模塊8集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)放基礎(chǔ)8.2集成運(yùn)放的應(yīng)用學(xué)習(xí)引導(dǎo)集成運(yùn)放最初用于模擬計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。隨著集成工藝的發(fā)展，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超模擬計(jì)算機(jī)的范疇，品種日益豐富。作為模擬電路的關(guān)鍵部分，運(yùn)放在過去幾十年間取得了顯著進(jìn)展，其發(fā)展推動(dòng)了整機(jī)的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的普及，運(yùn)放的設(shè)計(jì)和應(yīng)用不斷適應(yīng)新需求，未來將呈現(xiàn)全新面貌。集成電路堪稱工業(yè)的“食糧”和“原油”，讀者需更新觀念，加速理解與應(yīng)用新器件、新特點(diǎn)。本模塊從運(yùn)放的組成和基本特性出發(fā)，重點(diǎn)介紹其構(gòu)成的線性應(yīng)用電路，并進(jìn)一步探討非線性應(yīng)用電路。知識(shí)目標(biāo)：理解集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)與理想特性：虛短、虛斷，掌握反相比例、同相比例、加法、減法、微分、積分等基本應(yīng)用電路的功能。學(xué)習(xí)目標(biāo)技能目標(biāo)：能識(shí)別常用運(yùn)放的電源、輸入、輸出引腳，獨(dú)立搭建運(yùn)放基本應(yīng)用電路，用示波器觀察輸入輸出信號(hào)關(guān)系，初步排查電路接線或參數(shù)導(dǎo)致的異常問題。素養(yǎng)目標(biāo)：建立“理想特性簡(jiǎn)化電路分析”的工程思維，培養(yǎng)根據(jù)需求選擇運(yùn)放電路類型的能力，為后續(xù)復(fù)雜信號(hào)處理電路學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。8.1

集成運(yùn)放基礎(chǔ)提出問題通用運(yùn)放的電源端、輸入端正負(fù)極、輸出端該如何快速識(shí)別？給運(yùn)放通電后，不接輸入信號(hào)時(shí)怎么通過簡(jiǎn)單測(cè)量判斷運(yùn)放是否處于正常靜態(tài)工作狀態(tài)？理想運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”具體指什么？為何它們是分析運(yùn)放電路的關(guān)鍵。核心提示：識(shí)別運(yùn)放需分清電源、同相/反相輸入、輸出端，以防端子接錯(cuò)；理解和掌握“虛短”和“虛斷”兩個(gè)重要概念，因?yàn)樗鼈兪呛?jiǎn)化運(yùn)放電路分析的關(guān)鍵。知識(shí)準(zhǔn)備運(yùn)放是高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的集成電路，通常有正、負(fù)雙電源或單電源供電兩種方式。理想運(yùn)放有兩個(gè)關(guān)鍵特性——虛短：同相輸入端與反相輸入端電位近似相等和虛斷：兩個(gè)輸入端幾乎無(wú)電流流入，它們是分析運(yùn)放電路的核心依據(jù)。常用通用運(yùn)放如單電源、四運(yùn)放集成，性價(jià)比高，適合低頻信號(hào)處理的LM324。8.1.1集成電路和集成運(yùn)放在半導(dǎo)體制造工藝的精湛基礎(chǔ)上，將整個(gè)電路中的元器件集成于硅基片上，從而構(gòu)成具有特定功能的電子電路，這便被稱為集成電路。自1959年全球首塊集成電路誕生以來，雖僅歷經(jīng)五十余載，其卻已深刻融入眾多領(lǐng)域的產(chǎn)品中，涵蓋了工農(nóng)業(yè)、日常生活乃至高科技領(lǐng)域。例如，在導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等軍事裝備中，集成電路發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；在數(shù)控機(jī)床、儀器儀表等工業(yè)設(shè)備中，它亦是大顯身手；在通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，其影響力更是不言而喻。此外，集成電路還廣泛應(yīng)用于音響、電視、錄像機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器中。集成電路的技術(shù)進(jìn)步，直接推動(dòng)了整機(jī)設(shè)備的小型化、高性能化、多功能化以及高可靠性發(fā)展。毫不夸張地說，集成電路宛如工業(yè)的“糧食”和“原油”，為現(xiàn)代科技的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。1.集成電路

集成運(yùn)放是一種價(jià)格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放主要用來完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器。雙列直插封裝是傳統(tǒng)集成電路封裝形式之一，有兩排引腳。表面貼裝封裝常見，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)和高密度電路板設(shè)計(jì)，其中雙列貼裝封裝引腳兩排，間距小，適用高密度集成電路。無(wú)引腳封裝外形尺寸小，引腳布局密，常用于超高集成度和高性能要求的應(yīng)用。插座封裝式將集成運(yùn)放芯片封裝在插座中，方便更換和維護(hù)。2.集成運(yùn)放差分輸入級(jí)中間放大級(jí)輸出級(jí)ui+_uo

集成運(yùn)放的型號(hào)和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示：運(yùn)放的輸入級(jí)。利用差分電路的對(duì)稱特性可提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能。中間級(jí)的主要作用是提高電壓增益。一般由多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力

集成運(yùn)放外部還常接有偏置電路，以便向各級(jí)提供合適的工作電流。偏置電路8.1.2集成運(yùn)放引腳功能及集成電路元器件特點(diǎn)圖示為常用μA741集成運(yùn)放芯片產(chǎn)品實(shí)物圖μA741集成運(yùn)放的8個(gè)管腳排列圖如下：μA74112438765調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端調(diào)零端輸出端正電源端空腳1.集成運(yùn)放各引腳功能反相輸入端μA741集成運(yùn)放圖形符號(hào)∞＋＋－UoU+U-μA741集成運(yùn)放外部接線圖同相輸入端－12V＋12V輸出端子調(diào)零電位器管腳1和5分別與調(diào)零電位器的兩個(gè)固定端相連調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳4相連∞＋－6513724＋2.集成電路元器件的特點(diǎn)

與分立元器件相比，集成電路元器件有以下特點(diǎn)。

①單個(gè)元器件的精度不高，受溫度影響較大，但在同一硅片上用相同工藝制造出來的元器件性能比較一致，對(duì)稱性好。相鄰元器件的溫度差別小，因而同一類元器件溫度特性基本一致。

②集成電阻及電容的數(shù)值范圍窄，數(shù)值較大的電阻、電容占用硅片面積大。集成電阻的阻值一般為幾十歐至幾萬(wàn)歐，電容的容抗一般為幾十皮法。電感目前不能集成。

③分立元器件性能參數(shù)的絕對(duì)誤差較大，而同類集成元器件性能參數(shù)比較精確。④縱向NPN型管β值較大，占用硅片面積小，容易制造。而橫向PNP型管的β值很小，但其PN結(jié)的耐壓性高：（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

其數(shù)值很高，一般約為104~107。該值反映了輸出電壓Uo與輸入電壓U＋和U－之間的關(guān)系。（2）差模輸入電阻ri運(yùn)放的差動(dòng)輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。（3）閉環(huán)輸出電阻ro

由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。

指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號(hào)電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)放的輸入級(jí)將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（4）最大共模輸入電壓Uicmax3.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)

為簡(jiǎn)化分析過程，同時(shí)又能滿足實(shí)際工程的需要，常把集成運(yùn)放理想化，集成運(yùn)放的理想化參數(shù)為：①開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo=∞②差模輸入電阻ri=∞③輸出電阻ro=0④共模抑制比KCMR=∞8.1.3集成運(yùn)放的理想化條件及傳輸特性1.集成運(yùn)放的的理想化條件2.集成運(yùn)放的電壓傳輸特性理想特性＋UOMui(mV)0uo(V)線性區(qū)實(shí)際特性－UOM

根據(jù)集成運(yùn)放的實(shí)際特性和理想特性，可分別畫出其相應(yīng)的電壓傳輸特性。集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系飽和區(qū)

可以看出，當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，其實(shí)際特性與理想特性非常接近，輸出與輸入成線性關(guān)系；若運(yùn)放工作在非線性區(qū)，由于集成運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)極高，即使輸入電壓很小，也足以讓運(yùn)放工作在飽和狀態(tài)(+UOM~－UOM)，輸出電壓只有兩種狀態(tài)。集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)由可知，理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出電壓UO與輸入電壓Ui之間是線性放大關(guān)系。因Auo=∞，所以可導(dǎo)出運(yùn)放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說明，即理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等。

兩點(diǎn)等電位相當(dāng)于短路。但實(shí)際上理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并沒有真正短接，把這種現(xiàn)象稱為“虛短”。

理想運(yùn)放的差模輸入電阻ri=∞，可近似認(rèn)為兩個(gè)輸入端沒有電流流入。無(wú)電流流入相當(dāng)開路，此現(xiàn)象稱為“虛斷”?！疤摱獭焙汀疤摂唷笔沁\(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個(gè)重要結(jié)論。實(shí)踐1：運(yùn)放引腳識(shí)別與靜態(tài)測(cè)試1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模捍_定運(yùn)放引腳功能，檢查運(yùn)放靜態(tài)工作狀態(tài)是否正常。3.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）對(duì)照LM324引腳圖，在面包板上插入運(yùn)放，區(qū)分電源端VCC+、地端GND、同相輸入端+、反相輸入端-、輸出端；（2）萬(wàn)用表調(diào)至直流電壓檔，給運(yùn)放接入額定5V單電源，測(cè)量輸出端對(duì)地電壓；（3）斷開電源，用萬(wàn)用表通斷檔檢查運(yùn)放引腳間是否短路：重點(diǎn)排查電源端與地端。4.注意事項(xiàng)：電源電壓需符合運(yùn)放額定值，避免過壓燒毀器件；插入運(yùn)放時(shí)引腳對(duì)齊面包板孔，防止虛接。2.實(shí)驗(yàn)器材：LM324運(yùn)放、指針式/數(shù)字萬(wàn)用表、面包板、5V直流電源。5.觀察與判斷：靜態(tài)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，輸出端電壓應(yīng)接近電源電壓的一半，說明運(yùn)放靜態(tài)工作正常；若輸出電壓接近0V或5V，可能是運(yùn)放損壞或接線錯(cuò)誤。知識(shí)總結(jié)1.運(yùn)放核心屬性：高增益、高輸入電阻、低輸出電阻，支持單/雙電源供電，通用型號(hào)如LM324為單電源四運(yùn)放，適合低頻場(chǎng)景；2.引腳識(shí)別關(guān)鍵：需明確電源端：VCC+、GND、信號(hào)端：同相端+、反相端-、輸出端，避免電源接反；3.靜態(tài)判斷方法：?jiǎn)坞娫垂╇姇r(shí)，無(wú)輸入信號(hào)的輸出電壓接近電源電壓一半，是運(yùn)放靜態(tài)正常的核心標(biāo)志；4.理想特性意義：“虛短”“虛斷”無(wú)需考慮運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是簡(jiǎn)化所有運(yùn)放電路分析的核心依據(jù)。［案例］通過網(wǎng)上及線下查詢，至少說出3個(gè)以上集成電路的應(yīng)用實(shí)例。工程實(shí)例［案例操作］通過網(wǎng)上和線下查詢，可知：1.通信領(lǐng)域中：手機(jī)芯片的處理器、基帶、射頻芯片、傳感器等多種功能均集成在一塊芯片上，由此提供了高性能和低功耗的通信功能；用于光纖通信系統(tǒng)中的調(diào)制、光放大器控制、光檢測(cè)等功能也是集成于一個(gè)芯片上。2.在汽車電子技術(shù)中，車載控制單元集成了傳感器接口、處理器、存儲(chǔ)器等功能，用于汽車引擎控制、車身電子系統(tǒng)等；駕駛輔助系統(tǒng)芯片則集成了自動(dòng)駕駛、防撞警示、自適應(yīng)巡航等功能。［案例］通過網(wǎng)上及線下查詢，至少說出3個(gè)以上集成電路的應(yīng)用實(shí)例。工程實(shí)例［案例操作］通過網(wǎng)上和線下查詢，可知：3.醫(yī)療電子設(shè)備中，心臟起博芯片集成了心率檢測(cè)、起博控制、能量管理等功能，用于心臟疾病患者的治療；醫(yī)療影像處理芯片可用于醫(yī)療影像設(shè)備如X射線、CT、MRI等的圖像處理和顯示。4.工業(yè)控制中的PLC芯片，可用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制邏輯、傳感器接口、通信等功能。還有傳感器信號(hào)處理器芯片、消費(fèi)類電子芯片等。［結(jié)論］這些工程實(shí)例展示了集成電路在不同領(lǐng)域中的廣泛

應(yīng)用。

集成運(yùn)放由哪幾部分組成？各部分的主要作用是什么？

工作在線性區(qū)的理想運(yùn)放有哪兩條重要結(jié)論？試說明其概念？你能說明理想運(yùn)放的特點(diǎn)是什么嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果8.2

集成運(yùn)放的應(yīng)用提出問題集成運(yùn)放的線性應(yīng)用與非線性應(yīng)用有何本質(zhì)區(qū)別？虛短特性在兩者中都適用嗎？設(shè)計(jì)反相加法放大器時(shí)，輸入電阻不同會(huì)影響輸出結(jié)果嗎？過零比較器為何在輸入接近零時(shí)輸出易反復(fù)翻轉(zhuǎn)？滯回比較器如何解決這一問題？核心提示：線性應(yīng)用工作在放大區(qū)、需負(fù)反饋，虛短、虛斷成立，輸出線性；非線性應(yīng)用工作在飽和區(qū)、無(wú)負(fù)反饋，虛短不再適用，輸出僅高低電平；按功能選類型，線性需匹配電阻非線性需抗干擾。知識(shí)準(zhǔn)備

集成運(yùn)放的放大倍數(shù)是一個(gè)很大的值，工作區(qū)指的是這個(gè)放大倍數(shù)有效的區(qū)域。因?yàn)橐粋€(gè)運(yùn)放器受限于供電電壓和自身組成的元器件特性而不可能無(wú)限放大，所以放大后的輸出電壓在一定的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍包含的區(qū)域稱為線性區(qū)。而輸出電壓觸及最大范圍時(shí)，放大倍數(shù)就會(huì)失效，無(wú)論輸入和輸出相差多大，電壓將始終維持在最大值，這時(shí)集成運(yùn)放工作的區(qū)域叫作非線性區(qū)。1.反相比例電路負(fù)號(hào)說明輸入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”由“虛斷”可得所以u(píng)+u－i1if∞＋＋－uiuoR2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=0整理后可得輸出與輸入的比例值8.2.1集成運(yùn)放的應(yīng)用反相比例運(yùn)算電路中，R2是平衡電阻，其值應(yīng)選擇符合2.同相比例運(yùn)算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=ui由“虛斷”可得即u+u－i1if∞＋＋－uiuoR2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=ui整理后得輸出與輸入的比例值

顯然同相比例運(yùn)算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對(duì)稱性，與反相比例運(yùn)算電路相同，R2=R1//RF3.雙端輸入差分運(yùn)算電路u+u－i1if∞＋＋－ui1uoR1RFi2ui2R2R3若R2=R3，則因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象所以整理得若R1=RF，則實(shí)現(xiàn)了輸出對(duì)輸入的減法運(yùn)算。4.微分運(yùn)算電路微分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即可知u－=u+=“地”

微分電路可用于波形變換，將矩形波變換成尖脈沖；且u0與ui相位反相因?yàn)樗?/p>

電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。式中的比例常數(shù)RFC1稱為電路的時(shí)間常數(shù)為保證電路的平衡，RF=R2uit0u0t0u+u－i1if∞＋＋－uiu0C1RFuCif∞＋＋－uoRFR25.積分運(yùn)算電路u+u－i1if∞＋＋－uiu0if∞＋＋－uoR1R2積分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即可知u－=u+=“地”因?yàn)閷1代入uo表達(dá)式得

電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分。式中的比例常數(shù)R1C1稱為電路的時(shí)間常數(shù)。RF

反相比例運(yùn)放中的偏置電阻用電容代替即為積分電路CF所以集成運(yùn)放線性應(yīng)用實(shí)例

圖示測(cè)振儀中速度傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與速度成正比，開關(guān)在位置“1”時(shí)，放大器可直接對(duì)速度傳感器傳送過來的信號(hào)進(jìn)行放大測(cè)量，測(cè)量出振動(dòng)的速度；開關(guān)在位置“2”時(shí)，速度傳感器的信號(hào)經(jīng)微分器進(jìn)行微分運(yùn)算，之后送入運(yùn)放再進(jìn)行放大測(cè)量，可測(cè)量加速度α；在位置“3”時(shí)，速度傳感器的信號(hào)經(jīng)積分器進(jìn)行積分運(yùn)算再一次放大，又可測(cè)量出位移x。在放大器輸出端，可接測(cè)量?jī)x表或示波器對(duì)所測(cè)量信號(hào)進(jìn)行觀察和記錄。測(cè)振儀光電二極管在有光照時(shí)產(chǎn)生光生載流子，由光生載流子形成的電流將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后即可進(jìn)行檢測(cè)與控制。光電二極管工作在反向狀態(tài)，反向電阻很大，高達(dá)幾兆歐。無(wú)光照時(shí)，其反向電流一般小于0.1μA，稱為暗電流。有光照時(shí)，在光激發(fā)下，反向電流隨光照強(qiáng)度而增大稱為光電流，這時(shí)的反向電阻可降至幾十歐以下。圖示電路中，光電流iF的路徑為uo→RF→VD→

U，運(yùn)放的輸出為uo=iFRF。實(shí)踐2：反相比例放大器搭建與測(cè)試1.目的：驗(yàn)證反相比例放大器的信號(hào)反向與比例放大功能。3.實(shí)驗(yàn)步驟：①電路搭建：運(yùn)放VCC+

接5V、GND接地；輸入電阻一端接信號(hào)發(fā)生器，另一端接反相輸入端；反饋電阻一端接反相輸入端，另一端接輸出端；同相輸入端通過1kΩ電阻接地；輸入、輸出端分別串聯(lián)耦合電容；②通電前檢查：用萬(wàn)用表通斷檔確認(rèn)無(wú)短路，重點(diǎn)檢查反饋電阻是否接對(duì)；③信號(hào)輸入與觀察：信號(hào)發(fā)生器輸出1kHz、100mV的正弦交流信號(hào)，接入電路輸入端；示波器通道1接輸入端測(cè)輸入信號(hào)、通道2接輸出端測(cè)輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)示波器使兩路波形清晰；④記錄與分析：對(duì)比輸入、輸出波形的相位和幅度，計(jì)算放大倍數(shù)。2.器材：LM324運(yùn)放、輸入電阻1kΩ、反饋電阻10kΩ、耦合電容1μF、面包板、5V直流電源、信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器。4.注意事項(xiàng)：耦合電容需區(qū)分正負(fù)極，正極接高電位端；反饋電阻阻值不可過大或過小。5.觀察要點(diǎn)：正常工作時(shí)，輸出波形與輸入波形相位相反，幅度約為輸入的10倍，且波形無(wú)明顯失真。知識(shí)總結(jié)1.電路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵：輸入信號(hào)接反相端，反饋電阻跨反相端與輸出端，同相端需通過電阻接地；2.功能與參數(shù)：核心是“反向+比例放大”，輸出與輸入相位相反，放大倍數(shù)僅由反饋電阻/輸入電阻決定，輸入電阻較低；3.實(shí)踐要點(diǎn)：耦合電容用于隔離直流、傳遞交流，反饋電阻接錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致無(wú)放大功能，阻值需適中避免噪聲或過大電流；4.正常判斷標(biāo)準(zhǔn)：輸出波形反向且幅度符合放大倍數(shù)計(jì)算值，無(wú)明顯失真。實(shí)踐3：同相比例放大器搭建與測(cè)試1.目的：驗(yàn)同相比例放大器的同相放大特性及信號(hào)跟隨功能。3.實(shí)驗(yàn)步驟：①電路搭建：運(yùn)放電源接線同前；輸入信號(hào)接同相輸入端（+）；反相輸入端通過1kΩ電阻接地，同時(shí)通過10kΩ反饋電阻接輸出端；②測(cè)試同相放大：輸入1kHz、100mV正弦信號(hào)，示波器觀察輸入輸出波形，記錄幅度比；③測(cè)試信號(hào)跟隨：拆除反饋電阻，用導(dǎo)線直接連接反相輸入端與輸出端，重復(fù)輸入信號(hào)，觀察輸出是否與輸入一致數(shù)。2.器材：LM324運(yùn)放、接地電阻1kΩ、反饋電阻10kΩ、面包板、5V直流電源、信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器。4.注意事項(xiàng)：同相輸入端不可懸空（需通過電阻接地或接輸入信號(hào)），否則易受干擾導(dǎo)致輸出異常。5.觀察要點(diǎn)：同相放大時(shí)，輸出與輸入相位相同，幅度約為11倍（1+反饋電阻/接地電阻）；信號(hào)跟隨時(shí)，輸出幅度、相位與輸入完全一致，體現(xiàn)“無(wú)失真跟隨”特性。知識(shí)總結(jié)1.電路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵：輸入信號(hào)接同相端，反相端接“接地電阻+反饋電阻”（反饋電阻跨反相端與輸出端）；2.功能與參數(shù)：核心是“同相+比例放大”，輸入電阻極高：不消耗輸入信號(hào)電流，放大倍數(shù)為1+反饋電阻/接地電阻；3.特殊形式：信號(hào)跟隨器（反饋電阻短路），放大倍數(shù)=1，輸出與輸入完全一致，適合信號(hào)隔離；4.關(guān)鍵禁忌：同相端不可懸空，否則受干擾導(dǎo)致輸出飽和，實(shí)踐中需通過電阻接地或接輸入信號(hào)。實(shí)踐4：反相加法放大器搭建與測(cè)試1.目的：驗(yàn)證兩個(gè)輸入信號(hào)的加法功能。3.實(shí)驗(yàn)步驟：①電路搭建：運(yùn)放反相輸入端通過兩個(gè)1kΩ電阻，分別接兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器（輸入信號(hào)1：1kHz、100mV；輸入信號(hào)2：1kHz、200mV）；反相端同時(shí)通過1kΩ反饋電阻接輸出端；同相端通過1kΩ電阻接地；②通電后，示波器測(cè)輸出端信號(hào)，觀察幅度是否接近兩輸入信號(hào)幅度之和（因反向，相位與輸入相反）數(shù)。2.器材：LM324運(yùn)放、兩個(gè)輸入電阻各1kΩ、反饋電阻1kΩ、面包板、電源、兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器。4.注意事項(xiàng)：兩個(gè)輸入信號(hào)頻率需一致，便于觀察疊加效果；輸入電阻阻值需相等。5.觀察要點(diǎn)：輸出信號(hào)幅度約為300mV（100mV+200mV），相位與兩輸入信號(hào)相反，驗(yàn)證“反向疊加”功能。知識(shí)總結(jié)1.電路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵：多輸入信號(hào)通過獨(dú)立輸入電阻接反相端，共用一個(gè)反饋電阻，同相端接地；2.功能與要求：核心是“多信號(hào)反向疊加”，輸入電阻阻值需一致以保證各信號(hào)權(quán)重相同，輸出幅度為輸入幅度之和；3.適用場(chǎng)景：適合需混合多個(gè)信號(hào)的場(chǎng)景如音頻信號(hào)混合電路；4.測(cè)試要點(diǎn)：輸入信號(hào)頻率需一致，才能清晰觀察疊加效果，頻率不同會(huì)導(dǎo)致波形復(fù)雜，難以判斷功能是否正常。8.2.2集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1.

集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)①集成運(yùn)放應(yīng)用在非線性電路時(shí)，處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)下。②非線性運(yùn)用狀態(tài)下，U+≠U－，“虛短”概念不再成立。當(dāng)同相輸入端信號(hào)電壓U＋大于反相輸入端信號(hào)電壓U－時(shí)，輸出端電壓UO=＋UOM，當(dāng)U＋小于U－時(shí)，輸出端電壓UO=－UOM。③非線性應(yīng)用下的運(yùn)放雖然同相輸入端和反相輸入端信號(hào)電壓不等，但由于其輸入電阻很大，所以輸入端的信號(hào)電流仍可視為零值。因此，非線性應(yīng)用下的運(yùn)放仍然具有“虛斷”的特點(diǎn)。④非線性區(qū)的運(yùn)放，輸出電阻仍可以認(rèn)為是零值。此時(shí)運(yùn)放的輸出量與輸入量之間為非線性關(guān)系，輸出端信號(hào)電壓或?yàn)檎柡椭?，或?yàn)樨?fù)飽和值。集成運(yùn)放工作于非線性區(qū)的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au極高，所以只要輸入一個(gè)很小的信號(hào)電壓，即可使運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，可構(gòu)成各種電壓比較器和矩形波發(fā)生器。i1∞＋＋－uiR1URR2uo（1）單門限電壓比較器

單門限電壓比較器只有一個(gè)門限電平，當(dāng)輸入電壓達(dá)到此門限值時(shí)，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。

電壓比較器廣泛應(yīng)用于模/數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域中。uiuo0＋UOM－UOMUR

門限電平值8.2.

2集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用單門限電壓比較器應(yīng)用實(shí)例

利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0∞＋＋－uiuo

由于門限電壓等于0，因此為過零電壓比較器。ui0tuo0t＋UCM－UCM

輸入電壓只要到達(dá)門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。（2）滯回電壓比較器滯回電壓比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時(shí)，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電壓傳輸情況可用下圖表述：UB∞＋＋－uiR1R4uoR3R2DZ－UOM+UOMUB1UB2當(dāng)ui從小往大變化時(shí)abcdefuoui0

門限電平當(dāng)ui從大到小變化時(shí)

滯回電壓比較器可構(gòu)成矩形波、鋸齒波等非正弦信號(hào)發(fā)生器電路，也可以實(shí)現(xiàn)波形變換。滯回比較器的特點(diǎn)①具有雙門限UB1和UB2；②電路具有正反饋環(huán)節(jié)；③電路的抗干擾能力強(qiáng)。滯回比較器應(yīng)用實(shí)例ui(V)t010-10tuo(V)07-7當(dāng)門限電壓為±7V時(shí)輸入波形輸出波形實(shí)現(xiàn)了波形的整形與變換核心知識(shí)運(yùn)放非線性應(yīng)用的核心是工作在飽和區(qū)：無(wú)負(fù)反饋，輸入差模電壓足夠大時(shí)，輸出直接達(dá)到電源決定的高電平或低電平；此時(shí)“虛短”特性不成立，但“虛斷”仍成立。常見非線性應(yīng)用為比較器電路，用于判斷輸入信號(hào)的幅值大小，主要包括：1.過零比較器：輸入信號(hào)接反相端，同相端接地，輸入信號(hào)大于0時(shí)輸出低電平，輸入信號(hào)小于0時(shí)輸出高電平；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入接近零時(shí)易受干擾，導(dǎo)致輸出反復(fù)翻轉(zhuǎn)。2.滯回比較器：在過零比較器基礎(chǔ)上，增加跨輸出端與同相端的正反饋電阻，引入“閾值遲滯”——有兩個(gè)上限、下限的閾值電壓，輸入信號(hào)從低到高過上限時(shí)輸出跳變，從高到低過下限時(shí)才反向跳變，可避免微小干擾導(dǎo)致的輸出抖動(dòng)。實(shí)踐5：滯回比較器搭建與抗干擾測(cè)試1.目的：驗(yàn)證滯回比較器的幅值判斷功能及抗干擾優(yōu)勢(shì)，對(duì)比過零比較器的不足。3.實(shí)驗(yàn)步驟：①電路搭建：運(yùn)放VCC+接5V、GND接地；輸入電阻一端接信號(hào)發(fā)生器，另一端接反相端；正反饋電阻一端接輸出端，另一端接同相；同相端同時(shí)通過1kΩ電阻接地；②測(cè)試閾值特性：信號(hào)發(fā)生器輸出1kHz、1V正弦信號(hào)，示波器通道1接輸入、通道2接輸出，觀察輸入過上限/限閾值時(shí)輸出的跳變?nèi)巛斎霃牡偷礁哌^0.5V時(shí)輸出從高→低，從高到低過0.1V時(shí)輸出從低→高；③抗干擾對(duì)比：給正弦信號(hào)疊加微小噪聲如100mV噪聲，先測(cè)滯回比較器輸出無(wú)明顯抖動(dòng)；再拆除正反饋電阻，改為過零比較器，觀察輸出是否因噪聲反復(fù)翻轉(zhuǎn)。2.器材：LM324運(yùn)放、輸入電阻各1kΩ、正反饋電阻10kΩ、接地電阻1kΩ、面包板、5V直流電源、信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器。4.注意事項(xiàng)：正反饋電阻需接在輸出端與同相端之間，不可接反；輸入信號(hào)幅度需覆蓋閾值范圍，便于觀察跳變。5.觀察要點(diǎn)：滯回比較器輸出只有高（≈5V）、低（≈0V）兩種狀態(tài)，帶噪聲輸入時(shí)輸出穩(wěn)定無(wú)抖動(dòng)；過零比較器則會(huì)因噪聲在零電位附近反復(fù)跳變，體現(xiàn)滯回結(jié)構(gòu)的抗干擾優(yōu)勢(shì)。知識(shí)總結(jié)1.非線性應(yīng)用共性：運(yùn)放工作在飽和區(qū)，無(wú)負(fù)反饋或正反饋，輸出僅高、低電平，虛短不成立、虛斷成立；2.電路區(qū)別：過零比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但抗干擾差，滯回比較器靠正反饋引入閾值遲滯，抗干擾能力強(qiáng)；3.功能定位：比較器用于信號(hào)幅值判斷如電壓超限報(bào)警、波形整形，滯回型更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等有干擾的場(chǎng)景；4.實(shí)踐關(guān)鍵：正反饋電阻是滯回特性的核心，阻值越大，閾值遲滯范圍越寬：抗干擾越強(qiáng)，但判斷精度略降，需根據(jù)需求調(diào)整。（3）方波發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)上，方波發(fā)生器是在滯回電壓比較器的基礎(chǔ)上，在輸出端與反相端之間增加一條RC充放電反饋支路構(gòu)成的。傳輸特性［案例］集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)在實(shí)訓(xùn)室做。所需實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：模擬電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)（或模擬電子實(shí)驗(yàn)箱）一套，集成運(yùn)放芯片μA741兩只，電阻、連接導(dǎo)線等其他相關(guān)設(shè)備若干。工程實(shí)例［實(shí)驗(yàn)步驟］1．認(rèn)識(shí)集成運(yùn)放各引腳的位置，按要求細(xì)心把集成運(yùn)放芯片插放在芯片座中，使之插接牢固。引腳位置不能插錯(cuò)，正、負(fù)電源極性不能接反，否則將會(huì)損壞集成芯片。2．在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的直流穩(wěn)壓電源處，調(diào)出+12V和

12V兩個(gè)電壓，分別接入實(shí)驗(yàn)電路芯片的引腳7和引腳4。除固定電阻外，可變電阻用萬(wàn)用表歐姆擋調(diào)出電路所需數(shù)值，在相應(yīng)位置相連。3．按照?qǐng)D8-18（a）所示電路連線。連接完畢，首先調(diào)零和消振：使輸入信號(hào)為零，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器RW，用萬(wàn)用表直流電壓擋檢測(cè)輸出，使輸出電壓也為零。8.2.3集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路的研究［案例］集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)在實(shí)訓(xùn)室做。所需實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：模擬電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)（或模擬電子實(shí)驗(yàn)箱）一套，集成運(yùn)放芯片μA741兩只，電阻、連接導(dǎo)線等其他相關(guān)設(shè)備若干。工程實(shí)例［實(shí)驗(yàn)步驟］4．輸入U(xiǎn)i=0.5V的直流信號(hào)或f=100Hz、Ui=0.5V的正弦交流信號(hào)，連接于固定電阻R1的一個(gè)引出端，R1的另一個(gè)引出端與集成芯片的反相端相連。5．觀測(cè)相應(yīng)電路輸出Uo的數(shù)值及波形，驗(yàn)證輸出是否對(duì)輸入實(shí)現(xiàn)了比例運(yùn)算，并記錄下來。6.再按照8-18（b）所示實(shí)驗(yàn)電路連接并觀測(cè)，認(rèn)真分析電路輸出和輸入之間的關(guān)系是否滿足各種運(yùn)算，逐一記錄在自制的表格中。項(xiàng)目總結(jié)1.核心知識(shí)：運(yùn)放線性應(yīng)用（反相/同相比例、加法）工作在放大區(qū)，靠負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)線性輸出；非線性應(yīng)用（比較器）工作在飽和區(qū)，靠正反饋（或無(wú)反饋）實(shí)現(xiàn)幅值判斷，輸出高/低電平；“虛斷”是所有應(yīng)用的共同分析依據(jù)。2.關(guān)鍵區(qū)別：線性應(yīng)用有負(fù)反饋、輸出與輸入線性相關(guān)、輸入電阻依電路類型有高低之分；非線性應(yīng)用無(wú)負(fù)反饋（或正反饋）、輸出僅高低電平、核心是抗干擾與幅值判斷。3.實(shí)踐重點(diǎn)：線性電路需先測(cè)運(yùn)放靜態(tài)狀態(tài)，確保反饋接線正確；非線性電路需關(guān)注正反饋電阻的作用，通過示波器驗(yàn)證閾值特性與抗干擾效果。4.學(xué)習(xí)建議：先明確應(yīng)用需求，再選擇電路結(jié)構(gòu)；多對(duì)比不同電路的輸出差異，如反相/同相的相位、滯回/過零的抗干擾，深化對(duì)“反饋類型決定工作模式”的理解。放大電路輸入信號(hào)本身就是一個(gè)已產(chǎn)生了失真的信號(hào)，引入負(fù)反饋后能否使失真消除？上述問題希望課后認(rèn)真歸納總結(jié)滯回特性指的是什么？如何理解？

什么叫反饋？正反饋和負(fù)反饋對(duì)電路的影響有何不同？？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果放大電路引入負(fù)反饋后，對(duì)電路的工作性能帶來什么改善？

3.何謂“虛地”？何謂“虛短”？何謂“虛斷”？“虛地”端是否可以真的接地？1.你能畫出電壓比較器的電路圖和說明滯回比較器的電壓傳輸特性嗎？4.工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放，為什么要引入負(fù)反饋？而且反饋電路為什么要接到反相輸入端？2.舉例說明理想集成運(yùn)放兩條重要結(jié)論在運(yùn)放電路分析中的作用？5.比較器可以輸出方波、但它與方波發(fā)生器相比較，有什么不同？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果uiuo0∞＋＋－uiuoUR檢驗(yàn)題解答1電壓比較器電路圖可簡(jiǎn)單的用下圖來表示。

滯回比較器的電壓傳輸特性：輸入電壓ui由小往大變化的過程中，未到達(dá)門限電壓UB1時(shí)，輸出電壓uo保持不變，到達(dá)UB1瞬間，輸出電壓從+UOM值跳變到－UOM值；當(dāng)輸入電壓由大往小變化的過程中，未到達(dá)門限電壓UB2時(shí)，uo保持不變，到達(dá)UB2瞬間，輸出電壓從－UOM

值跳變到+UOM值，即具有回差特性。回差電壓ΔU=