认识与调试集成运放电路

集成运算放大电路，简称集成运放，是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路，也是发展最早、应用最广的一种模拟集成电路。它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使其具有特定的功能。集成运算放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等上），故称为集成运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和发生电路中，因其高性能、低价位，所以在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。

（1）正确连接集成运放的引脚，使电路正常工作。

（2）理论推导同相比例运算电路、反相比例运算电路输入与输出的关系，与实测值进行比较，分析电路中元器件参数对输出结果的影响。

（3）理解集成运放所加直流电源的幅度对电路输出电压的幅度的影响。

（4）了解集成运放的参数、使用的注意事项。

任务要求

按测试要求完成所有测试内容，并记录测试数据。

测试环境

稳压电源一台，万用表一只，信号发生器一台，面包板一块，集成运放芯片LM358和若干电阻。

测试电路

测试电路如图3-1所示，其中A1、A2为LM358，采用±15V 供电。

图3-1　比例运算电路

测试步骤

（1）按图3-1在面包板上接好电路。

（2）按表3-1中提供的RF1数据要求，测量uo最大值，将结果填入表3-1中。

表3-1　测量结果

（3）根据电路结构，理论推导uo______________________________________________________________________________________，与测量值进行比较。（写出推导过程）

一、集成运放概述

（一）集成运放的外形和符号

常见的集成运放外形有圆壳式、双列直插式、扁平式3种，如图3-2所示。

图3-2　常见集成运算放大电路的外形

集成运放的符号如图3-3所示。图3-3中，“+”表示同相输入端，“-”表示反相输入端。输出端电压与反相输入端电压反相，与同相输入端电压同相。图3-3中所标uP、uN、uO均以 “地”为公共端。

图3-3　集成运放的符号

（二）集成运放电路结构的特点

在集成电路中，相邻元器件的参数具有良好的一致性；纵向晶体管的β 大，横向晶体管的耐压高；电阻的阻值和电容的容量均有一定的限制，以及便于制作互补式MOS电路等特点。这些特点就使得集成运算放大电路与分立元件放大电路在结构上有较大的差别。观察它们的电路图可以发现，后者除放大管外，其余元件多为电阻、电容、电感等；而前者以晶体管和场效应管为主要元件，电阻与电容的数量很少。归纳起来，集成运放有如下特点。

（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。

（2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作为输入级）和恒流源电路（作为偏置电路或有源负载）。

（3）因为制作不同形式的集成运算放大电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。

（4）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。

（5）集成晶体管和场效应管因为制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能更佳的效果。

（三）集成运放的电路组成及其各部分的作用

集成运放的电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路4 部分组成，如图3-4所示。

图3-4　集成运放的电路方框图

1.输入级

输入级又称为前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般地，要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如输入电阻、共模抑制比等。因此，在几代产品的更新过程中，输入级的变化最大。

2.中间级

中间级是整个放大电路的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）极放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管作为放大管，以恒流源作为集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。

3.输出级

输出级应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。集成运放的输出级多采用互补对称输出电路。

4.偏置电路

偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。

二、理想集成运放

（一）差模信号与共模信号

讨论集成运放的电路时，经常遇到差模信号、共模信号这两个概念。下面进行简单介绍。

差模信号uid是两个输入信号ui1和ui2之间的差值，即

共模信号uic是两个输入信号ui1和ui2的平均值，即

对于任意的两个输入信号ui1和ui2，可用它们的差模和共模成分表示为

和

（二）集成运放的电压传输特性

从外部看，可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出，具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻，并能较好地抑制温漂的差动放大电路。

集成运放的输出电压uO与输入电压（即同相输入端与反相输入端之间的差值电压）（uP～uN）之间的关系曲线称为电压传输特性，即

对于正、负两路电源供电的集成运放，电压传输特性如图3-5所示。

图3-5　集成运放的电压传输特性

从图3-5所示的曲线可以看出，集成运放有线性放大区域（称为线性区）和饱和区域（称为非线性区）两部分。在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数；在非线性区，输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOM。

由于集成运放放大的对象是差模信号，而且没有通过外电路引入反馈，因此其电压放大倍数称为差模开环放大倍数，记作Aud。因而当集成运放工作在线性区时，有

通常Aod非常高，可达几十万倍，因此集成运放的电压传输特性中的线性区非常窄。如果输出电压的最大值±Uom=±15V，Aud=5×105，那么只有当｜uP-uN｜＜30μV 时，电路才工作在线性区。换言之，若｜uP-uN｜＞30μV，则集成运放进入非线性区，因而输出电压uO不是+15V，就是-15V。

（三）理想集成运放的条件

理想集成运放的主要条件有：①开环电压放大倍数Aud→∞；②差模输入电阻rid→∞；③输出电阻rod→0；④共模抑制比KCMR→∞。

对于理想集成运放而言，由于开环增益无穷大，因此在几乎所有应用中，运算放大器都不以开环形式单独使用，而是与其他器件共同构成闭环系统。此时，理想集成运放工作在线性区，满足两个非常重要的特点—— “虚短”和 “虚断”，这两个特点是分析集成运算放大电路的基本出发点。

1.“虚短”

由于集成运放的Aud→∞，而输出电压为有限值，因此

即uP≈uN，集成运放两个输入端电位相等，即同相输入端与反相输入端之间的电压为0，相当于短路，但又没有真正短路，故称为 “虚短”。

2.“虚断”

由于而集成运放的rid→∞，因此输入电流近似为0，即iP=iN≈0。这时，正相输入端与反相输入端之间相当于断路，但又没有真正断开，故称为 “虚断”。

三、集成运算放大电路的基本运算电路

集成运算放大电路在模拟电子技术中应用极其广泛，发挥了巨大的作用。下面主要介绍一下集成运放的线性应用。

（一）反相比例运算电路

反相比例运算电路如图3-6所示。输入电压uI通过电阻R 作用于集成运放的反相输入端，故输出电压uO与uI反相。电阻Rf跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻R′接地（R′为补偿电阻），以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为uI=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，所以R′=R∥Rf。

图3-6　反相比例运算电路

根据理想集成运放的 “虚短”和 “虚断”可知，uP=uN=0，集成运放的反相输入端没有接地，但与地一样是零电位，所以反相输入端称为 “虚地”点。

因为

而

则

所以闭环电压增益为

输出电压为

由此可知，电路的闭环电压增益与集成运放本身无关，而只取决于外围参数，这就保证了放大电路电压增益的稳定性。当Rf=R 时，uO=uI，即构成反相器。

因为从电路输入端和地看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以电路的输入电阻为

可见，尽管理想集成运放的输入电阻无穷大，但是由于电路输入的是并联负反馈，因此反相比例运算电路的输入电阻不大。

（二）同相比例运算电路

将图3-6所示电路中的输入端和接地端互换，就得到同相比例运算电路，如图3-7所示。电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达109Ω。

图3-7　同相比例运算电路

根据理想集成运放的 “虚短”和 “虚断”可得

由此可得

则同相比例运算电路的放大倍数为

应当指出的是，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。从另一角度看，在对电路进行误差分析时，应特别注意共模信号的影响。

在同相比例运算电路中，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，则构成图3-8所示的电压跟随器。电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1。由于uO=uN=uP，因此输出电压与输入电压的关系为uO=uI。理想集成运放的开环增益为无穷大，因而电压跟随器具有比射极输出器好得多的跟随特性。

图3-8　电压跟随器

综上所述，对于单一信号作用的运算电路，在分析运算关系时，首先应列出关键节点的电流方程。所谓关键节点，是指那些与输入电压和输出电压产生关系的节点，如N 点和P 点；然后根据 “虚短”和 “虚断”的原则进行整理，即可得出输出电压和输入电压的运算关系。

【例3-1】电路如图3-9所示，已知集成运放输出的最大幅值为±15V；uo=-55uP，其余参数在图3-9中标注。试问：

（1）求出R5的值；

（2）若uI接在A，反相输入端，R3接地，则输出电压与输入电压的关系将产生什么变化？

（3）若uI=10mV，而uO=-15V，则电路可能出现什么故障？

图3-9　例3-1电路图

解：在图3-9 所示电路中，A1构成同相比例运算电路，A2构成反相比例运算电路。

得出R5=500kΩ

（2）若改变接法，则第一级变为反相比例运算电路。因此，

由于第二级电路的比例系数仍为-5，因此uO=50uI。

在多级运算放大电路的分析中，因为各级电路的输出电阻均为0，后级电路作为前级电路的负载不影响前级电路的运算关系，所以对每级电路的分析与单级电路完全相同。

（3）电路正常工作时，若uI=10mV，则uO=-550mV。uO=-15V 表明至少有一级电路的集成运放工作在开环状态，即反馈电阻R2或R5断开，或者二者均断开；当然也可能至少有一级电路接成正反馈，即A1或A2的同相输入端与反相输入端接反，或者二者均接反。

（三）求和运算电路

在有些模拟电路中，如模拟仪表、电视机、显示器等常需要将一些信号做相加运算。实现多个输入信号按各自不同的比例求和的电路统称为求和运算电路，又称为加法运算电路。根据结构的不同，可分为反相求和运算电路和同相求和运算电路。

1.反相求和运算电路

图3-10所示为反相求和运算电路，电路的多个输入信号作用于集成运放的反相输入端。根据理想集成运放的 “虚短”和 “虚断”，可得

图3-10　反相求和运算电路

2.同相求和运算电路

如图3-11所示，当多个输入信号作用于集成运放的同相输入端P 时，就构成了同相求和运算电路。根据理想集成运放的 “虚短”和 “虚断”，可得

即

则

当RP=R1∥R2∥R3∥R4=R∥RF时

图3-11　同相求和运算电路

（四）减法运算电路

当集成运放的同相、反相输入端都有信号输入时，就构成了减法运算电路。

图3-12所示为减法运算电路，输出信号uO为输入信号uI1和uI2的差。该电路可以采用叠加原理来分析。

当输入电压uI1=0，只考虑输入电压uI1时，此电路是反相比例运算电路，输出电压为

当输入电压uI1=0，只考虑输入电压uI2时，此电路可以认为是同相比例运算电路，则输出电压为

当uI1、uI2同时作用时

若取Rf=R，则

图3-12　减法运算电路

（五）积分、微分电路

积分运算和微分运算互为逆运算。在自控系统中，常用积分电路和微分电路作为调节环节。此外，它们还广泛应用于波形Rq的产生和变换及仪器仪表中。以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为反馈网络，可以实现这两种运算电路。(www.xing528.com)

1.积分运算电路

图3-13所示为积分运算电路，在理想条件下，根据理想集成运放的 “虚短”和“虚断”可知，iR≈iC，则

式中，uO为uI对时间t的积分；RC 为积分时间常数；负号说明输入电压与输出电压相位相反，当输入电压为正时，输出电压为负，反之亦然。

图3-13　积分运算电路

图3-14所示为积分运算电路在不同输入情况下的输出波形。积分电路在自动控制系统中用以延缓过渡过程中的冲击，使被控制的电动机外加电压缓慢上升，避免其机械转矩猛增，造成传动机械的损坏。积分电路还常用作显示器的扫描电路，以及模/数转换器、数学模拟运算等。

图3-14　积分运算电路在不同输入情况下的输出波形

积分运算电路输出电压的最大数值小于且接近电源电压±VCC。在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，如图3-13 中的虚线所示。

2.微分运算电路

将积分运算电路中的R 和C 互换，就可以得到微分运算电路，如图3-15所示。根据集成运放的 “虚短”和 “虚断”可知，iR≈iC，而

则输出电压为

上式表明，输出电压为输入电压对时间的微分，且相位相反。

图3-15　微分运算电路

微分电路的波形变换作用如图3-16所示，可将矩形波变成正负相间的尖脉冲输出。微分电路在自动控制系统中可用作加速环节。例如，电动机出现短路故障时，起加速保护作用，迅速降低其供电电压。

图3-16　微分电路的波形变换作用

对于图3-15所示的电路，当输入电压发生跳变或脉冲式大幅值干扰时，有可能超过集成运放的最大输出电压，严重时将使微分运算电路不能正常工作。同时，由于反馈网络为滞后环节，它与集成运放内部的滞后环节相叠加，易于满足自激振荡的条件，因此使电路不稳定。为了解决上述问题，可采用改进后的微分运算电路，如图3-17所示。

图3-17　改进后的微分运算电路

在图3-17中，R 用以限制噪声和输入突变电压；反馈回路中的R 与C1并联，使R1C=RC1，用以进行相位补偿；双向稳压管DZ1、DZ2用以限制输出幅度。

四、集成运放的主要性能指标

集成运放的主要性能参数如下。

1.开环差模电压放大倍数Aud

开环差模电压放大倍数Aud是指无外加反馈回路的差模电压放大倍数。一般在10～107 之间，由于较大，常用dB（20lg｜Aud｜）表示，其分贝数为100～140dB。

2.差模输入电阻rid

差模输入电阻rid是指输入差模信号时的输入电阻。rid很大，一般大于1MΩ，有的可达100MΩ 以上。

3.开环输出电阻ro

运放开环时的动态输出电阻称为开环输出电阻。开环输出电阻ro很小，一般为几

欧姆到几十欧姆。

4.最大差模输入电压UIdmax

最大差模输入电压UIdmax是指不致使PN 结反向击穿的最大电压，当超过这个电压时，集成运放输入级某侧的三极管将会出现发射结的反向击穿，从而损坏集成运放。一般利用平面工艺制成的硅NPN 型管的UIdmax为±5V，而横向三极管为±30V 以上。

5.最大共模输入电压UIcmax

最大共模输入电压UIcmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压。超过这个数值，集成运放中的三极管将偏离放大区，共模抑制比将显著下降。

6.共模抑制比KCMR

共模抑制比KCMR是指集成运放工作在线性区时，其差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，即KCMR=｜Aud/Auc｜，其数值很大，常用分贝为单位，一般在100dB以上。

7.输入失调电压UIO及其温漂ΔUIO/ΔT

集成运放的输入级参数不完全对称时，当输入电压为零时，UO并不为零。输入失调电压UIO是使输出电压为零时的补偿电压。补偿电压越小，说明输入级差放管对称性越好，理想集成运放的UIO为零。ΔUIO/ΔT 是指在规定的温度范围内，输入失调电压随温度的变化率，它是衡量集成运放电压温漂的重要指标，其值越小越好。

8.输入失调电流IIO及其温漂ΔIIO/ΔT

失调电流IIO反映了输入级差放管输入电流的对称程度。当UO=0时，其值为集成运放两输入端电流之差的绝对值。ΔIIO/ΔT 是指在规定的温度范围内，输入失调电流随温度的变化率，它是衡量集成运放电流漂移特性的重要指标。IIO和ΔIIO/ΔT 越小越好。

9.转换速率SR

转换速率SR 用于衡量集成运放在大信号作用时对信号变化速度的适应能力，它表示集成运放在大信号作用下，输出电压的最大变化率，即

10.供电电压范围+VCC、-VEE

集成运放允许的最小和最大安全工作电源电压，称为集成运放的供电电压范围。

11.功耗PD

集成运放在规定的温度范围工作时，可以安全耗散的功率称为功耗PD。

五、集成运放应用中的一些实际问题

（一）集成运放的电源

集成运放所加的电源有单电源和双电源两种，使用时应了解清楚。有些要求用双电源的集成运放，也可以用单电源，但必须在输入端加偏置电阻进行配置。另外，所加的电源通常用0.01μF的电容滤除纹波。

（二）输入端外加电阻及反馈电阻

对于不同的集成运放，外接电阻值的大小有不同的要求，但一般输入端的外加电阻和输出端的反馈电阻以十几千欧姆以上的阻值最佳，电阻太小，电路不能正常工作。对于运算精度要求较高的电路，在加入输入信号之前要进行静态调零，即输入信号为零时，输出端无静态漂移。

（三）集成运放的保护

1.输入端保护

当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，为此，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图3-18（a）所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内，用以保护输入端过大的差模电压，图3-18（b）所示是输入端加入过大的共模电压的保护电路。

图3-18　输入端保护措施

2.输出端保护

为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，如图3-19所示。将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制在稳压管的稳压值UZ的范围内。

图3-19　输出端保护电路

3.电源端保护

为了防止正负电源接反，可用二极管保护。若电源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压。但二极管是非线性的，低电流压降小，高电流压降大，这样也会引起不同负载电流下加在集成运放的有效电压波动，所以应加滤波电容，这样电源正、负、地交流短路。电路结构如图3-20所示。

图3-20　电源端保护

（四）相位补偿

集成运放在实际使用中遇到的最棘手的问题就是自激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图3-21所示。其中，图3-21（a）所示是输入分布电容和反馈电阻过大（＞1MΩ）引起自激的补偿方法；图3-21（b）中所接的RC为输入端补偿法，常用于高速集成运放。

图3-21　相位补偿电路