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采用半导体制造工艺将管子、电阻、电容等器 采用半导体制造工艺将管子、 电阻、 件及连线制作在一块硅片上， 件及连线制作在一块硅片上，形成一个不可分割的 固体组件，称为集成电路。 固体组件 ，称为集成电路。 集成电路按其功能可分 为模拟集成电路和数字集成电路两大类。 为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成 电路中应用最广泛的集成运算放大器， 电路中应用最广泛的集成运算放大器，目前已广泛 应用于信号处理、信号变换及信号发生等各个方面， 应用于信号处理、 信号变换及信号发生等各个方面， 在控制、测量、仪表等领域中占有重要地位。 在控制、测量、仪表等领域中占有重要地位。
3.1.1 基本差分放大器
静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。 静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。 当温度变化，或电源电压波动， C1、 C2同时增 当温度变化，或电源电压波动，将引起两管集电极电流IC1、IC2同时增 大或减小，这就是零飘现象， 大或减小，这就是零飘 现象，相当于在两管的输入端同时加人一对大小 相等、 i2，称为共模输入信号。 相等、极性相同的信号ui1、ui2，称为共模输入信号。对于共模输入信 两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式， 号，两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式，输出电压为 或者说， C=0， 零，或者说，差动放大电路的共模电压放大倍数AC=0，即差动放大电路 可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路， 可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路，对共模信号没有放大 作用。 作用。 3.1.2 典型的差分放大器
的电流负反馈作用， 由于RE的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到 了一定程度的抑制，这样， 了一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了 显然， 愈大，电流负反馈作用愈强， 。显然，RE愈大，电流负反馈作用愈强，因而抑制每个管 子的漂移作用就愈显著。这样就进一步增强了差动电路抑 子的漂移作用就愈显著。 制漂移和共模信号的能力。 制漂移和共模信号的能力。因此RE也称为共模负反馈电阻 。
3.1.3 带恒流源的差动放大器
如图3 如图3-3（a）所示，就是一个具有恒流源的差放电路， 所示，就是一个具有恒流源的差放电路， 图中：T3和 E3、T4、T5组成恒流源 组成恒流源， 图中：T3和R1、R2、RE3、T4、T5
组成恒流源，电阻R1、R2、 E3用来调整和确定T3的静态工作电流 C3，二极管D4 D5用 用来调整和确定T3 D4、 RE3用来调整和确定T3的静态工作电流IC3，二极管D4、D5用 作温度补偿。将电流源简化，其电路如图3 所示。 作温度补偿。将电流源简化，其电路如图3-3（b）所示。
(a)
(b)
图3-3 带恒流源的差分放大电路
差动放大器的输入、 3.1.4 差动放大器的输入、输出方式
单端输入、 单端输入、单端输出的差分放大电路
单端输入、 单端输入、双端输出的差分放大电路
双端输入、 双端输入、单端输出差分放大电路
3.2集成运算放大器简介 3.2集成运算放大器简介 3.2.1集成运算放大器的基本结构及其特点 3.2.1集成运算放大器的基本结构及其特点 1、集成运算放大器的基本结构
2、集成运算放大器的图形符号和管脚功能 集成运放的图形符号如图3 10所示。 图中可见， 集成运放的图形符号如图3-10所示。 图中可见，集 所示 成运放有两个输入端和一个输出端， 成运放有两个输入端和一个输出端，输入端输入方式有三 种从“ 端输入 称反相输入， 种从“-”端输入(u -)称反相输入，输出电压与输入电压 称同相输入， 相位相反； 端输入( +)称同相输入 相位相反；从“+”端输入(u +)称同相输入，输出电压与 端输入 输入电压相位相同； 输入电压相位相同；从“-”、“+”两个端输入称差分输出 、 两个端输入称差分输出 ），输出电压与差分输入电压相位相反 （uId= u - - u+），输出电压与差分输入电压相位相反 。
滴胶标牌3-10集成运放符号 （a）国际标准符号；（b）习惯通用符号。
3.2.2集成运算放大器主要参数的意义 3.2.2集成运算放大器主要参数的意义
3.2.3理想集成运算放大器的分析方法 3.2.3理想集成运算放大器的分析方法
(1) 开环差模电压放大倍数趋于无穷； 开环差模电压放大倍数趋于无穷； (2) 输入电阻趋于无穷； 输入电阻趋于无穷； (3) 输出电阻趋于零； 输出电阻趋于零； (4) 共模抑制比趋于无穷； 共模抑制比趋于无穷； (5) 有无限宽的频带； 有无限宽的频带； (6) 当输入端 -= u + 时，uo=0。 当输入端u 。 目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在10 以上， 目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在 4以上， 输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此， 输入电阻达到兆欧数量级 ， 输出
电阻在几百欧以下 。 因此 ， 作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。 作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。
集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系， 集成运放输出电压与差分输入电压之间的关
系， 可用图8.19所示的电压传输特性来描述。 所示的电压传输特性来描述。 可用图 所示的电压传输特性来描述
图8.19运算放大器的电压传输特性 运算放大器的电压传输特性
3.3基本运算电路 3.3基本运算电路 1.反相比例运算电路 1.反相比例运算电路
2.同相比例运算电路 2.同相比例运算电路
(a)同相比例运算电路
(b)电压跟随器
3.加法运算电路 3.加法运算电路
金属防水接头4.减法运算电路 4.减法运算电路
3.3.3. 积分与微分电路
1.积分电路 积分运算指集成运放的输出电压与输入电压 的积分成比例的运算。积分运算电路如图3 21所 的积分成比例的运算。积分运算电路如图3-21所 示。图中，用CF代替RF构成反馈电路。 图中， CF代替 构成反馈电路。
图3-21 积分运算电路
2.微分运算电路 2.微分运算电路 微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中， 微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中， 的位置对调一下， 电阻R1与电容CF的位置对调一下，即得微分电 电路如图3 22所示 所示。 路，电路如图3-22所示。
图3-22 微分运算电路
3.4 信号处理电路
信号幅度比较电路大致可分为三种：电压比较 电路、滞回比较电路和窗口比较电路。
(1) 电压比较器 电压比较电路如图3-24所示 。 电压比较电路如图 所示
图3-24电压比较器 电压比较器
图3-25过零比较器 （a）电路图；（b）电压传输特性。
图3-26 有限幅的过零比较器 （a）电路图；（b）电压传输特性。
[例3.6] 设计一个简单的电压比较器，要求如下： 例 设计一个简单的电压比较器，要求如下： UREF=2V；输出低电平约为 ； 输出低电平约为-6V，输出高电平约为 ，输出高电平约为0.7V；当输入电 ； 压大于2V时 输出为低电平。 压大于 时，输出为低电平。 因输入电压大于2V时 输出为低电平。 解 ： 因输入电压大于 时 ， 输出为低电平 。 故输入信号应加在 反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。 的参考电压。 反相输入端，同相输入端加 的参考电压 又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具 ，输出高电平约为 又因输出低电平约为 ， 有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为 。 有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出 高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为 高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故 ， 输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输 ；当输出低电平时，稳压管稳定电压为 ， 输出电压为 出电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如图8.38所示。 。综上
所述，满足设计要求的电路如图 所示。 出电压为 所示
图3-27 [例3.6]的电路图 例 的电路图
2. 滞回比较器 滞回特性的比较器(又称施密特触发器 如图3-29 又称施密特触发器)， 滞回特性的比较器 又称施密特触发器 ，如图 所示 。
3-29 滞回比较器
[例3.7] 电路如图 例 电路如图3-30（a）所示，试求上、下限阈值电 （ ）所示，试求上、 并画出电压传输特性。 压，并画出电压传输特性。
（a）电路图 ）
（b）电压传输特性 ）
图3-30 [例3.7]的图 例 的图
3.窗口比较器 3.窗口比较器
图3-31 窗口比较器 (a) 电路图；(b) 电压传输特性。
UI
UH时，D1导通、D2截止，输出电压uo仍为高电平Uom D1、D2均截止 均截止， 为低电平0 。只有当
UL<UI<UH时，D1、D2均截止，输出电压uo为低电平0。
3.4.2 有源滤波器 滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通 而将此频率范围以外的信号衰减的电路。 过，而将此频率范围以外的信号衰减的电路。滤波 器可以由无源的R 等元件组成， 器可以由无源的R、L、C等元件组成，也可以由有源 的运放加R 等元件组成，前者称为无源滤波器， 的运放加R、C等元件组成，前者称为无源滤波器， 后者称为有源滤波器。 后者称为有源滤波器。 1.基本概念 1.基本概念 通常把能够通过的信号频率范围定义为通带， 通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把 受衰减的信号频率范围称为阻带。 受衰减的信号频率范围称为阻带。按照通带和阻带相 互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、 ）、高 互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高 通滤波器(HPF) 带通滤波器(BPF) 带阻滤波器(BEF) (HPF)、 (BPF)、 通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF) 几种类型，它们的理想幅频特性如图3 32所示 所示。 几种类型，它们的理想幅频特性如图3-32所示。
图3-32 各种滤波器的理想幅频特性 (a)低通；(b)高通；(c)带通；(d)带阻。
2. 一阶低通滤波器
一阶低通有源滤波器有如图3.33所示的两种 基本电路形式。
图3.33 一阶低通滤波器
低通截止频率。
1 fH = f0 = 2πRC
图3.34 一阶有源低通滤波器幅频特性曲线
图3.35 二阶有源低通滤波器
图3.35 二阶有源低通滤波器
3. 一阶高通滤波器(HPF)
图3.36 高通滤波器
高通截止频率
1 fL = f0 = 2πRC
当 f < f 0 时特性曲线按+20dB十倍频上 升，可以对小于 f 0 的信号进行抑制。 同理，如果采用如图3.36(b)所示的 二阶高通滤波器，其阻带衰减程度会更 剧烈，滤波效果会更好。
图3.37 一阶高通滤波电路的幅频特性曲线
4. 带通滤波电
路和带阻滤波电路
(1) 带通滤波电路。
图3.38 带通滤波电路的构成方法
图3.39 压控电压源二阶带通滤波电路
在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围 为通频带宽度，理论可以证明电子蜡烛灯
f0 BW = Q
可见，值越大，频带越窄， 选频特性越好。
(2) 带阻滤波电路。
带阻滤波电路又名陷波器。它由低通滤波电路和 高通滤波电路并联而成，两者对某一频段均不覆盖， 形成带阻频段。
图3.40 带阻滤波电路的构成方法
图3.41 压控电压源二阶带阻滤波电路
根据理论推导，该电路的电压放大倍数为
& & Au = Aup
式中：
1 ff 0 1+ j 2 2 Qf 0 ? f
小型电加热蒸汽锅炉(3.38)
1 Q= 2(2 ? Aup )
(3.39)
阻带的中心频率为
1 f0 = 2πRC
(3.40)
阻带的中心频率为
1 f0 = 2πRC
阻带的宽度
natr-241f0 BW = f L ? f H = Q
不同的值的幅频特性如图3.41(b)所 示。由图可见，值越大，阻带越窄， 选频特性越好。带阻滤波电路在检 测仪表和电子系统中应用较多，常 用于抑制50Hz交流电源引起的干扰 信号。这时带阻中心频率选为50Hz， 使对应于该中心频率的电压放大倍 数为零。
3.4.3 信号转换电路 1.电压电流转换电路 1.电压电流转换电路 （1）接地负载电压—电流变换器 接地负载电压 电流变换器
（2）悬浮负载电压—电流变换器 悬浮负载电压 电流变换器
图3-43悬浮负载的电压—电流变换器 （a）反相电压—电流变换器；（b）同相电压—电流变换器
2.精密二极管半波整流器 2.精密二极管半波整流器
36xp
3-45典型的高精度半波整流电路 (a)电路图；(b)电压传输特性；(c)波形图。
3.4.4精密仪用放大电路 3.4.4精密仪用放大电路 1.精密差分测量放大器 1.精密差分测量放大器
电压放大倍数为
2.集成精密测量放大器 2.集成精密测量放大器 （1）INA101M型测量放大器 INA101M型测量放大器
图3-47 INA101M测量放大器 (a)内部电路；(b)基本应用电路。
（2）应用举例——心电信号放大电路 应用举例 心电信号放大电路 图所示3-48为实用的心电信号放大电路。心电信号 图所示3 48为实用的心电信号放大电路。 为实用的心电信号放大电路 由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。 由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。 在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。 在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。其中 R1、C1和R2、C2用以预防电极悬空而引入干扰信号 用以预防电极悬空而引入干扰信号。 R1、C1和R2、C2用以预防电极悬空而引入干扰信号。 第二级为同相比例放大， C6一起组成低通滤波电路 第二级为同相比例放大，与C6一
起组成低通滤波电路 这二级总的电压放大倍数可达一万倍， ，这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后一级采 用带阻滤波器，构成50Hz陷波器，减小工频干扰。 用带阻滤波器，构成50Hz陷波器，
减小工频干扰。 50Hz陷波器
图3-48心电信号放大电路
3.5 集成运放使用中的问题 1.选用集成运放型号 1.选用集成运放型号 2. 在使用集成运放时应熟悉管脚的功能 3. 集成运放的消振与调零 4. 集成运放的保护措施 5. 集成运放电路外接电阻值的选取 6. 调试过程中应注意的问题
本章小结
1．反馈是将输出信号的一部分或全部以通过反馈网 ． 络送到输入端。负反馈放大电路有四种不同类型。 络送到输入端。负反馈放大电路有四种不同类型。由瞬时 极性判断反馈的性质，由输出端判别电压或电流反馈， 极性判断反馈的性质，由输出端判别电压或电流反馈，由 输入端判别串联或并联反馈。 输入端判别串联或并联反馈。 2．差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路形式 ． 其特点是电路对称。 ，其特点是电路对称。 3．集成运放是一种高增益直接耦合放大器 ， 掌握集 ． 集成运放是一种高增益直接耦合放大器， 成运放理想化条件是分析集成运放在线性和非线性应用时 的基本概念和重要原则。理想运放线性应用时， 的基本概念和重要原则。理想运放线性应用时，若反相输 入则有u 若同相输入或差分输入则有u 入则有 - = u + = 0、i - = i + ；若同相输入或差分输入则有 、 理想运放组成正弦波振荡器时， - = u + 、i - = i + 。理想运放组成正弦波振荡器时，关键是 要满足振幅
条件和相位条件。 要满足振幅条件和相位条件。
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