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1、计算机电路基础(第二版),何超 主 编 中国水利水电出版社,第6章 集成运算放大器,本章提要集成运算放大器简称运放。运放的初期是由各种分离元件构成，用于模拟计算机进行数学运算的电路，故而得名。20世纪60年代集成运放研制成功，它是把晶体管、电阻、连接导线等做在一小块半导体基片上，形成不可分割的固体块，是一种具有差动输入和多级直接耦合电路的高电压增益、宽频带、高输入电阻和低输出电阻的放大器。已被广泛应用于通讯、测量、控制、音响、电视等诸多领域中。本章先讨论运放的基本结构和主要性能参数；接着介绍运放在信号运算和处理方面的典型应用；最后对运放在使用过程中应注意的若干实际问题作简要介绍。,运放的基本结
2、构和主要性能参数6.1.1 运放的电路符号与基本结构运放是一个多端器件，典型运放的一般电路符号如图61(a)所示。它有两个输入端，用“-”和“+”表示，分别代表反相输入端和同相输入端，一个对地输出端uo；还有一对施加直流电压的端口U+和U-，分别接入正、负电压源，用以提供运放内部各元件所需要的功率和传送给输出端负载的功率。以上五个端口是任何一种运放都必备的主要端口。另外，还有一些运放设有接地端、补偿端、调零端等端口。为电路原理图的简化，通常可将图61(a)运放电路符号简化为图61(b)所示。,运放的外形如图62所示。早期，大多数产品的封装形式类似于晶体管，即所谓金属密封圆形外壳封装见图62(a
3、)，而现在大多数产品的封装形式是8只脚或14只脚的双列直插式封装见图62(b)，为了提高电子产品的装配密度，采用单列直插式封装见图62(c)和微型扁平封装见图62(d)的形式也开始不断增加。,运放的内部结构，由于其类型很多，电路也不一样，但其结构具有共同之处。图63表示运放的内部电路原理框图。图中的输入级一般是由双极型晶体三极管（BJT）、结型场效应管（JFET）或金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）组成的差动放大电路，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比，减小零点漂移和改善其它方面的性能。它的两个输入端口构成整个电路的反相输入端和同相输入端。中间级也叫做电压放大级，其主要作用是
4、提高电压增益，它可由一级或多级带有源负载的共射极或共基极放大电路组成，汽油源负载可用电流源电路实现。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路的作用是为各级提供合适而稳定的工作电流，一般由各种形式的电流源电路组成。此外，运放内部还可能设置一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路及高频补偿环节等。,图63 运放内部组成原理框图,典型的741型通用运放的内部电路如图64所示。它由24个晶体管，10个电阻和一个电容所组成。,图中标示出输入级、偏置电路、中间级和输出级的构成,图64 741运放的内部电路图,6.1.2 理想运放的特性 理想运放，也就是其主要
5、性能参数都应当具有理想值的运放。其理想化条件主要有：开环差模电压增益 Auo；开环差模输入电阻 rid；开环输出电阻 ro0；当UNUP0时，Uo0，即没有输入失调现象；开环带宽 BW；共模抑制比 Kcmr。根据上述理想条件，若运放工作在线性区，可建立如下两个重要概念。1.“虚短路”概念 设运放的同相和反相输入端的电压分别为UP和UN。当运放工作在线性区时，有（61）由于Uo为有限值，而理想运放的Auo为无限大，故有Ui（UP-UN）0，即（62）这说明理想运放两个输入端的电位相等，相当于同相与反相输入端之间“短路”，但又不是真正的短路，故称为“虚短路”，简称“虚短”。,2.“虚断路”概念 由
6、于理想运放两个输入端之间的电压Ui（UP-UN）0，而输入电阻rid为无限大，根据欧姆定律可知，输入电流IiUi/rid0。所以，对于理想运放来说，无论是同相输入端还是反相输入端，都不会有信号电流输入。即 IpIn0（63）这相当于运放的两个输入端之间“断路”，但又不是真正的断路，故称为“虚断路”，简称“虚断”。它表明理想运放的两个输入端不会从外部电路吸取任何电流。尽管实际运放事实上并不具备理想条件，但运放一般都具有很高的输入电阻（rid值在10k1000k之间），很低的输出电阻（ro值在50500之间）和很高的开环差模电压增益（通常Auo值在11041106之间），高性能型运放的性能参数则更
7、加接近理想条件。因此，利用理想运放的“虚短”和“虚断”概念来分析实际运放电路，其结果一般来说不会引起明显的误差，更重要的是给分析和计算实际运放电路提供了方便。所以，由理想运放得出的上述两个重要概念，是分析运放线性电路的基本出发点。,运放的主要性能参数 了解运放的性能参数，是正确挑选和使用运放的关键。运放的性能参数较多，归纳如下。1.极限参数（最大额定值）极限参数是指为了保证运放的寿命和性能，由厂商规定的绝对不能超过的值。运放在使用中，如果超过了极限参数中的任何一个参数，都可能会造成永久性破坏或性能变坏。现在生产的运放，因内部含有保护电路，即使稍微超过极限参数，也不一定会破坏，但如果引起器件异常
8、，厂商则不负任何责任。因此，在使用运放时，仍然需要严格遵守极限参数的规定。通常有如下一些极限参数：,(1)电源电压这是指能施加于运放电源端子的最大直流电源值。有两种表示方法：a.用正、负两种电压表示；b.用正电压与负电压的差值表示。(2)最大差模输入电压Uidmax这是指运放的反相输入端和同相输入端之间能承受的最大电压值。(3)最大共模输入电压Uicmax这是指在保证运放能正常工作而不被破坏的条件下，运放的反相或同相输入端与地之间能够承受的最大电压值。(4)允许功耗Pco这是指运放有输入信号和接上负载时，在不引起热破坏的条件下允许消耗的最大功率。(5)最大输出电流Iomax这是指运放所能输出的
9、正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。(6)工作温度范围。,2.输入失调参数输入失调电压Uio 理想的运放，当输入电压为零时其输出电压也应当为零。但实际上运放的差动输入级很难做到完全对称，因而在输入为零时其输出通常并不为零，而是必须在输入端加上某一数量的微小差模电压，方能使输出电压为零。在室温（25）及标准电源电压下，这个外加的微小差模电压值，称为输入失调电压Uio。实际上是指输入电压为零时，输出电压Uo折合到输入端的电压的负值，即（64）式中，Auo为运放的开环差模电压增益。Uio的大小，反映了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况，其值愈大，说明电路的对称程度愈差。一般约为（11
10、0）mV。,输入偏置电流IiB 运放的两个输入端是差动对管的基极，因此，两个输入端总需要一定的电流IBN和IBP（分别代表运放反相和同相输入端的输入电流）。输入偏置电流是指运放的输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，即（65）IiB的大小反映了运放输入级的性能。从使用角度看，IiB值愈小，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，这说明器件的质量愈好。一般IIb值在10nA1A范围之内。输入失调电流Iio 这是指当运放的输出电压为零时流入两个输入端的静态基极电流之差，即（66）Iio的存在，将在输入回路电阻上产生一个附加电压，这就破坏了放大器的平衡，使得运放在输入信号为零时，其输出电压
11、不为零。所以，希望Iio值愈小愈好。一般约为1nA0.1A。,3.差模特性参数 这是运放处于开环状态时，加入差模信号后的特性参数。(1)开环差模电压增益Auo 这是指运放工作在线性区，接入规定的负载后，在无负反馈的情况下的差模电压增益，也就是运放在开环情况下（实际上就是指运放本身），输出电压与差模输入电压的比值，即 AuoUo/Uid(67)或用分贝表示为 G20lgAuo(68)开环差模电压增益反映了运放对输入到其两输入端信号差值的放大能力，一般希望Auo值越大越好。通常Auo值1105，或G100dB，高质量的运放G值可达170Db以上。应当注意，Auo值通常指的是直流放大倍数，所以手册上
12、给出的值都是常数。但实,际上运放的Auo值不但与输出电压Uo有关，而且在输入交流信号的情况下，还会随输入信号频率的变化而改变。图6-5表示为741型运放Auo的频率响应曲线。由于运放的频带有较大宽度，在低频交流信号输入时，其交流电压增益和直流电压增益基本上是一致的。所以，为了克服运放因失调而带来的测量误差，Auo值的测定实际上是在规定输出电压的幅值（例如Uo10V），且输入为低频交流信号的情况下进行的。(2)开环带宽BW（fH）开环带宽BW又称为-3Db带宽，是指开环差模电压增益下降3分贝时对应的频率fH。如741型运放，其Auo的频率响应如图所示。从图中可见，其fH约为7HZ。,图65 74
13、1型运放Auo的频率响应,(3)单位增益带宽BWG（fT）对应于开环差模电压增益Auo的频率响应曲线上，其增益下降到0dB时所对应的频率，即Auo1所对应的频率fT称为单位增益带宽BWG。图所示的741型运放，其单位增益带宽BWG约为1.4MHZ。fT也可称为剪切频率，它和fH之间的关系为：fTAuofH。即BWGAuoBW（69）式中，AuoBW也称为运放的增益带宽积，或叫做开环带宽积。(4)差模输入电阻rid 差模输入电阻是从两个输入端看进去的交流等效电阻。也就是运放在开环状态时，正、负输入端之间的差模电压变化量与由它引起的输入电流变化量之比，即（610）,rid越大，运放的性能越好。一般
14、rid值大约在几百千欧至几兆欧之间，对于高输入阻抗的运放，rid值可达11012以上。(5)输出电阻ro 输出电阻是指运放在开环状态，且不接负载时输出端对地的交流等效电阻。也就是输出电压与输出电流之比。ro数值的大小，反映了运放带负载能力的弱或强。由于运放的输出级常采用互补对称电路，所以，无论是正向还是反向输出，其ro值相同且较小，一般在几十欧至几百欧之间。4.共模特性参数 这是运放处于开环状态时，加入共模信号后的特性参数。,(1)共模电压增益Auc 在运放的两个输入端同时对地加入相同的信号时，其输出电压与共模输入电压之比值，称为共模电压增益Auc。理想情况下，Auc应为零。(2)共模输入电阻
15、ric 这是指运放在共模信号输入的情况下，从输入端和地看进去的交流等效电阻。通常，运放的共模输入电阻Auc要比其差模输入电阻Aud高两个数量级以上。一般手册上往往只给出Aud值。(3)共模抑制比KCMR 共模抑制比定义为运放的开环差模电压增益与共模电压增益地比值，即KCMR（611）,或用分贝表示为20lg。KCMR用来衡量运放对共模信号的抑制能力，其大小也反映了输入级各参数对称的程度。在理想情况下，因Auc0，故KCMR。可见，共模抑制比的值越大越好。一般KCMR约为11041105，或80100dB。高质量的运放可达1108，即160dB。5.温度漂移参数随外界温度的变化而变化的现象称为该
16、参数存在温度漂移。运放的温度漂移主要有输入失调电压温漂Uio/t和输入失调电流温漂Iio/t，前者反映在规定温度范围内Uio受温度影响的程度，其值一般约为（1020）V/；后者反映Iio受温度影响的程度，其值一般在几十至几百pA/之间。,6.转换速率SR 转换速率SR是指运放在闭环状态、输入为大信号（例如阶跃信号）时，其输出电压对时间的最大变化率，即（612）运放的频率响应和瞬态响应在大信号输入时与小信号输入有很大的差别。在大信号输入时，特别是大的阶跃信号输入时，运放将工作在非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。从频率响应来看，大信号输入时其频带宽度总要比小信号输入时为窄；从瞬态
17、响应来看，大信号输入时将使运放的输出电压不能即时地跟随阶跃输入电压变化。输出电压的变化如图6-6所示，它的斜率决定了信号的转换速率。由于转换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定用运放在单位闭环电压增益的条件下，单位时间内输出电压的变化值来标定转换速率SR。,SR是用来描述运放在大信号和高频信号工作时输出对输入信号的跟随能力的一个重要参数。只有当SR值大于输出信号变化斜率的绝对值时，运放的输出才有可能按线性规律变化。,图66 输出电压波形受转换速率限制的情况,例如，在运放的输入端加一正弦电压为，输出电压为，那么，输出信号的变化速率为 为了使输出电压波形不因SR的限制而产生失真，必须使运放的SR
18、2fUom。若选用741型运放，其SR0.5V/s，当输出电压幅值Uom10V时，它的最大不失真频率为 f SR/(2Uom)0.5/(210)7958 HZ 8 kHZ SR值越大，运放的高频特性越好。一般运放的SR值在1V/s以下。对于一些特殊的使用场所，如雷达和电视中使用的运放，往往要求SR值达到500V/s。,7.静态功耗PW 静态功耗PW是指运放在输入信号为零，输出端未接负载、接入额定电源电压的条件下，本身消耗的正、负电源的总功率。一般运放PW为几十毫瓦。低功耗型运放在50mW以下，一些专用的微功耗型运放可在1mW以下。,6.2 运放构成的基本电路 6.2.1 比例放大器 实现输出信
19、号与输入信号成比例的放大电路，称为比例放大器。有反相输入和同相输入两种形式。1.反相比例放大器 图67是反相比例放大器的电路图。信号电压us从运放反相端输入，Rf引入电压并联负反馈。根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，且由于同相输入端接地，故有uNuP0，INIP0。而。解上述联立方程得（613）反相比例放大器的闭环增益为（614）由此可见，反相比例放大器的放大倍数Auf与外电阻Rf和R1有关，而与运放本身特性无关，这是视运放,为理想运放之缘故。式中的“-”号则说明电路的输出信号与输入信号反相，在相位上相差180。实际使用的反相比例放大器电路，还应在运放的同相输入端通过一个电阻R2接地，如图
20、所示。嫁接电阻R2是为了消除运放偏置电流IIb的影响，通常称R2为平衡电阻。因为即使运放两输入端的偏置电流满足IBNIBP，但若它们经过的外部回路的电阻不等时，会造成uNuP，从而导致输出端产生误差电压。由于IBN流过的外部回路电阻为R1/Rf（忽略了信号源内阻和运放的输出电阻），而IBP流过的外部回路电阻是R2，所以，对于平衡电阻R2的取值应为 R2R1/Rf（615）若R1太小，将会从信号源取走较大电流，使得信号源内阻上产生压降，造成传输误差；同时，R1太小还限制了us的最大幅值，因为若us过大时，由于R1很小，流过R1的电流I1必然很大，该电流也必定流经运放的输出级，这就有可能烧坏运放的
21、输出管。若R1过大，则因为阻值大的电阻，其热稳定性相对较差，内部噪声也大，同时还会加大运放的失调电流及漂移的影响。,由于运放的开环增益Auo实际上为有限值，为了保证闭环增益Auf的精度和稳定性，通常Auf宜在0.1100的范围内选取。综上所述，R1和Rf两电阻较合适的取值范围为1k1M。为使R1和Rf都不超出此范围，设计实际电路时，往往是先根据运放的差模输入电阻rid、输出电阻ro及初定的闭环增益Auf来确定Rf值。最佳反馈电阻值为（616）,图68 实际反相比例放大器,图67 反相比例放大器,求出Rf之后，再根据Auf-Rf/R1来求R1，最后计算出平衡电阻R2（R2R1/Rf）。值得注意的
22、是，若信号源的输出阻抗不为零，则应把该阻抗值计入R1内。另外，为减少运放失调参数漂移的影响，闭环增益Auf不要选得太高。反相比例放大器的输入电阻RiR1，由于UNUP0，运放的共模输入近似为零。2.同相比例放大器 同相比例放大器的电路原理如图69所示。信号电压us从同相输入端接入，并令反相输入端接地，Rf则引入电压串联负反馈。根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，有,所以（617）式中，rs通常也就是信号源的输出电阻，其值很小，满足rsR2，因而有R2/(rs+R2)1。于是可得同相比例放大器的闭环增益为（618）,式（618）表明，同相比例放大器的闭环增益仅与两个外接电阻R1和Rf有关，而与
23、运放本身的开环差模电压增益Auo无关，这是视运放为理想运放，Auo为无穷大之故。若考虑实际运放的Auo，并设F为反馈系数 则有（619）在Auo比Auf大得多的条件下，有Auf1/F1+（Rf/R1）。可见，只要取Auf比Auo小得多，则用式（618）来计算增益是足够精确的。,同相比例放大器的输入电阻基本上由R2确定。由于电路引入了电压串联负反馈，输入电阻可以很高。另外，由于uPuNus0，故运放的 图6-10 电压跟随器 共模信号大，要求运放具有较大的共模抑制比。在式（618）中，若取R1=，即R1开路，如图（610），则uo=ui,就构成了电压跟随器，由于R2上无压降，可令其短接，不影响跟
24、随关系。注意：图610中的电路符号是集成运放的另一种画法。,差分式放大器 差分式放大器的电路原 理如图611所示。从电路 结构上来看，它是反相输 入和同相输入相结合的放大电路。根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，由于INIP0，可得下列方程组：解上述联立方程可得（620）,式（620）还可改写为 很显然，如果选取电阻满足R3/R2Rf/R1，或简单地选取R1R2R，R3Rf，则输出电压可简化为（621）式（621）表明，图611所示电路的输出电压与运放正、负两输入端的输入电压之差（us2-us1）成比例。若进一步选取,则式（621）成为（622）这时差分放大器成了减法运算器。值得注意的是，由
25、于电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的运放来组成差分式放大电路。,6.3 运放在信号运算方面的应用求和运算若要将两个信号电压相加，可在反相比例放大器的基础上增加一个输入端，构成如图 612所示的电路来实现。利用IN0，uNuP 0的概念，对反相输入节 点可写出下列方程 由于uN0，有 由此得（623）,图612 反相加法器,若取R1R2R，则式（623）变为（624）式（624）表明，图612所示电路的输出电压uo与两输入信号电压us1、us2的和成比例，实现了两信号相加运算的目的，并同时可对其进行放大，其放大倍数由Rf/R决定。式中的“-”号则是因反相输入所引起的。若取Rf=R1,并在
26、图612的输出端再接一级反相比例放大器，则可消除负号，则式（624）成为（625）实现了完全符合常规的算术加法运算。,该电路为反相输入结构，故对运放的共模抑制比要求低。电路的设计和调节方便。但输入电阻小。实际电路也需在同相输入端加接平衡电阻，其阻值为R1R2Rf。加法运算器还可扩展为多个输入电压相加；也可利用同相比例放大器来组成。,积分运算 将反相比例放大器中的反馈电阻Rf换成电容C，就构成了基本的积分运算器，如图613所示。根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，由 于没有电流流进或流出运放 的任何一个输入端，电容C就 以电流iuo/R进行充电。假 设电容C的初始电压为零，则由于uNuP0，有
27、（626）,式（626）表明，输出电压uo为输入电压us对时间的积分，负号则表示输出信号与输入信号反相。当输入信号us为图614（a）所示的阶跃电压信号时，根据式（626）可得（627）式中，RC，称为积分时间常数。可见，输出电压uo与时间t成线性关系，其斜率为-us/(RC)，如图614(b)所示。当t时，uo-Us；当t时，uo沿负向继续线性增长，直到uo-Uom，即运放输出电压的最大值Uom受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，uo保持不变而停止积分。,由于运放的输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常常会出现积分误差。为此，应选用Uio，IIb，Iio小和低漂移的运放，同时
28、也应在同相输入端加接平衡电阻。在基本积分运算器的反相输入端在增加一个输入端口，构成如图615所示电路，则可实现两信号的求和积分。不难证明，该电路的输出,输入关系为（628）当取R1R2R时，上式可写成（629）例61 设电路如图613所示的积分运算器中，R10k，C5Nf，输入电压us为图616(a)所示的方波信号，在t0时，电容器C的初始电压为零。试画出输出电压uo稳态的波形，并标出u0的幅值。,解：当t0时，uo0；当tt140S时，当tt2120S时，当tt3200S时，如此周而复始，输出电压uo变为三角波，其输出的稳态波形如图616(b)所示。,6.3.3 微分运算 将图613所示积分
29、运算器中的电阻R和电容C的位置对换，就变成了微分运算器，如图617所示。,图617 微分运算器,图618 微分运算器输入、输出波形(a)输入波形；(b)输出波形,设t0时，电容器C的初始电压为零，当us接入后，便有。在这个电路中，同样根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念有INIP0，uNuP0，从而得（630）式（630）表明，该电路的输出电压与输入电压的微分成比例。在输入电压us跳变时，输出电压为有限值；而在输入电压us不变时，输出电压uo0。所以，当输入信号us为图618(a)所示的方波信号时，其输出电压为如图 618(b)所示的正、负相间的尖顶脉冲波。如果输入信号是正弦波ussint，则
30、输出信号为uo-RCcost。此式表明，输出电压uo的幅度将随频率的增高而线性地增大。,对数运算 基本的对数运算器如 图619所示。它是利用半 导体PN结的指数型伏安特 性，把晶体管放在反馈支 路中来实现对数运算。实 用过程中，如使NPN型晶 体管的UCB0（但接近于零），UBE0，则iC与uBE之间有如下关系（即PN结的伏安特性方程）（631）式中，IES是发射结反向饱和电流；UT是温度电压当量，室温（27）时，UT26mV。由于通常有uBEUT，即1，故式（631）可简化为,（632）由式（632）可得（633）在图619中，根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，有（634）（635）故由
31、式（635）和式（633）、（634）可得（636）式（636）表明，图619所示电路的输出电压与输入电压的对数成比例。但应当注意：只有当us0时，该电路才能正常工作。,高级运算 将对数运算器、反对数运算器、加法运算器、减法运算器等相结合，可以实现乘、除、乘方、开方等运算。1.对数乘法器原理 按照两数相乘的对数等于两数的对数相加的原理，就可以利用两个对数运算器、加法器和反对数运算器组合来实现乘法运算。其原理框图如图621所示。由该图可以得到输出与输入的关系为UokUxUy（638）,若图621中，N3改为减法运算放大器时，则输出与输入之间将构成除法运算关系（639）乘法器的简化符号如图622所
32、示。,2.除法运算电路 图623所示为除法运算电路。利用理想运放“虚短”和“虚断”的概念，有（640）又据乘法器的功能，有（641）因此得（642）式（642）表明该电路的输出电压与两输入电压ux1、ux2的比成比例，实现了除法运算。应当指出，在该电路中，只有当ux2为正极性时，才能保证运放是处于负反馈工作状态，而ux1则可正可负。若ux2为负值时，还需要在反馈电路中引入一反相电路。,3.开平方电路 在图624所示电路中，根据理想运放的“虚短”和“虚断”概念，有，或可写成：U2-U1 又根据乘法器功能得：于是有（643）由式（643）可见，uo是-u1的平方根，输入电压u1必为负值。若u1为正
33、电压，则无论uo是正或负，乘法器输出电压均为正值，这就会导致运放的反馈极性变正，使运放不能正常工作。所以，还必须将乘法器输出电压u2经过一反相器A2加到运放A1的输入端，电路如图625所示。,由图可得（644）同理，在运放的反馈电路中串入多个乘法器，还可以得到开高次方的运算电路，这里就不再多述。,6.4 运放其他应用示例 除了能用运放构成不同形式的电路来实现模拟信号的各种运算之外，在信号处理方面的应用也很广，如电压比较、测量放大、有源滤波和采样保持等；在信号产生方面也有广泛应用。6.4.1 比较器 比较器的功能是用来比较两个电压值的大小。比较结果以两种不同的电平输出，即输出高电平或低电平。比较
34、器中的运放，通常处于开环或接成正反馈，主要工作在饱和区。1.单门限电压比较器 图626(a)所示是这种比较器的基本电路。参考电压Uref加于运放的反相输入端，它可以是正值、负值或零，此图中给出的是正值。输入信号电压us则加于运放的同相输入端。输出电压uo表示us与Uref比较的结果。,由于运放处于开环工作状态，具有很高的开环差模电压增益，所以当usUref，即差模电压uidus-Uref0时，运放处于负饱和状态，uoUOl。当uidus-Uref0时，运放立即转入正饱和状态，uoUOH。其传输特性如图626(b)的实线所示。比较器的输出电压uo从一个电平跳变到另一个电平时，对应的输入信号电压u
35、s的值称为门限电压或阈值电压Uth。很显然，对于图626(a)所示的比较器，其门限电压值为UthUref。由于信号电压是从同相端接入且只有一个门限电压值，所以称这种比较器为同相输入单门限电压比较器。,也可以把us从反相端输入，而把Uref改接到同相输入端上，这时则成为反相输入单门限电压比较器，其相应的传输特性如图626(b)中的虚线所示。当参考电压Uref0时，则输入信号电压us每次过零，其输出电压uo都会发生跳变。这种比较器称为过零比较器。2.迟滞比较器 单门限电压比较器虽然电路简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力却很差。例如，图626(a)所示的同相输入单门限电压比较器，当其输入信号us中含有
36、噪声干扰，其波形如图627(a)所示时，由于在usUthUref附近出现干扰，比较器的输出uo将不稳定，时而为UOh，时而为UOL，其输出波形如图627(b)所示。,2.迟滞比较器 单门限电压比较器虽然电路简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力却很差。例如，图626(a)所示的同相输入单门限电压比较器，当其输入信号us中含有噪声干扰，其波形如图627(a)所示时，由于在usUthUref附近出现干扰，比较器的输出uo将不稳定，时而为UOh，时而为UOL，其输出波形如图627(b)所示。,图628(a)是反相输入迟滞比较器的基本电路。它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络而构成。如果把u
37、s与Uref位置互换，也就组成了同相输入迟滞比较器。由于正反馈的作用，这种比较器具有双门限电压值，门限电压值随输出电压uo的变化而改变。由于运放处于正反馈状态，因此主要仍工作于饱和区，输出电压uo跳变的临界条件是uPuNus，即当usuP时，输出电压uo为低电平UOL；反之，uo为高电平UOH。显然，这里的uP值实际上就是门限电压Uth。设运放是理想的，由图628(a)利用叠加原理有（645）,根据输出电压uo的不同值UOh和UOl，可得上门限电压Uth1和下门限电压Uth2的值分别为（646）（647）,式（646）和式（647）两式表明，当输出电压uo为高电平UOh时（此时usuPUTH1
38、），发生跳变的临界条件为上门限电压值UTH1；而输出电压uo为低电平UOL时（此时usuPUTH2），发生跳变的临界条件为下门限电压值UTH2。电路两种状态的转换出现了迟滞，迟滞比较器也因此得名。这种比较器的传输特性如图 628(b)所示。两个跳变点的电压之差称为门限宽度或迟滞电压(又称回差电压)Uth，其值为（648）,门限宽度Uth表明，当输出状态一经转换后，只要在跳变点电压值附近的干扰电压不超过Uth值，输出电压的值就稳定不变。迟滞比较器也称为施密特触发器。例62 设电路参数如图628(a)所示，输入信号如图629(b)所示。试画出该电路的传输特性和输出电压uo的波形。解：根据式（646
39、）和式（647）得,可见，此电路的上门限电压和下门限电压对称于纵轴，其门限宽度Uth5(-5)10V。据此可画出其传输特性，如图629(c)所示。根据其传输特性，当t0时，由波形图知usUth2，所以输出应为uo10V，而uPUth15V，以后us在5V的范围内变化，uo都保持为10V而不致翻转。当tt1时，由于usUth15V，uo由10V翻转到-10V，而uP则变为Uth2-5V，以后在us-5V的范围内变化，uo都保持在-10V不变。当tt2时，又出现usUth2-5V，uo又出现跳变，由-10V翻转到10V，而uPUth15V。以此类推，便可画出输出电压uo的波形如图629(d)所示。
40、由此例可见，迟滞比较器可实现波形整形。,3.集成电压比较器按器件内部所包含的比较器数目分类，有单电压比较器（如CJ0311型）、双电压比较器（如CJ1414型）和四电压比较器（如CJ0339型）等。按比较器的响应速度分类，可分为高速型（如CJ0710型）和现已趋于淘汰的中速型。此外，还可根据其特性参数分为精密电压比较器、高灵敏度电压比较器、低功耗电压比较器、低失调电压比较器和高阻抗电压比较器等。,测量放大器 在对非电量的物理量进行测量时，常用电桥电路来把压力、应变、温度等物理量转换成电量。电桥的桥臂为传感器的敏感元件（如电阻应变片）。当被测物理量变化引起桥臂阻抗变化时，电桥的输出电压也随之变化
41、。但是，电桥的输出电压一般只有毫伏数量级。为满足测量、显示或控制的需要，必须加放大环节对该信号进行放大。为了避免干扰信号的影响和提高测量精度，这就需要配用具有高输入阻抗和具有高共模抑制能力的放大器（称为测量放大器，也叫数据放大器或仪表放大器），并且还应选用具有屏蔽的双股导线来传送信号。,图是一种典型的通用测量放大器电路原理图。它由运放1、2组成第一级差分式电路，3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，us1、us2分别加到1和的同相端，R1和两个R2组成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，有 于是可得 在根据第二级差分式放大器的输入输出关系式（）得（649）
42、,分析该电路：由于第一级是由两个对称的同相放大器组成差分式电路，且引入深度电压串联负反馈，所以它的输入电阻很高；若、2两运放的特性完全相同，两个R2和两个R3的阻值也完全相等，则它们的共模输出电压和零点漂移电压也都相等，再通过3组成的差分式电路，可以互相抵消，故该电路有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压；调节R1或改变R4与R3的比值均可以改变该电路的差模电压增益，且电路由两级放大器组成，具有较高的差模电压增益。,有源滤波器 常采用具有选频功能的电路装置，让指定频段内的信号没有衰减或衰减很小地通过，而其他频段内的信号则产生很大衰减，几乎不能通过，这样一类装置称为滤波器。早期的滤波器，主要由
43、电阻、电容和电感组成，称为无源滤波器。随着运放的出现，在二十世纪60年代以后，出现了由R、C和运放共同构成的滤波器，称为有源滤波器。有源滤波器的优点是：不用电感，体积小，重量轻，输入阻抗高，输出阻抗低，输入与输出之间具有良好的隔离作用。此外，还可以对信号进行放大。滤波器是一种选频网络，通常把不受衰减或衰减很小的频率范围，叫做通带；经受很大衰减的频率范围叫做阻带。通带和阻带的界限频率，叫做截止频率。按照通带和阻带相互位置的不同，滤波器分为：,低通滤波器 通带由零延伸至某一规定的上限频率fc2，其幅频特性如图631(a)所示。主要用于需要削弱高次谐波或高频干扰的场合。高通滤波器 通常由某一规定的下
44、限频率fc1延伸至无穷大频率，其幅频特性如图631(b)所示。主要用于需要削弱低频或直流成分的场合。带通滤波器 通带在两个界限频率fc2和fc1之间，其幅频特性如图631(c)所示。主要用来突出有用频段的信号，削弱此频段以外的信号或干扰噪声，从而提高信噪比。带阻滤波器 阻带在两个界限频率fc2和fc1之间，其幅频特性如图631(d)所示。主要用于抑制干扰。全通滤波器 通带由零延伸至无穷大频率。其幅频特性如图631(e)所示。用于相位均衡，校正相频特性。,各种滤波器的实际频响特性与理想情况是有差别的，只能是向理想特性逼近。实际滤波器通带和阻带的界限频率（即截止频率）定义为幅频特性等于所对应的频率
45、。以A0为参考值，对应于-3dB点，即相对于A0衰减-3dB。若以信号幅值的平方表示信号的功率，则对应的点正好是半功率点。,6.5 运放的调零与补偿调零 运放由于失调电压和失调电流的存在，当输入信号为零时，输出不为零。为补偿输入失调造成的不良影响，使用时大都要采取调零措施。例如741型运放，就规定脚和脚为调零端子，调零电位器阻值为10k，电位器滑动触头与负电源相连接。一般情况下，按规定要求调零都能满足要求。若某些运放按规定要求调零仍不能满足要求时，还可采取如下措施。1.将电位器的滑动触头改接到电源正极性上，或适当加大调零电位器的阻值。但应当注意，随着调零电位器阻值的增大，会使得运放的温度指标变
46、差，甚至会影响级间配合。,2.辅助调零 图是一种辅助调零电路。它是利用正、负电源通过电位器RP引入一个电压到运放的同相输入端，调节电位器RP可以补偿输入失调对输出的影响。该调零措施的优点是电路简单，适应性广。但电源电压不稳定则会使输出引进附加漂移。如果利用正、负电源通过电位器引入一个电压到运放的反相输入端，同样也可起到辅助调零效果。,补偿其负反馈应用电路中，若引入较深的负反馈，当信号频率大大低于或高于中频范围时，由于放大电路级间耦合电容以及晶体管极间电容等的影响，往往容易引起自激振荡，使电路无法正常工作。为此，在应用中，要对电路进行频率补偿和相位补偿，以便消除自激振荡，使电路能稳定地工作。目前
47、，已有一些运放产品将消除自激振荡用的补偿电容做在运放内部，称为内补偿型集成电路。另外一些运放是属外补偿型，它需要外接电容或外接电容和电阻来达到消除自激振荡的目的。这类运放有规定的补偿端子、补偿元件及元件的参数值，只要按照规定连接，一般可以消除自激振荡。,本 章 小 结 集成运算放大器是一种应用极为广泛的模拟集成电路，是具有高电压增益的直接耦合多级放大器。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。对运放内部电路的分析和工作原理只要求作定性了解，目的在于掌握它的主要性能参数。运放构成的基本电路是反相比例放大器、同相比例放大器和差分式放大器。运放在信号的运算和处理方面的典型应用电路中，各种运算器和有源滤波器中的运放均接成负反馈，工作在线性区。分析这类电路的基本出发点是利用理想运放的“虚短路”和“虚断路”概念。,比较器中的运放为开环状态或接成正反馈，主要工作在饱和区。“虚断路”的概念仍然成立，但是，运放的输出电压uo只有高电平和低电平两种状态，uNuP是输出电平跳变的临界条件。运放在使用过程中应注意掌握调零和频率补偿方法，以便消除输入失调造成的不良影响和自激振荡。,
