第9章集成运算放大器及其应用

第9章集成运算放大器及其应用9.1集成运算放大器概述9.2放大电路中的反馈9.3集成运算放大器的线性应用9.4正弦波振荡器9.5集成运算放大器的非线性应用学习要求1.了解集成运放的基本组成、电压传输特性和主要参/数。掌握理想集成运放的基本分析方法。2.理解负反馈放大电路的分析方法以及对电路性能的影响，掌握负反馈放大电路参数的计算。3.掌握用集成运放组成的比例、加、减、积分和微分运算电路的工作原理及特性分析。4.了解电压比较器的工作原理及应用。5.理解正弦波振荡电路的组成和分析方法，掌握RC正弦波放大电路参数的计算，了解LC正弦波放大电路的分析方法。集成电路是采用半导体集成工艺制成的具有特定电路功能的独立模块。集成运算放大器（以后简称集成运放）是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。集成运放是一种由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器。性能理想的集成运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。9.1集成运算放大器概述9.1.1集成运算放大器的特点和结构集成运放在电路设计上具有许多特点，主要有：(1)级间采用直接耦合方式。(2)尽可能用有源器件代替无源元件。(3)利用对称结构改善电路性能。集成运放电路的组成结构，一般是由输入级、中间放大级、输出级和偏置电流源四部分组成，如图9-1所示。图9-1集成运放电路组成结构1．输入级输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须要求要有较高的输入电阻，而且对共模信号有很强的抑制能力以克服零点漂移，所以采用双端输入的形式。2．中间级中间级要提供高的电压增益，故称为中间放大级。为减小对前级的影响，还要求有较高的输入电阻，以保证运放的运算精度。4．偏置电流源偏置电流源电路的作用是给上述各电路提供合适的偏置电流，偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定静态工作点。3．输出级输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，故称为互补输出级。其主要作用是以获得正负两个极性的输出电压或电流，提供足够的功率以满足负载的需要。9.1.2运算放大器的主要参数运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。1．运算放大器的静态技术指标

①输入失调电压UIO：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。UIO是表征运放内部电路对称性的指标。②输入失调电流IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。输入偏置电流IB：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。输入失调电压温漂：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。输入失调电流温漂：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值最大差模输入电压：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差分管将出现反向击穿现象。最大共模输入电压：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。2．运算放大器的动态技术指标开环差模电压放大倍数：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。差模输入电阻：输入差模信号时，运放的输入电阻。共模抑制比：与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益与共模电压增益之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg(Aud/Auc)(dB)（9-1）－3dB带宽：运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽。单位增益带宽(BW•G)：下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽。转换速率(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。即

（9-2）等效输入噪声电压Un：输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。9.1.3运算放大器特性和分类1．集成运放的电压传输特性集成放大器的符号按照国家标准如图9-2所示。运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号“+”或“IN+”表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有“+”号。实际的集成运放通常必须有正、负电源端有的品种还有补偿端和调零端。集成运放各引脚的功能和主要参数要查相关的手册。表示输出与输入电压与输出电压之间的关系特性称为电压传输特性。从运放的电压传输特性看，可以分为线性区和非线性区。如图9-2c。a)国家标准符号b)原符号c）电压传输特性图9-2集成运放的符号及电压传输特性线性区是指输出电压和输入电压之间呈线性关系，即uO=AuD(uP-uN)（9-3）其中AuD为集成运放的开环差模电压放大倍数。非线性区是指不满足线性关系的区域，即输出uO不随输入电压而变化，一般为接近电源值的常数。2．集成运放的分类为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。(1)通用型通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压1～2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。(2)高速型和宽带型用于宽频带放大器、高速A/D和D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。(3)高精度(低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。(4)高输入阻抗型用于测量设备及采样保持电路中。(5)低功耗型用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。(6)功率型这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。9.1.4理想运算放大器满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。1)开环差模放大倍数Aod=，实际上Aod≥80dB即可。2)差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。3)输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小2～3个量级即可。4)带宽足够宽。5)共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。1．理想运算放大器的条件2．理想运算放大器的特性理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作。(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此，运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。(2)虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此，流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路，下面举两个例子以说明虚短和虚断的运用。例9-1有一理想运算放大器组成的电路如图9-3所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数解：根据虚断，iI

0，故u+

0，且iI

iF根据虚短，u+u-

0iI=

(uI－u-

)/R1

uI/R1uo

－iF

Rf=－uI

Rf/R1∴电压增益Auf=uo/uI=－Rf/R1根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。例9-2有一理想运算放大器组成的电路如图9-4所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数解：根据虚断，uI=u+根据虚短，uI=u+u-u+=uI=uo

R1/(R1+Rf)uo

uI[1+(Rf/R1)]所以，电压增益Auf=uo

/uI=1+(Rf/R1)根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算。9.2放大电路中的反馈9.2.1反馈的概念

1．反馈的定义在放大电路中，信号的传输是从输入端到输出端，这个方向称为正向传输。反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。所以，放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。反馈的示意图见图9-5。是输入信号，是反馈信号，称为净输入信号。所以有

图9-5反馈概念方框图2．负反馈和正反馈加入反馈后，净输入信号<输出幅度下降的反馈称为负反馈加入反馈后，净输入信号>输出幅度增加的反馈称为正反馈正反馈和负反馈的判断法之一：瞬时极性法在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，可用“+”、“-”或“↑”、“↓”表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时电压极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。3．电压反馈和电流反馈反馈信号的大小与输出电压成比例的反馈称为电压反馈；反馈信号的大小与输出电流成比例的反馈称为电流反馈。电压反馈与电流反馈的判断：将输出电压‘短路’，若反馈回来的反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈4．串联反馈和并联反馈反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；反之，加在放大电路输入回路的两个电极，则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。对于晶体管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入晶体管的基极或发射极，则为并联反馈；一个加在基极，另一个加在发射极则为串联反馈。对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。5．交流反馈和直流反馈反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。正反馈和负反馈的判断法之二：正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对晶体管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端。例9-3试判断图9-6a所示电路的反馈组态解：根据瞬时极性法，见图中的“+”、“-”号，可知经电阻R1加在基极B1上的是直流并联负反馈。因反馈信号与输出电流成比例，故为电流反馈。结论是直流电流并联负反馈。经Rf加在E1上的是交流负反馈。反馈信号和输入信号加在晶体管两个输入电极，故为串联反馈。结论：交流电压串联负反馈。图9-6(a)例9-3图例9-4试判断所示电路的反馈组态。解：根据瞬时极性法，见图中的“+”、“-”号，可知是负反馈。因反馈信号和输入信号加在运放两个输入端，故为串联反馈。因反馈信号与输出电压成比例，故为电压反馈。结论：交、直流串联电压负反馈。图9-6(b)例9-4图9.2.2反馈的基本方程1．闭环放大倍数的一般表达式

根据图9-5可以推导出反馈放大电路的基本方程。放大电路的开环放大倍数（9-5）反馈网络的反馈系数（9-6）放大电路的闭环放大倍数（9-7）以上几个量都采用了复数表示，因为要考虑实际电路的相移。由于式中，（9-8）称为环路增益。当

＞1时，,相当负反馈；2．反馈深度︱︳称为反馈深度

=（9-9）它反映了反馈对放大电路影响的程度。可分为三种情况：

当

<1时，,相当正反馈；当

时，,相当输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”。3．环路增益环路增益是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参数基本无关。反馈网络一般由无源元件构成，其稳定性优于有源器件，因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。9.2.3四种负反馈类型的分析负反馈的类型有四种，即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。在此要分析反馈的属性、求放大倍数等动态参数。1．电压串联负反馈(1)判断方法对图9-7所示电路，根据瞬时极性法判断，经Rf加在发射极E1上的反馈电压为‘+’，与输入电压极性相同，且加在输入回路的两点，故为串联负反馈。反馈信号与输出电压成比例，是电压反馈。后级对前级的这一反馈是交流反馈，同时Re1上还有第一级本身的负反馈。a)分立元件放大电路b)集成运放放大电路

图9-7电压串联负反馈对图b，因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端，故为串联反馈，根据瞬时极性判断是负反馈，且为电压负反馈。结论是交直流串联电压负反馈。(2)闭环放大倍数对于串联电压负反馈，在输入端是输入电压和反馈电压相减，所以闭环放大倍数由以下求出。

（9-11）

反馈系数对于图a对于图b2．电压并联负反馈电压并联负反馈的电路如图9-8所示。其中A可以认为是一个放大器。输出Uo与“+”端同相位，而与“-”端相位相反。因反馈信号与输入信号在一点相加，为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。因为并联反馈，在输入端采用电流相加减。即。图9-8电压并联负反馈3．电流串联负反馈电流串联负反馈电路如图9-9所示。图a是基本放大电路将Ce去掉而构成，反馈电压从Re上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。图b是由集成运放构成。对图(b)的电路，其互导增益于是

，这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为图9-9电流串联负反馈4．电流并联负反馈电流并联负反馈的电路如图9-10所示。对于图a所示电路中，反馈节点与输入点相同，所以是电流并联负反馈。对于图b电路，也为电流并联负反馈。图9-10并联电流负反馈例9-5回答下列问题。①求图9-11在静态时运放的共模输入电压;②若要实现串联电压反馈，Rf应接向何处?③要实现串联电压负反馈，运放的输入端极性如何确定？④求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数图9-11例题9-5图解：①静态时运放的共模输入电压，即静态时V1和V2的集电极电位。IC1

=IC2

=IC3/2V5mA

5.0mA

1mA

3.5157.9c1C1CCC2C1C2C1e3EEE3C3=-=====+-=-=RIUUUIIRUUI②可以把差动放大电路看成运放A的输入级。输入信号加在V1的基极，要实现串联反馈，反馈信号必然要加在B2。所以要实现串联电压反馈，Rf应接向B2。③既然是串联反馈，反馈和输入信号接到差放的两个输入端。要实现负反馈，必为同极性信号。差放输入端的瞬时极性，见图中红色标号。根据串联反馈的要求，可确定B2的极性，见图中绿色标号，由此可确定运放的输入端极性。④求引入电压串联负反馈后的闭环电压增益，可把差放和运放合为一个整体看待。为了保证获得运放绿色标号的极性，B1相当同相输入端，B2相当反向输入端。为此该电路相当同相输入比例运算电路。所以电压增益为9.2.4负反馈对放大电路性能的影响

负反馈是改善放大电路性能的重要技术措施，广泛应用于放大电路和反馈控制系统之中。1．负反馈对增益的影响根据负反馈基本方程，不论何种负反馈，都可使反馈放大倍数下降1+AF倍，只不过不同的反馈组态AF的量纲不同而已。对电压串联负反馈，在负反馈条件下增益的稳定性也得到了提高，这里增益应该与反馈组态相对应AAAFAAAFAAFAAFAAFAd)1(1d)1(d)1(dd)1(dff22f×+=+=+×-×+=有反馈时，增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。2．负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联反馈或并联反馈有关，而与电压反馈或电流反馈无关。(1)串联负反馈使输入电阻增加串联负反馈输入端的电路形式如图9-7、9-9所示。对电压串联负反馈和电流串联负反馈效果相同。只要是串联负反馈就可使输入电阻增加。(2)并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈输入端的电路形式如图9-8、9-10所示。对电压并联负反馈和电流并联负反馈效果相同，只要是并联负反馈就可使输入电阻减小。3．负反馈对输出电阻的影响(1)电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈可以使输出电阻减小，这与电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。(2)电流负反馈使输出电阻增加电流负反馈可以使输出电阻增加，这与电流负反馈可以使输出电流稳定是相一致的。输出电阻大，负反馈放大电路接近电流源的特性，输出电流的稳定性就好。4．负反馈对通频带的影响放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了，见图9-12。无反馈时的通频带f=fH－fLfH，有反馈时的通频带fF=(1+AmF)fH。图9-12负反馈对通频带的影响5．负反馈对非线性失真的影响负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。因加入负反馈，放大电路的输出幅度下降，不好对比，因此必须要加大输入信号，使加入负反馈以后的输出幅度基本达到原来有失真时的输出幅度才有意义。加入负反馈改善非线性失真，可通过图9-13来加以说明。失真的反馈信号使净输入信号产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真。6．负反馈对噪声、干扰和温漂的影响原理同负反馈对放大电路非线性失真的改善。负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用，且必须加大输入信号后才使抑制作用有效。图9-13负反馈对非线性失真的影响9.3集成运算放大器的线性应用集成运放的应用有线性应用和非线性应用。只要改变运放的开闭环状态、反馈极性和输入方式，就可以获得不同的应用电路。当集成运放在负反馈状态时，集成运放工作在线性区。分析运放的线性应用时，集成运放存在着虚短和虚断的特点。集成运放的线性应用主要有比例、求和、积分、微分、指数、对数、乘法、除法以及有源滤波等，本章主要介绍前四种。9.3.1求和运算电路1．反相输入求和电路在反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图9-14。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf。所以输出是两输入信号的比例和，即图9-14反相求和运算电路

当时，输出等于两输入反相之和。

uO

2．同相输入求和电路在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图9-15所示。图9-15同相求和运算电路++RfR'RR1R2Rui2ui1uO因运放具有虚断的特性，故对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得：而由此可得出

式中当时3．双端输入求和电路双端输入也称差分输入，双端输入求和运算电路如图9-16所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。u

i1++R2RfR’RLuoui2R1u

i3R4ui4R3图9-16双端输入求和运算电路当时，用叠加原理分别求出,时的输出电压当分别求出输出电压

式中

再求当于是例9-6求图9-17所示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。图9-17例9-6电路图

解：us1和us2为差模输入信号，为此uo1和uo2也是差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双端输入放大电路。所以

显然调节R1可以改变放大器的增益。产品的数据放大器，如AD624等，R1有引线连出，同时有一组组的R1接成分压器形式，可选择连接成多种的R1数值。9.3.2积分和微分运算电路1．积分运算电路积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图9-18所示。图9-18反相积分运算电路根据虚地有而电容有

当输入信号是阶跃直流电压uI时，即

例9-7画出在给定输入波形作用下图9-18所示积分器的输出波形。图9-19给出了在阶跃输入和方波输入下积分器的输出波形。这里要注意当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻R两端无电位差，因此C不能放电，故输出电压保持不变。a)阶跃输入信号b)方波输入信号图9-19积分器的输入和输出波形2．微分运算电路微分运算电路如图9-20所示

图9-20微分电路当输入电压是阶跃信号或有脉冲式幅值干扰信号时，由式（9-32）看出输出值过大，会使集成运放内部的放大管处于饱和或截至状态，当信号消失时管子还不能回到放大区，出现阻塞现象，电路不能正常工作。同时，由于反馈网络为滞后环节，易于产生自激振荡，使电路不稳定。解决上述问题的方案是在输入端串联一个小电阻，以限制输入电流；在反馈电阻上并联稳压二极管以限制输出电压，并联销电容提高电路的稳定性。在自动控制系统中的PID调解器，就是同时包含比例、积分和微分运算的电路，其原理可参见相关书籍。集成运放的线性应用还有对数和指数运算电路，乘法和除法运算电路等，限于篇幅，不再介绍。9.4正弦波振荡器正弦波振荡器能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡器也称为正弦波振荡电路或正弦波发生电路。9.4.1产生正弦波的条件1．正弦波发生电路的组成为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由晶体管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成有四个环节，即放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路。2．产生正弦波的条件产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。比较图9-21a和b就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。a)负反馈放大电路b)正反馈振荡电路图9-21振荡器的方框图由于振荡电路的输入信号=0，所以=由于正、负号的改变，有反馈的放大倍数为振荡条件是=1幅度平衡条件||=1相位平衡条件AF=A+F=2n（9-36）3．起振条件和稳幅原理荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求||>1这称为起振条件。既然||＞1，起振后就要产生增幅振荡，需要靠晶体管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。9.4.2RC正弦波振荡电路1.RC网络的频率响应RC串并联网络的电路如图9-22所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。通常选取R1=R2=R，C1=C2=C，其频率响应如下其频率响应如下图9-22RC串并联网络谐振频率为f0=令为谐振角频率，则（9-41）幅频特性

（9-42）相频特性2．RC文氏桥振荡电路（1）RC文氏桥振荡电路的构成RC文氏桥振荡器的电路如图9-23所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。图9-23RC文氏桥振荡器C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏电桥。当C1=C2、R1=R2时F=0f0=为满足振荡的幅度条件=1，所以Af≥3。加入R3R4支路，构成串联电压负反馈（2）RC文氏桥振荡电路的稳幅过程RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。9.4.3LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。1．LC并联谐振电路的频率响应LC并联谐振电路如图9-24a所示。显然输出电压是频率的函数。输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图9-24b所示。a)LC并联谐振电b)并联谐振曲线图9-24并联谐振电路及其谐振曲线谐振时谐振频率考虑电感支路的损耗，用R表示。谐振时，电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数对于图9-24（b）的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1＞Q2。并联谐振电路的谐振阻抗谐振时，LC并联谐振电路相当一个电阻。2．变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图9-25所示。LC并联谐振电路作为晶体管的负载，反馈线圈Ｌ2与电感线圈Ｌ相耦合，将反馈信号送入晶体管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可改变反馈的极性。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。有关同名端的极性请参阅图9-26。图9-25变压器反馈LC振荡电路图9-26同名端的极性变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为

（9-52）3．电感三端式LC振荡电路图9-27为电感三端式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2端是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中晶体管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。图9-27电感三端式LC振荡电路4．电容三端式LC振荡电路与电感三端式LC振荡电路类似的有电容三端式LC振荡电路，见图9-28。（a）CB组态（b）CE组态图9-28电容三端式LC振荡电路

例9-8图9-29为三端式振荡电路试判断是否满足相位平衡条件。a)b)图9-29例9-8的电路图5．石英晶体LC振荡电路利用石英晶体高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图9-30所示。a)串联型f0=fsb）并联型fs<f0<fp图9-30石英晶体振荡电路对于图9-30b的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，图9-31所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。图9-31石英晶体的电抗曲线石英晶体的阻抗频率特性曲线见图9-30，它有一个串联谐振频率fs，一个并联谐振频率fp，二者十分接近。对于图9-30a的电路与电感三端式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。9.5集成运算放大器的非线性应用当集成运放在开环或正反馈状态，集成运放就工作在非线性区。分析运放的非线性应用时，虚短和虚断不再适用，集成运放的非线性应用有比较器、非正弦波发生器等，本节只介绍比较器及其应用。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器，具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。9.5.1固定幅度比较器1．过零比较器和电压幅度比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图9-32所示。使比较器状态发生反转的输入电压值成为比较器的阈值，计作UT。a)电路图b)电压传输特性图9-32过零电压比较器将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器，电路如图9-33所示。调节可方便地改变阈值。a)电路图b)电压传输特性图9-33固定电压比较器2．比较器的基本特点比较器工作在开环或正反馈状态。开关特性是因为开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性是因为是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。9.5.2滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图9-34a所示电路。a)电路图b)传输特性图9-34滞回比较器电路图当输入电压uI从零逐渐增大且

当输入电压当逐渐减小，且回差电压9.5.3窗口比较器窗口比较器的电路如图9-35所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设R1=R2，则有窗口比较器的电压传输特性如图9-36所示。当uIUH时，uO1为高电平，VD3导通；uo2为低电平，VD4截止，uO=uO1。当uI

UL时，uO2为高电平，VD4导通；uO1为低电平，VD3截止，uO=uO2。当UH>uI>UL时，uO1为低电平，uO2为低电平，VD3、VD4截止，uO=低电平。高电平信号的电位水平高于某规定值UH的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值UL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。图9-35窗口比较器图9-36窗口比较器的传输特性9.5.4比较器的应用比较器主要用来对输入波形进行整形，将不规则的输入波形整形为方波输出，其原理如图9-37所示。a)正弦波变换为矩形波b)有干扰的正弦波变换为方波图9-37用比较器实现波形变换

阅读与应用

集成电路常识

集成电路是近几十年半导体器件发展起来的高科技产品，其发展速度异常迅猛，从小规模集成电路（含有几十个晶体管）发展到今天的超大规模集成电路（含有几千万个晶体管或近千万个门电路）。集成电路的体积小，耗电低，稳定性好，从某种意义上讲，集成电路是衡量一个电子产品是否先进的主要标志。

集成电路按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类；按其制作工艺可分为半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路等；按其集成度可分为小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)，它表示了在一个硅基片上所制造的元器件的数目。

集成电路的封装形式有晶体管式封装、扁平封装和直插式封装。集成电路的引脚排列次序有一定的规律，一般是从外壳顶部向下看，从左下脚按逆时针方向读数，其中第一脚附近一般有参考标志，如凹槽、色点等。

1．数字集成电路

(1)数字集成电路的分类及型号

数字集成电路按结构不同可分为双极型和单极型电路。其中双极型电路有DTL、TTL、ECL、HTL等多种；单极型电路有JFET、NMOS、PMOS、CMOS等四种。数字集成电路的型号命名法参见附录5。

(2)数字集成电路及其使用

在实际工程中，最常用的数字集成电路主要有TTL和CMOS两大系列，下面分别作以介绍。

1)TTL集成电路

TTL集成电路是用双极型晶体管为基本元件集成在一块硅片上制成的，其品种、产量最多，应用也最广泛。国产的TTL集成电路有T1000～T4000系列，T1000系列与国标CT54/74系列及国际SN54/74通用系列相同；T2000高速系列与国标CT54H/74H系列及国际SN54H/74H高速系列相同；T3000肖特基系列与国标CT54S/74S系列及国际SN54S/74S肖特基系列相同；T4000低功耗肖特基系列与国标CT54LS/74LS系列及国际SN54LS/74LS低功耗肖特基系列相同。54系列与74系列的主要区别在其工作环境温度上，54系列为：-55～+125℃；74系列为：0～70℃。另外这些系列的区别还在于典型门的平均传输时间和平均功耗这两个参数不同，其它的电参数和外引脚功能基本相同，必要时，可互为代换使用。

TTL集成电路在使用时要注意：不许超过其规定的工作极限值，以确保电路能可靠工作。TTL集成电路只允许在5V±10%的电源电压范围内工作。TTL门电路的输出端不允许直接接地或接电源，也不准许并联使用（开路门和三态门例外）。TTL门电路的输入端悬空相当于接高电平1，但多余的输入端悬空（与非门）易引入外来干扰使道路的逻辑功能不正常，所以最好将多余输入端和有用端并联在一起使用。在电源接通的情况下，不要拔插集成电路，以防电流冲击造成电路永久性的损坏。

2)CMOS集成电路

CMOS集成电路以单极型晶体管为基本元件制成，其发展迅速，主要是因为它具有功耗低、速度快、工作电源电压范围宽（如CC4000系列的工作电源电压为3～18V）、抗干扰能力强、输入阻抗高、扇出能力强、温度稳定性好及成本低等优点，尤其是它的制造工艺非常简单，为大批量生产提供了方便。CMOS集成电路有三种封装方式：陶瓷扁平封装（工作温度范围是-55～+100℃）；陶瓷双列直插封装（工作温度范围是-55～+125℃）；塑料双列直插封装（工作温度范围是-40～+85℃）。

CMOS集成电路在使用时要注意：电源电压端和接地端绝对不许接反，也不准超过其允许工作电压范围（VDD=3～18V）。CMOS电路在工作时，应先加电源后加信号；工作结束时，应在撤除信号后再切断电源。为防止输入端的保护二极管因大电流而损坏，输入信号的电压不能超过电源电压；输入电流不宜超过1mA，对低内阻的信号源要采取限流措施。CMOS集成电路的多余输入端一律不准悬空，应按其逻辑要求将多余的输入端接电源（与门）或接地（或门）；CMOS集成电路的输出端不准接电源或接地，也不许将两个芯片的输出端直接连接使用，以免损坏器件。

2.模拟集成电路

(1)模拟集成电路的分类、特点和结构

模拟集成电路按用途可分为运算放大器、直流稳压器、功率放大器和电压比较器等。模拟集成电路的特点和结构有：

1)与数字集成电路比较，各种模拟集成电路的电源电压可以不同且较高，视具体用途而定。

2)模拟集成电路的功能多种多样，所以其封装形式也具有多样性，封装形式有金属外壳、陶瓷外壳和塑料外壳三种。金属外壳封装为圆形，陶瓷外壳封装和塑料外壳封装均为扁平型。其引脚排列顺序和数字集成电路相同。

(2)集成运算放大器（集成运放）

自1964年美国仙童公司制造出第一个单片集成运放A702以来，集成运放得到了广泛的应用，目前它已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。

1）集成运放的分类：集成运放的品种繁多，大致可分为“通用型”和“专用型”两大类。“通用型”集成运放的各项指标比较均衡，适用于无特殊要求的一般场合。如CF741（单运放）、CF747（双运放）、CF124（四运放）等。

其特点是增益高、共模和差模电压范围宽、正负电源对称且工作稳定。“专用型”集成运放有低功耗型（静态功耗在1mW左右，如CA3078）；高速型（转换速率在10V/s左右，如A715）；高阻型（输入电阻在1012左右，如CA3140）；高精度型（失调电压温度系数在1V左右，如A725）；高压型（允许供电电压在±30V左右，如CF343）；宽带型（带宽在10MHz左右，如A772）等。

“专用型”除具有“通用型”的特性指标外，特别突出其中某一项或两项特性参数，以适用于某些特殊要求的场合。如低功耗型运放适用于遥感技术、空间技术等要求能源消耗有限制的场合；高速型主要用于快速A/D和D/A转换器、锁相环电路和视频放大器等要求电路有快速响应的场合。

2）集成运放的主要参数：

差模开环放大倍数（增益）Aud，是指运放在无反馈情况下的差模放大倍数，是衡量放大能力的重要指标，一般为100dB左右。共模开环放大倍数Auc，是衡量运放抗温漂、抗共模干扰能力的重要指标，优质运放其Auc应接近于零。

共模抑制比KCMR，此参数为反映运放的放大能力尤其是抗温漂、抗共模干扰能力的重要指标，好的运放应在100dB以上；单位增益带宽BWG，它代表运放的增益带宽积，一般运放为几兆赫兹～几十兆赫兹，宽频带运放可达100MHz以上。另外还有输入失调电压UIO、输入失调电流IIO、转换速率SR等。

3）集成运放的型号命名法：

国标统一命名法规定，集成运放各个品种的型号由字母和阿拉伯数字二部分组成。字母在首部，统一采用CF两个字母。C表示国标，F表示线性放大器，其后的数字表示运放的类型（参见附录C）。

4）集成运放使用注意事项：

集成运放在使用前应进行下列检查：能否调零和消振，正负向的线性度和输出电压幅度；若数值偏差大或不能调零，则说明器件已损坏