第 3章机械工业出版社同名教材配套电子教案
3.1.1 基本差动放大电路
⒈ 多级直流放大电路的零点漂移问题直接耦合方式电路的最大缺点是零点漂移问题。
解决零漂问题的办法是采用差动放大电路。
3.1 差动放大电路第 3章 集成运算放大器
⒉ 基本差动放大电路的工作原理
⑴ 电路组成图 3-1 差动放大电路
a) 基本电路 b) 差模交流通路 c) 共模交流通路
⑵ 差模信号和共模信号
① 差模信号：大小相等、极性相反的输入信号，用 Uid表示。
② 共模信号：大小相等、极性相同的输入信号，用 Uic表示。
差模信号是有用的或需要放大的信号；
共模信号是无用的或需要抑制的信号。
⑶ 差模增益公共射极电阻 REE对 V1,V2管的差模信号无电流负反馈作用。
其中,RL' =RC//(RL /2)。
⑷ 共模增益公共射极电阻 REE对 V1,V2管具有 2REE的电流负反馈作用。
在 V1,V2电路完全对称的理想状态下,Auc=0
⑸ 共模抑制比用分贝表示：
3.1.2 具有电流源的差动放大电路
⒈ 电流源电路
⑴ 常用电流源电路
1）镜象电流源
2）微电流源
3）比例电流源
4）多路电流源图 3-2 集成电路中的电流源
a) 镜象电流源 b) 微电流源 c) 比例电流源 d) 多路电流源
⑵ 电流源的作用
1）用作有源负载。
图 3-3 有源负载
a) 用作集电极负载 b) 用作射极输出器负载
2）提供静态偏置。
⒉ 具有电流源的差动放大电路图 3-4 具有电流源的差动放大电路
a) 电路 b) 简化等效电路
⒊ 差动放大电路的输入输出方式
⑴ 单端输入方式在 REE足够大条件下，单端输入与双端输入状态相同。
⑵ 单端输出方式单端输出的差模增益约为双端输出时的一半，其中
“约”的原因是 RL'计算方式不同。
差模增益：
共模增益：
3.2 集成运放电路
3.2.1 集成运放基本概念
⒈ 集成运放组成框图符号：
组成框图：
⒉ 集成运放主要参数
⑴ 开环差模电压增益 Aod
⑵ 共模抑制比 KCMR
⑶ 差模输入电阻 Rid
⑷ 输出电阻 Ro
⑸ 输入失调电压 UIO
⒊ 理想化集成运放
⑴ 理想化集成运放的参数要求
① 开环电压增益 Aod→∞ ；
② 共模抑制比 KCMR→∞,即无零漂，各种失调电压失调电流为 0；
③ 差模输入电阻 Rid→∞ ；
④ 输出电阻 Ro→0 ；
⑵ 理想化集成运放的特点
① 虚短
（条件：集成运放工作在线性放大状态）
② 虚断
3.2.2 集成运放基本输入电路
⒈ 反相输入输入电阻,Ri = R1
输出电阻,Ro→0
图 3-11 差动输入电路
⒉ 同相输入输入电阻,Ri →∞
输出电阻,Ro →0
图 3-11 差动输入电路
⒊ 差动输入图 3-11 差动输入电路
【 例 3-3】 试按下列电压增益要求设计由集成运放组成的放大电路。（设 Rf =20kΩ）
⑴ Aud =2；⑵ Aud =-2；⑶ Aud =-0.5；⑷ Aud =0.5。
解：⑴ Aud =2，既为正值，又大于 1，应选用同相输入电路。
，当 Rf=20kΩ时，取 R1 =20kΩ，
R2 =R1 //Rf =10kΩ。
⑵ Aud = -2,Aud为负值，应选用反相输入电路。
，当 Rf =20kΩ时，取 R1 =10kΩ，
R2 =R1 //Rf =6.67kΩ。
⑶ Aud =-0.5,Aud为负值，且小于 1，应选用反相输入电路。
，当 Rf=20kΩ时，取 R1 =40kΩ，
R2 =R1 //Rf =13.3kΩ。
⑷ Aud =0.5,Aud既为正值，又小于 1，应选用反相输入电路，
反相再反相获得正极性，如图 3-12a所示。当 Rf=20kΩ时，
取 R11 =2Rf1=40kΩ,R12 =R11 //Rf1 =13.3kΩ，
R21 = Rf2 =20kΩ,R22 = R21 //Rf2 =10kΩ，
uO = -uO1 =0.5uI 。
图 3-12b是利用 R2,R3分压，减小净输入电压 uP值，
当 Rf =20kΩ时，取 R1=20kΩ,R3 =10kΩ，则 R2 =30kΩ。
图 3-12 例 3-3电路
3.2.3 集成运放基本运算电路
⒈ 比例运算
① 反相输入能反相，比例系数可大于 1、等于 1或小于 1。
② 同相输入能同相，比例系数只能大于 1或等于 1，若要小于 1，可采用例 3-3⑷ 方法。
③ 相位要求有出入时，可再加一级集成运放反相。
⒉ 电压跟随器
Aud =1。
图 3-13 电压跟随器
a) Rf=0 b) R1=∞ c) Rf=0,R1=∞
⒊ 加法运算
⒋ 减法运算若取 R1 =R2 =R3 =Rf,可实现减法运算：
【 例 3-4】 电路如图 3-11所示,R1 =R2 =R3 =Rf =51kΩ,uI1、
uI2波形如图 3-15a,b所示，试画出输出电压 uO (t)波形。
② 再将 uI2与（ -uI1）相加。
解：图 3-11电路，当 R1 =R2 =R3 =Rf
时，电路构成减法器,uO =uI2 -uI1
=uI2 +(-uI1)。
画出 uO (t)波形如图 3-15c所示。
解题步骤：
① 先画出 -uI1波形（将 uI1反相）；
图 3-15 例 3-4波形
a) uI1 b) uI2 c) uO
⒌ 积分运算图 3-16 积分电路
【 例 3-5】 已知电路如图 3-16所示,R1 =R2 =10kΩ,Cf
=10nF,uC(0-)=0,uI (t)波形如图 3-17a所示，试求输出电压
uO (t)，并画出 uO (t)波形。
解：式（ 3-24）为积分电路不定积分表达式，考虑到初始条件,uO (t)表达式应写为定积分形式：
由于 uI (t)为方波，属分段函数，在一定区间内为直流（常数），
因此，上式可写为：
上式表明，在一定区间内,uO (t)为 t的一次函数，即为一条直线。线性函数只需求解其中二点，分段（区间）求解如下：
uO (0.5ms) = uO (0.3ms)-10000× 5× (0.5-0.3)× 10-3 =-5V
uO (0.1ms) = uO (0)-10000× 5× (0.1-0)× 10-3 =-5V
0 ～ 0.1ms：
0.1～ 0.3ms：
uO (0.3ms) = uO (0.1ms)-10000× (-5)× (0.3-0.1)× 10-3 =5V
0.3～ 0.5ms：
依次类推，画出 uO (t)波形为三角波，如图 3-17b所示。
图 3-17 例 3-5输入输出波形
a) 输入波形 b) 输出波形
3.3 集成运放非线性应用在非线性应用中，“虚短”和“虚地”等概念一般不再适用，
但“虚断”概念仍成立。
3.3.1 电压比较器
⒈ 电压比较器的工作原理图 3-20 电压比较器及其传输特性
a) 电压比较器电路 b) 传输特性
⑴ uI由反相输入端输入,UREF由同相输入端输入，其传输特性如图 3-19b中实线所示。
⑵ uI由同相输入端输入,UREF由反相输入端输入，其传输特性如图 3-20b中虚线所示。
⒉ 滞回电压比较器图 3-24 滞回比较器
a) 电路 b) 传输特性
⑴ 有二个 阈值,
①
②
⑵ 输入电压上升和下降时,运行路径 不同：
① 输入电压 uI从低 → 高变化时，输出电压 uO沿图 3-24b传输特性中的 abcef路径，即 uI需上升到 UTH1时，输出电压
uO从 +UZ→ -UZ。
② 输入电压 uI从高 → 低变化时，输出电压 uO沿图 3-24b传输特性中的 fedba路径，即 uI需下降到 UTH2时，输出电压
uO从 -UZ→+ UZ。
3.3.2 方波发生器
⒈ 方波发生器
⑴ 工作原理图 3-26 方波发生器
a) 电路 b) 波形
⑵ 振荡周期
⒉ 矩形波发生器改变电容 C充放电时间常数，可使方波变为矩形波，调节 Rf1、
Rf2，即可调节矩形波占空比。 图 3-27 矩形波发生器
3.3.3 有源滤波器
⒈ 滤波器的基本概念
② 高通滤波器
⑴ 滤波器功能
⑵ 有源滤波和无源滤波
⑶ 低通滤波器和高通滤波器
① 低通滤波器图 3-30 RC无源低通滤波器
a) RC电路 b) 幅频特性图 3-31 RC无源高通滤波器
a) RC电路 b) 幅频特性图 3-32 带通和带阻滤波器幅频特性
a) 带通滤波器 b) 带滤阻波器
④ 带阻滤波器
③ 带通滤波器
⑷ 滤波器的传递函数
① 无源 RC低通滤波器的传递函数：
其中
f0称为高通滤波器的 上限截止频率 。
② 无源 RC高通滤波器的传递函数：
其中
f0称为高通滤波器的 下限截止频率 。
⒉ 一阶有源低通滤波器图 3-33 一阶低通有源滤波器传递函数：
其中 Aup称为通带放大倍数，图 3-33a电路,Aup = 1；图
3-33b电路,Aup = 1+ Rf /R1。
⒊ 一阶有源高通滤波器图 3-34 一阶有源高通滤波器传递函数：
其中图 3-34a电路,Aup = 1；
图 3-34b电路,Aup = 1+ Rf /R1 。
3.1.1 基本差动放大电路
⒈ 多级直流放大电路的零点漂移问题直接耦合方式电路的最大缺点是零点漂移问题。
解决零漂问题的办法是采用差动放大电路。
3.1 差动放大电路第 3章 集成运算放大器
⒉ 基本差动放大电路的工作原理
⑴ 电路组成图 3-1 差动放大电路
a) 基本电路 b) 差模交流通路 c) 共模交流通路
⑵ 差模信号和共模信号
① 差模信号：大小相等、极性相反的输入信号，用 Uid表示。
② 共模信号：大小相等、极性相同的输入信号，用 Uic表示。
差模信号是有用的或需要放大的信号；
共模信号是无用的或需要抑制的信号。
⑶ 差模增益公共射极电阻 REE对 V1,V2管的差模信号无电流负反馈作用。
其中,RL' =RC//(RL /2)。
⑷ 共模增益公共射极电阻 REE对 V1,V2管具有 2REE的电流负反馈作用。
在 V1,V2电路完全对称的理想状态下,Auc=0
⑸ 共模抑制比用分贝表示：
3.1.2 具有电流源的差动放大电路
⒈ 电流源电路
⑴ 常用电流源电路
1）镜象电流源
2）微电流源
3）比例电流源
4）多路电流源图 3-2 集成电路中的电流源
a) 镜象电流源 b) 微电流源 c) 比例电流源 d) 多路电流源
⑵ 电流源的作用
1）用作有源负载。
图 3-3 有源负载
a) 用作集电极负载 b) 用作射极输出器负载
2）提供静态偏置。
⒉ 具有电流源的差动放大电路图 3-4 具有电流源的差动放大电路
a) 电路 b) 简化等效电路
⒊ 差动放大电路的输入输出方式
⑴ 单端输入方式在 REE足够大条件下，单端输入与双端输入状态相同。
⑵ 单端输出方式单端输出的差模增益约为双端输出时的一半，其中
“约”的原因是 RL'计算方式不同。
差模增益：
共模增益：
3.2 集成运放电路
3.2.1 集成运放基本概念
⒈ 集成运放组成框图符号：
组成框图：
⒉ 集成运放主要参数
⑴ 开环差模电压增益 Aod
⑵ 共模抑制比 KCMR
⑶ 差模输入电阻 Rid
⑷ 输出电阻 Ro
⑸ 输入失调电压 UIO
⒊ 理想化集成运放
⑴ 理想化集成运放的参数要求
① 开环电压增益 Aod→∞ ；
② 共模抑制比 KCMR→∞,即无零漂，各种失调电压失调电流为 0；
③ 差模输入电阻 Rid→∞ ；
④ 输出电阻 Ro→0 ；
⑵ 理想化集成运放的特点
① 虚短
（条件：集成运放工作在线性放大状态）
② 虚断
3.2.2 集成运放基本输入电路
⒈ 反相输入输入电阻,Ri = R1
输出电阻,Ro→0
图 3-11 差动输入电路
⒉ 同相输入输入电阻,Ri →∞
输出电阻,Ro →0
图 3-11 差动输入电路
⒊ 差动输入图 3-11 差动输入电路
【 例 3-3】 试按下列电压增益要求设计由集成运放组成的放大电路。（设 Rf =20kΩ）
⑴ Aud =2；⑵ Aud =-2；⑶ Aud =-0.5；⑷ Aud =0.5。
解：⑴ Aud =2，既为正值，又大于 1，应选用同相输入电路。
，当 Rf=20kΩ时，取 R1 =20kΩ，
R2 =R1 //Rf =10kΩ。
⑵ Aud = -2,Aud为负值，应选用反相输入电路。
，当 Rf =20kΩ时，取 R1 =10kΩ，
R2 =R1 //Rf =6.67kΩ。
⑶ Aud =-0.5,Aud为负值，且小于 1，应选用反相输入电路。
，当 Rf=20kΩ时，取 R1 =40kΩ，
R2 =R1 //Rf =13.3kΩ。
⑷ Aud =0.5,Aud既为正值，又小于 1，应选用反相输入电路，
反相再反相获得正极性，如图 3-12a所示。当 Rf=20kΩ时，
取 R11 =2Rf1=40kΩ,R12 =R11 //Rf1 =13.3kΩ，
R21 = Rf2 =20kΩ,R22 = R21 //Rf2 =10kΩ，
uO = -uO1 =0.5uI 。
图 3-12b是利用 R2,R3分压，减小净输入电压 uP值，
当 Rf =20kΩ时，取 R1=20kΩ,R3 =10kΩ，则 R2 =30kΩ。
图 3-12 例 3-3电路
3.2.3 集成运放基本运算电路
⒈ 比例运算
① 反相输入能反相，比例系数可大于 1、等于 1或小于 1。
② 同相输入能同相，比例系数只能大于 1或等于 1，若要小于 1，可采用例 3-3⑷ 方法。
③ 相位要求有出入时，可再加一级集成运放反相。
⒉ 电压跟随器
Aud =1。
图 3-13 电压跟随器
a) Rf=0 b) R1=∞ c) Rf=0,R1=∞
⒊ 加法运算
⒋ 减法运算若取 R1 =R2 =R3 =Rf,可实现减法运算：
【 例 3-4】 电路如图 3-11所示,R1 =R2 =R3 =Rf =51kΩ,uI1、
uI2波形如图 3-15a,b所示，试画出输出电压 uO (t)波形。
② 再将 uI2与（ -uI1）相加。
解：图 3-11电路，当 R1 =R2 =R3 =Rf
时，电路构成减法器,uO =uI2 -uI1
=uI2 +(-uI1)。
画出 uO (t)波形如图 3-15c所示。
解题步骤：
① 先画出 -uI1波形（将 uI1反相）；
图 3-15 例 3-4波形
a) uI1 b) uI2 c) uO
⒌ 积分运算图 3-16 积分电路
【 例 3-5】 已知电路如图 3-16所示,R1 =R2 =10kΩ,Cf
=10nF,uC(0-)=0,uI (t)波形如图 3-17a所示，试求输出电压
uO (t)，并画出 uO (t)波形。
解：式（ 3-24）为积分电路不定积分表达式，考虑到初始条件,uO (t)表达式应写为定积分形式：
由于 uI (t)为方波，属分段函数，在一定区间内为直流（常数），
因此，上式可写为：
上式表明，在一定区间内,uO (t)为 t的一次函数，即为一条直线。线性函数只需求解其中二点，分段（区间）求解如下：
uO (0.5ms) = uO (0.3ms)-10000× 5× (0.5-0.3)× 10-3 =-5V
uO (0.1ms) = uO (0)-10000× 5× (0.1-0)× 10-3 =-5V
0 ～ 0.1ms：
0.1～ 0.3ms：
uO (0.3ms) = uO (0.1ms)-10000× (-5)× (0.3-0.1)× 10-3 =5V
0.3～ 0.5ms：
依次类推，画出 uO (t)波形为三角波，如图 3-17b所示。
图 3-17 例 3-5输入输出波形
a) 输入波形 b) 输出波形
3.3 集成运放非线性应用在非线性应用中，“虚短”和“虚地”等概念一般不再适用，
但“虚断”概念仍成立。
3.3.1 电压比较器
⒈ 电压比较器的工作原理图 3-20 电压比较器及其传输特性
a) 电压比较器电路 b) 传输特性
⑴ uI由反相输入端输入,UREF由同相输入端输入，其传输特性如图 3-19b中实线所示。
⑵ uI由同相输入端输入,UREF由反相输入端输入，其传输特性如图 3-20b中虚线所示。
⒉ 滞回电压比较器图 3-24 滞回比较器
a) 电路 b) 传输特性
⑴ 有二个 阈值,
①
②
⑵ 输入电压上升和下降时,运行路径 不同：
① 输入电压 uI从低 → 高变化时，输出电压 uO沿图 3-24b传输特性中的 abcef路径，即 uI需上升到 UTH1时，输出电压
uO从 +UZ→ -UZ。
② 输入电压 uI从高 → 低变化时，输出电压 uO沿图 3-24b传输特性中的 fedba路径，即 uI需下降到 UTH2时，输出电压
uO从 -UZ→+ UZ。
3.3.2 方波发生器
⒈ 方波发生器
⑴ 工作原理图 3-26 方波发生器
a) 电路 b) 波形
⑵ 振荡周期
⒉ 矩形波发生器改变电容 C充放电时间常数，可使方波变为矩形波，调节 Rf1、
Rf2，即可调节矩形波占空比。 图 3-27 矩形波发生器
3.3.3 有源滤波器
⒈ 滤波器的基本概念
② 高通滤波器
⑴ 滤波器功能
⑵ 有源滤波和无源滤波
⑶ 低通滤波器和高通滤波器
① 低通滤波器图 3-30 RC无源低通滤波器
a) RC电路 b) 幅频特性图 3-31 RC无源高通滤波器
a) RC电路 b) 幅频特性图 3-32 带通和带阻滤波器幅频特性
a) 带通滤波器 b) 带滤阻波器
④ 带阻滤波器
③ 带通滤波器
⑷ 滤波器的传递函数
① 无源 RC低通滤波器的传递函数：
其中
f0称为高通滤波器的 上限截止频率 。
② 无源 RC高通滤波器的传递函数：
其中
f0称为高通滤波器的 下限截止频率 。
⒉ 一阶有源低通滤波器图 3-33 一阶低通有源滤波器传递函数：
其中 Aup称为通带放大倍数，图 3-33a电路,Aup = 1；图
3-33b电路,Aup = 1+ Rf /R1。
⒊ 一阶有源高通滤波器图 3-34 一阶有源高通滤波器传递函数：
其中图 3-34a电路,Aup = 1；
图 3-34b电路,Aup = 1+ Rf /R1 。
