——采用有源負(fù)載的共射放大電路中間級(jí)的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，為此，不僅要求中間級(jí)本身具有較高的電壓增益，同時(shí)為了減少對(duì)前級(jí)的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。共射放大電路（或共源放大電路，此處以共射放大電路為例）具有較高的電壓放大倍數(shù)，而且，為了提高電壓放大倍數(shù)，比較有效地方法是增大集電極電阻Rc。然而，一方面集成電路的工藝不便于制造大電阻；另一方面，為了維持放大管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc的同時(shí)必須提高電源電壓，當(dāng)電源電壓增大到一定程度時(shí)，電路的設(shè)計(jì)就變得不合理了。由前面對(duì)恒流源式差分放大電路的介紹可知，當(dāng)三極管工作在放大區(qū)（也稱(chēng)恒流區(qū)）時(shí)，c-e之間的等效電阻rce的值很大。因此，在集成運(yùn)放中，常采用由三極管構(gòu)成的電流源取代Rc，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可得到很大的等效的Rc。由于三極管和場(chǎng)效應(yīng)管均為有源器件，而上述電路中又以它們作為負(fù)載，故稱(chēng)之為有源負(fù)載。另外，中間級(jí)的放大管有時(shí)采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式，這樣不僅可以得到很高的電流放大系數(shù)β，以便提高本級(jí)的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級(jí)的輸入電阻，以免對(duì)前級(jí)放大倍數(shù)產(chǎn)生不良的影響，特別是在前級(jí)采用有源負(fù)載時(shí)，其效果是提高了集成運(yùn)放總的電壓放大倍數(shù)。1.復(fù)合管的接法及其β和rbe復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管組合而成。復(fù)合管的接法有多種，它們可以由相同類(lèi)型的三極管組成，也可以由不同類(lèi)型的三極管組成。例如在圖6-16中，圖（a）和（b）分別由兩個(gè)同為NPN型或同為PNP型的三極管組成，但圖（c）和（d）中的復(fù)合管卻由不同類(lèi)型的三極管組成。圖6-16復(fù)合管的復(fù)合原則：

首先，在前后兩個(gè)三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級(jí)三極管的輸出電流與后級(jí)三極管的輸入電流的實(shí)際方向一致，以便形成適當(dāng)?shù)碾娏魍?，否則電路不能形成通路，復(fù)合管無(wú)法正常工作。其次，為了實(shí)現(xiàn)電流放大，應(yīng)將前級(jí)管的集電極電流或發(fā)射極電流作為后級(jí)管的基極電流，外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)三極管均為發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，使兩管都工作在放大區(qū)。例如在圖6-16（a）和（b）中，前級(jí)的iE1就是后級(jí)的iB2，二者的實(shí)際方向一致。而在圖（c）和（d）中，前級(jí)的iC1就是后級(jí)的iB2，二者的實(shí)際方向也一致。至于基極回路和集電極回路的外加電壓，應(yīng)為如圖括號(hào)內(nèi)所示的正、負(fù)極性，則前后兩個(gè)三極管均工作在放大區(qū)。綜合圖6-16所示的幾種復(fù)合管，可以得出以下結(jié)論：（1）由兩個(gè)相同類(lèi)型的三極管組成的復(fù)合管，其類(lèi)型與原來(lái)相同。復(fù)合管的β≈β1β2，復(fù)合管的rbe=rbe1+（1+β1）rbe2。（2）由兩個(gè)不同類(lèi)型的三極管組成的復(fù)合管，其類(lèi)型與前級(jí)三極管相同。復(fù)合管的β=β1（1+β2）≈β1β2，復(fù)合管的rbe=rbe1。通過(guò)介紹可以看出，復(fù)合管與單個(gè)三極管相比，其電流放大系數(shù)β大大提高，因此，復(fù)合管常用于運(yùn)放的中間級(jí)，以提高整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)，不僅如此，復(fù)合管也常常用于輸入級(jí)和輸出級(jí)。2.由復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路圖6-17所示為利用復(fù)合管構(gòu)成的有源負(fù)載共射放大電路。圖6-17其中三極管T1和T2組成的NPN型復(fù)合管是放大管，T3管是復(fù)合管得有源負(fù)載。T3與T4組成鏡像電流源，作為偏置電路，負(fù)責(zé)為放大管提供合適的集電極直流偏置電流ICQ。由圖可得，基準(zhǔn)電流IREF由VCC、T4和R支路產(chǎn)生，其表達(dá)式為：根據(jù)基準(zhǔn)電流IREF，即可確定放大管的集電極靜態(tài)電流ICQ。當(dāng)＞＞2時(shí)，ICQ≈IREF。6.2.4輸出級(jí)——功率放大電路集成運(yùn)放的輸出級(jí)是向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大，一般采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的功率放大電路。1.功率放大電路的特點(diǎn)（1）因?yàn)樾盘?hào)的幅度放大在前置電路中已經(jīng)完成，所以功率放大電路對(duì)電壓放大倍數(shù)并無(wú)要求。由于射極輸出器的輸出電流較大，能使負(fù)載獲得較大輸出功率，并且它的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，因此通常采用射極輸出器作為基本的功率放大電路。不過(guò)單個(gè)的射極輸出器對(duì)信號(hào)正負(fù)半周的跟隨能力不同，在實(shí)用的功率放大電路中大多采用雙管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路形式。（2）為了能獲得足夠大的不失真輸出功率，功率放大電路中的電壓、電流幅度都很大，使輸出信號(hào)容易產(chǎn)生非線(xiàn)性失真，這就需要根據(jù)負(fù)載要求規(guī)定允許的失真度范圍，一般也不采用微變等效電路法進(jìn)行分析。（3）為了提高功率放大電路的工作效率，需要盡可能降低其靜態(tài)工作電流。但靜態(tài)工作電流太小容易引起輸出信號(hào)的失真，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路形式的功率放大電路可以克服因不適合的工作點(diǎn)而引起的非線(xiàn)性失真。2.功放管的三種工作狀態(tài)低頻功率輸出級(jí)按功放管的工作狀態(tài)，可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)三種。它們各有特點(diǎn)。

甲類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)失真?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯箅娐范脊ぷ髟谶@種狀態(tài)）；缺點(diǎn)是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ，這時(shí)管耗PC大，而且甲類(lèi)放大時(shí)，不管有無(wú)輸入信號(hào)，電源供給的功率是不變的?？梢宰C明，即使在理想條件下，甲類(lèi)放大電路的效率最高也只有50%，那些對(duì)于輸出功率及效率要求不高的功率放大電路可以采用甲類(lèi)。如果在甲類(lèi)的基礎(chǔ)上，把靜態(tài)工作點(diǎn)Q向下移動(dòng)，使靜態(tài)電流ICQ等于零，這樣就能改變甲類(lèi)放大時(shí)效率低的狀況，這種工作方式下的電路稱(chēng)為乙類(lèi)放大電路。乙類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。乙類(lèi)放大電路提高了能量的轉(zhuǎn)換效率，在理想情況下效率可達(dá)78.5%，但此時(shí)卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期，僅在半個(gè)周期內(nèi)三極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)，只能對(duì)半個(gè)周期的輸入信號(hào)進(jìn)行放大。如果將工作點(diǎn)Q設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，使三極管的導(dǎo)通時(shí)間大于信號(hào)的半個(gè)周期，且小于一個(gè)周期，這類(lèi)工作方式下的電路稱(chēng)為甲乙類(lèi)放大電路。目前常用的音頻功率放大電路中，功放管多數(shù)是工作在甲乙類(lèi)放大狀態(tài)。這種電路的效率略低于乙類(lèi)放大，但它克服了乙類(lèi)放大電路的失真問(wèn)題，目前使用較廣泛。3.OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路（1）乙類(lèi)OCL電路圖6-18所示是雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)功率放大電路。它由兩個(gè)不同類(lèi)型的管子構(gòu)成的射極輸出器組合而成。T1是NPN型管，T2是PNP型管，T1和T2管的基極連在一起作為信號(hào)輸入端，發(fā)射極連在一起作為信號(hào)輸出端，RL為負(fù)載。電路中正、負(fù)電源對(duì)稱(chēng)，兩管參數(shù)對(duì)稱(chēng)。圖6-18工作原理分析：電路的工作原理可簡(jiǎn)述如下：由于兩管都沒(méi)有偏置電阻，故靜態(tài)（ui=0）時(shí)，兩管都截止，此時(shí)IBQ、ICQ、IEQ均為零，負(fù)載上無(wú)電流通過(guò)，輸出電壓uo=0。動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)ui為正半周時(shí)，ui＞0，兩管的基極電位為正，故T1管導(dǎo)通，T2管截止，電流iC1從+VCC流出，經(jīng)T1后流過(guò)負(fù)載電阻RL，在負(fù)載RL上形成正半周輸出電壓uo＞0。當(dāng)輸入信號(hào)ui為負(fù)半周時(shí)，ui＜0，兩管的基極電位為負(fù)，故T2管導(dǎo)通，T1管截止，ic2從-VCC通過(guò)T2流過(guò)負(fù)載RL，在RL上形成負(fù)半周輸出電壓uo＜0。不難看出，在輸入信號(hào)ui的一個(gè)周期內(nèi)，T1、T2管輪流導(dǎo)通，而且iC1、iC2流過(guò)負(fù)載的方向相反，從而形成完整的正弦波。由于靜態(tài)時(shí)兩管的靜態(tài)偏置電流均為零，這種工作方式稱(chēng)為乙類(lèi)放大電路。這種電路中的三極管交替工作，組成推挽式電路，兩個(gè)管子互補(bǔ)對(duì)方缺少的另一個(gè)半周，且互相對(duì)稱(chēng)，故稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。這種電路又稱(chēng)為無(wú)輸出電容的功率放大電路，即OCL（OutputCapacitorless）。交越失真：乙類(lèi)電路由于靜態(tài)電流為零，因此效率較高；但是它會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真，這是因?yàn)楫?dāng)輸入電壓ui小于管子的死區(qū)電壓時(shí)，兩個(gè)管子均是截止的，這段范圍里的輸出電壓uo=0，從而在輸出電壓的交越處產(chǎn)生不連續(xù)的間斷點(diǎn)，這種失真稱(chēng)為交越失真，如圖6-19所示。交越失真是由于管子工作在乙類(lèi)狀態(tài)引起的，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)用電路都采用甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。圖6-19乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路的主要工作指標(biāo)如下：最大輸出功率：當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，可使負(fù)載獲得最大輸出功率。負(fù)載電壓為正弦波形，若忽略管子的飽和壓降，其幅值（最大值）為：

Uom=VCC負(fù)載電流幅值為：則OCL電路的最大輸出功率為：如果考慮管子的飽和壓降UCES，則最大輸出功率為：電源提供功率：直流電源的電壓為VCC，電流即為管子中的集電極電流。因此，在一個(gè)周期里兩個(gè)電源提供的平均功率為：這是在輸入信號(hào)足夠大時(shí)得到的電源功率。效率：放大電路的輸出能量是由直流電源提供的，因此電路的工作效率是指輸出功率和電源提供功率的比值，即當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，并忽略管子的飽和壓降UCES時(shí)，其效率為：這是理想狀態(tài)的效率，實(shí)際效率要比這個(gè)數(shù)值小。每個(gè)管子的最大管耗：直流電源提供的功率與輸出功率之差就是消耗在三極管的功率，即管耗PT?？汕蟮卯?dāng)時(shí)，三極管的管耗最大，此時(shí)，每只三極管的最大管耗為：管子c-e間承受的最大電壓：為2VCC。以上參數(shù)可用于對(duì)功率放大管的選擇。（2）甲乙類(lèi)OCL電路為了克服乙類(lèi)電路產(chǎn)生的交越失真，實(shí)際工作時(shí)廣泛采用圖6-20所示的甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。圖中通過(guò)電阻R1和R2及兩個(gè)二極管為三極管T1和T2建立了較小的靜態(tài)基極電流，使它們?cè)陟o態(tài)時(shí)已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這種偏置方式稱(chēng)為甲乙類(lèi)電路。由于三極管已經(jīng)導(dǎo)通，當(dāng)加入輸入信號(hào)ui后，立即會(huì)有輸出電流流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載上得到的輸出電壓，在正負(fù)交替處比較平滑，因此輸出波形將是較為理想的正弦波。在甲乙類(lèi)電路中為了減小靜態(tài)損耗，提高效率，通常工作點(diǎn)選得很低。因此，甲乙類(lèi)電路的工作狀況和乙類(lèi)基本相似，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可按乙類(lèi)電路方式估算。圖6-204.OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路圖6-20所示電路中，由于靜態(tài)時(shí)T1、T2兩管的發(fā)射極電位為零，故負(fù)載可直接連接到發(fā)射極，而不必采用耦合電容，因此稱(chēng)為OCL電路。其特點(diǎn)是低頻效應(yīng)好，便于集成。但需要兩個(gè)獨(dú)立電源，使用很不方便。為了簡(jiǎn)化電路，可采用單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，如圖6-21所示。與圖6-20相比省去了一個(gè)負(fù)電源（-VCC），在兩管的發(fā)射極與負(fù)載之間增加了電容C，這種電路通常稱(chēng)為無(wú)輸出變壓器的功率放大電路，即OTL（OutputTransformless）功率放大電路。圖6-215.由復(fù)合管組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路如果集成運(yùn)放輸出端的負(fù)載電流比較大，必須要求互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管T1和T2是能輸出大電流的三極管。但是，大電流的三極管一般β值較低，因此就需要中間級(jí)輸出大的推動(dòng)電流提供給輸出級(jí)。在集成運(yùn)放電路中，中間級(jí)一般是電壓放大，很難輸出大的電流。為了解決這一矛盾，一般輸出級(jí)采用由復(fù)合管構(gòu)成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。如圖6-22所示。這種互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路有一個(gè)缺點(diǎn)，大功率三極管T3是NPN型，而T4是PNP型，它們類(lèi)型不同，很難做到特性互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)。圖6-22為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可使T3和T4采用同一類(lèi)型甚至同一型號(hào)的三極管，例如二者均為NPN型，而T2則用另一類(lèi)型的三極管，如PNP型，如圖6-23所示。此時(shí)T2與T4組成的復(fù)合管為PNP型，可與T1、T3組成的NPN型復(fù)合管實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。這種電路稱(chēng)為準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。圖中接入電阻Re1和Rc2是為了調(diào)整功率管T3和T4的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖6-236.3集成運(yùn)放的典型電路及性能指標(biāo)6.3.1雙極型集成運(yùn)放F007F007屬于第二代通用型集成運(yùn)放，目前應(yīng)用比較廣泛。F007的外形常見(jiàn)的為圓殼式，共有12個(gè)引腳，圖6-24所示為F007的電路原理圖。由圖可見(jiàn)，電路包括4個(gè)組成部分：偏置電路、差動(dòng)放大輸入級(jí)、中間級(jí)以及輸出級(jí)和過(guò)載保護(hù)電路。各部分電路分別介紹如下：（1）偏置電路F007的偏置電路由圖6-24中的T8～T13以及電阻R4、R5等元件組成。其作用是為各級(jí)放大器設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。（2）輸入級(jí)F007的輸入級(jí)由T1、T2、T3和T4組成共集-共基差動(dòng)放大電路，T5和T6構(gòu)成有源負(fù)載，代替負(fù)載電阻Rc。差動(dòng)輸入信號(hào)由T1、T2的基極送入，從T4的集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。輸入級(jí)的主要作用是減小零漂，提高共模抑制比。（3）中間級(jí)F007中間級(jí)的放大管是由T16、T17組成的復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。所以中間級(jí)不僅能提供很高的電壓放大倍數(shù)，而且具有很高的輸入電阻，避免降低前級(jí)的電壓放大倍數(shù)。（4）輸出級(jí)F007的輸出級(jí)由T14、T18和T19組成。NPN型三極管T14和T18、T19組成的PNP型復(fù)合管構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。其中T14與T19同為NPN型管，特性比較容易匹配。輸出級(jí)采用這種準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，主要是為了提高運(yùn)放的輸出功率和帶負(fù)載能力。6.3.2集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)放性能的好壞，可用其性能指標(biāo)來(lái)衡量。為了合理正確地選擇和使用運(yùn)放，必須明確其性能指標(biāo)的意義。（1）開(kāi)環(huán)差模電壓增益AodAod是指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下的直流差模增益，一般用對(duì)數(shù)表示，單位為分貝（dB）。它是頻率的函數(shù)，也是影響運(yùn)算精度的重要參數(shù)。一般運(yùn)放的Aod為60dB～120dB，性能較好的運(yùn)放Aod＞140dB。（2）共模抑制比共模抑制比是指運(yùn)放的差模電壓增益Aud與共模電壓增益Auc之比，一般也用對(duì)數(shù)表示。一般運(yùn)放的KCMR為80～160dB。該指標(biāo)用以衡量集成運(yùn)放抑制零漂的能力。（3）差模輸入電阻Rid該指標(biāo)是指開(kāi)環(huán)情況下，輸入差模信號(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。其定義為差模輸入電壓Uid與相應(yīng)的輸入電流Iid的變化量之比。Rid用以衡量集成運(yùn)放向信號(hào)源索取電流的大小。該指標(biāo)越大越好，一般運(yùn)放的Rid為10kΩ～3MΩ。（4）輸入失調(diào)電壓UiO它的定義是，為了使運(yùn)放在零輸入時(shí)零輸出，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。UiO實(shí)際上就是輸出失調(diào)電壓折合到輸入端電壓的負(fù)值，其大小反映了運(yùn)放電路的對(duì)稱(chēng)程度。UiO越小越好，一般為±（0.1～10）mV。（5）最大差模輸入電壓Uidm這是集成運(yùn)放反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。若超過(guò)這個(gè)限度，輸入級(jí)差分對(duì)管中的一個(gè)管子的發(fā)射結(jié)可能被反向擊穿。若輸入級(jí)由NPN管構(gòu)成，則其Uidm約為±5V，若輸入級(jí)含有橫向PNP管，則Uidm可達(dá)±30V以上。（6）單位增益帶寬BWG和開(kāi)環(huán)帶寬BWHfBWG指開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod下降到0dB（即Aod=1）時(shí)的信號(hào)頻率，它與三極管的特征頻率相類(lèi)似。BWG用來(lái)衡量運(yùn)放的一項(xiàng)重要品質(zhì)因素——增益帶寬積的大小。BWHf則指Aod下降3dB時(shí)的信號(hào)頻率。BWHf一般不高，約幾十赫茲至幾百千赫茲，低的只有幾赫茲。除上述指標(biāo)外，還有轉(zhuǎn)換速率SR、輸入偏置電流IiB、靜態(tài)功耗PC、最大輸出電壓Uomax等，這里不再一一介紹。6.4放大電路中的反饋6.4.1理想運(yùn)放的概念及工作特點(diǎn)1.什么是理想運(yùn)放在分析集成運(yùn)放的各種應(yīng)用電路時(shí)，常常將其中的集成運(yùn)放看成是一個(gè)理想的運(yùn)算放大器。所謂理想運(yùn)放：就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)為：開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod=∞；差模輸入電阻Rid=∞；輸出電阻Ro=0；共模抑制比KCMR=∞；輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及它們的零漂均為零。實(shí)際的集成運(yùn)放當(dāng)然達(dá)不到上述理想化的技術(shù)指標(biāo)。但由于集成運(yùn)放工藝水平的不斷提高，集成運(yùn)放產(chǎn)品的的各項(xiàng)性能指標(biāo)愈來(lái)愈好。因此，一般情況下，在分析估算集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，將實(shí)際運(yùn)放看成理想運(yùn)放所造成的誤差，在工程上是允許的。后面的分析中，如無(wú)特別說(shuō)明，均將集成運(yùn)放作為理想運(yùn)放進(jìn)行討論。2.理想運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)在各種應(yīng)用電路中集成運(yùn)放的工作狀態(tài)有線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N狀態(tài)，在其傳輸特性曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)兩個(gè)區(qū)域，即線(xiàn)性區(qū)和非線(xiàn)性區(qū)。集成運(yùn)放的電路符號(hào)和電壓傳輸特性分別如圖6-25（a）和（b）所示。圖6-25由6-25圖（a）所示電路符號(hào)可以看出，運(yùn)放有同相和反相兩個(gè)輸入端，分別對(duì)應(yīng)其內(nèi)部差動(dòng)輸入級(jí)的兩個(gè)輸入端，u+代表同相輸入端電壓，u-代表反相輸入端電壓，輸出電壓uo與u+具有同相關(guān)系，與u-具有反相關(guān)系。運(yùn)放的差模輸入電壓uid=（u+-u-）。圖（b）中，虛線(xiàn)代表實(shí)際運(yùn)放的傳輸特性，實(shí)線(xiàn)代表理想運(yùn)放?？梢钥闯觯€(xiàn)性工作區(qū)非常窄，當(dāng)輸入端電壓的幅度稍有增加，則運(yùn)放的工作范圍將超出線(xiàn)性放大區(qū)而到達(dá)非線(xiàn)性區(qū)。運(yùn)放工作在不同狀態(tài)，其表現(xiàn)出的特性也不同，下面分別討論。（1）線(xiàn)性工作狀態(tài)當(dāng)運(yùn)放工作在線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓與兩個(gè)輸入端電壓之間存在著線(xiàn)性放大關(guān)系，即

（6-27）

理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：①理想運(yùn)放的差模輸入電壓uid很小，約等于零，即u+≈u-。由于運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，故輸出、輸入電壓之間符合式（6-27）。而且，因理想運(yùn)放的Aod=∞，所以由式（6-27）可得：即或式（6-28）表明，同相輸入端與反相輸入端的電位相等，如同將該兩點(diǎn)短路一樣，但實(shí)際上該兩點(diǎn)并未真正被短路，因此常將此特點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為“虛短”。

說(shuō)明：實(shí)際集成運(yùn)放的Aod≠∞，因此u+與u-不可能完全相等。但是當(dāng)Aod足夠大時(shí)，集成運(yùn)放的差模輸入電壓（u+-u-）的值很小，可以忽略。例如，在線(xiàn)性區(qū)內(nèi)，當(dāng)uo=10V時(shí)，若Aod=105，則u+-u-=0.1mV；若Aod=107，則u+-u-=1μV?？梢?jiàn)，在一定的uo值下，集成運(yùn)放的Aod愈大，則u+與u

-的差值愈小，將兩點(diǎn)視為短路所帶來(lái)的誤差也愈小。（6-28）②理想運(yùn)放的輸入電流很小，約等于零。由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻Ri

d=∞，因此在其兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即在圖6-25（a）中，有此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如同該兩點(diǎn)被斷開(kāi)一樣，將此特點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為“虛斷”。注意：“虛短”和“虛斷”是理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要特點(diǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)常常作為今后分析運(yùn)放應(yīng)用電路的出發(fā)點(diǎn)，因此必須牢固掌握。（2）非線(xiàn)性工作狀態(tài)如果運(yùn)放的工作信號(hào)超出了線(xiàn)性放大的范圍，則輸出電壓與輸入電壓不再滿(mǎn)足式（6-27），即uo不再隨差模輸入電壓ui

d線(xiàn)性增長(zhǎng)，uo將達(dá)到飽和，如圖6-25（b）中所示的非線(xiàn)性工作區(qū)。理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，也有兩個(gè)重要特點(diǎn)：①理想運(yùn)放的輸出電壓uo只有兩種取值：或等于運(yùn)放的正向最大輸出電壓+UOM，或等于其負(fù)向最大輸出電壓-UOM，如圖6-25（b）中的實(shí)線(xiàn)所示。當(dāng)u+＞u-時(shí)，uo=+UOM

當(dāng)u+＜u-時(shí)，uo=-UOM

在非線(xiàn)性工作狀態(tài)內(nèi)，運(yùn)放的差模輸入電壓uid可能很大，即u+≠u(mài)

-。也就是說(shuō)，此時(shí)“虛短”現(xiàn)象不復(fù)存在。（6-30）②理想運(yùn)放的輸入電流很小，約等于零。因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的Rid=∞，故在非線(xiàn)性區(qū)仍滿(mǎn)足輸入電流等于零，即式（6-29）對(duì)非線(xiàn)性工作區(qū)仍然成立。小結(jié)：如上所述，理想運(yùn)放工作在不同狀態(tài)時(shí)，其表現(xiàn)出的特點(diǎn)也不相同。因此，在分析各種應(yīng)用電路時(shí)，首先必須判斷其中的集成運(yùn)放究竟工作在哪種狀態(tài)。集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod通常很大，如不采取適當(dāng)措施，即使在輸入端加一個(gè)很小的電壓，仍有可能使集成運(yùn)放超出線(xiàn)性工作范圍。為了保證運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，一般情況下，必須在電路中引入深度負(fù)反饋，以減小直接施加在運(yùn)放兩個(gè)輸入端的凈輸入電壓。6.4.2反饋的基本概念及判別方法1.反饋的基本概念在第5章介紹分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路時(shí)曾經(jīng)提出過(guò)反饋的概念。在該電路中引入反饋起到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。

所謂反饋就是將放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定的電路形式（反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到它的輸入端來(lái)影響輸入量（電壓或電流）的連接方式。為了更好地理解反饋的概念，我們將引入反饋的放大電路用一個(gè)方框圖表示，如圖6-26所示。為了表示一般情況，圖6-26所示方框圖中的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和反饋信號(hào)都用正弦相量表示，它們可能是電壓量，也可能是電流量。圖6-26圖中，上面一個(gè)方框表示放大網(wǎng)絡(luò)，無(wú)反饋時(shí)放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)為，下面一個(gè)方框表示能夠把輸出信號(hào)的一部分或者全部送回到輸入端的電路，稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋系數(shù)用表示；箭頭線(xiàn)表示信號(hào)傳輸方向，信號(hào)在放大網(wǎng)絡(luò)中為正向傳遞，在反饋網(wǎng)絡(luò)中為反向傳遞；符號(hào)表示信號(hào)疊加，輸入信號(hào)由前級(jí)電路提供；反饋信號(hào)是反饋網(wǎng)絡(luò)從輸出端取樣后送回到輸入端的信號(hào)；是輸入信號(hào)與反饋信號(hào)在輸入端疊加后的凈輸入信號(hào)，“+”和“-”表示和參與疊加時(shí)的規(guī)定正方向；為輸出信號(hào)。通常，從輸出端取出信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為取樣；把與的疊加過(guò)程稱(chēng)為比較。引入反饋后，放大電路與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路，所以有時(shí)把引入了反饋的放大電路叫做閉環(huán)放大電路（或稱(chēng)閉環(huán)系統(tǒng)），而未引入反饋的放大電路叫做開(kāi)環(huán)放大電路（或稱(chēng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）。2.反饋的分類(lèi)及判別方法介紹反饋的分類(lèi)之前，首先應(yīng)搞清如何判斷電路中是否引入了反饋。若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路相連接的通路，即反饋電路，并由此影響了放大電路的凈輸入量，則表明電路中引入了反饋；否則電路中便沒(méi)有反饋。在圖6-27（a）所示電路中，集成運(yùn)放的輸出端與同相輸入端、反向輸入端均無(wú)通路，故電路中沒(méi)有反饋。在圖6-27（b）所示電路中，電阻R2將集成運(yùn)放的輸出端與反相輸入端相連接，因而集成運(yùn)放的凈輸入量不僅決定于輸入信號(hào)，還與輸出信號(hào)有關(guān)，所以該電路中引入了反饋。在圖6-27（c）所示電路中，雖然電阻R跨接在集成運(yùn)放的輸出端與同相輸入端之間，但是由于同相輸入端接地，所以R只不過(guò)是集成運(yùn)放的負(fù)載，而不會(huì)使uo作用于輸入回路，可見(jiàn)電路中沒(méi)有引入反饋。由以上分析可知：尋找電路中有無(wú)反饋通路是判斷電路中是否引入反饋的主要方法。只有首先判斷出電路中存在反饋，繼而才能進(jìn)一步分析反饋的類(lèi)型。圖6-27（1）正反饋和負(fù)反饋按照反饋量極性分類(lèi)，有正反饋和負(fù)反饋。以圖6-26為例，如果反饋量Xf增強(qiáng)了凈輸入量Xi

/

，使輸出量有所增大，稱(chēng)為正反饋。反之，如果反饋量Xf削弱了凈輸入量Xi/，使輸出量有所減小，則稱(chēng)為負(fù)反饋。判斷正、負(fù)反饋，一般用瞬時(shí)極性法。具體方法如下：①首先假設(shè)輸入信號(hào)某一時(shí)刻的瞬時(shí)極性為正（用“+”表示）或負(fù)（用“-”表示），“+”號(hào)表示該瞬間信號(hào)有增大的趨勢(shì)，“-”則表示有減小的趨勢(shì)。②根據(jù)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位關(guān)系，逐步推斷電路有關(guān)各點(diǎn)此時(shí)的極性，最終確定輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性。③再根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的連接情況，分析凈輸入量的變化，如果反饋信號(hào)使凈輸入量增強(qiáng)，即為正反饋，反之為負(fù)反饋。

例6-2試判斷下圖所示電路中引入的是正反饋還是負(fù)反饋。解圖（a）所示電路中，假設(shè)集成運(yùn)放同相輸入端輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為“+”，因而輸出電壓uo的極性對(duì)地為“+”，uo通過(guò)電阻R2在電阻R1上產(chǎn)生的反饋電壓uF的極性對(duì)地也為“+”，所以?xún)糨斎腚妷簎i/等于輸入電壓ui減去反饋電壓uF，即ui/=ui-uF，顯然反饋的結(jié)果使凈輸入電壓減小。說(shuō)明該電路引入的反饋是負(fù)反饋。

圖（b）所示電路中，假設(shè)集成運(yùn)放反相輸入端輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為“+”，因而輸出電壓uo的極性對(duì)地為“-”，uo通過(guò)電阻R2在電阻R1上產(chǎn)生的反饋電壓uF的極性對(duì)地為“-”，所以?xún)糨斎腚妷簎i/等于輸入電壓ui加上反饋電壓uF，即ui/=ui+uF，反饋的結(jié)果使凈輸入電壓增加。說(shuō)明此電路引入的反饋極性是正反饋。通過(guò)以上兩例可知，對(duì)于單個(gè)集成運(yùn)放，若通過(guò)純電阻網(wǎng)絡(luò)將反饋引到反相輸入端，則為負(fù)反饋；引到同相輸入端，則為正反饋。

圖（c）所示電路中，假設(shè)交流信號(hào)源uS瞬時(shí)極性為“+”，則基極電位也瞬時(shí)為“+”，ib電流如圖中虛線(xiàn)所示，集電極電位對(duì)地瞬時(shí)為“-”，所以u(píng)o在電阻RF上產(chǎn)生的電流if有增大的趨勢(shì)，而凈輸入電流ib=

ii-if，顯然反饋的結(jié)果使凈輸入電流減小，所以此電路引入的是負(fù)反饋。（2）直流反饋和交流反饋按照反饋量中包含交、直流的成分的不同，有直流反饋和交流反饋之分。如果反饋量中只含有直流成分，稱(chēng)為直流反饋。如果反饋量中只含交流成分，稱(chēng)為交流反饋。在集成運(yùn)放反饋電路中，往往是兩者兼有。直流負(fù)反饋的主要作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；交流負(fù)反饋則改善電路的動(dòng)態(tài)性能。關(guān)于交、直流反饋的判斷方法：主要看交流通路或直流通路中有無(wú)反饋通路，若存在反饋通路，必有對(duì)應(yīng)的反饋。

（3）電壓反饋和電流反饋按照反饋量在放大電路輸出端取樣方式的不同，可分為電壓反饋和電流反饋。如果反饋量取自輸出電壓，和輸出電壓成正比，則稱(chēng)為電壓反饋；如果反饋量取自輸出電流，和輸出電流成正比，則稱(chēng)為電流反饋。對(duì)于電路中引入的是電壓反饋還是電流反饋，可以用這樣的方法判斷：首先假設(shè)輸出電壓uo等于零，即將放大電路的輸出端和地短路，然后看反饋信號(hào)是否依然存在，如果短路后反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋；否則，反饋信號(hào)依然存在，就是電流反饋。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)檩敵龆撕偷囟搪泛筝敵鲭妷簎o=0，如果反饋信號(hào)消失，表示它與輸出電壓有關(guān)，所以是電壓反饋；如果反饋信號(hào)依然存在，表示它與輸出電壓無(wú)關(guān)，因而是電流反饋。按上述方法可以判定，圖6-29（a）所示放大電路中引入的是電壓反饋，圖（b）中引入的是電流反饋。圖6-29（4）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋是指反饋信號(hào)在放大電路的輸入回路和輸入信號(hào)的連接形式。反饋信號(hào)可以是電壓形式或電流形式；輸入信號(hào)也可以是電壓形式或電流形式。如果反饋信號(hào)和輸入信號(hào)都是以電壓形式出現(xiàn)，那么它們?cè)谳斎牖芈繁囟ㄒ源?lián)的方式連接，這就是串聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)和輸入信號(hào)都是以電流形式出現(xiàn)，那么它們?cè)谳斎牖芈繁囟ㄒ圆⒙?lián)的方式連接，這就是并聯(lián)反饋。

判斷串、并聯(lián)反饋的方法是：對(duì)于交流分量而言，如果輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別接到同一放大器件的同一個(gè)電極上，則為并聯(lián)反饋；如果兩個(gè)信號(hào)接到不同電極上，則為串聯(lián)反饋。按此方法可以判定圖6-29（a）放大電路中引入的是并聯(lián)反饋，圖6-29（b）中引入的是串聯(lián)反饋。以上提出了幾種常見(jiàn)的反饋分類(lèi)方法。除此之外，反饋還可以按其它方面分類(lèi)。例如，在多級(jí)放大電路中，可以分為局部反饋（本級(jí)反饋）和級(jí)間反饋；又如在差動(dòng)放大電路中，可以分為差模反饋和共模反饋等等，此處不再一一列舉。

根據(jù)以上分析可知，實(shí)際放大電路中的反饋形式是多種多樣的，本章將著重分析各種形式的負(fù)反饋。對(duì)于負(fù)反饋來(lái)說(shuō)，根據(jù)反饋信號(hào)在輸出端取樣方式以及在輸入回路中疊加形式的不同，共有四種組態(tài)，分別是：電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電壓并聯(lián)負(fù)反饋，電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋。6.4.3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.降低放大倍數(shù)若Af為引入負(fù)反饋后的閉環(huán)放大倍數(shù)（此處只考慮相量的大小，以下各量同），A為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)，可以得到式（6-31）即為反饋放大電路的一般表達(dá)式。其中，1+AF稱(chēng)為反饋深度，表示引入反饋后放大電路的放大倍數(shù)與無(wú)反饋時(shí)相比所變化的倍數(shù)。反饋深度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，通過(guò)后面的分析將會(huì)看到，放大電路引入負(fù)反饋后，其中各項(xiàng)性能的改善程度，皆與1+AF的大小有關(guān)。下面針對(duì)式（6-31）分三種情況進(jìn)行討論：（1）若（1+AF）＞1，則Af＜A，說(shuō)明引入反饋后使放大倍數(shù)減小，這種反饋稱(chēng)為負(fù)反饋。負(fù)反饋雖然降低了放大倍數(shù)，但卻換來(lái)了放大電路性能的穩(wěn)定，可以說(shuō)，負(fù)反饋放大電路是以犧牲放大倍數(shù)作為代價(jià)換來(lái)整個(gè)電路性能的穩(wěn)定。（6-31）在負(fù)反饋情況下，如果反饋深度（1+AF）＞＞1，則式（6-31）可簡(jiǎn)化為，這表明，當(dāng)反饋深度（1+AF）＞＞1時(shí)，閉環(huán)放大倍數(shù)Af基本上等于反饋系數(shù)F的倒數(shù)，而與放大電路的放大倍數(shù)A無(wú)關(guān)。因而，即使由于溫度等因素變化而導(dǎo)致放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)A發(fā)生變化，只要F的值一定，就能保證閉環(huán)放大倍數(shù)Af穩(wěn)定，這是深度負(fù)反饋放大電路的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際的反饋網(wǎng)絡(luò)常由電阻等原件組成，反饋系數(shù)F通常決定于某些電阻值之比，基本上不受溫度的影響。實(shí)際在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，為了提高穩(wěn)定性，往往選用開(kāi)環(huán)電壓增益Aod很高的集成運(yùn)放，以便引入深度負(fù)反饋。（2）若（1+AF）＜1，則Af＞A，即引入反饋后放大倍數(shù)比原來(lái)增大，因此這種反饋稱(chēng)為正反饋。正反饋雖然可以提高增益，但使放大電路的性能不穩(wěn)定，所以很少使用。（3）若（1+AF）=0，即AF=-1，則Af→∞。說(shuō)明當(dāng)Xi=0時(shí)，Xo≠0，此時(shí)放大電路雖然沒(méi)有外加輸入信號(hào)，但有一定的輸出信號(hào)。放大電路的這種狀態(tài)稱(chēng)為自激振蕩。當(dāng)反饋放大電路發(fā)生自激振蕩時(shí)，輸出信號(hào)將不受輸入信號(hào)的控制，也就是說(shuō)，放大電路失去了放大作用，這是我們所不希望的。但是，有時(shí)為了產(chǎn)生正弦波或其它波形信號(hào)，有意識(shí)地在放大電路中引入一個(gè)正反饋，并使之滿(mǎn)足自激振蕩的條件。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性Af的穩(wěn)定性是A的（1+AF）倍。例如，當(dāng)A變化10%時(shí)，若1+AF=100，則Af僅變化0.1%。應(yīng)當(dāng)指出，Af的穩(wěn)定性是以損失放大倍數(shù)作為代價(jià)的，即Af減小到A的（1+AF）分之一，才使其穩(wěn)定性提高到A的（1+AF）倍。3.改善非線(xiàn)性失真可以證明，在輸出信號(hào)基波不變的情況下，引入負(fù)反饋后，電路的非線(xiàn)性失真減小到原來(lái)的（1+AF）分之一。例如，在圖6-30（a）所示電路中，放大電路無(wú)反饋，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，由于放大電路的非線(xiàn)性，使輸出信號(hào)幅值出現(xiàn)上大下小、正半周與負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)的失真波形。但是，當(dāng)電路中引入負(fù)反饋后，由于反饋信號(hào)取自輸出信號(hào)，所以也呈上大下小的波形，這樣，凈輸入信號(hào)就會(huì)呈現(xiàn)上小下大的波形（因?yàn)閮糨斎胄盘?hào)），如圖6-30（b）所示；經(jīng)過(guò)放大電路非線(xiàn)性的校正，使得輸出信號(hào)幅值正、負(fù)半周趨于對(duì)稱(chēng)，近似為正弦波，即改善了輸出波形。圖6-304.展寬頻帶引入負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)下降幾分之一，通頻帶就展寬幾倍?？梢?jiàn)，引入負(fù)反饋可以展寬通頻帶，但這也是以降低放大倍數(shù)作為代價(jià)的。5.負(fù)反饋可以改變輸入、輸出電阻（1）串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大。在串聯(lián)負(fù)反饋中，由于在放大電路的輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)和基本放大電路是串聯(lián)的，輸入電阻的增加是不難理解的。通過(guò)分析可知，串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入電阻：

Rif=（1+AF）Ri（6-32）式中，Ri為基本放大電路的輸入電阻。因此，串聯(lián)負(fù)反饋放大電路與基本放大電路相比，輸入電阻增大為原來(lái)的（1+AF）倍。（2）并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。在并聯(lián)負(fù)反饋中，由于在放大電路的輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)和基本放大電路是并聯(lián)的，因而勢(shì)必造成輸入電阻的減小。通過(guò)分析可得，并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入電阻：因此，并聯(lián)負(fù)反饋放大電路與基本放大電路相比，輸入電阻減為原來(lái)的1/（1+AF）倍。（3）電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓的變化很小，這意味著電壓負(fù)反饋放大電路的輸出電阻減小了。若基本放大電路的輸出電阻為Ro，可以證明，電壓負(fù)反饋放大電路的輸出電阻：因此，電壓負(fù)反饋放大電路與基本放大電路相比，輸出電阻減為原來(lái)的1/（1+AF）倍。

（4）電流負(fù)反饋使輸出電阻增大。電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電流的變化很小，這意味著電流負(fù)反饋放大電路的輸出電阻增大了。若基本放大電路的輸出電阻為Ro，可以證明，電流負(fù)反饋放大電路的輸出電阻：Ro

f=（1+AF）Ro因此，電流負(fù)反饋放大電路與基本放大電路相比，輸出電阻增為原來(lái)的（1+AF）倍。6.5集成運(yùn)放的應(yīng)用

應(yīng)用廣泛：集成運(yùn)放作為通用性的器件，它的應(yīng)用十分廣泛，如模擬信號(hào)的產(chǎn)生、放大、濾波、比較等。其優(yōu)越性在于，以集成運(yùn)放為核心，在其外圍接上由不同的元件組成的不同結(jié)構(gòu)的電路，就能實(shí)現(xiàn)不同功能的電子電路，而且電路的主要功能參數(shù)僅取決于外圍元件，這一點(diǎn)是十分方便的。

判斷運(yùn)放工作在何種狀態(tài)的方法：運(yùn)放有線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N工作狀態(tài)，在以運(yùn)放為核心構(gòu)成的各種功能電路中，有些電路中運(yùn)放工作在線(xiàn)性狀態(tài)，有些則工作在非線(xiàn)性狀態(tài)。一般而言，判斷運(yùn)放工作狀態(tài)的最直截的方法是看電路中引入反饋的極性，若為負(fù)反饋，則工作在線(xiàn)性區(qū)；若為正反饋或者沒(méi)有引入反饋（開(kāi)環(huán)狀態(tài)），則運(yùn)放工作在非線(xiàn)性狀態(tài)。在分析運(yùn)放構(gòu)成的不同功能電路時(shí)，根據(jù)運(yùn)放的不同工作狀態(tài)，分別應(yīng)用運(yùn)放線(xiàn)性及非線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)的特點(diǎn)，寫(xiě)出輸出電壓的表達(dá)式，即可對(duì)電路的功能進(jìn)行分析。6.5.1運(yùn)算電路集成運(yùn)算放大器加入負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算功能的電路統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)算電路。在運(yùn)算電路中，運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，在分析各種運(yùn)算電路時(shí)，要注意輸入方式，利用“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)。1.比例運(yùn)算電路（1）反相比例運(yùn)算電路圖6-31所示為反相比例運(yùn)算電路。輸入電壓ui通過(guò)電阻R1接入運(yùn)放的反相輸入端。RF為反饋電阻，引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端電阻R2接地，為保證運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性，要求R2=R1//RF。圖6-31工作原理分析：根據(jù)前面的分析，該電路的運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，并具有虛短和虛斷的特點(diǎn)。由于虛斷，故i+=0，即R2上沒(méi)有壓降，則u+=0；又因虛短，可得=0，這說(shuō)明在反相比例運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端與同相輸入端的電位不僅相等，而且均等于零，如同該兩點(diǎn)接地一樣，這種現(xiàn)象稱(chēng)為虛地。虛地是反相比例運(yùn)算電路的一個(gè)重要特點(diǎn)，由于虛地，使得加在運(yùn)放輸入端的共模輸入電壓很小。由于i-=0，則由圖可見(jiàn)ii=iF，即則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：則反相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：（6-37）式（6-37）中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。若RF=R1，則uo=-ui，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相反。這時(shí)，反相比例電路只起反相作用，稱(chēng)為反相器。

由于反相輸入端虛地，故該電路的輸入電阻為：

Rif=R1

可以看出，反相比例電路的輸入電阻不高，這是由于電路中接入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋的緣故。我們已經(jīng)知道，并聯(lián)負(fù)反饋將降低輸入電阻。

反相比例運(yùn)算電路中引入了深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋，該電路輸出電阻很小，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。（2）同相比例運(yùn)算電路圖6-32是同相比例運(yùn)算電路，運(yùn)放的反相輸入端通過(guò)電阻R1接地，同相輸入端則通過(guò)補(bǔ)償電阻R2接輸入信號(hào)，R2=R1//RF。電路通過(guò)電阻RF引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。同樣根據(jù)虛短和虛斷的特點(diǎn)可知，i+=i

-=0，故圖6-32而且u+=u

-=ui

由以上兩式可得同相比例運(yùn)算電路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：則同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：Au

f的值總為正，表示輸出電壓與輸入電壓同相。另外，該比值總是大于或等于1，不可能小于1。如果同相比例運(yùn)算電路中的RF=0，從上式可知輸入電壓ui等于輸出電壓uo，而且相位相同，故稱(chēng)這一電路為電壓跟隨器。理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益為無(wú)窮大，因而電壓跟隨器具有比射極輸出器好得多的跟隨特性。集成電壓跟隨器具有多方面的優(yōu)良性能。例如型號(hào)為AD9620的芯片，電壓增益為0.994，輸入電阻為0.8MΩ，輸出電阻為40Ω，帶寬為600MHz，轉(zhuǎn)換速率為2000V/μs。同相比例運(yùn)算電路引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有較高的輸入電阻和很低的輸出電阻，這是這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)。（3）差分比例運(yùn)算電路

前面介紹的反相和同相比例運(yùn)算電路，都是單端輸入放大電路，差分比例運(yùn)算電路屬于雙端輸入放大電路，其電路如圖6-33所示。為了保證運(yùn)放兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，同時(shí)為了避免降低共模抑制比，通常要求R1=R1/，RF=RF/。在理想條件下，由于虛短，i+=i-=0，利用疊加定理可求得反相輸入端的電位為：圖6-33而同相輸入端電位為：因?yàn)樘摱蹋磚+=u

-，所以得到：當(dāng)滿(mǎn)足R1=R1/，RF=RF/時(shí)，整理上式，可求得輸出電壓與輸入電壓關(guān)系式為：所以，差分比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：在電路元件參數(shù)對(duì)稱(chēng)的條件下，差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電阻為：

Rif=2R1

由以上分析可見(jiàn)，差分比例運(yùn)算電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比，實(shí)現(xiàn)了差分比例運(yùn)算。比例運(yùn)算電路是一種基本的運(yùn)放應(yīng)用電路，以它為基礎(chǔ)可以組成具有各種用途的實(shí)際電路。例如，可以組成應(yīng)用十分廣泛的數(shù)據(jù)放大器等等。數(shù)據(jù)放大器是一種高增益、高輸入電阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差動(dòng)輸入、單端輸出的形式。它通常用在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)控制、精密測(cè)量以及生物工程等系統(tǒng)中，對(duì)各種傳感器送來(lái)的緩慢變化信號(hào)加以放大，然后輸出給系統(tǒng)。數(shù)據(jù)放大器質(zhì)量的優(yōu)劣常常是決定整個(gè)系統(tǒng)精密的關(guān)鍵。當(dāng)應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，獲得的信號(hào)電壓變化量常常很小，而共模電壓卻很高。如圖6-34所示檢測(cè)材料應(yīng)變的電路中，當(dāng)材料不產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電橋四個(gè)臂的電阻相等（R的典型值為350Ω），沒(méi)有輸出信號(hào)。當(dāng)材料產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，貼附在材料表面的電阻（傳感器元件）阻值不變，破壞了電橋的平衡，于是有一個(gè)信號(hào)送到放大器的輸入端。一般典型值為當(dāng)電源電壓US=10V時(shí)，電橋輸出的差動(dòng)信號(hào)最大約30mV。由圖可知，a、b兩端的共模電壓高達(dá)5V，所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須具有很高