第3章 集成运算放大器20140423

第3章集成运算放大器●3.1集成运算放大器简介●3.2集成运放的线性应用●3.3集成运放的非线性应用●3.4集成运放组成的信号发生器●3.5函数信号发生器●3.6集成运放使用常识3.1集成运算放大器知识点

（1）集成运放的基本特性，虚短、虚断的概念。（2）反馈的概念及反馈类型的判定。技能点

掌握集成运放两种工作状态的判断。

3.1.1概述

1、集成运放的外形与符号

常见集成运放的外形多为金封圆壳式和塑封双列直插式两种类型。目前广泛应用的主要是双列直插式，根据其内部所包含的运放的个数，又分为单运放、双运放以及四运放等形式。

圆形封装b)双列直插式c)LM324的引脚及功能图3-1集成运放的外形、引脚排序及功能

除了电源端外，每个单元电路都有同相输入端u+（简称同相端）、反相输入端u-（简称反相端）与信号输出端uo三个端口。新符号b)旧符号图3-2集成运放的符号从外部功能来看，集成运放可以简单地等效为一个高性能的电压放大器，相当于一个独立的器件。在将其应用于实际电路的过程中，只需掌握其外部特性，不必考虑芯片内部的复杂结构。

3.1.2理想运算放大器1、理想运放的性能指标

所谓理想运算放大器，是指其具有以下主要的性能指标：（1）开环电压放大倍数Aud=∞；（2）输入电阻rid=∞；（3）输出电阻rod=0。

此外，其它的性能也认为是理想化的。

尽管理想运放实际上并不存在，但由于集成运放制造工艺的不断改进，其各项性能指标不断提高，故一般在分析集成运放的应用电路时，将实际的集成运放理想化所造成的误差极小，在工程估算、分析中是允许的。

2、集成运放的传输特性（1）线性区

曲线上升部分的斜率：运放的开环电压放大倍数Aud。在虚线所包括的输入信号范围内，运放的输出电压通常可表示为

uo=Aud(u+－u-）=Auduid，uo与uid成线性放大关系。图3-4集成运放的传输特性

（2）非线性区在虚线框以外所对应的输入信号区域。输出电压仅为＋Uom或-Uom（近似为正、负电源的电压值），且不随输入信号而改变，即uo与ui为非线性关系。通常Aud非常高，可达几十万倍电压传输特性中的线性区非常窄。电路引入负反馈

运放开环或电路中引入正反馈3、集成运放工作在线性区的特点以通用型集成运放F741为例。例：已知F741开环电压增益的典型值Aud=200000（倍），差模输入电阻为rid=2MΩ，若输出电压的最大峰值为uo=±12V（设所用的电源为±12V），试求1）输入电压(u+－u-）的最大值；2）输入电流i+（i-）的最大值。

解：运放工作在线性区，则有uo=Auduid=Aud（u+－u-），由此可得1）(u+－u-）=uo/Aud=±12V/200000=±0.06mV；2）i+=(u+－u-）/rid=±0.06mV/2MΩ=±0.06mV/2000000Ω=±0.03μA。计算表明，集成运放工作在线性区时有u+－u-≈0，u+≈u-；i+=i-≈0。

集成运放工作在线性区时的两个重要概念：（1）集成运放的两个输入端的电压近似相等，理想化时可以认为u+=u-，即运放的两个输入端为等电位，可视为短路，称之为“虚短”。（2）集成运放两个输入端的输入电流近似为0，理想化时可以认为i+=i-=0，无电流输入运放，即运放的两个输入端相当于断路，称之为“虚断”。在实际应用电路中，要输入几乎为0的信号是不现实的，所以，实现运放工作在线性区的必要条件是在电路中引入深度的负反馈。

4、集成运放工作在非线性区的特点（1）输出电压只有正向饱和电压+Uom和负向饱和电压-Uom两种状态，即

uo=+Uom（u+＞u-）；uo=-Uom（u+＜u-）。（2）由于集成运放的输入电阻极大（理想时rid=∞），故输入端电流i+=i-≈0。即运放的两个输入端仍然是“虚断”。由于集成运放的开环极大（理想时Aud=∞），极小的输入信号即可使输出信号为+Uom或-Uom，故集成运放处于开环或正反馈时，工作在非线性工作区。●反馈的基本概念反馈：将输出量的一部分

或全部通过一定的电路形式作用

到输入回路，用来影响其输入量

的措施。基本放大电路反馈网络输入量净输入量反馈量

输出量反馈放大电路的方框图一、什么是反馈3.1.3放大电路中的负反馈二、如何判断有无反馈通过寻找电路中有无反馈通路可判断出电路是否引了反馈。有无反馈的判断无反馈无反馈有反馈●反馈的分类及判别1.分类

（1）正反馈：引入的反馈信号Xf增强了外加输入信号的作用，使放大电路的净输入信号增加，导致放大电路的放大倍数提高的反馈。正反馈主要用于振荡电路、信号产生电路，其他电路中则很少用正反馈。（2）负反馈：

引入的反馈信号Xf削弱了外加输入信号的作用，使放大电路的净输入信号减小，导致放大电路的放大倍数减小的反馈。一般放大电路中经常引入负反馈，以改善放大电路的性能指标。2.判定方法常用电压瞬时极性法判定电路中引入反馈的极性，具体方法如下。（1）先假定放大电路的输入信号电压处于某一瞬时极性。如用“＋”号表示该点电压的变化是增大；用“-”号表示电压的变化是减小。●反馈的分类及判别（2）按照信号单向传输的方向，同时根据各级放大电路输出电压与输入电压的相位关系，确定电路中相关各点电压的瞬时极性。（3）根据反送到输入端的反馈电压信号的瞬时极性，确定是增强还是削弱了原来输入信号的作用。如果是增强，则引入的为正反馈；反之，则为负反馈。判定反馈的极性时，一般有这样的结论：在放大电路的输入回路，输入信号电压ui和反馈信号电压uf相比较。

当输入信号ui和反馈信号uf在相同端点时，如果引入的反馈信号uf和输入信号ui同极性，则为正反馈；若二者的极性相反，则为负反馈。当输入信号ui和反馈信号uf不在相同端点时，若引入的反馈信号uf和输入信号ui同极性，则为负反馈；若二者的极性相反，则为正反馈。反馈极性的判定如果反馈放大电路是由单级运算放大器构成，则有反馈信号送回到反相输入端时，为负反馈；反馈信号送回到同相输入端时，为正反馈。图3-6正反馈放大器引入深度的负反馈是使运放工作在线性放大区的必要条件，也是判断运放是否工作在线性区的标准。应用于线性放大的运放电路都是深度的负反馈放大器。+VCC

R1

R2

T1R4

T2uO+-+-R3

R5

C1

++R6

C2

C3

+–uI

uF

分立元件放大电路反馈极性的判断结论：负反馈3、负反馈放大器的类型（1）电压反馈和电流反馈1）定义电压反馈反馈信号从输出电压uo采样。电流反馈反馈信号从输出电流io采样。2）判定方法（1）根据定义判定，方法是：令uo=0，检查反馈信号是否存在。若不存在，则为电压反馈；若存在，则为电流反馈。（2）一般电压反馈的采样点与输出电压在相同端点；

电流反馈的采样点与输出电压在不同端点。（2）串联反馈和并联反馈1）定义※串联反馈：

反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电压的形式相加减，即在输入回路中彼此串联。※并联反馈：

反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电流的形式相加减，即在输入回路中彼此并联。2）判定方法如果输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的不同端点，则为串联反馈；若输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的相同端点，则为并联反馈。

a)电压串联负反馈c)电流串联负反馈图3-7负反馈放大器的四种类型b)电压并联负反馈

d)电流并联负反馈放大电路引入负反馈的一般原则放大电路引入负反馈的一般原则是：（1）要稳定放大电路的静态工作点Q，应该引入直流负反馈。（2）要改善放大电路的动态性能（如增益的稳定性、稳定输出量、减小失真、扩展频带等），应该引入交流负反馈。（3）要稳定输出电压，减小输出电阻，提高电路的带负载能力，应该引入电压负反馈。（4）要稳定输出电流，增大输出电阻，应该引入电流负反馈。（5）要提高电路的输入电阻，减小电路向信号源索取的电流，应该引入串联负反馈。（6）要减小电路的输入电阻，应该引入并联负反馈。注意，在多级放大电路中，为了达到改善放大电路性能的目的，所引入的负反馈一般为级间反馈。思考题

（1）如何判断集成运放工作在线性区还是非线性区？（2）无论集成运放是工作在线性区还是非线性区，是否都存在“虚短”和“虚断”？（3）为什么说引入深度负反馈是集成运放工作在线性区的必要条件？（4）闭环放大器与开环放大器在电路结构上有何区别？（5）如何判断闭环放大器的反馈极性？3.2集成运放的线性应用知识点

（1）集成运放线性应用的基本分析方法。（2）集成运放线性应用的几种典型电路的特性。

技能点

掌握集成运放在测量放大器、PI调节器以及信号处理方面的典型应用。

集成运放工作在线性区时都引入深度的负反馈，因而可以利用“虚短”、“虚断”的概念进行分析。集成运放典型的线性应用有比例、加法、减法、微分、积分运算电路等形式。3.2.1

比例运算电路如右图，Rf引入深度负反馈一.反相输入比例运算电路

1、电路的构成2、函数关系要求：R2=R1//Rf图3.8反相比例运算电路uIuO

iR

iF

iN

Rf

R1

R2

iP

PN，例1：要求输入电阻Ri＝100kΩ，放大倍数Au＝－100，则uIuO

iR

iF

iN

Rf

R

R’

iP

PNRf=Ri

×Au=10MΩRf

R1R2

uI

uouf

二、同相比例运算电路

1、电路的构成2、函数关系

若希望输入电阻高，且输入输出同相位，可用此电路。iRiF图3-9同相比例运算电路uP

uN

AR2的作用:三、电压跟随器uO=uIuO=uN=uP=uI,Auf=uO/uI≈1RF

uO

图3-10电压跟随器uIRAuPuN例2电路如图所示，已知uO=-55uI

，其余参数如图中所标注，试求出R5的值。A1

-+A2

-+R1

R2

R3

R5

R4

uI

uO

10kΩ100kΩ100kΩ解：A1构成同相比例运算电路，A2构成反相比例运算电路。因此uO1

R6

1.

反相加法运算电路

ui2

ui1

ui3

u

=–(

+

+

)

o

Rf

Rf

Rf

R1

R2

R3

i1

if

Ｒ

Ｒf

3.2.2

加减运算电路

u

uI1

4

Ｒ

一、加法运算电路

=R1//R2//R3//Rf1

O

3

uI3

uI2

i2

i3

Ｒ

Ｒ

2

虚地点利用结点电流法求解运算关系，对结点N进行分析，可得：N输入电流的叠加Ｒ4

当R1=R2=R3=Rf时，uo=-（ui1+ui2+ui3）1

u

o

2.同相加法运算电路3

uI1

uI2uI3

Ｒ

Ｒ

Ｒ

Ｒf2

Ｒ

i1i2i3图3-11.1同相加法运算电路PN利用结点电流法求解运算关系，对结点P进行分析，可得：当调整某一路电阻时，必须相应的改变R’的值，以保证Rn=Rp.二、减法运算电路（差分比例运算电路）

u

oRf

R1

R2

R3

uI2

uI1

函数关系:图3-12减法运算电路u-

u+

当R1=R2，R3=Rf时，当R1=R2=R3=Rf时，uo=ui2-ui1输出电压仅由两个输入电压之差决定，故减法电路也称为差动放大电路两输入电压不相等（“差”）时有输出信号（“动”），所放大（处理）的是两个输入信号的差值（常称为差动输入）2.双运放加减运算电路(1)电路的构成A1

-+A2

-+R1

Rf1

R3

Rf2

RuO

uO1

R2

uI1

uI2

uI3

(2)函数关系

集成运放线性应用时，通常要求放大电路具有高增益、高输入电阻以及良好的抗干扰能力。在工程上常采用多个运放组成的电路来满足实际的需要。图3-13测量放大器原理3.2.4测量放大器A1、A2:

构成了两个完全对称的同相比例运算放大器;

A3:

组成差动（减法）电路。

输入信号分别从A1、A2的同相端输入，电路具有很高的输入电阻；

A1、A2的输出电压（uo1－uo2）作为A3的差动输入电压，因而具有良好的抗干扰能力。

根据虚短，可知R1上的电压降为（ui1－ui2），则通过R1上的电流为：(ui1－ui2)/R1，由于虚断特性，可知通过R1上的电流与通过电阻R2的电流相等，即电路保持了差动放大的功能，因而具有很强的抑制干扰信号的能力，利用可调电阻R1，则可方便地调节电路的增益。3.2.5积分运算电路u

i

C

uO

Ｒ

Ｒ1

由虚断和虚地iRiCuC

图3-14积分运算电路A将方波变成三角波uit

0

+3V-3V(ms)135①接通电源时，uo(t)=uo(0)=0②0～1ms时，ui=-3V,

uo(t0)=uo(0)=0③1ms～3ms时，ui=3V,

uo(t0)=uo(1)=0将方波变成三角波uit

0

+3V-3V(ms)135④3ms～5ms时，ui=-3V,

uo(t0)=uo(3)=12-6t0=12-6×3=-6V⑤5ms～6ms时，ui=3V,

uo(t0)=uo(5)=-24+6×5=6V将方波变成三角波uo

uit

0

+3V-3V+6V-6Vt

(ms)(ms)135※0～1ms时，※

1ms～3ms时，※

3ms～5ms时，※

5ms～6ms时，在实际电路中，积分电路常用于延时、定时和各种波形变换等。积分电路还可将输入的三角波转换为正弦波。在自动控制系统中，常利用积分电路以延缓过渡过程的冲击。

实际积分电路存在的问题“积分漂移”现象：在uI=0时，uO仍产生缓慢变化的输出电压的现象。解决办法：C并Rf

引入直流负反馈积分运算电路3.2.6微分运算电路

uO

积分的逆运算，

R和C的位置互换。u

I

C

Ｒ’

Ｒ

iR

iC

A图3-17微分运算电路若输入为方波，且RC<<T/2，则输出为尖顶波。uO

uI

微分电路输入、输出波形分析

3.2.7有源滤波电路

滤波电路是一种选频电路，其允许一定频率范围的信号通过，阻止或削弱（滤除）其它频率范围的信号。1、有源低通滤波器

滤波电容C对低频信号相当于开路，对高频信号相当于短路。该滤波电路是滤除高频段信号，使低频信号顺利通过，故称为低通滤波电路。为了使滤波效果更理想，通常采用二阶有源滤波电路，如图3-19b所示。a)一阶低通滤波b)二阶低通滤波图3-19有源低通滤波电路

2、有源高通滤波器

一阶有源高通滤波电路如图3-20a)所示，显然，它将阻隔、滤除输入的低频信号，而让高频信号顺利通过。实际应用中，多采用二阶有源高通滤波电路，如图3-20b)。有源滤波电路广泛应用于广播、通讯、测量和控制系统中，用于选取有用频率的信号，滤除无用频率的信号。a)一阶高通滤波b)二阶高通滤波图3-20有源高通滤波电路思考题：

（1）集成运放组成的放大器与分立元件组成的电路相比，有何特点？（2）工作在线性区的集成运放都存在“虚地”吗？为什么？（3）为什么测量放大器具有很高的输入电阻以及良好的抗干扰能力？（4）积分电路有哪些波形变换作用？

3.3集成运放的非线性应用

知识点

（1）集成运放的非线性应用电路的结构、性能特点。（2）几种电压比较器的性能特点。技能点

掌握电压比较器的典型应用电路。集成运放工作在非线性区时，处于开环或正反馈状态。此时运放两个输入端的电压不一定相等（不存在虚短），但仍然存在虚断。

电压比较器是集成运放典型的非线性应用。电压比较器简称比较器，其将输入电压（被测信号，通常是连续的模拟量）与另一标准的电压信号（参考电压）进行比较，输出的是以高、低电平为特征的数字信号，即“1”或“0”。常用作模拟电路与数字电路的接口。

3.3.1单门限电压比较器

反相输入的单门限比较器如图3-21a所示。集成运放处于开环状态，工作在非线性区，反相端的输入信号ui与同相端的参考电压UR比较，根据运放非线性工作的特性，可得：

当ui＞UR（即u-＞u+）时，uo=-Uom；当ui＜UR（即u-＜u+）时，uo=+Uom。电路的传输特性如图3-21b所示。a)电路b)传输特性图3-21单门限电压比较电路

图3-22a所示的电路称为过零电压比较器（参考电压为0），当输入电压过0时，输出电压就发生跳变，传输特性如图b所示。过零比较器可将正弦波转换为方波，如图c所示。a)电路b)传输特性c)波形变换

图3-22过零比较器

单门限比较器（又称为简单比较器）结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差，当输入信号在参考电压附近受到干扰时，很容易使电路状态产生连续的跳变，造成后续电路的误动作。

3.3.2滞回电压比较器图3-23滞回电压比较器（3-12）

（3-13）

UT、-UT分别称为上门限电压与下门限电压。电路的传输特性如图3-23b所示。滞回电压比较器传输特性两个门限电压之差，即△U=UT－(-UT)=2UT称为回差电压。显然，回差电压使输出电压的正跳变和负跳变不是发生在输入电压的同一点上，所以，即使干扰信号使得输入电压在参考电压UR（本例中UR=0）的附近波动，只要其不超出回差电压的范围，电路的输出电压将保持稳定。由此可见，该电路具有较强的抗干扰能力，尤其适用于输入信号受干扰较频繁的场合。

3.3.3双限比较器

在实际工作中，有时需要检测输入信号的电平是否处于设定的两个电平之间，这就要求比较器有两个门限电平。这种比较器称为双限比较器。图3-24a所示是一种典型的双限比较器，其中的URFE1、URFE2为设定的两个门限电压（参考电压），ui为所检测的输入信号。设A1和A2的输出高电平为+UOM、输出低电平为0。

a)电路b)ui与uo的关系图3-24双限比较器思考题

（1）为什么电压比较器输出只有高、低电平？（2）若在过零比较器的同相端输入正弦波（反相端接地），试画出对应的输出波形。（3）滞回电压比较器的特点是什么？（4）双限比较器还可以应用于哪些方面？您可以举出一些例子吗？

3.4集成运放组成的信号发生器

知识点

（1）各种非正弦波振荡电路的结构、原理以及频率的估算。（2）正弦波振荡器的组成及原理。（3）不同正弦波振荡电路的结构、性能特点及频率的估算。技能点

掌握信号发生器的测试、调试的方法电子技术的许多领域都需要各种类型的信号源。用于产生各种信号的电子电路称为信号发生器。

信号发生器是在没有输入信号的情况下，依靠电路的自激振荡来产生稳定的输出信号，又称之为振荡器。因此，振荡器是一种无需外加信号就能将直流电能转变为交流电能的能量变换器。

根据产生的信号波形，振荡器可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。

3.4.1非正弦波信号发生器

1、方波信号发生器

方波发生器是能够直接产生方波的非正弦波发生器。由于方波包含着极其丰富的谐波分量，故这种电路又称为多谐振荡器，常在数字系统中作为信号源。R和双向稳压管VZ使输出电压限幅为uo=±UZ。由于滞回比较器输出只有+UZ、-UZ两种状态，故电路对应的门限电压为图3-26方波信号发生器及其波形图3-26方波信号发生器及其波形电路的起振：电路接通电源瞬间，必然引起电路中各点电位产生突变，电路输出是+UZ还是-UZ纯属偶然（由uC与u+比较而定）。

假设通电瞬间电路输出为uo=+UZ（此时的门限电压为+UT），则电路的输出电压uo通过Rf对C进行充电，uC按指数规律上升；

当电容充电至uC＞UT，即u-＞u+时，输出电压就翻转为uo=-UZ（此时门限电压跳变为-UT）；

接着电容C通过Rf对输出端放电，uC按指数规律下降，当放电至uC＜-UT，即u-＜u+时，输出电压又翻转为uo=+UZ（此时的门限电压又跳变为+UT），uo又通过Rf对C进行充电。可以证明，当R1=R2时，其振荡周期为T≈2.2RfC，则振荡频率为（3-14）2、三角波发生器

三角波发生器基本电路如图3-27所示。运放A1：构成同相输入滞回比较器；运放A2：构成反相积分电路。

滞回比较器输出的矩形波输入积分电路的反相输入端，而积分电路输出的三角波又连接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在运放A2的输出端得到周期性的三角波。图3-27三角波信号发生器及其波形u+u01图3-27三角波信号发生器及其波形u+u01假设通电瞬间uo1=+UZ，u+为正值。反相积分器输入正电压，uo1通过R4对电容C充电，输出电压uo开始线性减小，A1同相端电压u+（下同）随之减小，当输出电压uo减小到uo=-UT时，u+也减小为0，此时A1状态翻转，uo1=-UZ，同时u+跳变为负值；此时反相积分器输入负电压，电容C通过R4对uo1放电，输出电压uo开始线性增大，u+值也随之上升，当输出电压增大到uo=+UT时，u+也上升为0，此时A1状态翻转，uo1=+UZ，同时u+跳变为正值。如此周而复始，电路形成稳定的振荡，在A1的输出端得到幅值为UZ的方波，A2输出端得到幅值为UT的三角波。可以证明，其振荡频率为（3-15）

3、锯齿波发生器

在图3-27的三角波信号发生器中，如果将积分电容的充、放电回路分开，使得两个回路的时间常数不相等，即可使输出电压的波形为锯齿波。一个简易的锯齿波信号发生器如图3-28所示，利用二极管VD1、VD2和电位器RP将积分电容C的充、放电回路分开，通过调节RP的动端位置，改变充、放电回路时间常数的差值，电路可得到矩形波和锯齿波，信号波形如图所示。

图3-28锯齿波信号发生器及其波形

3.4.2正弦波信号发生器

产生正弦波信号的电路称为正弦波振荡电路（或正弦波信号发生器）。根据振荡电路的选频网络所用的元件，正弦波振荡电路通常可分为RC振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路。1、正弦波振荡的原理设置放大电路和反馈网络的参数，使uf＝ui；当开关S迅速切换到2端时，uf便代替了ui，使放大电路维持输出信号uo不变。尽管此时切断了输入信号，电路仍然输出具有一定频率和幅值的正弦波信号，即电路形成了正弦波振荡。图3-29正弦波振荡电路原理框图

由此可知，产生正弦波振荡的条件是：uf=ui。具体可表述为：

（1）振荡的相位平衡条件：uf与ui必须同相位，即要求正反馈；（2）振荡的幅值平衡条件：uf与ui必须大小相等，即有AuF=1。

其中：Au为放大电路的增益。

F为正反馈电路的反馈系数：F=uf/uo。显然，在一个正弦波振荡电路中，为了能输出确定频率的正弦波信号，电路中要有选频网络；同时，为了使输出电压幅度保持稳定，振荡电路中还必须要有稳幅环节。由此可见，一个正弦波振荡器通常由放大电路、正反馈电路、选频网络和稳幅环节等4部分组成。

2、RC正弦波振荡器

（1）电路组成

集成运放组成最常用的是RC串、并联式正弦波振荡电路（又称为文氏桥式振荡器）如图3-30所示。其中，集成运放通过Rf、R1引入深度的负反馈，工作在线性放大状态，组成同相放大电路，RC串、并联网络作为选频网络，同时构成正反馈电路（电路中正、负反馈并存）。图3-30RC正弦波振荡器（2）工作原理

分析及实验证明，RC串、并联网络具有选频特性，当输出信号的频率ƒ等于由RC串、并联网络参数所决定的特定频率ƒo，即

时，RC串、并联网络呈现为纯阻性，即反馈到同相端的信号uf与放大电路的输出信号uo同相位（满足振荡的相位平衡条件），此时同相端得到的反馈信号uf具有最大值，并且为：uf=uo/3，即正反馈系数F=uf/uo=1/3。显然，只要放大电路的放大倍数Au=3，则有AuF=1（满足振荡的幅度平衡条件），将使得输出电压保持不变，电路形成稳定的正弦波振荡。根据同相放大电路的放大倍数Au=(1＋Rf/R1)=3，可推得，电路形成稳定振荡的条件是：Rf=2R1。（3-16）

（4）振荡频率及其调整

以上分析表明，振荡电路的输出频率由选频网络的参数决定，即如式（3-16）所示。从式（3-16）可看出，调节选频网络的参数R、C，可以在一定的范围内调节电路的振荡频率。在实际电路中，通常采用双连电位器代替电阻R，或用双连电容器代替电容C，同时调节选频网络串、并联两部分，从而实现振荡频率的平滑调节。显然，减小选频网络的电容可以提高振荡频率，但由于电路中存在分布电容，电容不可能取得很小，因而使电路振荡频率的提高受到了限制。所以，RC振荡器通常只适用于低频（1MHz以下）振荡。如果需要产生更高频率的正弦信号，则需采用LC正弦波振荡器或石英晶体振荡器。3、LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器可分为变压器反馈式振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器，由LC并联谐振特性确定振荡电路的频率，用于产生几MHz以上的高频信号。（1）变压器反馈式LC振荡器

电路如图3-31所示，集成运放组成放大电路，L1和C2并联谐振回路组成选频电路，L2为反馈绕组。如果电路不能起振，大多数的原因是由于L2的同名端有误，只要将其对调即可。电路的振荡频率由L1C2并联回路的固有谐振频率fo决定，即图3-31变压器反馈式正弦波振荡器（3-17）

（2）电感三点式正弦波振荡器

电路如图3-32所示，对于交流通路，LC谐振回路中电感的3个端点a、b、c分别与集成运放的两个输入端和输出端相连，故称为电感三点式。集成运放组成放大电路，等效电感L（L1和L2串联）与C2并联组成选频网络。显然，在谐振条件下，a、c两点的相位相反，从L1两端取出的信号为正反馈信号，满足振荡的相位条件；通常取反馈线圈L1的匝数约为总匝数的1/8至1/4，即可满足振荡的幅度条件，所以电路能产生自激振荡。图3-32电感三点式正弦波振荡器（3）电容三点式正弦波振荡器

电路如图3-33所示。从电路结构上看，它把电感三点式振荡器中的电感Ll、L2分别用电容C2、C3替代，电容C2改接为电感L，正反馈信号从C2两端取出。三点式振荡电路的振荡频率计算分别见式（3-18）、（3-19）。（从略）图3-33电容三点式正弦波振荡器

4、石英晶体振荡器（1）石英晶体

石英晶体谐振器（又称为晶振）是按特定方位角切割的石英晶体薄片、并在晶片的两个表面涂敷银层再引出电极，然后封装而成。其电路符号、内部结构及一些常见的外形如图3-34所示。图3-34石英晶体a)符号b)结构c)外形晶振是石英晶体振荡电路的核心元件，具有选频特性。这是因其具有“压电谐振”现象，即当外加电场的频率等于晶体的固有频率时，晶体所产生“机-电共振”的振幅明显增大。这与LC回路的谐振现象十分相似，因而将其等效为一个LC回路，在振荡电路中用作选频网络。由于晶体压电谐振的固有频率仅由晶片的几何尺寸及切割方式决定，其谐振频率不仅可以做得非常精确，而且稳定性很高，故利用晶振组成的正弦波振荡器具有极高的频率稳定度。石英晶体的等效电路及电抗-频率特性如图3-35所示。从图可知，石英晶体具有两个谐振频率，即L、C、R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs以及L、C、R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp。图3-35石英晶体的等效电路及电抗一频率特性

（2）石英晶体的频率特性及应用电路图3-35石英晶体的等效电路及电抗一频率特性a)串联型石英晶体振荡器b)并联型石英晶体振荡器图3-36石英晶体正弦波振荡器思考题

（1）图3-27的三角波发生器中的A1和A2分别工作在线性区还是非线性区？（2）试分析图3-28的锯齿波发生器的工作原理。（3）正弦波振荡器为什么要有选频电路？（4）文氏桥式振荡器的振荡频率如何计算？试简述该电路的工作过程。（5）RC振荡器、LC振荡器以及石英晶体振荡器各有何种特点？

3.5函数信号发生器知识点

（1）集成运放组成函数信号发生器的基本电路结构。（2）集成函数信号发生器的应用。

技能点

（1）掌握利用集成运放组成函数信号发生器的基本方法。（2）掌握集成函数信号发生器的应用。

函数信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等多种波形信号。函数信号发生器可以由专用的集成函数发生器组成，也可由通用的集成运放来实现。

3.5.1集成运放组成的函数信号发生器

1、电路原理

电路的原理框图如图3-37所示，其中的比较器与积分器组成三角波信号发生器，输出稳定的方波和三角波（见3.4.1所述）。只要将输出的三角波变换为正弦波，则可实现函数发生器的基本功能。将三角波电压变换为正弦波电压有多种方法，下面介绍滤波法和积分法。图3-37函数发生器的原理框图

2、电路组成

集成运放组成的函数信号发生器及相关各点波形如图3-38所示，电路由滞回比较器A1、反相积分器A2和二阶低通滤波器A3组成。三角波经低通滤波器滤波后即可得到正弦信号。该电路可以输出方波、三角波以及正弦波三种电压波形。电路输出信号频率的调节参见3.4.1所述。改变反相积分器的充、放电时间常数的差值，还可得到矩形波和锯齿波（从略）。图3-38集成运放组成的函数信号发生器

利用积分电路的波形转换功能，将三角波发生器与积分电路相结合，也可构成函数信号发生器，积分电路的波形转换应用电路如图3-39所示。A1组成反相积分器，将输入的三角波转换为正弦波，其中与电容C1并联的电阻R2引入深度的电压负反馈，使输出的正弦波电压稳定；A2组成反相放大电路，将输入的正弦波放大。RP调节输入三角波信号的幅度，使电路输出失真较小、幅度适当的正弦波信号。图3-39三角波变换为正弦波

3.5.2集成函数发生器8038的应用

集成函数发生器8038是用于产生多种信号波形的专用集成电路，可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其频率可以通过外部电路参