《電子電路設(shè)計(jì)與制作》 任務(wù)三 集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)三集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述設(shè)計(jì)并制作4個(gè)集成運(yùn)算放大器：反相比例運(yùn)算放大器、同相比例運(yùn)算放大器、加法運(yùn)算器、減法運(yùn)算器。反相比例運(yùn)算放大器，信號(hào)電壓通過(guò)電阻R1加至運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓vo通過(guò)反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路；同相比例運(yùn)算放大器，信號(hào)電壓通過(guò)電阻RS加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓vo通過(guò)電阻R1和Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路；加法運(yùn)算器，多個(gè)輸入電壓同時(shí)作用于運(yùn)放的反相輸入端或同相輸入端，實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算；減法運(yùn)算器，多個(gè)輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。二、任務(wù)目標(biāo)1.素質(zhì)目標(biāo)（1）構(gòu)建分析、設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的能力。（2）樹(shù)立認(rèn)真、仔細(xì)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。（3）保持愛(ài)崗敬業(yè)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作精神。3.技能目標(biāo)（1）能夠根據(jù)任務(wù)描述設(shè)計(jì)相應(yīng)的集成運(yùn)算放大器。（2）能夠正確選擇每種集成運(yùn)算放大器制作需要的元件。（3）制作完成電路的焊接與調(diào)試。（4）熟練使用常用的幾種專(zhuān)用型集成運(yùn)算放大器。2.知識(shí)目標(biāo)（1）了解集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及常見(jiàn)的專(zhuān)用型運(yùn)放種類(lèi)。（2）掌握集成運(yùn)算放大器的組成結(jié)構(gòu)及各部分的作用。（3）理解差動(dòng)放大電路的組成及工作原理。（4）掌握同向、反相比例運(yùn)算放大器的工作原理。（5）掌握加法器、減法器、微分器、積分器的電路原理。三、任務(wù)分析集成運(yùn)算放大器概述：集成運(yùn)放是模擬集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種，它實(shí)際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大器。之所以被稱(chēng)為運(yùn)算放大器，是因?yàn)樵撈骷畛踔饕糜谀M計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算的緣故。實(shí)際上，目前集成運(yùn)放的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了模擬運(yùn)算的范圍，但仍沿用了運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放）的名稱(chēng)。集成運(yùn)放的發(fā)展十分迅速。通用型產(chǎn)品經(jīng)歷了四代更替，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷改進(jìn)。同時(shí)，發(fā)展了適應(yīng)特殊需要的各種專(zhuān)用型集成運(yùn)放。第一代集成運(yùn)放以μA709（我國(guó)的FC3）為代表，特點(diǎn)是采用了微電流的恒流源、共模負(fù)反饋等電路，它的性能指標(biāo)比一般的分立元件要提高。主要缺點(diǎn)是內(nèi)部缺乏過(guò)電流保護(hù)，輸出短路容易損壞。第二代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)六十年代的μA741型高增益運(yùn)放為代表，它的特點(diǎn)是普遍采用了有源負(fù)載，因而在不增加放大級(jí)的情況下可獲得很高的開(kāi)環(huán)增益。電路中還有過(guò)流保護(hù)措施。但是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比指標(biāo)不理想。集成運(yùn)算放大器概述：第三代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)七十年代的AD508為代表，其特點(diǎn)使輸入級(jí)采用了“超β管”，且工作電流很低。從而使輸入失調(diào)電流和溫漂等項(xiàng)參數(shù)值大大下降。第四代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)八十年代的HA2900為代表，它的特點(diǎn)是制造工藝達(dá)到大規(guī)模集成電路的水平。將場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型管兼容在同一塊硅片上，輸入級(jí)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管，輸入電阻達(dá)100MΩ以上，而且采取調(diào)制和解調(diào)措施，成為自穩(wěn)零運(yùn)算放大器，使失調(diào)電壓和溫漂進(jìn)一步降低，一般無(wú)須調(diào)零即可使用。目前，集成運(yùn)放和其他模擬集成電路正向高速、高壓、低功耗、低零漂、低噪聲、大功率、大規(guī)模集成、專(zhuān)業(yè)化等方向發(fā)展。除了通用型集成運(yùn)放外，有些特殊需要的場(chǎng)合要求使用某一特定指標(biāo)相對(duì)比較突出的運(yùn)放，即專(zhuān)用型運(yùn)放。常見(jiàn)的專(zhuān)用型運(yùn)放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高壓型、大功率型、高精度型、跨導(dǎo)型、低噪聲型等。模擬集成電路的特點(diǎn)：由于受制造工藝的限制，模擬集成電路與分立元件電路相比具有如下特點(diǎn)：（1）采用有源器件由于制造工藝的原因，在集成電路中制造有源器件比制造大電阻容易實(shí)現(xiàn)。因此大電阻多用有源器件構(gòu)成的恒流源電路代替，以獲得穩(wěn)定的偏置電流。BJT比二極管更易制作，一般用集-基短路的BJT代替二極管。（2）采用直接耦合作為級(jí)間耦合方式由于集成工藝不易制造大電容，集成電路中電容量一般不超過(guò)100pF，至于電感，只能限于極小的數(shù)值（1H以下）。因此，在集成電路中，級(jí)間不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。（3）采用多管復(fù)合或組合電路集成電路制造工藝的特點(diǎn)是晶體管特別是雙極結(jié)型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管最容易制作，而復(fù)合和組合結(jié)構(gòu)的電路性能較好，因此，在集成電路中多采用復(fù)合管（一般為兩管復(fù)合）和組合（共射-共基、共集-共基組合等）電路。（一）集成運(yùn)算器的組成及主要參數(shù)1.集成運(yùn)放的基本組成

集成運(yùn)放的類(lèi)型很多，電路也不盡相同，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，其一般的內(nèi)部組成原理框圖如圖3-1所示，它主要由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。輸入級(jí)主要由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，以減小運(yùn)放的零漂和其他方面的性能，它的兩個(gè)輸入端分別構(gòu)成整個(gè)電路的同相輸入端和反相輸入端。中間級(jí)的主要作用是獲得高的電壓增益，一般由一級(jí)或多級(jí)放大器構(gòu)成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器（電壓緩沖放大器）或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高運(yùn)放的帶負(fù)載能力和輸出功率。偏置電路則是為各級(jí)提供合適的工作點(diǎn)及能源的。此外，為獲得電路性能的優(yōu)化，集成運(yùn)放內(nèi)部還增加了一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過(guò)載保護(hù)電路和頻率補(bǔ)償電路等

集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖3-2所示（省略了電源端、調(diào)零端等）。集成運(yùn)放共有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，兩個(gè)輸入端分別稱(chēng)為同相輸入端uP和反相輸入端uN，一個(gè)輸出端為uo。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要了解集成運(yùn)放外部各引出端的功能及相應(yīng)的接法，但一般不需要畫(huà)出其內(nèi)部電路。2.集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的參數(shù)是否正確、合理選擇是使用運(yùn)放的基本依據(jù)，因此了解其各性能參數(shù)及其意義是十分必要的。集成運(yùn)放的主要參數(shù)有以下幾種。（1）開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod是指運(yùn)放在開(kāi)環(huán)、線(xiàn)性放大區(qū)并在規(guī)定的測(cè)試負(fù)載和輸出電壓幅度的條件下的直流差模電壓增益（絕對(duì)值）。一般運(yùn)放的Aod為60～120dB，性能較好的運(yùn)放Aod＞140dB。值得注意的是，一般希望Aod越大越好，實(shí)際的Aod與工作頻率有關(guān)，當(dāng)頻率大于一定值后，Aod隨頻率升高而迅速下降。（2）溫度漂移放大器的零點(diǎn)漂移的主要來(lái)源是溫度漂移，而溫度漂移對(duì)輸出的影響可以折合為等效輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO，因此可以用以下指標(biāo)來(lái)表示放大器的溫度穩(wěn)定性即溫漂指標(biāo)。在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化量UIO與引起UIO變化的溫度變化量T之比，稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓/溫度系數(shù)UIO/T。UIO/T越小越好，一般為±(10～20)V/℃。

（3）最大差模輸入電壓Uid,max這是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間所允許的最大輸入電壓值。若輸入電壓超過(guò)該值，則可能使運(yùn)放輸入級(jí)BJT的其中一個(gè)發(fā)射結(jié)產(chǎn)生反向擊穿。顯然這是不允許的。Uid,max大一些好，一般為幾到幾十伏。（4）最大共模輸入電壓Uic,max這是指運(yùn)放輸入端所允許的最大共模輸入電壓。若共模輸入電壓超過(guò)該值，則可能造成運(yùn)放工作不正常，其共模抑制比KCMR將明顯下降。顯然，Uic,max大一些好，高質(zhì)量運(yùn)放最大共模輸入電壓可達(dá)十幾伏。（二）集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用集成運(yùn)放應(yīng)用十分廣泛，電路的接法不同，集成運(yùn)放電路所處的工作狀態(tài)也不同，電路也就呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。因此可以把集成運(yùn)放的應(yīng)用分為兩類(lèi)：線(xiàn)性應(yīng)用和非線(xiàn)性應(yīng)用。在集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用電路中，集成運(yùn)放與外部電阻、電容和半導(dǎo)體器件等一起構(gòu)成深度負(fù)反饋電路或兼有正反饋而以負(fù)反饋為主。此時(shí)，集成運(yùn)放本身處于線(xiàn)性工作狀態(tài)，即其輸出量和凈輸入量成線(xiàn)性關(guān)系，但整個(gè)應(yīng)用電路的輸出和輸入也可能是非線(xiàn)性關(guān)系。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)或分析過(guò)程中常常把集成運(yùn)放理想化。理想運(yùn)放具有以下理想?yún)?shù)。①開(kāi)環(huán)電壓增益Aod→∞。②差模輸入電阻rid→∞。③輸出電阻rod=0。④共模抑制比KCMR→∞，即沒(méi)有溫度漂移。在一定的工作參數(shù)和運(yùn)算精度要求范圍內(nèi)，采用理想運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)或分析的結(jié)果與實(shí)際情況相差很小，誤差可以忽略，但卻大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)或分析過(guò)程。集成運(yùn)放實(shí)際是一種高增益的電壓放大器，其電壓增益可達(dá)104~106以上。另外其輸入阻抗很高，BJT型運(yùn)放達(dá)幾百千歐以上，MOS型運(yùn)放則更高；而輸出電阻較小，一般在幾十歐左右，并具有一定的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，最大可達(dá)幾十到幾百毫安。

由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益很高，且通頻帶很低（幾到幾百Hz，寬帶高速運(yùn)放除外），因此當(dāng)集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)時(shí)，均引入外部負(fù)反饋，而且通常為深度負(fù)反饋。由前面關(guān)于深度負(fù)反饋放大器計(jì)算的討論可知，運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的實(shí)際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為0，相當(dāng)于短路，即uP=uN但由于兩輸入端之間不是真正的短路，故稱(chēng)為“虛短”。另外，由于集成運(yùn)放的輸入電阻很高，而凈輸入電壓又近似為0，因此，流經(jīng)運(yùn)放兩輸入端的電流可以近似看成為0，即iIN=iIP=0（以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相當(dāng)于開(kāi)路。但由于兩輸入端間不是真正的開(kāi)路，故稱(chēng)為“虛斷”。利用“虛短”和“虛斷”的概念，可以十分方便地對(duì)集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用電路進(jìn)行快速簡(jiǎn)捷地分析。集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用主要有模擬信號(hào)的產(chǎn)生、運(yùn)算、放大、濾波等。下面首先從基本運(yùn)算電路開(kāi)始討論。1.比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路是運(yùn)算電路中最簡(jiǎn)單的電路，其輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。比例運(yùn)算電路有反相輸入和同相輸入兩種。（1）反相輸入比例運(yùn)算電路圖3-3所示為反相輸入比例運(yùn)算電路，該電路輸入信號(hào)加在反相輸入端上，輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故得名。在實(shí)際電路中，為減小溫漂，提高運(yùn)算精度，同相端必須加接平衡電阻RP接地，RP的作用是保持運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路具有良好的對(duì)稱(chēng)性，減小溫漂提高運(yùn)算精度。其阻值應(yīng)為RP=R1Rf。后面電路同理。由于運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，凈輸入電壓和凈輸入電流都為零。由“虛短”的概念可知，在P端接地時(shí)，uP=uN=0，稱(chēng)N端為“虛地”。由“虛斷”的概念可知ii=if有該電路的電壓增益即圖3-3反相輸入比例運(yùn)算電路

輸出電壓uo與輸入電壓ui之間成比例（負(fù)值）關(guān)系。該電路引入了電壓并聯(lián)深度負(fù)反饋，電路輸入阻抗（為R1）較小，但由于出現(xiàn)虛地，放大電路不存在共模信號(hào)，對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求也不高，因此該電路應(yīng)用場(chǎng)合較多。值得注意的是，雖然電壓增益只和Rf和R1的比值有關(guān)，但是電路中電阻R1、RP、Rf的取值應(yīng)有一定的范圍。若R1、RP、Rf的取值太小，由于一般運(yùn)算放大器的輸出電流一般為幾十毫安，若R1、RP、Rf的取值為幾歐姆的話(huà)，輸出電壓最大只有幾百毫伏。若R1、RP、Rf的取值太大，雖然能滿(mǎn)足輸出電壓的要求，但同時(shí)又會(huì)帶來(lái)飽和失真和電阻熱噪聲的問(wèn)題。通常取R1的值為幾百歐姆至幾千歐姆。取Rf的值為幾千至幾百千歐姆。后面電路同理。（2）同相輸入比例運(yùn)算電路圖3-4所示為同相輸入比例運(yùn)算電路，由于輸入信號(hào)加在同相輸入端，輸出電壓和輸入由“虛斷”的概念可知iP=iN=0，由“虛短”的概念可知ui=up=uN其電壓增益即同相輸入電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其輸入阻抗極高，但由于兩個(gè)輸入端均不能接地，放大電路中存在共模信號(hào)，不允許輸入信號(hào)中包含有較大的共模電壓，且對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求較高，否則很難保證運(yùn)算精度。

同相輸入比例運(yùn)算電路中，若R1不接，或Rf短路，組成如圖3-5所示電路。此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況,此時(shí)的同相比例運(yùn)算電路稱(chēng)為電壓跟隨器。電路的輸出完全跟隨輸入變化。ui=uP=uN=uo,Au=1，具有輸入阻抗大，輸出阻抗小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)和輸出級(jí)。3.加法電路若多個(gè)輸入電壓同時(shí)作用于運(yùn)放的反相輸入端或同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算；若多個(gè)輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。圖3-6所示為加法電路，該電路可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓uS1與uS2相加。輸入信號(hào)從反相端輸入，同相端虛地。則有：uP=uN=0；又有“虛斷”的概念可知iI=0，

因此，在反相輸入節(jié)點(diǎn)N可得節(jié)點(diǎn)電流方程：即：整理可得：若R1=R2=Rf，則上式變?yōu)椋簩?shí)現(xiàn)了真正意義的反相求和。加法電路也可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入電壓相加的電路。利用同相放大電路也可以組成加法電路。4.減法電路（1）減法電路（一）如圖3-7所示電路，第一級(jí)為反相比例放大電路，設(shè)Rf1=R1，則uO1=uS1。第二級(jí)為反相加法電路?？蓪?dǎo)出：若R2=Rf2，則上式變?yōu)椋?/p>

即實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)uS1與uS2的相減。此電路優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)比較靈活方便。

由于反相輸入端與同相輸入端“虛地”，因此在選用集成運(yùn)放時(shí)，對(duì)其最大共模輸入電壓的指標(biāo)要求不高，此電路應(yīng)用比較廣泛。（2）減法電路（二）電路如圖3-8所示，該電路是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知：uP=uN，uI=0，iI=0并可得下列方程式：

利用uN=uP，并聯(lián)解式可得

在上式中，若滿(mǎn)足Rf/R=R3/R2，則該式可簡(jiǎn)化為當(dāng)Rf=R，有uO=uS2-uS1上式表明，輸出電壓uO與兩輸入電壓之差（uS2-uS1）成比例，實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)uS2與uS1的相減。從原理上說(shuō),求和電路也可以采用雙端輸入(或稱(chēng)差動(dòng)輸入)方式、此時(shí)只用一個(gè)集成運(yùn)放，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)加法和減法運(yùn)算。但由于電路系數(shù)的調(diào)整非常麻煩，所以實(shí)際上很少采用。如需同時(shí)進(jìn)行加法、通常寧可多用一個(gè)集成運(yùn)放，而仍采用反相求和電路的結(jié)構(gòu)形式。5.積分電路

在電子電路中，常用積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，此外，積分運(yùn)算電路還用于延時(shí)、定時(shí)和非正弦波發(fā)生電路中。積分電路有簡(jiǎn)單積分電路、同相積分電路、求和積分電路等。簡(jiǎn)單積分電路如圖3-9所示。反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻由電容所取代，便構(gòu)成了積分電路。利用積分運(yùn)算電路能夠?qū)⑤斎氲恼译妷海儞Q為輸出的余弦電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的移相；將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的變換；對(duì)低頻信號(hào)增益大，對(duì)高頻信號(hào)增益小，當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)增益為零，實(shí)現(xiàn)了濾波功能。6.微分電路微分是積分的逆運(yùn)算。將圖3-10所示積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構(gòu)成微分電路。微分電路選取相對(duì)較小的時(shí)間常數(shù)RC。上式表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿(mǎn)足微分運(yùn)算的要求。因此微分電路對(duì)高頻噪聲和突然出現(xiàn)的干擾（如雷電）等非常敏感，故它的抗干擾能力較差，限制了其應(yīng)用。

（二）集成運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用在集成運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用電路中，運(yùn)放一般工作在開(kāi)環(huán)或僅正反饋狀態(tài)，而運(yùn)放的增益很高，在非負(fù)反饋狀態(tài)下，其線(xiàn)性區(qū)的工作狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，因此主要工作在非線(xiàn)性區(qū)，實(shí)際上這正是非線(xiàn)性應(yīng)用電路所需要的工作區(qū)。電壓比較電路是用來(lái)比較兩個(gè)電壓大小的電路。在自動(dòng)控制、越限報(bào)警、波形變換等電路中得到應(yīng)用。由集成運(yùn)放所構(gòu)成的比較電路，其重要特點(diǎn)是運(yùn)放工作于非線(xiàn)性狀態(tài)。開(kāi)環(huán)工作時(shí)，由于其開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，因此，在兩個(gè)輸入端之間有微小的電壓差異時(shí)，其輸出電壓就偏向于飽和值；當(dāng)運(yùn)放電路引入適時(shí)的正反饋時(shí)，更加速了輸出狀態(tài)的變化，即輸出電壓不是處于正飽和狀態(tài)（接近正電源電壓+VCC），就是處于負(fù)飽和狀態(tài)（接近負(fù)電源電壓VＥＥ）。處于運(yùn)放電壓傳輸特性的非線(xiàn)性區(qū)。由此可見(jiàn)，分析比較電路時(shí)應(yīng)注意：①比較器中的運(yùn)放，“虛短”的概念不再成立，而“虛斷”的概念依然成立。②應(yīng)著重抓住輸出發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值來(lái)分析其輸入\輸出關(guān)系，畫(huà)出電壓傳輸特性。電壓比較器簡(jiǎn)稱(chēng)比較器，它常用來(lái)比較兩個(gè)電壓的大小，比較的結(jié)果（大或?。┩ǔＳ奢敵龅母唠娖経OH或低電平UOL來(lái)表示。1.簡(jiǎn)單電壓比較器簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路如圖3-11（a）所示，它將一個(gè)模擬量的電壓信號(hào)uI和一個(gè)參考電壓UREF相比較。模擬量信號(hào)可以從同相端輸入，也可從反相端輸入。圖3-13a所示的信號(hào)為反相端輸入，參考電壓接于同相端。圖3-11簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路a）電路b)傳輸特性當(dāng)輸入信號(hào)uI＜UREF，輸出即為高電平uO=UOH（+VCC）。當(dāng)輸入信號(hào)uI＞UREF，輸出即為高電平uO=UOL（VＥＥ）。顯然，當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，表示輸入電壓uI比參考電壓UREF??；反之當(dāng)輸出為低電平時(shí)，則表示輸入電壓uI比參考電壓UREF大。根據(jù)上述分析，可得到該比較器的傳輸特性如圖3-11b中實(shí)線(xiàn)所示?？梢钥闯?，傳輸特性中的線(xiàn)性放大區(qū)（MN段）輸入電壓變化范圍極小，因此可近似認(rèn)為MN與橫軸垂直。通常把比較器的輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界輸入電壓稱(chēng)為閥值電壓或門(mén)限電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)為閥值，用符號(hào)UTH表示。對(duì)這里所討論的簡(jiǎn)單比較器，有UTH=UREF。也可以將圖3-11a所示電路中的UREF和uI的接入位置互換，即uI接同相輸入端，UREF接反相輸入端，則得到同相輸入電壓比較器。不難理解，同相輸入電壓比較器的閥值仍為UREF，其傳輸特性如圖3-15b中虛線(xiàn)所示。作為上述兩種電路的一個(gè)特例，如果參考電壓UREF=0(該端接地），則輸入電壓超過(guò)零時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，這種比較器稱(chēng)為過(guò)零比較電路。2.集成電壓比較器隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)比較器的工作特點(diǎn)和要求，集成電壓比較器得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在市場(chǎng)上用的比較多的產(chǎn)品有LM239/LM339系列、LM293/LM393系列和LM111/LM211/LM311系列。LM293/LM393系列為雙電壓比較器；LM239/LM339系列為四電壓比較器。LM111/LM211/LM311系列為單電壓比較器。它們都是集電極開(kāi)路輸出，均可采用雙電源或單電源方式供電，供電電壓從＋5V到±15V。LM111/LM211/LM311的不同在于工作溫度分別為?55°C到+125°C、?25°C到+85°C、0°Cto到70°C。如圖3-12所示為L(zhǎng)M311的引腳圖。

如圖3-13所示為L(zhǎng)M311在超聲波接收器中的應(yīng)用電路圖。JSQ為超聲波接收器，接收發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的超聲波信號(hào)，TL082為雙集成運(yùn)放，由于信號(hào)比較微弱，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后至LM311電壓比較器的反相輸入端，調(diào)節(jié)電位器，使其當(dāng)沒(méi)有超聲波時(shí)，LM311輸出為零，當(dāng)有超聲波信號(hào)時(shí)，電壓比較器有輸出，由于是集電極開(kāi)路門(mén)，輸出端通過(guò)一個(gè)上拉電阻至+5V,以便和單片機(jī)電源相匹配。圖3-13LM311的應(yīng)用電路集成電壓比較器除了用作比較器功能外，通過(guò)不同的接法，可以組成不同的用途的電路，如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、振蕩器、電平檢測(cè)電路等等。

四、相關(guān)知識(shí)（一）零點(diǎn)漂移集成運(yùn)放電路各級(jí)之間由于均采用直接耦合方式，直接耦合放大電路具有良好的低頻頻率特性，可以放大緩慢變化甚至接近于零頻（直流）的信號(hào)（如溫度、濕度等緩慢變化的傳感信號(hào)），但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即當(dāng)溫度變化或電路參數(shù)等因素稍有變化時(shí)，電路工作點(diǎn)將隨之變化，輸出端電壓偏離靜態(tài)值（相當(dāng)于交流信號(hào)零點(diǎn)）而上下漂動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為““零點(diǎn)漂移””，簡(jiǎn)稱(chēng)“零漂”。由于存在零漂，即使輸入信號(hào)為零，也會(huì)在輸出端產(chǎn)生電壓變化從而造成電路誤動(dòng)作，顯然這是不允許的。當(dāng)然，如果漂移電壓與輸入電壓相比很小，則影響不大，但如果輸入端等效漂移電壓與輸入電壓相比很接近或很大，即漂移嚴(yán)重時(shí)，則有用信號(hào)就會(huì)被漂移信號(hào)嚴(yán)重干擾，結(jié)果使電路無(wú)法正常工作。容易理解，多級(jí)放大器中第一級(jí)放大器零漂的影響最為嚴(yán)重。如放大器第一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)由于溫度的變化，使電壓稍有偏移時(shí)，第一級(jí)的輸出電壓就將發(fā)生微小的變化，這種緩慢微小的變化經(jīng)過(guò)多級(jí)放大器逐步放大后，輸出端就會(huì)產(chǎn)生較大的漂移電壓。顯然，直流放大器的級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越高，輸出的漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，直接耦合放大電路必須采取措施來(lái)抑制零漂。抑制零點(diǎn)漂移的措施通常采用以下幾種：第一是采用質(zhì)量好的硅管。硅管受溫度的影響比鍺管小得多，所以目前要求較高的直流放大器的前置放大級(jí)幾乎都采用硅管。第二是采用熱敏元件進(jìn)行補(bǔ)償。就是利用溫度對(duì)非線(xiàn)性元件（晶體管二極管、熱敏電阻等）的影響，來(lái)抵消溫度對(duì)放大電路中三極管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的漂移。第三是采用差動(dòng)式放大電路。這是一種廣泛應(yīng)用的電路，它是利用特性相同的晶體管進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)抑制零點(diǎn)漂移的，將在下面介紹。（二）簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路又稱(chēng)為差分放大器。這種電路能有效的減少三極管的參數(shù)隨溫度變化所引起的漂移，較好地解決在直流放大器中放大倍數(shù)和零點(diǎn)漂移的矛盾，因而在分立元件和集成電路中獲得十分廣泛的應(yīng)用。1.電路組成和工作原理簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路如圖3-14所示，它由兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的單管放大電路構(gòu)成，有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。其中三極管VT1,VT2的參數(shù)和特性完全相同（如1=2=等），RB1=RB2=RB，RC1=RC2=RC。顯然，兩個(gè)單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓增益等均相同。當(dāng)然，實(shí)際電路總存在一定的差異，不可能完全對(duì)稱(chēng)，但在集成電路中，這種差異很小。

由于兩管電路完全對(duì)稱(chēng)，因此，靜態(tài)（ui=0）時(shí)，直流工作點(diǎn)UC1=UC2，此時(shí)電路的輸出uo=UC1-UC2=

0（這種情況稱(chēng)為零輸入時(shí)零輸出）。當(dāng)溫度變化引起管子參數(shù)變化時(shí)，每一單管放大器的工作點(diǎn)必然隨之改變（存在零漂），但由于電路的對(duì)稱(chēng)性，UC1和UC2同時(shí)增大或減小，并保持UC1=UC2，即始終有輸出電壓uo=0，或者說(shuō)零漂被抑制了。這就是差動(dòng)放大電路抑制零漂的原理。設(shè)每個(gè)單管放大電路的放大倍數(shù)為Au1，在電路完全對(duì)稱(chēng)的情況下，有顯然uo1=Au1ui1，uo2=Au1ui2，而差動(dòng)放大電路的輸出取自?xún)蓚€(gè)對(duì)稱(chēng)單管放大電路的兩個(gè)輸出端之間（稱(chēng)為平衡輸出或雙端輸出），其輸出電壓

uo=uo1-uo2=Au1(ui1-ui2)

由上式可知，差動(dòng)放大電路輸出電壓與兩單管放大電路的輸入電壓之差成正比，“差動(dòng)”的概念由此而來(lái)。實(shí)際的輸入信號(hào)（即有用信號(hào)）電壓通常加到兩個(gè)輸入端之間（稱(chēng)為平衡輸入或雙端輸入），由于電路對(duì)稱(chēng)，因此兩管的發(fā)射結(jié)電流大小相等、方向相反，此時(shí)若一管的輸出電壓升高，另一管則降低，且有uo1=uo2，所以u(píng)o=uo1uo2=2uo1，因此輸出電壓不但不會(huì)為0，反而比單管輸出大一倍。這就是差動(dòng)放大電路可以有效放大有用輸入信號(hào)的原理。設(shè)有用信號(hào)輸入時(shí)，兩管各自的輸入電壓（參考方向均為b極指向e極）分別用uid1和uid2表示，則有，uid1=ui/2，uid2=ui/2，uid1=uid2。顯然，uid1與uid2大小相等、極性相反，通常稱(chēng)它們?yōu)橐粚?duì)差模輸入信號(hào)或差模信號(hào)。而電路的差動(dòng)輸入信號(hào)則為兩管差模輸入信號(hào)之差，即uid=uid1uid2=2uid1=ui。在只有差模輸入電壓uid作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是差動(dòng)輸出電壓uod。通常把輸入差模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱(chēng)為差模增益，用Aud表示，即顯然，差模增益就是通常的放大器的電壓增益，對(duì)于簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路，有差模增益Aud表示電路放大有用信號(hào)的能力。一般情況下要求|Aud|

盡可能大。以上討論的是差動(dòng)放大電路如何放大有用信號(hào)的。下面介紹它是如何抑制零漂信號(hào)（即共模信號(hào)）的原理，

設(shè)在一定的溫度變化值DT的情況下，兩個(gè)單管放大器的輸出漂移電壓分別為uoc1和uoc2，uoc1和uoc2折合到各自輸入端的等效輸入漂移電壓分別為uic1和uic2，顯然有uoc1=

uoc2，uic1=

uic2將uic1與uic2分別加到差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端，它們大小相等，極性相同，通常稱(chēng)它們?yōu)橐粚?duì)共模輸入信號(hào)或共模信號(hào)。共模信號(hào)可以表示為uic1=

uic2=uic。顯然，共模信號(hào)并不是實(shí)際的有用信號(hào)，而是溫度等因素變化所產(chǎn)生的漂移或干擾信號(hào)，因此需要進(jìn)行抑制。當(dāng)只有共模輸入電壓uic作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是共模輸出電壓uoc

，通常把輸入共模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱(chēng)為共模增益，用Auc表示，則在電路完全對(duì)稱(chēng)情況下，差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)的uoc=0，則Auc=0共模增益Auc表示電路抑制共模信號(hào)的能力。|Auc|越小，電路抑制共模信號(hào)的能力也越強(qiáng)。當(dāng)然，實(shí)際差動(dòng)放大電路的兩個(gè)單管放大器不可能做到完全對(duì)稱(chēng)，因此Auc不可能完全等于0。需要指出的是，差動(dòng)放大電路實(shí)際工作時(shí)，總是既存在差模信號(hào)，也存在共模信號(hào)，因此，實(shí)際的ui1和ui2可表示為ui1=uic+uid1ui2=uic+uid2=uicuid1由上述二式容易得到：uic=(ui1+ui2)/2uid1=uid2=(ui1ui2)/2電路的差模輸入電壓uid=2uid1=ui1ui2=ui2.共模抑制比在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，若電路基本對(duì)稱(chēng)，則對(duì)輸出起主要作用的是差模信號(hào)，而共模信號(hào)對(duì)輸出的作用要盡可能被抑制。為定量反映放大器放大有用的差模信號(hào)和抑制有害的共模信號(hào)的能力，通常引入?yún)?shù)共模抑制比，用KCMR表示。它定義為共模抑制比用分貝表示則為顯然，KCMR越大，輸出信號(hào)中的共模成分相對(duì)越少，電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力就越強(qiáng)。（三）射極耦合差動(dòng)放大電路前面所討論的簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路在實(shí)際應(yīng)用中存在以下不足。①即使電路完全對(duì)稱(chēng)，每一單管放大電路仍存在較大的零漂，在單端輸出（非對(duì)稱(chēng)輸出，即輸出取自任一單管放大電路的輸出）的情況下，該電路和普通放大電路一樣，沒(méi)有任何抑制零漂的能力。電路不完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，抑制零漂的作用明顯變差。②每一單管放大電路存在的零漂（即工作點(diǎn)的漂移）可能使它們均工作于飽和區(qū)，從而使整個(gè)放大器無(wú)法正常工作。采用射極耦合差動(dòng)放大電路可以較好地克服簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的不足，一種實(shí)用的射極耦合差動(dòng)放大電路如圖3-4a所示，電路中接入VEE的目的是為了保證輸入端在未接信號(hào)時(shí)基本為零輸入（IB,RB均很?。?，同時(shí)又給BJT發(fā)射結(jié)提供了正偏。其中，RC1=RC2=RC，RB1=RB2=RB。由圖3-15a可以看出，射極耦合差動(dòng)放大電路與簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的關(guān)鍵不同之處在于兩管的發(fā)射極串聯(lián)了一個(gè)公共電阻RE（因此也稱(chēng)為電阻長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路），而正是RE的接入使得電路的性能發(fā)生了明顯變化。

當(dāng)輸入信號(hào)為差模信號(hào)時(shí)，則ui1=ui2=uid2，因此兩管的發(fā)射極電流iE1和iE2將一個(gè)增大、另一個(gè)同量減小，即流過(guò)RE的電流iE=iE1+iE2保持不變，RE兩端的電壓也保持不變（相當(dāng)于交流iE=0,uE=0），也就是說(shuō)，RE對(duì)差模信號(hào)可視為短路，由此可得該電路的差模交流通路如圖3-15b所示。顯然，RE的接入對(duì)差模信號(hào)的放大沒(méi)有任何影響。當(dāng)輸入（等效輸入）信號(hào)為共模信號(hào)時(shí)，則uic1=uic2=uic，因此兩管的發(fā)射極電流iE1和iE2將同時(shí)同量增大或減小，相當(dāng)于交流iE1=iE2，即iE=iE1+iE2=2iE1，uE=iERE=2iE1RE。容易看出，此時(shí)RE對(duì)每一單管放大電路所呈現(xiàn)的等效電阻為2RE，由此可得該電路的共模交流通路如圖3-15c所示。顯然，RE的接入對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生了明顯影響，這個(gè)影響就是每一單管放大電路相當(dāng)于引入了反饋電阻為2RE的電流串聯(lián)負(fù)反饋。當(dāng)RE較大時(shí)，單端輸出的共模增益也很低，有效地抑制了零漂，并穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。由圖3-15c可以看出，RE越大，共模負(fù)反饋越深，可以有效地提高差動(dòng)放大電路的共模抑制比。但由于集成電路制造工藝的限制，RE不可能很大；另外，RE太大，則要求負(fù)電源電壓也很高（以產(chǎn)生一定的直流偏置電流），這一點(diǎn)對(duì)電路的實(shí)現(xiàn)是不利的。針對(duì)上述問(wèn)題，可以考慮將RE用直流恒流源來(lái)代替。圖3-15射極耦合差動(dòng)放大電路a）基本電路b)差模交流通路c)共模交流通路

五、任務(wù)實(shí)施（一）制作（焊接）電路1.項(xiàng)目?jī)?nèi)容（1）學(xué)習(xí)理解集成運(yùn)算放大電路基本運(yùn)算關(guān)系和應(yīng)用。（2）制作集成運(yùn)算放大器常用的4個(gè)電路：反相比例運(yùn)算放大器、同相比例運(yùn)算放大器、加法運(yùn)算器、減法運(yùn)算器。2