用微课学 模拟电子技术教程（工作手册式）课件 项目5 集成运算放大电路的制作与测试

模块三

模拟集成电路

把整个模拟电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成的具有特定功能的电子电路，称为模拟集成电路。它具有体积小、重量轻、寿命长、性能好等优点，同时其成本低，便于大规模生产。目前模拟集成电路的应用几乎遍及各种产品中，广泛应用于军事设备、工业设备、通信设备、计算机和家用电器中。如测力传感器、动态扭矩传感器等。测力传感器动态扭矩传感器3.1差分放大电路3.2认识集成运算放大器3.3负反馈放大电路及其应用

项目5集成运算放大电路的制作与测试3.4集成运放的线性应用

3.5集成运放的非线性应用

1.了解直接耦合电路存在问题、零点漂移产生原因及其抑制措施。2.理解差分放大器电路组成、抑制零漂原理，理解差模信号与共模信号及其放大倍数、共模抑制比，会对任意信号进行分解。3.理解集成运算放大器特点及其内电路框图，熟悉运放图形符号和理想运放特点。4.掌握反馈的概念；理解负反馈放大电路的类型、会判别常用负反馈电路的类型；了解负反馈对电路性能的影响。

6.掌握集成运算放大器特性、线性应用条件及其”虚短”、“虚断”特性，了解运放主要参数。7.掌握集成运放构成的常用电路（反相输入、同相输入、差分输入运放电路和加法、减法、微分、积分运算电路）电路组成、特点及应用。8.掌握集成运算非线性应用条件及其特点。会识读单值、滞回电压比较器、窗口比较器的电路，会计算单值、滞回电压比较器阈值电压和输出电压。了解集成电压比较器及其应用。

集成运算放大器具有体积小、功耗低、性能优异、稳定可靠、通用性强、使用方便等诸多优点，已经成为电子技术中的一种基本放大器件，广泛应用于信号调理、自动控制、电子测量等领域。

在我们常用的家用电器中，有很多应用了负反馈电路。例如在音响系统中通常设有音调控制电路，通过负反馈电路对声音某部分频率信号进行提升或者衰减，使整个声场更加符合用户的要求。一般音响系统中用低音调节和高音调节两个旋钮来对音频信号中的低频成分和高频成分进行提升或衰减。图3.0.1所示是一对立体声音箱，在侧面板上有用于调节音量、高音和低音的三个旋钮。取出内部的音调控制电路板，如图3.0.2所示，其中就有集成运放NE5532和阻容元件构成的负反馈式音调调节电路。图3.0.1音箱外观图3.0.2音调控制电路板

差分放大电路(Differentialamplifier)又称差动放大器，简称差放，是集成运算放大器(Intergratedoperationalamplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂移性能。

3.1差分放大电路

一、直接耦合放大电路需要解决的问题：1.各级静态工作点相互影响，相互牵制。3.1.1差动放大器电路组成和静态分析

2.存在零点漂移(Zerodrift)现象

。

①零漂定义：在输入信号为零时，出现输出端的直流电位缓慢变化的现象。

②产生零点漂移的原因：元器件参数的变化；环境的温度的变化(最主要的因素，因温度变化引起零漂称为温漂)。

③零漂在RC耦合电路中影响不大；但在直接耦合放大电路中会被后级电路逐级放大，且第一级的零漂影响最为严重。

抑制零漂的措施：1、选用高稳定性的元器件。2、电路元件在安装前要经过认真的筛选和老化处理，以确保质量和参数的稳定性。3、采用稳定性高的稳压电源，减少电源电压的波动的影响。4、采用温度补偿电路。5、采用调制型直流放大器。6、采用差动放大电路。这是目前应用最广的电路，它常用作集成运放的输入级。

典型的差动放大器电路如图3.1.1所示，它具有两个输入端，两个输出端。该电路采用发射极电阻Re耦合的对称共射电路，其中V1、V2称为差分对管，两边的元器件采用相同的温度特性和参数，使之具有很好的对称性，双电源供电，且VCC=VEE，输出负载可以接到两输出端之间（称为双端输出），也可接到任一输出端到地之间（称为单端输出）。二、差分放大电路组成图3.1.1差分放大电路

(a)电路图(b)直流通路

静态时，IC1=IC2≈IE，UC1=UC2=VCC－IC1Rc1。故：

Uo=UC1－UC2=0。

另一思路，忽略IB影响。UB=0，UE=－UBE，

即静态时，差动放大器具有零输入零输出的特点。不会产生零点漂移现象，前提：电路完全对称。

三、静态分析

如差分放大器两边参数不完全对称，输出会产生什么现象？为什么？

3.1.2共模信号、差模信号及其放大倍数

一、差模信号和差模放大倍数

差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即

ui1＝－ui2uid=uid1-uid2=2uid1

，uid1=-uid2=uid/2

。若电路仅有uid作用，则输出电压为uod，电路的差模电压放大倍数Aud＝uod/uid。

二、共模信号和共模放大倍数

共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即ui1＝ui2＝uic

差动放大器只有uic作用输出电压为uoc；则共模电压放大倍数Auc=uoc/uic。

三、任意信号的分解

ui1和ui2输入的两个任意信号。此时，若将ui1和ui2改写成

其中

由此可知，一对任意信号均可以分解为一对共模信号和一对差模信号之和，即

任意信号输入时，分解成uid和

uic

，分别放大再叠加。即

差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。[例3.1.1]已知差动放大电路ui1=100.2mV，ui2=99.8mV，试求共模和差模输入电压。

解：

3.1.3差分电路的动态分析与共模抑制比

差动电路有两个输入端、两个输出端，它具有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出四种组态。

一、双端输出电路动态分析及共模抑制比图3.1.2双端输入双端输出差分电路（a）电路原理图（b）差模交流通路（c）共模交流通路

双端输出差分电路原理图如图3.1.2（a）所示，应用叠加定理进行分析。其中输出负载RL接在两管集电极之间。在差模输入电压下，两管集电极电流产生电流数值相等、极性相反的变化。即

由此产生以下结果：一是由输入差模电压产生在RL两端的信号电压数值相等、极性相反，从而使得RL中点电位必然交流接地；二是两管集电极电流共同通过Re时，仅有静态电流2IE=IC1+IC2，而由输入差模电压产生的电流相互抵消，因此，对差模信号而言，Re可看做短路。

双端输出电路的差模交流通路如图3.1.2（b）所示。由图可得

式中，为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之差；为单管共射电路电压放大倍数；。上式说明双端输出差动当大电路的电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相同。

上式表明，双端输出的理想差动放大电路对共模信号具有完全抑制作用，为了更好地表征电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比KCMR,，KCMR定义为KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。

电路的输入电阻则是从两个输入端看进去的等效电阻。

Ri=2(Rb+rbe)

电路的输出电阻为

Ro=2Rc

3.2集成运算放大器

3.2.1集成运算放大器概述

集成运算放大器是模拟集成电路的一个重要分支，它实际上是用集成电路工艺制成的具有高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。

它具有通用性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、性能优越等特点，而且外部接线很少，调试极为方便。现在已经广泛应用于自动测试、自动控制、计算技术、信息处理以及通讯工程等各个电子技术领域。

3.2.1集成运算放大器内部电路框图图3.2.1集成运放内部电路框图

2．中间级

中间电压放大级大多由有源负载的共射电路组成，运算放大器的放大倍数主要是由中间级提供的，因此要求中间级有较高的电压放大倍数，一般放大倍数可达几万倍甚至几十万倍以上。

1．输入级

输入级一般由高性能的恒流源差分放大电路组成，具有温漂小、共模抑制比高、高输入阻抗的特点，从而减少零点漂移，提高共模抑制比。设置两个输入端可扩大集成运放的应用范围。

4．偏置电路

偏置电路一般由恒流源组成，用来为各级放大电路提供合适的偏置电流，使之具有合适的静态工作点。它们一般也作为放大器的有源负载和差动放大器的发射极电阻。

3．输出级

输出级由互补对称放大电路组成，以提高集成运放的负载能力，减小大信号工作情况下的非线性失真。

集成运算放大器的外形，常见的有以下三种：

图3.2.1集成运放的外形(a)圆壳式(b)双列直插式(c)扁平式

(2)电路符号“－”反相输入端（Invertinginputterminal），“+”同相输入端(Noninvertinginputterminal)。

(3)集成运放的输出输入关系式图3.2.2集成运放图形符号(a)国家标准图形符号(b)习惯通用符号

二、集成运放主要性能参数

1．开环差模电压增益Aod

集成运放的开环差模电压增益是指输出端和输入端之间无任何元件时输出信号电压与输入差模电压之比，用Aod表示。Aod与输出电压Uo的大小有关，通常是在规定输出电压幅度时（如Uo＝±10V）测得的值。

Aod通常用分贝数dB表示，则为

2．输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT

如果集成运放差动输入级非常对称，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入级很难达到对称，通常在室温25℃下，为了使输入电压为零时输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放输入级电路的不对称程度。UIO越小越好，一般为±（1~10）mV。另外，输入失调电压的大小还随温度、电源电压的变化而变化。通常输入失调电压UIO对温度的变化率称之为输入电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）用dUIO/dT表示,一般为±(10~20)μV/℃.

3．输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT

在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流IIO，有IIO=IB1－IB2，它反映了输入级两管输入电流的不对称情况，IIO越小越好，一般为1nA~0.1μA。

IIO随温度的变化而变化，IIO随温度的变化率称之为输入失调电流温漂用dIIO/dT表示，单位为nA/℃。

4．输入偏置电流IIB

输入偏置电流(Inputbiascurrent)是指集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2，IIB越小越好，一般为10nA~10μA。

5．开环差模输入电阻Rid

差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电阻。它反映输入端向差动信号源索取电流的能力。其值越大越好，一般为几兆欧姆。MOS集成运放Rid

高达106MΩ以上。

6．开环差模输出电阻Rod

集成运放开环时，从输入端看进去的等效电阻，称之为输出电阻。它反映集成运放输出时的负载能力，其值越小越好。一般Rod小于几十欧姆。

7．共模抑制比KCMR

共模抑制比为：KCMR=Aod/Aoc(Aoc

称共模放大倍数)，它表示集成运放对共模信号的抑制能力，其值越大越好，一般KCMR为60~130dB之间。

8．转换速率SR(Slewrate)

SR是指集成运放输出电压随时间的最大变化率，SR越大越好。

9.小信号频率参数集成运放(µΑ741)工作于小信号状态幅频特性如图4.1.2所示。图4.1.2集成运放(µΑ741)幅频特性

在运放组成的一个电压放大电路中，分别在同相输入端和反相输入端加上极性与大小相同的电压，输出电压有何异同？

1.集成运放内电路一般由哪4部分组成？为什么输入级用恒流源作发射极电阻的差分放大器？2.理想运放有哪些主要特性？

3.3.1反馈放大器的基本概念

将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部），经过一定的电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号（电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈，具有反馈的放大器称为反馈放大器(Feedbackamplifier)。3.3负反馈放大电路及其应用

一个电路是否存在反馈，就是看输出与输入回路之间有没有起联系作用的元件。若有则存在反馈，若无则不存在反馈。

一、负反馈的电路框图

负反馈放大电路的框图(Blockdiagram)如图3.3.1所示。反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成。

图3.3.1负反馈放大器的组成框图

二、反馈放大电路基本关系式

二、反馈放大电路基本关系式

三、反馈深度和深度负反馈

3.3.2反馈的分类及判别方法

1、正反馈(Positivefeedback)和负反馈（Negativefeedback）

（1）定义

正反馈：放大电路引入的反馈信号使放大电路的净输入信号增加。

负反馈：反馈信号使放大电路的净输入信号减少。（2）极性判别方法：瞬时极性法(Instantaneouspolaritymethod)

一般在第一级输入端标（+），然后依据放大、反馈信号的传递途径逐级标出（+）、（-），最后标出反馈信号极性。从而判断反馈信号是增强还是减弱输入信号，输入信号减弱的是负反馈，增加的是正反馈。其中，（+）表示瞬时电位升高，（-）表示瞬时电位下降。

放大电路各有关器件在中频区的电压的相位关系如下表所示。

如下图所示负反馈电路，输出电压uo的一部分通过由Rf、R1组成的反馈网络送到输入端，使运算放大器的净输入信号uid=ui-uf减少，从而使uo也减少。即：uo↑→uf↑→uid↓→uo↓，这就是一个负反馈过程。图3.3.2的反馈系数F＝？

图3.3.2负反馈放大电路

二、直流反馈(DCfeedback)和交流反馈(ACfeedback)(1)直流反馈：反馈信号中只含有直流成分。

(2)交流反馈：反馈信号中只含有交流成分。

(3)交直流反馈：反馈信号中既含有直流分量,又含有交流分量。

三、电压反馈和电流反馈

（1）定义

按反馈信号在输出端取样方式电压反馈：电流反馈：

（2）判别方法

①用负载短路法判别：假设输出端的负载短路，若反馈量依然存在（不为零），则是电流反馈；若反馈量消失（为零），则是电压反馈。②根据反馈网络与输出端的接法判断：若反馈网络与输出端接同一节点为电压反馈，不接于同一节点为电流反馈。电流反馈和电压反馈的效果与负载RL有关，要得到较强的负反馈效果，电压负反馈要求RL越大越好；电流负反馈要求RL越小越好。

电压反馈、电流反馈应从输入端还是输出端进行判断？它们有什么区别？

4．并联反馈和串联反馈

按基本放大器输入端与反馈网络的输出端之间的联接方式，反馈可分为并联反馈和串联反馈，它们与输出端取样的形式无关。

(1)定义串联反馈：反馈信号送到输入端是以电压相加减的形式出现，反馈信号与输入信号相串联。并联反馈：反馈信号表现为电流相加减形式，反馈信号与输入信号相并联。

(2)判别方法

若反馈信号与输入信号是在输入端的同一个节点引入，则为并联反馈；如果它们不在同一个节点引入，则为串联反馈。

负反馈放大器的四种基本组态

电压并联负反馈、电流并联负反馈、电压串联负反馈、电流串联负反馈。

串联反馈、并联反馈应从输入端还是输出端进行判断？用最简捷的方式是怎样进行判断的？

五、反馈判别示例

在电路反馈判别过程中，首先要判断电路中有无反馈元件或网络，即输出、输入端之间有无元器件或网络连接，有则有反馈。然后再用上述方法判别反馈性质、类型。举例如下：

图3.3.3例3.3.1图

电路中Rf为反馈元件。输入信号加在集成运放反相输入端，利用瞬时极性法，假设输入端瞬时极性为（+），则输出端瞬时极性为（－），经Rf反馈到反相输入端为（－），净输入信号减小，为负反馈。对于输入端，由于输入信号与反馈信号在同一节点输入，所以为并联反馈。对于输出端，假设RL短路，反馈信号则为零，所以为电压反馈。因此图中所示电路反馈类型为电压并联负反馈。[例3.3.2]判断下图所示电路的反馈类型。

图3.3.4(c)电路与基本共射电路相似，元器件数量没变，其奥妙之处是把基本共射电路的基极偏置电阻接电源一端改接到三极管的集电极，电路就变成负反馈电路，电路的静态工作点稳定了，电路性能参数发生变化。

一、提高电路及其增益的稳定性3.5负反馈对放大电路性能的影响

（1）直流负反馈稳定直流量，能起到稳定静态（直流）工作点的作用。

（2）假设由于某种原因，放大器增益加大（输入信号不变），使输出信号加大，从而使反馈信号加大。由于负反馈的原因，使净输入信号减少，结果输出信号减少。这样就抑制了输出信号的加大，实际上就使得增益保持稳定。

（3）电流负反馈稳定输出电流，电压负反馈稳定输出电压。

二、减少非线性失真(Nonlineardistorsion)

由于晶体三极管特性的非线性，当输入信号较大时，就会出现失真，在其输出端得到了正负半周不对称的失真信号。当加入负反馈以后，这种失真将可得到改善。其过程如图3.5.1所示，输出失真波形反馈到输入端与输入信号合成得到上半周小下半周大的失真波形，经放大后恰好补偿输出失真波形。

图3.3.5负反馈减少非线性失真示意图

(a）基本放大器的非线性失真(b)负反馈减少非线性失真

三、扩展通频带（Extensionbandwidth）

负反馈电路能扩展通频带，引入负反馈后增益下降，但通频带扩展。对于单RC电路系统通频带扩展（1+AF）倍。通频带的扩展，意味着频率失真的减少，故负反馈能减少频率失真。

四、改变输入电阻和输出电阻

(1)放大电路引入了负反馈，对输入电阻和输出电阻都会产生影响。串联负反馈使输入电阻增大，引入负反馈后的输入电阻为未引入负反馈电路输入电阻的（1+AF）倍，即Rif=Ri(1+AF)；并联负反馈使输入电阻减小，引入负反馈后的输入电阻Rif=Ri/(1+AF)，Ri为未引入反馈时的输入电阻。

(2)电压负反馈使输出电阻减小，Rof=Ro/(1+AF)。电流负反馈使输出电阻增加，Rof=Ro(1+AF)，Ro为未引入负反馈时的输出电阻。

(3)简言之就是：串大并小，压小流大。

4.1.1运算放大器电压传输特性和主要性能参数

一、电压传输特性集成运放的电压传输特性是输出电压uo与输入电压（同相输入端与反相输入端之间电压差值）的关系曲线，函数式为

由此可画出集成运放开环情况下的传输特性如图4.1.1所示。由图可知，集成运放有两个工作区。一是饱和区（称为非线性区），运放由双电源供电时输出不是饱和值+UOm

就是-Uom

。二是放大区（又称线性区），曲线的斜率为电压放大倍数，理想运放Aod→∞,在放大区的曲线与纵坐标重合。但实际上是不可能的，亦即实际中的集成运放的特性是非理想的，放大区特性曲线如图4.1.1所示的ab线段或a/b/线段。图4.1.1集成运放传输特性

3.2.3理想运放特性

工程中常把集成运放理想化。理想运放具有以下特性：

(1)开环差模电压放大倍数Aod→∞(2)开环差模输入电阻Rid→∞(3)开环差模输出电阻Rod=0(4)输入失调电压UIO=0(5)输入失调电流IIO=0(6)共模抑制比KCMR→∞

4.1.3集成运放理想化条件和线性应用条件

一、集成运放理想化条件

满足理想化的集成运放应具有无限大的差模输入电阻，趋于零的输出电阻，无限大的差模电压增益和共模抑制比，无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。显然实际的集成运放不可能具有上述理想特性，但是在低频工作时它的特性是接近理想的。例如μА741，其典型开环差模电压增益为2×105，差模输入电阻为2MΩ，输出电阻为75Ω。因此在低频情况下在实际使用和分析集成运放电路时，就可以近似地把它看成为理想集成运算放大器二、集成运放线性应用条件及其特性

把集成运放接成负反馈组态是集成运放线性应用的必要条件。

在分析集成运放线性应用时，可应用集成运放理想化条件。

集成运放理想化具有以下两个特性:1.虚短

(Virtualshortcircuit)2.虚断

(Virtualopencircuit)

上一章分析了负反馈对放大电路的影响，负反馈同样能改善集成运放组成电路的性能：①采用负反馈可减小失调及其温漂对输出的影响，反馈越深失调及其温漂对输出的影响，越小。②负反馈可提高放大倍数精度及稳定度。③由于各种电容的作用，特别是在内部电路中加了相位补偿电容后，运放的开环带宽很窄，如F007只有7HZ，无法适应交流信号放大要求，负反馈可将带宽扩展（1+AF）倍。④负反馈还可以使输入电阻、输出电阻、失真度等性能得到改善。在分析集成运放线性应用时，可把集成运放视为理想运放。

1.虚短

(Virtualshortcircuit)

理想集成运放线性应用时，为深度负反馈电路，可得Xi≈Xf

即uid≈0，当运放的输出电压uo为有限值时，集成运放的输入电压趋于零，即两个输入端电压相等

u+=u-

因此，集成运算放大器同相输入端与反相输入端可视为短路。

2.虚断

(Virtualopencircuit)

需要注意的是，虚短不能认为两个输入端短路，因为实际上的uid不可能等于零，虚断也不能认为是开路，因为实际上iid不可能等于零。

理想集成运放的输入电阻趋于无穷大，故其输入端相当于开路，集成运放就不需要向前级索取电流，即

i+=i-=0

利用以上两个特性，可以十分方便地分析各种运放的线性应用电路。“虚短”和真短路有什么不同？虚断”和真断路有什么不同？1.图4.1.1中非理想运放的线性区的特性曲线是哪段？理想运放线性区特性曲线有什么特点？非理想运的非线区相对应的特性曲线是哪段？2.什么情况下集成运放可视为理想运放？3.集成运放线性应用的必要条件是什么？要使集成运放工作于非线性区，运放应处于何种组态？4.放大电路的单位增益带宽与闭环增益Auf、闭环带宽(通频带)BWf是什么关系？4.2集成运放放大、运算电路

4.2.1反相输入放大电路

图中，Rf为反馈电阻，构成电压并联负反馈组态；电阻RP称为直流平衡电阻。

Ro=0图4.2.1反相输入放大电路

4.2.2同相输入放大电路放大电路的输入电阻Ri→∞放大电路的输出电阻Ro=0

输入信号ui经电阻R2送到同相输入端，Rf与R1使运放构成电压串联负反馈电路。图4.2.2同相输入放大电路

图4.2.2所示电路中，R2应怎么选择？为什么？图4.2.4电压跟随器其它形式电路

电压跟随器与射极跟随器类似，但其跟随性能更好，输入电阻更高、输出电阻为零，常用作变换器或缓冲器。在电子电路中应用极广。其实用电路还有其它两种形式，电路如图4.2.4所示。图b电路在同相输入端加一隔离电阻，防止因输入电阻过高而引人周围电场的干扰，Ri=R。

图4.2.3电压跟随器

4.2.3差分输入放大电路当取R1=R2和Rf=R3时,则上式为

差分输入放大电路的两个输入端都有信号输入。ui1通过R1接至运放的反相输入端，ui2通过R2、R3分压后接至同相输入端，而uo通过Rf、R1反馈到反相输入端。图4.2.5差分输入放大电路

集成运放组成的差分输入放大电路是一个减法器，对共模信号有抑制作用，即使使用一级运放电路，选用较高共模抑制比的运放，电路也具有一定的抗共模噪声干扰的能力。在要求较高场合，可用多个运放组成抗共模噪声电路。测量放大器就是三个运放组成差动组态的高性能抗共模噪声电路。目前已有专用集成芯片生产，详见4.2.7节。用两个运放组成抗共模噪声电路见例4.2.1。

集成运放组成差分输入放大电路，加接负载后，运算(输出输入)关系是否会发生改变？4.2.4相加放大器当取R1=R2=R时

当取R=Rf时

两个输入信号ui1、ui2分别通过R1、R2接至反相输入端。Rf为反馈电阻，R3为直流平衡电阻。

一、反相加法器图4.2.6反相加法器

集成运放组成的反相加法器在调整一路输入端电阻时，不会影响其他路信号形成的输出值，因而调节方便，得到较广泛应用。

二、

同相加法器应用叠加定理进行分析：设ui1单独作用，ui2=0

同相加法器如图4.2.7所示，输入信号ui1、ui2都加到同相输入端，而反相输入端通过电阻R3接地。图4.2.7同相加法器

设ui2单独作用，ui1=0二者迭加得

若取：R1=R2、R3=Rf

,则

集成运放组成的同相加法器共模输入电阻较高，且输入端电阻不易调整，常用于要求输入电阻较大的场合。4.2.5积分和微分电路若C上起始电压为零，则

若C上起始电压不为零，则

一、积分电路

积分运算(Integratialoperation)电路如图4.2.9所示。输入信号ui通过电阻R接至反相输入端，电容C为反馈元件。图4.2.9积分电路图4.2.10积分运算电路在不同输入情况下的波形

二、微分电路（Differentiatialoperation）

将图4.3.4中反相输入端的电阻R和反馈电容C位置互换，便构成基本微分运算电路，如图4.2.11所示。图4.2.11基本微分运算电路

图4.3.7所示电路并不实用，当输入电压产生阶跃变化或有脉冲式大幅值干扰，都会使集成运放内部的放大管进入饱和截止状态，以至于当信号消失了，内部管子还不能脱离原状态而回到放大区，出现阻塞现象，电路只有切断电源后方能恢复，即电路无法正常工作。此外基本微分电路容易产生自激振荡，使电路不能稳定工作。

为解决上述问题，组成微分实用电路如图4.2.12（a）所示。

R1限制输入电流亦即限制了R中电流，VZ1、VZ2用以限制输出电压，防止阻塞现象产生，C1为小容量电容，起相位补偿作用，防止产生自激振荡。若输入为方波，且RC＜＜T/2（T为方波周期），则输出为尖顶波，如图4.2.12（b）所示。

图4.2.12实用微分运算电路1.反相输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？2.同相输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？3.差分输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？4.集成运放组成的反相加法器与同相加法器各有什么优缺点？5.写出积分电路输出输入关系式。能用积分电路实现波形变换吗？能实现什么波形变换？6.写出微分电路输出输入关系式。实用微分电路中，与基本微分电路相比增加的R1、C1、VZ1和VZ2各起什么作用？4.5集成运算放大器的非线性应用

4.5.1集成运放非线性应用条件

集成运放有线性和非线性两种工作状态。在开环工作或加正反馈时，由于集成运放的放大倍数很高，输入信号即使很小，也足以使运放工作在非线性工作状态。集成运放处于非线性工作时的电路统称为非线性应用电路。这种电路大量地被用于信号比较、信号转换和信号发生、以及自动控制系统和测试系统中。为了简化分析，同集成运放的线性运用一样，仍然假设电路中的集成运放为理想元件。

集成运放开环工作状态电路如图4.5.1所示。

u+为同相输入电压，u－为反相输入电压，uid为差动输入电压

uid=u+－u－

,uo=Aod(u+－u－)

图4.5.1集成运放开环工作状态电路

由于Aod→∞,所以，当uid=u+-u－>0即u+>u－时，输出电压达到正向最大值,uo=+Uom，其值比正电源电压低1~2V；当uid=u+-u－

<0即u+<u－时，输出电压达到负向最大值，uo=－Uom，其值比负电源电压高1~2V。由于集成运放差模输入电阻很大，在非线性应用时，输入电流约为零，仍有“虚断”的特性。

4.5.2电压比较器（Voltagecomparator）一、单值电压比较器

1．单值电压比较器工作原理

开环工作的运算放大器是最基本的单值比较器，单值电压比较器及电压传输特性如图4.5.2所示。4.5.2单值电压比较器及电压传输特性

(a)反相输入电路图(b)传输特性

(c)同相输入单值比较器实用电路

图4.5.2(c)所示的输出电压值为多大？画出该电路的电压传输特性，它与图(b)特性有什么区别？

在电路中，输入信号ui与基准电压UREF进行比较。当ui<UREF时，Uo=+Uom;当ui>UREF时，Uo=-Uom,在ui=UREF时，uo发生跳变。该电路理想传输特性如图4.5.2b所示。如果以地电位为基准电压，即同相输入端通过电阻R接地，组成如图4.5.3a所示电路，就形成一个过零比较器(Zerocrossingcomparator)，则当ui<0时，则Uo=+Uom

当ui>0时，则Uo=-Uom

也就是说，每当输入信号过零点时，输出信号就发生跳变。

在过零比较器的反相输入端输入正弦波信号可以将正弦波转换成方波，波形图如图4.5.3b所示图4.5.3过零比较器

2．电压比较器的阈值电压(Thresholdvoltage)

由上述分析可知，电压比较器翻转的临界条件是运放的两个输入端电压u+=u－，对于图4.5.2所示电路为ui与UREF比较，当ui=UREF时（即u+=u－时）电路状态发生翻转。

我们把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压Uth。图4.5.2所示电路的Uth=UREF,过零比较器的Uth=0。

因为这种电路只有一个阈值电压，故称为单值电压比较器。

2．电压比较器的阈值电压(Thresholdvoltage)

比较器从一种饱和状态翻转为另一种饱和状态，必要经过线性放大区，也就是翻转这一时刻运放工作于线性区，这一时刻可应用虚短特性。也就是说，运放当u+=u-时翻转。我们在求解比较器的问题时，就是通过u+=u-列出方程式，从而求得阈值电压。二、迟滞比较器(Regenerativecomparator)

单限比较器有一缺点，如果输入信号在阈值电压附近发生抖动时或者受到干扰时，比较器的输出电压就会发生不应有的跳变，就会使后续电路发生误动作。为了提高比较器的抗干扰能力，人们研制了一种具有滞回特性的比较器，亦称迟滞比较器。迟滞比较器电路如图4.5.4a所示。

图中输入信号通过平衡电阻R接到反相端，基准电压UREF通过R1接到同相输入端，同时输出电压uo通过R2接到同相输入端，构成正反馈。

图4.5.4迟滞比较器

由图4.5.4可知，i-=0，电阻R上的压降为零，即u-=ui，而同时u+受UREF和uo的影响，当uo=+Uom时，由叠加定理可求得

此时ui=u->，输出电压将保持－Uom值，但当ui减少，使u-≤时，uo将再次由－Uom跳变到+Uom。其传输特性曲线如图4.5.4b所示。

此时，ui=u－<u+，输出电压将保持+Uom；但当ui增加，使u－≥

时，uo将由+Uom跳变到－Uom，此时，同相端电压为

由以上分析可知迟滞比较器有两个不同的门限电压，我们把称为上限门限电压，用UT1表示；把称为下限门限电压，用UT2表示，它们的差值称为门限宽度，又称回差电压或迟滞宽度（Hystersisvoltage），用△UT表示，即

△UT=UT1－UT2。

由于迟滞比较器有两个不同的门限电压，因此只要门限宽度大于干扰电压的变化幅度，就能有效的抑制干扰信号。且△UT越大，比较器抗干扰能力越强，但分辩率越差。迟滞比较器常用来组成整形、波形产生等电路。

[例4.5.1]图示4.5.5a所示电压比较器，双向稳压管的稳定电压为±6V，请画出它的传输特性。当输入一个幅度为4V的正弦信号时，画出输出电压波形。

图4.5.5例4.5.1图

(a)电压比较器(b)电路传输特性(c)输出波形图4.5.3集成电压比较器及其应用

集成电压比较器是一种专用的模拟电压比较器。它虽比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且一般不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等数字集成电路。有些芯片负载能力强，可直接驱动继电器或指示灯。4.5.3集成电压比较器及其应用

一、集成电压比较器分类集成电压比较器按芯片内电压比较器个数不同，可分为单、双和四电压比较器；按功能不同可分为通用性、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型电压比较器；按输出方式可分为普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种方式。集电极（或漏极）开路输出电路在使用时必须在输出端接一电阻至电源。互补输出电路有两个输出端，若一个为高电平，另一输出必为低电平。