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集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)

集成运算放大器电路分析及应用（完整电子教案）

3.1 集成运算放大器认识与基本应用

在太阳能充放电保护电路中要利用集成运算放大器LM317 实现电路电压检测，并通过

三极管开关电路实现电路的控制。首先来看下集成运算放大器的工作原理。

【项目任务】

测试如下图所示，分别测量该电路的输出情况，并分析电压放大倍数。

信息单】

集成运放的实物如图3.2 所示。

图3.2 集成运算放大

1. 集成运放的组成及其符号

各种集成运算放大器的基本结构相似，主要都是由输入级、中间级和输出级以及偏置电路组成，如图3.3 所示。输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成；中间级的作用是获得较大的电压放大倍数，可以由共射极电路承担；输出级要求有较强的带负载能力，一般采用射极跟随器；偏置电路的作用是为各级电路供给合理的偏置电流。

图3.3 集成运算放大电路的结构组成集成运放的图形和文字符号如图3.4 所示。

图3.4 集成运放的图形和文字符号

其中“ -”称为反相输入端，即当信号在该端进入时，输出相位与输入相位相反；而

“+”称为同相输入端，输出相位与输入信号相位相同。

2. 集成运放的基本技术指标集成运放的基本技术指标如下。

⑴输入失调电压U OS

实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时，输出电压并不为零。规定在室温(25℃ )及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放的两输入端额外附加补偿电压，称之为输入失调电压U OS，U OS 越小越好，一般约为0.5～5mV 。

⑵开环差模电压放大倍数A od

集成运放在开环时(无外加反馈时)，输出电压与输入差模信号的电压之比称为开环差模电压放大倍数A od。它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝(dB) 表示，目前最高值可

达140dB(即开环电压放大倍数达107)。

⑶共模抑制比K CMRR

K CMRR 是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即K CMRR = A A od，其含义与差

动放大器中所定义的K CMRR 相同，高质量的运放K CMRR 可达160dB 。

⑷差模输入电阻r id

r id 是集成运放在开环时输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻，一般为M Ω数量级，以场效应晶体管为输入级的r id 可达104M Ω。分析集成运放应用电路时，把集成运放看成理想运算放大器可以使分析简化。实际集成运放绝大部分接近理想运放。对于理想运放，A od、K CMRR 、r id 均趋于无穷大。

⑸开环输出电阻r o

r o 是集成运放开环时从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能

力越强。理想集成运放r o趋于零。

其他参数包括输入失调电流I OS、输入偏置电流I B、输入失调电压温漂d UOS/d T 和输入失

调电流温漂d IOS/ d T、最大共模输入电压U Icmax、最大差模输入电压U Idmax 等，可通过器件

手册直接查到参数的定义及各种型号运放的技术指标。

3. 集成运算放大器 LM358

LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单

电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组

,音频放大器、工业控制、 DC

增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。特性如下：

(1) 内部设有频率补偿。

(2) 直流电压增益高 (约 100dB) 。 (3) 单位增益频带宽 (约 1MHz) 。

(4) 电源电压范围宽：单电源 (3-30V) ；双电源 ( ±1.5- 1±5V) (5) 低功耗电流，适合于电池供电。 (6) 低输入偏流。

(7) 低输入失调电压和失调电流。 (8) 共模输入电压范围宽，包括接地。 (9) 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 (10) 输出电压摆幅大( 0至 Vcc-1.5V)

图为 LM358 的管脚图。

图 3.5 集成运算放大器 LM358

3.集成运算放大器电路分析

该电路为何出现上述结论？下面分析其中原因。

对于 LM358 ，A od 、 K CMRR 、r id 均由于参数值比较大，为了方便分析，可视作趋于无

穷大。

(a)DIP 塑封引脚图引脚功

能

(1) 由于集成运放的差模开环输入电阻

R id →∞，输入偏置电流 I B ≈0，不向外部索取电

流，因此两输入端电流为零，即 i -=i +=0。也就是说，集成运放工作在线性区时，两输入端

均无电流，称为“虚断”。

(2) 由于两输入端无电流，则两输入端电位相同，即

u-=u+ 。由此可见，集成运放工作

在线性区时，两输入端电位相等，称为“虚短”。

由“虚断”和“虚短”这两个概念从理论上分析一下实验电路。

3． LM358 实验电路原理分析

LM358 应用电路如下图 3.6(a), 图 3.6(b) 为输出波形。输入为第一通道，输出为第二通道。该电路为

反相输入式放大电路，输入信号经

R 1 加入反相输入端， R F 称为反馈电阻，同相输入端电阻 R 2用于保持运放的静态平衡，要求

R 2=R 1∥ R F ，R 2称为平衡电阻。

图 3.6 反相输入式放大电路 (multisim)

由于集成运放工作在线性区，根据虚断

i -=i +=0 ，即流过 R 2 的电流为零，则 u -=u +=0，

说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是虚假接地，故简称为 “虚地”。虚地是反相输入式放大电路的重要特点。利用基尔霍夫电流定律，有

i 1=i -+i F i f

则输出电压为： u o

u i

R 1

由此得到反相输入运算放大电路的电压放大倍数为

R F

R 1

式中， A uf 是反相输入式放大电路的电压放大

倍数。

由上可知，反相输入式放大电路中，输入信号电压 U i 和输出信号电压 U o 的相位相反，

u i u R1

u u 0

R F

A uf

u o

u i

大小成比例关系，比例系数为 R F /R 1，可以直接作为比例运算放大器。当 R F =R 1 时， A uf =-1 ，

即输出电压和输入电压的大小相等、相位相反，此电路称为反相器。

【训练与提高】

参考电路图 3.6所示，搭建一个比例放大倍数为

50 的运算电路。

3.3.2集成运算放大器基本运算电路分析

除了反相比例运算电路之外，还可以利用 LM358 等高增益的集成运放搭建其他应用电路。

项目任务】

掌握集成运算放大器的加法、减法等应用电路设计。

信息单】

1.同相输入比例运算电路

电路如图 3.7(a)所示。

i f R F

(a) 同相输入比例运算电路

(b)电压跟随器

图 3.7 比例运算电路

根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：

0 u

u i i 1

R 1 R 1

由此可得：

－

Δ∞

i 1 i f ， u

u i

i f

u u o u i u o

R F

u o

R F

R 1

u i

输出电压与输入电压的相位相同。

同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性，平衡电阻

R p R 1 // R F 。

由此可得：

闭环电压放大倍数为：

A uf

u o

u i

R F

R 1

可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于 1。当 R f 0 或 R 1 时，

u o u i

，即

A uf 1 ，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化，称为电压跟随器，电路如

图 3.7(b) 所示。

2.加法运算电路

加法运算电路如图 3.8(a)图所示。

i1 R 1 i 1 i f R F

i2 R 2 i 2 Δ

－

R p

u o

u i1 R 1

－∞

u i2 R 2

+ +

(a) 加法运算电路 (b) 减法电路图 3.8 加减运算电路根据运放工作在线性区

的两条分析依据可知： i f i 1 i 2

i 1

u i1

u i 2

R 1

， i2 R 2

i f

u o

R F

u o

R F

( R R 1F u i1

R F R 2

u i 2

若 R 1 R 2 R F ，则：

u o (u i1

u i2)

可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广

到有更多个信号输入的情况。平衡电阻

R p R 1 // R 2 // R F 。

3.减法运算电路

减法电路如图 3.8(b) 图所示。由叠加定理：

u i1 单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为： R F

u o

u i1

R 1

u i2 单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：

u o

u i1 和 u i2 共同作用时，输出电压为：

u o u o u o

R F

R 1

R 3

R 2

R 3

u i2

R F

R 1 u i1

R F

R 1 R 3

R 2 R 3

u i2

R F

若 R 3 （断开），则：

若

R 1 R 2 ，且 R 3 R F ，则：

R F u o

(u i2 u i1)

R 1

若

R 1 R 2 R 3 R F ，则：

u o u i2 u i1

由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。

例：有一集成运算放大器电路如下图 3.9 所示，求输入与输出关系。

解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。

u o1

i 2

例 2：一集成运算放大器电路如下图 3.10 所示，求输入与输出关系。

图 3.10 运算电路

解：电路由两级放大电路组成。第一级由运放

A 1、A 2 组成，它们都是同相输入，输入

电阻很高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移。根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：

u o

R 1 u i1 R F

R 1

u i2

u o

( R F 1

u i 1

R 2

u o1)

u i 2

R 2

i 2

RF u i 1

R 1

i 1

图 3.9 运算电路

u o

u 1

u 1 u i1

u 2 u 2 u i2

R 1

(u o1 u o2 )

u i1

u i2 u 1 u 2

R 1 2R 2

2R 2 故： u o1 u o2 1 (u i1 u i2)

R 1

第二级是由运放 A 3 构成的差动放大电路，其输出电压为：

R 4

u o R

(u o2 u o1)

R 4

R 3

2R 2

(u i1 u i2)

R 1

电压放大倍数为：

A uf

u R 4 1

2R 2

u i1

u i 2

R 3

R 1

3.积分运算电路

积分运算电路如图 3.11(a)图所示。

(b) u i 为恒定电压时积分电路 u o 的波形

图 3.11 积分运算电路

由于反相输入端虚地，且 i i ，由图可得：

i R i C

i R

u i

i C

C d d u t C du o dt

由此可得：

u o

输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若 u i 为恒定电压 U ，则输出电压 u o 为：

u o

u i dt

RC i

U t RC

5.微分运算电路

微分运算电路如图 3.12(a)图所示。

(a)运算电路

U i

(a) 微分运算电路 (b) 波形

图 3.12 积分运算电路

由于反相输入端虚地，且 i i ，由图可得：

由此可得：

输出电压与输入电压对时间的微分成正比。

若 u i 为恒定电压 U ，则在 u i 作用于电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波形如图所示。

训练与提高】

集成运算放大器的加法、减法等应用电路设计。

3.3.3单限比较器电路

【项目任务】

测试电路如下图 3.13，将同相输入端电压调至 1V ，在反相输入端将输入电压 u i 依次从 0 调至 3V 的锯齿波，测试该电路的输出电压 u o 。

图 3.13 比较器

LM358(multisim)

i R

uo ，

i R

i C

du C dt

du i

u o

R1 10k Ω

3 k Ω 1 V 20 V1 R1 3 0

(a) LM358 比较器电路

(b)函数信号发生器信号 dt

XFG1

VCC 5V

VDD

-5V VDD

U2A

(c)比较器输出信

号

信息单】

1.LM358 比较器

通过图3.13 测试，可以看到当输入电压u i 小于1V 时，输出电压uo 约为5V 左右；当输入电压在1-3V 时，输出电压uo 约为-5V 。即当U iU r时，u o 输出低电平。

将u i和U R 互相调换位置，重复上述过程，记录输出电压u o，可观察到结果刚好相反。

在实验中为何会出向上述现象？分析一下其中的原因。

在图3.13(a)电路中，同相输入端接基准电位(或称参考电位)U R。被比较信号由反相输入端输入。集成运放LM358 处于开环状态。当u i>U R 时，由于LM358 的电压放大倍数足够大，所以，输入端只要有微小的电压差，电压即饱和输出，在第一种情况下，输出电压为负饱和值为-U om；同理当u i

最大值处变化。

通过上述分析可知，图3.13 所示电路的功能是将一个输入电压与另一个输入电压或基准电压进行比较，判断它们之间的相对大小，比较结果由输出状态反映出来，该电路称为单限电压比较器，其特性如图3.14 所示。

图3.14 单限电压比较器传输特性

2. 电压比较器LM393/LM339

LM393是低功耗低失调电压两比较器，LM339是低功耗低失调电压四比较器。两种比较器，原理图一样，功能参数一样。

(1) LM393/LM339 工作原理

LM339集成块采用C-14 型封装，图3.15 为外型及管脚排列图。

图3.15 比较器LM339

LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+表”示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择

LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“ +端”电压高于“-” 端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输

出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K ）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允

许连接在一起使用。

电压比较器LM393/LM339 特性如下：

①失调电压小，典型值为2mV ；

②电源电压范围宽，单电源为2-36V ，双电源电压为±1V-±18V ；③对比较信号源的内阻限制较

宽；

④共模范围很大，为0-（U cc-1.5V ）Vo ；

⑤差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；

⑥输出端电位可灵活方便地选用。

（2）单限比较器电路

常用的单限电压比较器的阈值电压UT并不为零，其电路形式有多种，其中一种如图3.16 所示。

图3.16 给出了一个LM393基本单限比较器。输入信号U in ，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）U r （此电路为2V）。当输入电压U in>U r 时，输出为高电平

U OH。图3.16（c）为其输出波形。

例 1：单限电压比较电路如图 3.17 所示，已知 R 1=10K ? ， R 2=20K ? ，稳压管 D 1和 D 3

的反向击穿电压 U Z =5V ，U REF =2V ，求阈值电压 U T 。

从图中可以知，参考电压 UREF 和输入电压 u i 均由集成运放反相端输入的单限电压比较电路。当输入电压 u i 使得集成运放反相输入端电压 u i 略大于或小于 0V 时，输出电平就发

V1 2 V

VDD 15V

(a)LM393 仿真电路

(b) 输入信号

图 3.16 LM393 比较器电路( multisim )

图 3.17 为另一种单限电压比较器电路。 U REF 为外加参考电压，由于收入电压比参考

电压接成求和形式，因此，称这种电路为求和单限电压比较电路。利用叠加原理可得

R 1

R 2 在根据集成运放的非线性特征和阈值的定义，当 u u

0 时，输出电压 u o 跃变，

所以阈值电压

U T 为

R 2U REF

R 1

当u i

U T 时，有 u u ，输出电压 u o U OH

U Z ；当 u i U T 时， u u ，

只要改变参考电压 U REF 的大小和极性及电阻 R 1和 R 2的阻值，就可以改变阈值电压 UT 的大小和极性。若想改变 u i 和 U T 时输出电压 u o 的跃变方向，则只须将集成运放的同相输入端和

反相输入端所接外电路互换即可。

u o

R3 10k Ω

VDD 15V

(a)仿真电路

图 3.17 LM393 比较器电路（ multisim

(c)输出波形

)

XFG1

UIN R1 VCC -15V

10k Ω U2A UON

D3 5 V

LM393P

15k Ω

D1 5 V

(c)输出波形

R 1

R 2

U REF

输出电压 u o U OL

U Z 。若U REF 0 ，则该电路的电压传输特性如图 3.17(b) 所示。则，

XFG1

u i

UIN

10k Ω V1 2 V

VCC

-15V

U REF R1

LM393P

U2A

UON

D3 5 V D1 5 V

RL 15k Ω

(b)输入信号

生跃变。

果考虑硅二极管导通电压 0.7V 的话，输出为 -5.7V )。

(3) 双限比较器

双限比较器又称窗口比较器。仿真测试电路如下图 3.18(a) 所示。由于 LM393比较器输出为集电极开路门(具有线与功能)，当输入信号电压

U in 位于门

限电压之间时( U R1

1V 电平时， U1A 比较结果为第电平， U3A 输出为高电平，但两个结果相与为低电平，所以当

U in >U R2或 U in

(U O =U OL )，窗口电压 Δ U=U R2-U R1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

(c)输出波形图 3.18 LM393 双限比较器

( multisim )

(4)LM358 与 LM393 比较电路

从图 3.16、3.17 比较电路可以看出，其作用和 LM358比较电路功能类似。但是， LM393 是双电压比较器， LM358 是双运算放大器，不能直接代换，但是在某些要求不是很精密的电路里面运放是可以当作电压比较器来使用的，但是运放不能用比较器来代替，因为没有放大功能， 358换 393时应去掉原来 393输出端的上拉电阻

比较器和运放虽然在电路图上符号相同，但这两种器件确有非常大的区别，一般不可以互换，区别如下 :

①比较器的翻转速度快，大约在 ns 数量级，而运放翻转速度一般为

us 数量级 (特殊的

所以，

当 u i U T

4V 时，有 u u

，集成运放输出电平高，

U o U OH U Z 5V ( 如果考虑硅二极管导通电压

0.7V

的

话，

输出为 5.7V )；当

u i

U T

4V 时，有

u ，集成运放输出电平高，

U o

U OL

U Z

5V (如

U REF 带入数据得， U T

20 4V 。

XFG1

10k Ω V1 2 V

U in

R3 UR2

V210k Ω 4 V

393N R2

1k Ω

LM393N VDD

(b)输入信号 (a)仿真电路

U1A

2 3

LM 8

VDD

2 3

高速运放除外 ) 。

②运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈，虽然比较器也有同相和反相两个输入端，但因为其内部没有相位补偿电路，所以，如果接入负反馈，电路不能稳定工作。内部无相位补偿电路，这也是比较器比运放速度快很多的主要原因。

③ 运放输出级一般采用推挽电路，双极性输出。而多数比较器输出级为集电极开路结构，所以需要上拉电阻，单极性输出，容易和数字电路连接

【训练与提高】

利用 LM393 组成一个门限值为 U R1=5V ，U R2=10V 的双限比较器。

3.3 迟滞比较器电路

在一个 12V 蓄电池充电的光伏控制器中，当电压上升到 13.1V 时要截至充电，当电压降低到 13.6V 时，又可以再充电。在这样的电压比较电路中需要用迟滞比较器。

【项目任务】

测试电路如下图 3.19 所示，分析输出与输入之间的关系。

信息单】

单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在抗干扰能力差的问题。迟滞比较电路具有滞回特性，具有一定抗干扰能力。同时在光伏系统中，为了实现蓄电池的充电和放

电控制，需要在一个回路中实现两种电压的识别和判断，因此迟滞比较器将在上述功能电路中得到应用。

1. 反相迟滞比较器

如图 3.19(a) 所示，输入信号从比较器的反相端输入，故称为“反相迟滞比较器”。当

ui 足够小，比较电路输出高电平，即u o

u OH U Z ，此时运放的同相端电压 UTH 表示，利用

叠加定理可得

(a)系统电路

(b) 函数信号发生器信号图 3.19 反相输入迟滞比较器( multisim )

XFG1

VCC

D3 5 V D1 5 V

(c)比较器输出信号

随着 u i 不断增大，当 u i >U TH 时，比较电路的输出由高电平跃变为低电平，即

u o u oL U Z ，此时运放的同相端电压用 U TL 表示，其值变为：

UTL R 1 R 2

UREF R 1 R 2

UOL

比较器有两个门限电压 U TH 和 U TL ，分别称为下门限电压和上门限电压，

两者的差值为

门限电压”或“门限宽度”。

U U TH

U TL

R 2

(U OH

U OL )

R 1 R 2

调节 R1、 R2便可改变回差电压

U 的大小。

时，输出电压为 -9V ；

输入电压 u

i 在减小过程中，当输入 u i >-1V 时，输出电压为 -9V ；当输入 u i <-1V 时，输出电压为 +9V 。

2. 同相迟滞比较器

同相迟滞比较器如图 3.20 所示，其中输入电压 UIN 接到集成运放的同相端，将其反相输入端接地，

或接参考电压 U REF 。

同理可求得：

当 U

O =-U Z , 即( U O =U OL )时：

U TH

R1 R 1

R2 U REF

R 1

U Z

当 U O =U Z , 即(U O =U OH ) 时：

U TH

R 1

R 1 R 2

U REF

R 2 R 1 R 2

U OH

例：在途 3.19 中，已知稳压管的稳定电压为电压 U REF =3V ，求该电路的 U TH 和 U TL 。

解：有已知可得， U O =U Z = 9V 。

U TH

R 1

U REF

U OH

R 1

R 2

R 1 R 2

U TH

R 1

U REF

R R2 R

U OL

R 1

R 2

R 1 R 2

U Z

= 9V ， R 1=40K ? ， R2=20K ? ，基准

40 3

20 9 5V 40 20

40 20 40

3 20

40 20 40 20

所以，输入电压 u i 在增大过程中，当输入

u i <+5V 时，输出电压为 +9V ；当输入 u i >+5V

图 3.20 同相输入迟滞比较器

训练与提高】

参考电路 3.20 同相输入迟滞比较器，制作一个 12V 蓄电池充电的光伏控制器中，当电压上升到

13.1V 时要截至充电，当电压降低到 13.6V 时，又可以再充电。

3.4 太阳能充放电控制器电路分析

项目任务】

制作如图 3.21 所示的 12V 太阳能充放电保护电路。

信息单】

太阳能控制器最主要功能是实现铅酸蓄电池的充放电保护。下图是

电保护电路的结构原理图。系统主要由蓄电池充放电回路、充电比较电路、放电比较电路、

1. 蓄电池充放电回路

蓄电池充放电回路由太阳能电池组件、保险丝、蓄电池及继电器组成。如图当继电器 J1加正向电压，则 J1-1开关与蓄电池导通，实现 12V 蓄电池的充电。如果继电器 J1无正向电

压，则J1-1开关与电阻 R1及LED1 导通，不给蓄电池充电， LED1 指示灯点亮，表示不充电。

U TL

R 1

REF

R 2

1 U Z

U REF

20k Ω

UIN

2 V

U2A UON

8 LM393P

15k Ω

u i R2

20k Ω

40k Ω VDD 15V

(a)系统电路 12V 蓄电池充放

3.29 所示， XFG1

VCC

-15V

(b)函数信号发生器信号

(c)比较器输出信

号

充电控制电路、放电控制电路、稳压电路模块组成。

图 3.21 蓄电池充放电保护电路

2. 充电比较器电路

蓄电池充电比较电路由R2、PR1、比较器A1 、R7、ZD1 、R6 组成。该电路是一个正向迟滞比较电路。其中比较器LM393 采用单电源接线方式，输出U OH=8V （LM317 稳压电路输出8V），U OL=0V；R7为反馈电阻；蓄电池电压变化信号通过R2 电阻接入A1同相端；

电阻R2 及可调电阻RP1 构成蓄电池电压采集电路；反相端链接到基准电路，电压为6.2V。当蓄电池充电电压达到13.5V 时，比较器A1 的7 号管脚输出高电平，通过充电控制电路关闭充电回路；当蓄电池不断的被使用，电压降低到13.1V 时，比较器A1 的7 号管脚输出低电平，蓄电池充电电路被导通。实现蓄电池过充保护功能。

3. 放电比较器电路

蓄电池放电比较电路由R3、PR2、比较器A2 、R8、ZD1 、R6 组成。该电路也是一个正向迟滞比较电路。R8 为比较电路的反馈电阻；蓄电池电压变化信号通过R3 电阻接入A2 同相端；电阻R2 及可调电阻RP1构成蓄电池电压采集电路；反相端链接到基准电路，电压为6.2V 。当蓄电池通过放电后，电压降低到10.8V 时，比较器A2 的1号管脚输出低电平，通过放电控制电路关闭放电回路（断开J2-1 开关）；当蓄电池电压上升到12.1V 时，比较器A2 的1号管脚输出高电平，通过放电控制电路导通放电回路（闭合

J2-1 开关），表示蓄电池可以放电。实现蓄电池过放保护功能。

3. 充电控制电路

充电控制电路由三极管Q1、Q2 及继电器J1 组成。

当蓄电池电压上升到13.5V 时，过充比较器输出高电平，Q1 的基极高电平，Q1 导通，Q1 的集电极为低电平，则Q2 三极管截止，Q2 集电极呈现高电平特性。所以，此时LED2 不亮，表示不充电；J1电压控制端无电流，所以J1-1 开关截止，断开充电回路。

当蓄电池电压下降到13.1V 时，过充比较器输出低电平，Q1 的基极低电平，Q1 截止，Q1 的集电极为高电平，则Q2 三极管导通，Q2 集电极呈现低电平特性。所以，此时LED2 点亮，表示充电；J1电压控制端有电流，所以J1-1 开关导通，蓄电池充电回路导通。

5. 放电控制电路

放电控制电路由三极管Q3、Q4 及继电器J2 组成。

当蓄电池电压下降到10.8V 时，放充比较器输出低电平，Q3 的基极低电平，Q3 截止，Q3 的集电极为高电平，则Q4 三极管导通，Q4 集电极呈现低电平特性。所以，此时LED3 点亮，表示过放；J2电压控制端无电流，所以J2-1 开关截止，断开放电回路。

当蓄电池电压上升到12.1V 时，过放比较器输出高电平，Q3 的基极高电平，Q3 导通，Q3 的集电极为低电平，则Q4 三极管截止，Q4 集电极呈现高电平特性。所以，此时LED3 不亮，表示未过放电；J2

电压控制端有电流，所以J2-1 开关导通，蓄电池放电。

6.稳压电路模块

稳压电源模块有LM317 三端可调稳压电路组成。其主要为比较电路及控制电路提供稳定电源。前面已阐述过LM317 稳压电路的工作原理。

下图3.22 给出了本案例12V 蓄电池充放电的过程。例如当蓄电池充电，电压上升到13.1V 时(A 点)，蓄电池可以充电也可以放电；当蓄电池电压上升到13.5V 时，只能通过放电降低蓄电池电压，即不能再充电；当蓄电池降低的13.1V 时( C 点)，蓄电池有可以再次

被充电或放电；当蓄电池电压放电后，降低到10.8V 时，蓄电池只能充电；当充电电压上升到12.1V 时( B 点)，蓄电池有可以再充电或放电。

图3.22 蓄电池充放电过程

训练与提高】

制作一个12V 蓄电池充放电保护电路。要求如下：

(1) 充电过程实现：过压关断电压13.1V 、关断恢复电压13.1V ；

(2) 放电过程：欠压关断电压10.8V 、关断恢复电压12.1V ；

(3) 电路要具有充电指示和放电指示信号。

3.4 反馈认识及应用

项目任务】

调试图 3.23 电路，断开 R2 与 R1 的链接导线，观察输出波形。

（b ）断开导线

图 3.23 输出波形

【信息单】

在图 3.6 所示的电路中，除了了解集成运放应用电路的运算关系之外，整个电路的放大倍数在大小上并不是 LM358 标称的 105 左右，而是 R F /R 1。为何会出现上述现象呢？可以看到在 LM358 的输入与输出之间通过一电阻连接，即电路的输出反过来会影响输入，从而影响了整个电路的放大倍数，整个过程称为反馈。通过实验认识到反馈能影响电路的电压放大倍数，那么对其他特性参数是否也有影响呢？

1. 反馈定义

将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部通过某些元件或网络（称为反馈网络）反向送回到输入端，以此来影响原输入量（电压或电流）的过程称为反馈。

反馈放大电路的方框图如下图 3.24所示。图中 X i 、X o 、X f 分别表示放大器的输入、输出和反馈信号。而 A 和 F 为该电路中基本放大器的开环电压放大倍数及反馈网络的反馈系数。

2. 反馈的类型及判别

⑴正负反馈

信号

基本放大电路 A

信号 Xo

X id

反馈信号反馈网络 F

X f

（a ）未断开导

线

输入

图 3.24 反馈放大电路框图

减弱的反馈称为负反馈。通常采用“瞬时极性法” 来判断是正反馈还是负反馈，具体方法如下。

①假设输入信号某一瞬时的极性。

②根据输入与输出信号的相位关系，确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。

③再根据反馈信号与输入信号的连接情况，分析净输入量的变化。若反馈信号与输入信号在同一端口，且反馈信号与输入信号极性相同，则为正反馈，反之为负反馈；若反馈信号与输入信号在不同端口，且反馈信号与输入信号极性相同，则为负反馈，反之为正反馈。

④电阻、电容、电感元件不会改变信号的极性。

⑤晶体管元件的基极和集电极的极性相反，和发射极的极性相同，如图3.25 所示。利用瞬时极性法可看出，图3.26 所示的测试电路的反馈信号和输入信号在同一端口，且极性相反，故该电路为负反馈。

图3.25 晶体管三极信号极性图3.26 负反馈电路

⑵交流反馈与直流反馈

在放大电路中存在有直流分量和交流分量，若反馈信号是交流量，则称为交流反馈，它影响电路的交流性能；若反馈信号是直流量，则称为直流反馈，它影响电路的直流性能，如静态工作点。若反馈信号中既有交流量又有直流量，则反馈对电路的交流性能和直流性能都有影响。从图3.27 所示的电路中可看出，电容元件C 是形成交直流反馈的主要原因，该电路中既存在交流反馈，也存在直流反馈。

(b) 直流通路

(a) 原电路(c) 交流通路

图3.27 交直流反馈电路

精心收集：单电源供电时的运算放大器应用大全

单电源运算放大器应用集锦 (一)：基础知识我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V 也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC －引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail 的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail 的电压。虽然器件被指明是轨至轨(Rail－To－Rail)的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。

运算放大器组成的各种实用电路

运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。为此本人特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所斩获。遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人！其它专业毕业的更是可想而知了。今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。虚短和虚断的概念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80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，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，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。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1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，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，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。 (原文件名:1.jpg)

集成运算放大器及其应用

第九章集成运算放大器及其应用（易映萍） 9.1 差分放大电路 9.2互补功率放大电路 9.3 集成运算放大电路 9.4 理想集成运放的线性运用电路 9.5 理想集成运放的非线性运用电路习题第九章集成运算放大器及其应用 9.1 差分放大电路 9.1.1 直接耦合多级放大电路的零点漂移现象工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力、液面和长度等，它们通过不同的传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性连续信号，这些信号具有以下两个特点： 1．信号比较微弱，只有通过多级放大才能驱动负载； 2．信号变化缓慢，一般采用直接耦合多级放大电路将其放大。 u＝0）时，人们在试验中发现，在直接耦合的多级放大电路中，即使将输入端短路（即 i u≠0）,这种现象称为零点漂移（简称为零漂），如图输出端还会产生缓慢变化的电压（即 o 9.1所示。（a）测试电路（b）输出电压u o的漂移图9.1 零点漂移现象 9.1.2 零漂产生的主要原因在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化以及半导体元器件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移，在阻容耦合放大电路中，耦合电容对这种缓慢变化的漂移电压相当于开路，所以漂移电压将不会传递到下一级电路进一步放

大。但是，在直接耦合的多级放大电路中，前一级产生的漂移电压会和有用的信号（即要求放大的输入信号）一起被送到下一级进一步放大，当漂移电压的大小可以和有用信号相当时，在负载上就无法分辨是有效信号电压还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了，使放大电路无法正常工作。采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减小由此而产生的漂移，所以由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂，从某种意义上讲零点漂移就是静态工作点Q点随温度的漂移。 9.1.3抑制温漂的方法对于直接耦合多级放大电路，如果不采取措施来抑制温度漂移，其它方面的性能再优良，也不能成为实用电路。抑制温漂的方法主要由以下几种：（1）采用稳定静态工作的分压式偏置放大电路中Re的负反馈作用；（2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化；（3）采用特性完全相同的三极管构成“差分放大电路”； 9.1.4 差分放大电路差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。直接耦合的多级放大电路的组成框图如图9.2所示。图9.2 多级放大的组成框图 A倍后传送到负载上，对电路造从上图可知输入级一旦产生了温漂，会经中间级放大 u2 A≈1，对电路造成的成严重的影响，而中间级产生的温漂，由于直接到达功放级而功放的 u 影响跟输入级相比少得多，所以，我们主要应设法抑制输入级产生的温漂，故在直接耦合的多级放大电路中只有输入级常采用差分放大电路的形式来抑制温漂。 9.1.4.1 差分放大电路的组成及结构特点一．电路组成差分放大电路如图9.3所示。

三运放仪表放大器

三运放仪表放大器摘要本系统采用三个OP07双电源单集成运放芯片构成仪表放大器，此放大器能调节将输入差模信号放大100至200倍，同时具有高输入电阻和高共模抑制比，对不同幅值信号具有稳定的放大倍数；电源部分由变压器、整流桥、7812、7912、7805等线性电源芯片组成，可输出+5V、+12V、-12V三路电压。一、方案论证与比较 1.放大器电源的制作方法方案一：本三运放仪表放大器系统采用集成运放OP07，由于OP07是双电源放大器，典型电源电压为，可方便采用市售开关电源或者开关电源芯片制作电源作为OP07的电源输入，开关电源具有的效率高，体积小，散热小，可靠性高等特点，但是因为其内部构造特性，使输出电压带有一定的噪声干扰，不能输出纯净稳定的电压。方案二：采用线性电源稳压芯片78系列和79系列制作线性电源，使用多输出抽头变压器接入整流桥再接入稳压芯片，输出纯净的线性电源。 2.电源方案论证本系统是一个测量放大系统，其信号要求纯净无噪声干扰，在系统中加入滤波器消除干扰的同时，我们应该考虑系统本身的干扰源并尽量降低干扰。考虑到开关电源的输出电压不是十分纯净的，带有许多噪声干扰，而线性电源可以稳定输出电压值，虽然线性电源体积较大，效率较低，但是作为测量系统中，我们采用方案二来提高测量的精准度。 3.放大器制作方法方案一：题目要求使输入信号放大100至200倍，可使用单运放构成比例运算放大电路，按负反馈电阻比例运算进行放大，输出电压，此放大电路可以达到预定的放大倍数，但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题。方案二：采用三运放构成仪表放大器，这是一种对弱信号放大的一种常用放大器，输出电压。 4.放大器方案论证在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器输入电阻加大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。此外，传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模部分，期数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强的共模信号抑制能力。综上所述，采用方案二仪表放大器方案，仪表放大器除了具有足够的放大倍数外，还具有高输入电阻和高共模抑制比。二、系统设计

(整理)运算放大器基本电路大全

运算放大器基本电路大全运算放大器电路大全我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一

运算放大器的典型应用

Op Amp Circuit Collection AN-31

Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14

Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20

第5章运算放大电路答案

习题答案 5.1 在题图5.1所示的电路中，已知晶体管V 1、V 2的特性相同，V U on BE 7.0,20)(==β。求 1CQ I 、1CEQ U 、2CQ I 和2CEQ U 。解：由图5.1可知： BQ CQ BQ )on (BE CC I I R R I U U 213 1 1+=--即 11CQ11.01.4 2.7k 20I -7V .0-V 10CQ CQ I I k +=Ω Ω ? 由上式可解得1CQ I mA 2≈ 2CQ I mA I CQ 21== 而 1CEQ U =0.98V 4.1V 0.2)(2-V 1031=?+=+-R )I I (U BQ CQ CC 2CEQ U =5V 2.5V 2-V 1042=?=-R I U CQ CC 5.2 电路如题图5.2所示，试求各支路电流值。设各晶体管701.U ,)on (BE =>>βV 。 U CC (10V) V 1 R 3 题图5.1

解：图5.2是具有基极补偿的多电流源电路。先求参考电流R I ， ()815 17 0266..I R =+?---=（mA ）则 8.15==R I I （mA ） 9.0105 3== R I I （mA ） 5.425 4==R I I （mA ） 5.3 差放电路如题图5.3所示。设各管特性一致，V U on BE 7.0)(=。试问当R 为何值时，可满足图中所要求的电流关系？解： 53010 7 0643..I I C C =-==（mA ）则 I 56V 题图 5.2 R U o 题图5.3

2702 1 476521.I I I I I I C C C C C C == ==== mA 即 2707 065.R .I C =-= （mA ）所以 61927 07 06...R =-= （k Ω） 5.4 对称差动放大电路如题图5.1所示。已知晶体管1T 和2T 的50=β，并设 U BE (on )=0.7V,r bb ’=0,r ce =。 (1)求V 1和V 2的静态集电极电流I CQ 、U CQ 和晶体管的输入电阻r b’e 。 (2)求双端输出时的差模电压增益A ud ，差模输入电阻R id 和差模输出电阻R od 。 (3)若R L 接V 2集电极的一端改接地时，求差模电压增益A ud (单),共模电压增益A uc 和共模抑制比K CMR ,任一输入端输入的共模输入电阻R ic ,任一输出端呈现的共模输出电阻R oc 。 (4) 确定电路最大输入共模电压围。解:(1)因为电路对称，所以 mA ...R R .U I I I B E EE EE Q C Q C 52050 21527 062270221=+?-=+?-== = + V 1 V 2 + U CC u i1 u i2R C 5.1k ΩR L U o 5.1kΩ R C 5.1k Ω R E 5.1k Ω -6V R B 2k Ω 题图5.1 R B 2k Ω + － R L /2 + 2U od /2 + U id /2 R C R B V 1 (b) + U ic R C R B V 1 (c) 2R EE + U

集成运算放大器的基本应用

实验名称集成运算放大器的基本应用一.实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法。 2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。 3.学习正确使用示波器交流输入方式和直流输入方式观察波形的方法，重点掌握积分输入，输出波形的测量和描绘方法。二.实验元器件集成运算放大器 LM324 1片电位器 1k Ω 1只电阻 100k Ω 2只；10k Ω 3只；5.1k Ω 1只；9k Ω 1只电容 0.01μf 1只三、预习要求 1.复习由运算放大器组成的反相比例、反相加法、减法、比例积分运算电路的工作原理。 2.写出上述四种运算电路的vi 、vo 关系表达式。 3.实验前计算好实验内容中得有关理论值，以便与实验测量结果作比较。 4.自拟实验数据表格。四.实验原理及参考电路本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。 1. 反向比例运算反向比例运算电路如图1所示，设组件LM324为理想器件，则 11 0υυR R f -=

R f 100k R 1 10k A 10k R L v o v 1 R 9k 图1 其输入电阻1R R if ≈，图中1//R R R f ='。由上式可知，改变电阻f R 和1R 的比值，就改变了运算放大器的闭环增益vf A 。在选择电路参数是应考虑： ○ 1根据增益，确定f R 与1R 的比值，因为 1 R R A f vf - = 所以，在具体确定f R 和1R 的比值时应考虑；若f R 太大，则1R 亦大，这样容易引起较大的失调温漂；若f R 太小，则1R 亦小，输入电阻if R 也小，可能满足不了高输入阻抗的要求，故一般取f R 为几十千欧至几百千欧。若对放大器输入电阻有要求，则可根据1R R i =先确定1R ，再求f R 。 ○ 2运算放大器同相输入端外接电阻R '是直流补偿电阻，可减小运算放大器偏执电流产生的不良影响，一般取1//R R R f ='，由于反向比例运算电路属于电压并联负反馈，其输入、输出阻抗均较低。本次试验中所选用电阻在电路图中已给出。 2. 反向比例加法运算反向比例加法运算电路如图2所示，当运算放大器开环增益足够大时，其输入端为“虚地”，11v 和12v 均可通过1R 、2R 转换成电流，实现代数相加，其输出电压 ??? ??+-=122111 v R R v R R v f f o 当R R R ==21时 ()1211v v R R v f o +- = 为保证运算精度，除尽量选用精度高的集成运算放大器外，还应精心挑选精度高、稳定性好的电阻。f R 与R 的取值范围可参照反比例运算电路的选取范围。同理，图中的21////R R R R f ='。

三运放组成的仪表放大器电路分析

三运放组成的仪表放大器电路分析仪表放大器与运算放大器的区别是什么？仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 ?。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA至 50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（m?）。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。电路如下图所示：输出电压表达式如图中所示。看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？为何上述电路可以实现仪表放大器？下面我们就将探讨这些问题。在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分电路：如果R1 ＝ R3，R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1) 这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 k?，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 k?。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接

地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。）另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有 0.1% 失配，其CMR便下降到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 ?的不平衡将使CMR下降 6 dB。为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示：以上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下所示：输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益（A1 和 A2）时，它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。下面，要开始最巧妙的变化了！看电路先：

单电源运放电路图集

单电源运放图集前言前段时间去福州出差，看到TI的《A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection》这篇文章，觉得不错，就把它翻译了过来，希望能对大家有点用处。这篇文章没有介绍过多的理论知识，想要深究的话还得找其他的文章，比如象这里提到过的《Op Amps for Everyone》。我的E文不好，在这里要感谢《金山词霸》。 ^_^ 水平有限（不是客气，呵呵），如果你发现什么问题请一定指出，先谢谢大家了。 E－mail：wz_carbon@https://www.wendangku.net/doc/5e5572475.html, 王桢 10月29日

介绍我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1． 1电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限V om以及最大输出摆幅。单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在V om之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明V oh和V ol。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。（参见1.3节）图一通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。虽然器件被指明是Rail－To －Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail－To－Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail－To－Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。1. 2虚地

LM324四运放集成电路图文详解

LM324四运放集成电路图文详解 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。图 1 图 2 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。下面介绍其应用实例。 1.反相交流放大器电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。

2.同相交流放大器见附图。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。 3.交流信号三分配放大器此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai 输入电阻高，运放 A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时 Rf=0 的情况，故各放大器电压放大倍数均为 1 ，与分立元件组成的射极跟随器作用相同 R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同

仪表放大器的应用技巧(摘)

仪表放大器电路设计技巧 Charles Kitchin，Lew Counts 美国模拟器件公司长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V 单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。图1、电源旁路的推荐方法 1.输入接地返回的重要性当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。图2示出这样一个电路。

运算放大器积分电路图

运算放大器积分电路图原理图1 积分运算电路的分析方法与加法电路差不多，反相积分运算电路如图1所示。根据虚地有, 于是由此可见，输出电压为输入电压对时间的积分，负号表明输出电压和输入电压在相位上是相反的。当输入信号是阶跃直流电压U I时，电容将以近似恒流的方式进行充电，输出电压与时间成线性关系。即例：在图1的积分器的输入端加入图2中给定输入波形，画出在此输入波形作用下积分器的输出波形，电容器上的初始电压为0。积分器的参数R=10kW、C=0.1mF。图2给出了在阶跃输入和方波输入下积分器的输出波形。画出积分器输出波形，应对应输入波形，分段绘制。例如对于图2(a)阶跃信号未来之前是一段，阶跃信号到来之后是一段。对图2(a)，当t＜t0时，因输入为０，输出电压等于电容器上的电压，初始值为０；当t≥t0时，u I = -U I，积分器正向积分，输出电压要注意，当输入信号在某一个时间段等于零时，参阅图2(b)的1ms~2ms、 3ms~4ms…各段。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，当输入为零时，积分电阻 R 两端无电位差，故R中无电流，因此 C 不能放电，故输出电压保持不变。实际应用积分电路时，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，会出现积分误差；此外，积分电容的漏电流也是产生积分误差的原因之一。

(a) 阶跃输入信号(b)方波输入信号图2 积分器的输入和输出波形实际的积分电路，应当采用失调电压、偏置电流和失调电流较小的运放，并在同相输入端接入可调平衡电阻；选用泄漏电流小的电容，如薄膜电容、聚苯乙烯电容，可以减少积分电容的漏电流产生的积分误差。

常用运算放大器电路 (全集)

常用运算放大器电路(全集) 下面是[常用运算放大器电路(全集)]的电路图常用OP电路类型如下: 1. Inverter Amp. 反相位放大电路: 放大倍数为Av = R2 / R1但是需考虑规格之Gain-Bandwidth数值。R3 = R4 提供1 / 2 电源偏压 C3 为电源去耦合滤波 C1, C2 输入及输出端隔直流此时输出端信号相位与输入端相反 2. Non-inverter Amp. 同相位放大电路: 放大倍数为Av=R2 / R1 R3 = R4提供1 / 2电源偏压 C1, C2, C3 为隔直流

此时输出端信号相位与输入端相同 3. Voltage follower 缓冲放大电路: O/P输出端电位与I/P输入端电位相同单双电源皆可工作 4. Comparator比较器电路: I/P 电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位 I/P 电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位 R2 = 100 * R1 用以消除Hysteresis状态, 即为强化O/P输出端, Logic高低电位差距，以提高比较器的灵敏度. (R1=10 K, R2=1 M) 单双电源皆可工作 5. Square-wave oscillator 方块波震荡电路: R2 = R3 = R4 = 100 K R1 = 100 K, C1 = 0.01 uF

Freq = 1 /（2π* R1 * C1） 6. Pulse generator脉波产生器电路: R2 = R3 = R4 = 100 K R1 = 30 K, C1 = 0.01 uF, R5 = 150 K O/P输出端On Cycle = 1 /（2π* R5 * C1） O/P输出端Off Cycle =1 /（2π* R1 * C1） 7. Active low-pass filter 主动低通滤波器电路: R1 = R2 = 16 K R3 = R4 = 100 K C1 = C2 = 0.01 uF 放大倍数Av = R4 / (R3+R4) Freq = 1 KHz 8. Active band-pass filter 主动带通滤波器电路:

实验集成运算放大器的基本应用

实验集成运算放大器的基本应用（Ⅱ）——有源滤波器一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。二、实验原理（a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF）低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

(a)电路图 (b)频率特性图9－2 二阶低通滤波器电路性能参数 1 f uP R R 1A + = 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1 f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31 Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 2、高通滤波器（HPF ）与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。只要将图9－2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图9－3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH 分析方法，不难求得HPF 的幅频特性。 (a) 电路图 (b) 幅频特性图9－3 二阶高通滤波器电路性能参数A uP 、f O 、Q 各量的函义同二阶低通滤波器。图9－3（b ）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，可见，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。 3、带通滤波器（BPF ）

仪表放大器的设计说明

目录一、绪言 (7) 二、电路设计 (8) 设计要求 (8) 设计方案 (8) 1、电路原理 (8) 2、主要器件选择 (9) 3、电路仿真 (10) 三、电路焊接 (13) 四、电路调试 (14) 1、仪表放大电路的调试 (14) 2、误差分析 (15) 五、心得体会 (18) 六、参考文献 (19)

绪言智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号围。本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出仪表放大器电路实现方案，通过分析，为以后进行电子电路实验提供一定的参考。在同组成员帅威、智越的共同努力下，大家集思广益，深入探讨了实验过程中可能出现的各种问题，然后分工负责个部分的工作，我和帅威负责前期的电路设计和器件的采购，后期的焊接由智越完成，最后的调试由我们三个人共同完成。本报告在做实验以及其他同学提出的富有建设性意见的基础上由我编写，报告中难免会有不足或疏漏之处，还望大家指正为谢！

第一章电路设计一、设计要求 1、电路放大倍数>3000倍 2、输入电阻>3000kΩ 3、输出电阻＜300Ω 二、设计方案 1、电路原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。

运算放大器电路及版图设计报告

目录摘要 (2) 第一章引言 (3) 第二章基础知识介绍 (4) 2.1 集成电路简介 (4) 2.2 CMOS运算放大器 (4) 2.2.1理想运放的模型 (4) 2.2.2非理想运算放大器 (5) 2.2.3运放的性能指标 (5) 2.3 CMOS运算放大器的常见结构 (6) 2.3.1单级运算放大器 (6) 2.3.2简单差分放大器 (6) 2.3.3折叠式共源共栅(Folded-cascode)放大器 (7) 2.4版图的相关知识 (8) 2.4.1版图介绍 (8) 2.4.2硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系 (8) 2.4.3 Tanner介绍 (9) 第三章电路设计 (10) 3.1总体方案 (10) 3.2各级电路设计 (10) 3.2.1第三级电路设计 (10) 3.2.2第二级电路设计 (11) 3.2.3第一级电路设计 (12) 3.2.4三级运放整体电路图及仿真结果分析 (14) 第四章版图设计 (15) 4.1版图设计的流程 (15) 4.1.1参照所设计的电路图的宽长比，画出各MOS管 (15) 4.1.2 布局 (17) 4.1.3画保护环 (17) 4.1.4画电容 (17) 4.1.5画压焊点 (18) 4.2 整个版图 (19) 第五章 T-Spice仿真 (21) 5.1提取T-Spice文件 (21) 5.2用T-Spice仿真 (24) 5.3仿真结果分析 (26) 第六章总结 (27) 参考文献 (28)

摘要本次专业综合课程设计的主要内容是设计一个CMOS三级运算跨导放大器，该放大器可根据不同的使用要求，通过开关的开和闭，选择单级、两级、三级组成放大器，以获得不同的增益和带宽。用ORCAD画电路图，设计、计算宽长比，仿真，达到要求的技术指标，逐级进行设计仿真。然后用L-Edit软件根据设计的宽长比画版图，最后通过T-Spice仿真，得到达到性能指标的仿真结果。设计的主要结果归纳如下：（1）运算放大器的基本工作原理（2）电路分析（3）设计宽长比（4）画版图（5）仿真（6）结果分析关键词：CMOS运算跨导放大器；差分运放；宽长比；版图设计；T-Spice仿真

实验--集成运算放大器的基本应用

具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC 有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF ）低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图9－2（a ）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图9－2（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图 (b)频率特性图9－2 二阶低通滤波器电路性能参数 1 f uP R R 1A += 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)

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三运放仪表放大器

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运算放大器的典型应用

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运算放大器电路及版图设计报告

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实验集成运算放大器的基本应用