《電工與電子技術(shù)》差分放大器和集成運(yùn)算放大器

第一節(jié)

差分放大器第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器本章小結(jié)課后作業(yè)差分放大器和集成運(yùn)算放大器差分放大器和集成運(yùn)算放大器

1．了解差分放大電路的組成及工作原理，掌握差分放大電路的特點(diǎn)。

2．了解集成運(yùn)算放大器的組成、管腳排列、電路符號(hào)、參數(shù)及型號(hào)識(shí)別。3．掌握理想集成運(yùn)算放大器的分析方法，會(huì)求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。4．會(huì)分析理想運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路，了解運(yùn)算放大器應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題。在生產(chǎn)實(shí)際中，需要放大的信號(hào)往往是變化非常緩慢的信號(hào)，甚至是直流信號(hào)。對(duì)于這些信號(hào)的放大，既不能采用阻容耦合放大器，因?yàn)橹绷骰蚓徸冃盘?hào)會(huì)被耦合電容的隔直作用隔掉，也不能采用變壓器耦合放大器，因?yàn)橹绷骰蚓徸冃盘?hào)會(huì)被變壓器初級(jí)線圈所呈現(xiàn)的低阻抗短路，只能采用直接耦合放大器。但簡(jiǎn)單的直接耦合放大器，常常會(huì)發(fā)生輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。第一節(jié)

差分放大器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的原因：電源電壓的波動(dòng)，元器件參數(shù)的老化，環(huán)境溫度的變化等抑制零點(diǎn)漂移方法是一般采用差分放大器。在集成運(yùn)算放大器中，差分放大器常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)。第一節(jié)

差分放大器一、基本差分放大器

1.電路組成它由兩個(gè)特性相同的三極管組成對(duì)稱電路，電路參數(shù)也對(duì)稱。圖中，差分放大電路有兩個(gè)輸入端和輸出端，稱為雙端輸入雙端輸出差分放大電路。信號(hào)通過兩基極輸入，從兩集電極引出。第一節(jié)

差分放大器2.工作原理（1）靜態(tài)分析當(dāng)沒有輸入信號(hào)電壓，即時(shí)

，放大電路的直流通路如圖所示。由于電路完全對(duì)稱，兩管發(fā)射結(jié)的壓降則這時(shí)則輸出電壓輸入信號(hào)電壓為0時(shí)，輸出信號(hào)電壓也為0。第一節(jié)

差分放大器（2）抑制零漂的原理當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，不管是溫度變化還是電源電壓的波動(dòng)，都會(huì)引起兩管的靜態(tài)值產(chǎn)生相同的變化。例如：可以看出，差分放大電路是利用電路的對(duì)稱性來抑制零點(diǎn)漂移的。差分放大電路兩邊對(duì)稱性愈好，對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用就愈強(qiáng)。第一節(jié)

差分放大器（3）動(dòng)態(tài)分析①共模信號(hào)和差模信號(hào)在兩輸入端加人相同的輸入信號(hào)，使兩只晶體管產(chǎn)生相同的變化，通常把這種大小相等、極性相同的輸入信號(hào)稱為“共模信號(hào)”，一般用下標(biāo)符號(hào)“c”表示。在兩輸入端加入大小相等、極性相反的輸入信號(hào)時(shí)，將使兩只晶體管產(chǎn)生相反的變化，通常把這種大小相等、極性相反的輸入信號(hào)稱為“差模信號(hào)”，一般用下標(biāo)符號(hào)“d”表示。第一節(jié)

差分放大器②對(duì)共模信號(hào)的抑制作用共模輸入電路如圖所示，在共模信號(hào)電壓

作用下，兩管的電流同時(shí)增加或減少，由于電路對(duì)稱，輸出端的電壓

和也是大小相等，極性相同，輸出電壓

，其輸出端的共模電壓放大倍數(shù)為外界因素發(fā)生變化使兩晶體管的靜態(tài)電流同時(shí)變化，相當(dāng)于在差分放大電路兩輸入端施加了共模信號(hào)。因此，差分放大器對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制可以歸類為對(duì)共模信號(hào)的抑制。第一節(jié)

差分放大器③對(duì)差模信號(hào)的放大作用差模輸入電路如圖所示，由于電路對(duì)稱，每個(gè)輸入端得到的輸入信號(hào)電壓是總的輸入信號(hào)電壓的一半，即在差模信號(hào)電壓作用下，由于兩管的輸入電壓方向相反，流過兩管的電流方向也相反，一管電流增加，另一管電流減少，在電路完全對(duì)稱的情況下，流過

的電流變化為0，因而對(duì)差模信號(hào)而言不會(huì)產(chǎn)生影響，可以認(rèn)為

對(duì)差模信號(hào)呈短路狀態(tài)。差模輸入時(shí)的交流通路如下圖所示。第一節(jié)

差分放大器差模輸入時(shí)的交流通路由圖可知其差模電壓放大倍數(shù)表示為由此可見，差分放大電路是用兩只放大管對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，僅相當(dāng)于一個(gè)單管共射放大電路，但換來的是對(duì)共模信號(hào)的抑制作用，有效地克服了零點(diǎn)漂移。第一節(jié)

差分放大器3.共模抑制比一個(gè)性能良好的差分放大電路，對(duì)差模信號(hào)應(yīng)有較高的放大倍數(shù)，對(duì)共模信號(hào)應(yīng)有足夠的抑制能力。為了全面衡量差分放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力及對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，常用共模抑制比（）作為一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)來衡量，其定義為：共模抑制比有時(shí)也用分貝（dB）數(shù)來表示：共模抑制比越大，差分放大器的性能越好。理想情況下，共模抑制比是無窮大。綜上所述，差分放大器對(duì)共模信號(hào)沒有放大作用，放大的只是差模信號(hào)。第一節(jié)

差分放大器二、具有恒流源的差分放大器實(shí)際電路為了提高共模抑制比的值常采用增加差分放大電路的發(fā)射極電阻

或用恒流源代替

的辦法。增加阻值，電源電壓

應(yīng)越高。為了能提高共模抑制比，而不用提高電源電壓的值，常采用恒流源代替

，這種電路稱為具有恒流源的差分放大器。具有恒流源的差分放大器因恒流源的直流電阻小，可不必提高

，而恒流源的動(dòng)態(tài)電阻大，可提高抑制零點(diǎn)漂移的能力，提高共模抑制比。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器一、集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器是一種集成化的半導(dǎo)體器件，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓放大倍數(shù)很高，輸入電阻很大，輸出電阻很低的多級(jí)直接耦合交直流放大電路。1.集成運(yùn)算放大器的識(shí)讀常見的集成運(yùn)算放大器有圓形、扁平型、雙列直插式等，有8管腳、14管腳等，其引線腳號(hào)排列順序的標(biāo)記，一般有色點(diǎn)、凹槽、管鍵及封裝時(shí)壓出的圓形標(biāo)記等。對(duì)于雙列直插式集成塊引線腳號(hào)的識(shí)別方法是：將集成塊水平放置，管腳向下，從缺口或標(biāo)記開始，按逆時(shí)針方向數(shù)，依次為1腳、2腳、3腳、……，外形結(jié)構(gòu)和管腳標(biāo)示如下圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器對(duì)于圓形管以管鍵為參考標(biāo)記，管腳向下，以鍵為起點(diǎn)，逆時(shí)針數(shù)1，2，3，…，外形結(jié)構(gòu)和管腳標(biāo)示如下圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.集成運(yùn)放的組成及其符號(hào)實(shí)際集成運(yùn)算放大器有內(nèi)部實(shí)際上就是一個(gè)高增益的直接耦合放大器，都是由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等四部分組成，其內(nèi)部組成框圖如圖所示。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)如圖所示。（a）圖中的

表示實(shí)際集成運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)，（b）圖中“

”表示理想集成運(yùn)放差模電壓放大倍數(shù)為極大。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器下以通用型集成運(yùn)算放大器LM741為例熟悉集成運(yùn)算放大器，其外形和管腳如下圖所示。它有8個(gè)管腳，各管腳的用途分別如下：2：反相輸入端；3：同相輸入端；6：輸出端；4：負(fù)電源端，接－15V的穩(wěn)壓電源；7：正電源端，接＋15V的穩(wěn)壓電源；1、5：外接調(diào)零電位器；8：空腳。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.集成運(yùn)算放大器的分類集成運(yùn)放按電路特性可分為通用型和專用型兩大類。通用型集成運(yùn)算放大器的參數(shù)指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般的工程設(shè)計(jì)，在沒有特殊參數(shù)要求情況下工作的集成運(yùn)放可列為通用型。專用型集成運(yùn)放是為滿足某些特殊要求或特定場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的，其參數(shù)中往往有一項(xiàng)或幾項(xiàng)非常突出。專用型集成運(yùn)放按特性參數(shù)可分為低功耗或微功耗型、高精度型、高速型、寬帶型、高輸入阻抗型、高電壓型、低漂移型、低噪聲型、大功率型等。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器性能的好壞常用一些參數(shù)表征。這些參數(shù)是選用運(yùn)算放大器的主要依據(jù)。1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放沒有外接反饋電阻時(shí)（開環(huán)）的電壓放大倍數(shù)，即它體現(xiàn)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在~之間。越大，電路越穩(wěn)定。差模電壓放大倍數(shù)有時(shí)也用分貝（dB）數(shù)來表示，叫做差模電壓增益。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.共模抑制比它是用來綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，

越大越好，一般應(yīng)大于80dB。3.差模輸入電阻是指運(yùn)放對(duì)差模信號(hào)所呈現(xiàn)的電阻，即運(yùn)放兩輸入端之間的電阻。

愈大，運(yùn)算放大器精度愈高，的值一般是幾百千歐到幾兆歐姆。4.輸出電阻是指運(yùn)算放大器在開環(huán)狀態(tài)下，運(yùn)放等效為電壓源時(shí)的等效動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。它的值反映運(yùn)算放大器帶負(fù)載的能力，其值越小帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，

的值一般是幾十歐姆到幾百歐姆。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器5.輸入失調(diào)電壓一個(gè)理想的集成運(yùn)放能實(shí)現(xiàn)零輸入時(shí)零輸出，而實(shí)際的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓。

指為使輸出電壓為零，在輸入級(jí)所加的補(bǔ)償電壓值。它反映集成運(yùn)放差動(dòng)放大部分參數(shù)的不對(duì)稱程度，顯然越小越好，一般為毫伏級(jí)。6.最大輸出電壓是指運(yùn)放在標(biāo)稱電源電壓時(shí)，其輸出端所能提供的最大不失真峰值電壓，有時(shí)也用

表示。一般電源電壓在±15V時(shí)，最大輸出電壓在±13V左右。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器三、理想集成運(yùn)放的主要特性及圖形符號(hào)1.理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及符號(hào)在分析運(yùn)算放大器時(shí)，為了使問題分析簡(jiǎn)化，通常把集成運(yùn)算放大器看成理想運(yùn)算放大器。理想集成運(yùn)算放大器理想化的條件是：第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓（即同相輸入端和反相輸入端之間的電壓差值）之間的關(guān)系曲線，稱為電壓傳輸特性，如圖所示。圖中曲線上升部分的斜率為開環(huán)電壓放大倍數(shù)

，其輸出電壓不超過

。電壓傳輸特性分為線性區(qū)（虛線框內(nèi)）和非線性區(qū)（虛線框外）。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.集成運(yùn)放的工作特點(diǎn)（1）線性區(qū)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負(fù)反饋。兩個(gè)重要結(jié)論：①兩輸入端輸入電流近似為零，，稱為“虛斷”。

②同相輸入端和反相輸入端的電壓近似相等，，稱為“虛短”。（2）非線性區(qū)集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件是工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時(shí)。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器兩個(gè)特點(diǎn)：①輸出電壓只有兩種狀態(tài)，不是正飽和電壓

，就是負(fù)飽和電壓②集成運(yùn)放的凈輸入電流近似為0，

，“虛斷”的概念仍然成立。綜上所述，在分析具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，首先判斷集成運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)分，再運(yùn)用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)分析電路的工作原理。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器四、集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用1.反相輸入運(yùn)算電路指輸入信號(hào)加在反相輸入端與參考端之間，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。這是應(yīng)用最廣的一種輸入方式，可構(gòu)成反相比例、加法、微分、積分等運(yùn)算電路。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（1）反相輸入比例運(yùn)算電路圖中為平衡電阻，反饋電阻

跨接于輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，則集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。根據(jù)“虛短”和“虛斷”分析可知“虛地”所以即第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：或閉環(huán)電壓放大倍數(shù)輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位相反。當(dāng)

時(shí)，

輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相反，稱為反相器。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（2）反相加法運(yùn)算電路在反相輸入比例運(yùn)算電路的反相輸入端加上若干個(gè)輸入信號(hào)電壓，就可以對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)代數(shù)相加運(yùn)算。下圖是具有多個(gè)輸入信號(hào)的反相加法運(yùn)算電路。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩結(jié)論分析可知：其中，，…，所以第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知，上圖電路實(shí)現(xiàn)了各信號(hào)按比例進(jìn)行反相相加。如取則實(shí)現(xiàn)了各輸入信號(hào)的反相相加。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（3）反相積分電路把反相輸入比例運(yùn)算電路中的反饋電阻

換成電容

就構(gòu)成了反相積分電路，如下圖所示。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩結(jié)論分析可知：由圖可知所以第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知：輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，且相位相反。積分電路的波形變換作用如下圖所示，可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用以延緩暫態(tài)過程的沖擊，使被控制的電動(dòng)機(jī)外加電壓緩慢上升，避免其機(jī)械轉(zhuǎn)矩猛增，造成傳動(dòng)機(jī)械的損壞。積分電路還常用來做顯示器的掃描電路，以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算等。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（4）反相微分電路將反相積分電路中的

和互換，就可得到反相微分（運(yùn)算）電路，如下圖所示。由于反相輸入端虛地，在這個(gè)電路中，A點(diǎn)同樣為“虛地”，即再根據(jù)“虛斷”的概念，則假設(shè)電容

的的初始電壓為0，那么則輸出電壓第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知：輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分，且相位相反。微分電路的波形變換作用如下圖所示，可將矩形波變成尖脈沖輸出。微分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可用作加速環(huán)節(jié)，例如電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí)，起加速保護(hù)作用，迅速降低其供電電壓。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器2.同相輸入運(yùn)算電路指輸入信號(hào)加在同相輸入端與參考端之間，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位同相?？蓸?gòu)成同相比例、加法等運(yùn)算電路。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（1）同相輸入比例運(yùn)算電路電路如圖所示，反饋電阻

接到其反相端，使電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)“虛短”和“虛斷”兩個(gè)結(jié)論分析可知：即或第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器由分析可知，輸出電壓與輸入電壓的相位相同，成一定比例關(guān)系。當(dāng)或時(shí)，如下圖所示，

，即

，即輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，該電路稱為電壓跟隨器

。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器（2）同相加法電路在同相輸入比例運(yùn)算電路的同相輸入端加上若干個(gè)輸入信號(hào)電壓，就可以對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)代數(shù)相加運(yùn)算。下圖是具有兩個(gè)輸入信號(hào)的同相加法運(yùn)算電路。由圖可知，根據(jù)“虛斷”的概念所以即解得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器又且，所以解得根據(jù)“虛短”可得整理后得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：若取，則若再有，則實(shí)現(xiàn)了同相加法運(yùn)算。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器3.差分輸入運(yùn)算電路當(dāng)運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端都接有輸入信號(hào)時(shí)，稱為差分輸入運(yùn)算電路，如下圖所示。對(duì)圖分析可知，又有綜合上式解得第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器分析可知：差分輸入運(yùn)算電路也稱為減法運(yùn)算電路，在測(cè)量與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器五、集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用運(yùn)算放大器工作在開環(huán)或正反饋時(shí)，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，此時(shí)輸出電壓

不是正飽和電壓

，就是負(fù)飽和電壓

，“虛短”現(xiàn)象不再存在，“虛斷”

仍然成立。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的典型電路。電壓比較器的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬量的大小，并由輸出端的高、低電平來表示比較結(jié)果。第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器反相輸入電壓比較器：電路如下圖（a）所示。集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，工作在非線性區(qū)傳輸特性如圖（b）所示第二節(jié)

集成運(yùn)算放大器若希望當(dāng)

，，只需將

與

調(diào)換即可構(gòu)成同相輸入電壓比較器，如圖（c）所示，