第5章 直接耦合放大器

第5章直接耦合放大器
和集成运算放大器
教学重点
1．了解差分放大器的电路特点、工作原理。

2．了解差模信号与共模信号、失调与调零的概念。

3．了解集成电路的分类、特点和集成运放主要参数。

4．掌握集成运算放大器的理想化特性。

5．掌握集成运算放大器的基本运算电路和工作原理。

6．了解集成运算放大器的应用知识。

教学难点
1．差分放大器抑制共模信号的过程。

2．利用理想化特性分析运算放大器。

学时分配
序号内容学时
1 5.1直接耦合放大器 2
2 5.2集成运算放大器 6
3 实验七差分放大器 2
4 实验八运算放大器的运算电路 2
5 本章小结与习题
6 本章总学时12
5.1直接耦合放大器
直接耦合放大器：放大器与信号源、负载以及放
大器之间采用导线或电阻直接连接。

特点：低频响应好。

可以放大频率等于零的直流
信号或变化缓慢的交流信号
5.1.1直耦放大器的两个特殊问题
图5.1.1 简单的直接耦合电路
一、前后级的电位配合问题
两级直耦放大电路如图5.1.1所示。

由于
BE2
C1
V
V=，而BE2
V很小，使1V的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。

因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。

二、零点漂移问题
动画零点漂移
零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起
始值，简称零漂。

如图5.1.2所示。

产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随
环境温度变化。

其中，温度变化是主要因素。

零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。

因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。

5.1.2直耦放大器的级间电位调节电路
电路如图5.1.3所示。

在V2的发射极接一个电阻
e2
R，这样BE2
e2
E2
BE2
CE1
V
R
I
V
V>
+
=⋅，
增大了V1管的工作范围。

适当调节
e2
R值，可使前后级静态直流电位设置合理。

为减小e2
R
对放大倍数的影响，采用稳压管取而代之。

图5.1.3 用发射极电阻调节电位图5.1.4 实用型差分放大器
5.1.3差分放大器
动画差分放大器的组成
电路如图5.1.4所示。

一、电路特点
特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输入、双端输出方式。

输入电压v I经
1
R、2R分压为相等的v I1和v I2分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压等于两管输出电压之差，即v O = v O1 - v O2(双端输出)。

图5.1.2 零点漂移现象
二、抑制零漂原理
设输入电压v i = 0，因电路完全对称，则C2C1i i =，v O1 = v O2，v O = v O1 - v O2 = 0。

当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使v O1' = v O2'，输出电压v O ' = v O1'-v O2' = 0。

可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。

三、放大倍数
动画 差模与共模信号 1．差模放大倍数A V D
差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。

差模输入方式：两管输入信号为差模信号。

在图5.1.4中，当0I ≠v 时，I 2I 1I 2
1
v v v =
-=，放大器为差模输入。

2O 1O v v -=，放大器双端输出电压v O = v O1-v O2 = v O1-(-v O1) = 2v O1。

设单管放大器的放大倍数为1V A 、2V A ，且21V V A A =，于是差模放大倍数为
1I1
O1
I1O1I O D 22V V A v v v v v v A ====
即 21D V V V A A A == (5.1.1)
可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。

2．共模放大倍数A V C
共模信号：大小相等、极性相同的两信号。

共模输入方式：两管输入信号为共模信号。

在图 5.1.5中，两管的输入信号v I1 = v I2 = v I ，放大器为共模输入，因电路对称，v O1 = v O2 。

其双端输出电压v O = v O1 - v O2 = 0。

即共模放大倍数
00
I
I O C ===
v v v A V (5.1.2)
可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。

即对共模信号进行了抑制。

四、共模抑制比K CMR
共模抑制比K CMR ：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。

C
D
CMR V V A A K =
(5.1.3) 共模抑制比K CMR 越大，差分放大器的性能越好。

[例5.1.1] 在图5.1.5中，设单管放大器的放大倍数2021-==V V A A ，(1)求差分放大器的差模放大倍数?D =V A (2)若已知差分放大器共模放大倍数02.0C =V A ，求共模抑制比?CM R =K
解：(1) 2021D -===V V V A A A
图5.1.5 差分放大器的共模输入方式
(2) 100002
.020
C D CMR =-==
V V A A K 五、P R 、e R 、E G 在电路中的作用
P R ——调零电位器。

作用是克服电路非对称性。

当0I =v 时，调节P R ，使0O =v 。

R e ——公共射极电阻。

作用是引入共模负反馈。

对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。

G E ——辅助电源。

作用是克服R e 对V CEQ 的影响，防止输出动态范围减小。

5.2 集成运算放大器
集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。

集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。

集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。

按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。

此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。

集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。

5.2.1 集成运算放大器的外形和符号
1．集成电路的外形：见图5.2.1
国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。

2．集成运放的型号
国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C 表示国
家标准，F 表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。

3．集成运放的管脚顺序及功能
国产第二代集成运放CF741接线如图5.2.2所示。

双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。

管脚功能如下：
脚7接正电源(+9 ~ +18)V ，脚4接负电源
(-9 ~ -18)V ，脚6为输出端，脚1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)，脚2为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)。

脚8为空脚。

图5.2.1 集成电路外形
图5.2.2 CF741外接线图
国产第一代集成运放F004接线如图5.2.3所示。

圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。

管脚功能如下：
脚7接正电源(+15)V ，脚4接负电源(-15)V ，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k Ω电阻及R P 、C P 的作用是消除自激，可通过调试决定数值。

不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。

4．集成运放的图形符号
如图 5.2.4所示，图(a )是国家新标准(GB4728•13—1996)规定的符号；图(b )是曾用过的符号。

画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。

5.2.2 集成运算放大器的放大倍数和参数
一、两种放大倍数 1．开环放大倍数A V O
开环放大倍数A V O ：无反馈时集成运放的放大倍数。

如图5.2.5所示。

I
o A B o O v v
v v v A V =-=
(5.2.1)
2．闭环放大倍数A V F
闭环放大倍数A V F ：有反馈时集成运放的放大倍
数称为闭环放大倍数。

其数值根据具体电路的反馈情况来计算。

二、主要参数 1．输入失调电压V IO
输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。

一般为毫伏级。

它表征电路输入部分不对称的程度，V IO 越小，运放性能越好。

2．输入失调电流I IO
输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。

其值为两个输入端静态基极电流之差。

3．输入偏置电流I IB
输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。

一般为微安数量级，I IB 越小越好。

4．开环电压放大倍数A V O
电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。

A V O 越大，集成运放运算精度越高。

一般中增益运放的A V O 可达105倍。

图5.2.5 集成运放的开环放大倍数
图5.2.4 运算放大器的图形符号
图5.2.3 F004外接线图
5．开环输入阻抗r i
指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。

r i越大，运放性能越好。

一般在几百千欧至几兆欧。

6．开环输出阻抗r o
电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。

r o越小，运放性能越好。

一般在几百欧左右。

7．共模抑制比K CMR
电路开环情况下，差模放大倍数A V D与共模放大倍数A V C之比。

K CMR越大，运放性能越好。

一般在80dB以上。

8．输出电压峰 - 峰值V OPP
放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。

9．静态功耗P D
电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。

10．开环带宽BW
开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3 dB所对应的带宽。

以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。

三、集成运放产品分类简介
1．通用型
通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。

如性能较好的CF741等。

2．特殊型
特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。

如：
(1)高输入阻抗型差模输入电阻不小于109 Ω。

(2)高精度型∆V IO/∆T小于2μV/︒C。

(3)宽带型增益带宽大。

(4)低功耗型当电源电压 ±15 V时，最大功耗不大于6 mW。

(5)高速型转换速率大于30 V/μs。

(6)高压型输出电压较高。

5.2.3 集成运算放大器的理想特性
动画集成运放的理想特性
集成运放的理想特性为：
1．输入信号为零时，输出端应恒定为零；
2．输入阻抗r i = ∞ ；
3．输出阻抗r o = 0；
4．频带宽度BW应从0 → ∞；
图5.2.6 反相输入比例运算电路5．开环电压放大倍数ΑV O = ∞。

在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。

5.2.4 集成运算放大器的应用举例
一、数学运算方面的应用举例 1．简单的比例运算功能
(1) 反相输入比例运算电路
图5.2.6所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。

根据运放“理想特性”，∞=i r ，∞=O V A ，而v O 又是有限值，则 00O
O
A I ≈=
=V A v v i ， (5.2.2) 所以 f 1i i = 故反相输入比例运放的闭环放大倍数为 1
f 11f f I O F R R i R i R v v A V -=-== (5.2.3) 输出电压为
i 1
f
O v R R v -
= (5.2.4) 结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数F V A 只取决于f R 与1R 之比，与开环放大倍数O V A 无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。

由于v A ≈ 0，即A 端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A 端称为“虚地”。

(2) 同相输入比例运算电路
图5.2.7所示的电路，是电压串联负反馈放大电路。

根据运放“理想特性”∞=i r ，∞=D V A ，而v O 又为有限值。

得
0D
O
A B ≈=
-V A v v v ，0I ≈i 因此，输入电压为
v I = v B = v A (5.2.5) 其中 O f
11
A v R R R v ⋅+=
故同相输入比例运放的闭环放大倍数为
1
f 1f 1A O I O D 1R R R R R v v v v A V +=+===
输出电压 I 1
f
O 1v R R v ⋅+
= (5.2.6) 从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与O V A 无关，只取决于f R 与1R 的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。

2．减法比例运算电路。

图 5.2.7 同相输入比例运算
图5.2..8 减法比例运算放大电路
图5.2.8所示的电路中，21R R =，f 3R R =。

由图可知 f
O A F 1A
1I 1R v v i R v v i -=-=
， 因为0I =i ，则F 1i i =，于是有
f
O
A 1A I1R v v R v v -=-整理得
而 I23
23
B v R R R v +=
因B A v v =，故
2I 3
23
f 11O f I1v R R R R R R v R v +=++
由于21R R =,f 3R R =，得
)(I1I21
f
O v v R R v -=
(5.2.7) 结论，输出电压正比于两个输入电压之差。

如果R f = R 1，则
v O = v I2 - v I1 (5.2.8) 故电路又称为减法器。

3．加法比例运算电路
图5.2.9所示的电路中，f 3214//////R R R R R =。

由运放理想特性知0I ≈i ，因而321f i i i i ++=。

由于A 点为“虚地”，因此
3
I3
2I211I f O R v R v R v R v ++=-
整理可得
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛++-=33I 22I 1I1f O R v R v R v R v (5.2.9) 若取R R R R ===321，上式简化为 )(I3I2I1f
O v v v R
R v ++-
= (5.2.10) 结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。

如果R f = R ，则
v O = -(v I1 + v I2 + v I3) (5.2.11)
图5.2.9 加法比例运算放大电路
f
11
O f I1A R R R v R v v ++=
故电路称为“加法器”。

[例5.2.1] 计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足v I 与v o 之间的下列运算关系：
(1)
20I1
I2O
=-v v v ；
(2)
103
I I2I1O
-=++v v v v 。

解 (1) 由)(201I I2O v v v -=可知
201
f
=R R 。

所以只要按图5.2.8减法比例运算电路连接，其中21R R =，f 3R R =，且1f 20R R =即符合要求。

(2)同理，用图 5.2.9加法比例电路接线，使1f 10R R =，且321R R R ==，f 3214//////R R R R R =，即满足v O = -10(v I1 + v I2 + v I3) 的要求。

集成运放除了组成上述运算单元电路外，还可改变反馈元件或连接方式组成乘法、除法、开方、平方、指数、对数以及微分、积分等各种运算电路。

二、其它方面的应用举例 1．反相器
如果令图 5.2.6中的R f = R 1，则V O = -V I ，即输出电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。

用图5.2.10所示的符号来表示，图中“1>”表示放大系数为1。

2．电压跟随器
如果令图 5.2.7同相输入比例运放中的R f = 0， R 1 = ∞，即输出电压v O 全部反馈到输入端，而且同相。

见图5.2.11，则
111
f
F =+
=R R A V 于是v O = v I ，即输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。

3．LM324组成的电平指示电路 (1) LM324简介
LM324是含有四个运放的集成组件。

简称四运放集成电路。

引线分布如图5.2.12所示。

图中，GND 为接地端，V CC 为电源正极端(6V)，每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。

例如，-i 1V 、+i 1V 、O 1V 分别表示1号运放的反相输入端、同相输入端及输出端。

依此类推，-i 2V 、+i 2V 、O 2V 是
图5.2.12 LM324四运放外引线图
图5.2.13 LM324组成的电平指示器
图5.2.10 反相器 图5.2.11 电压跟随器
表示2号运放器的，等等。

(2) LM324组成的电平指示器
电平指示电路如图5.2.13所示。

从图可见，四个运放的同相输入端连接于由V(2AP9)、R 10、C 2组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。

输出端分别通过限流电阻R 6、R 7、R 8、R 9接有发光二极管V 1、V 4、V 3、V 2。

反向输入端分别经电阻分压网络R P1、R 2、R 3、R 4、R 5分压后加上量值不等的正电压。

无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此V 1 V 4各发光二极管均不发光。

有信号输入时，经整流后的对地电压(电位)若大于第2脚电位，则第1脚的发光二极管V 1发光。

若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管V 1、V 4、V 3、V 2全部发光。

这样，随着音频信号强弱的变化，电路中发光二极管的个数和亮度也随之变化。

其中，改变R P1的阻值，可调整发光二极管的亮度。

5.2.5 集成运放使用常识
一、零点调整
方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。

二、消除自激振荡
方法：加阻容补偿网络。

具体参数和接法可查阅使用说明书。

目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。

三、保护电路 1．电源极性的保护
利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏，如图5.2.14所示。

当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护作用。

2．输入保护
利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构，如图5.2.15所示。

无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则V 1或V 2中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。

图5.2.15 输入保护电路 图5.2.16 输出端过压保护电路
3．输出保护
利用稳压管V 1和V 2接成反向串联电路，如图5.2.16所示。

若输出端出现过高电压，
图5.2.14 电源极性保护
《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案
集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。

本章小结
1．直耦放大器存在的问题是前后级直流电位相互影响和零点漂移。

通常用后级加发射极电阻的办法解决前后级电位的配合，用差分放大器抑制零漂。

2．差分放大器对差模信号有放大作用；对共模信号有抑制作用。

用共模抑制比衡量差分放大器性能的优劣。

3．集成运算放大器是一种直接耦合的高放大倍数的线性集成电路，分析运放时应以理想特性为基础。

4．集成运算放大器除基本运算外还有其它应用，如电压跟随器、反相器等。

5．使用集成运放应适当设置各种保护电路。

53。