运算放大器电路

《运算放大器电路》是"电工电子技术丛书"之一。《运算放大器电路》共分7章，主要介绍:运算放大器、规格表的读法和用法、运算放大器的基本电路、非线性电路中运算放大器的用法、运算放大器的各种使用方法，由集成运算放大器构成的电路实例以及集成运算放大器的电路构成与原理及使用时的注意事项等。《运算放大器电路》内容简洁、重点突出、实用性强，辅以大量插图，有较强的可读性及参考性。

《运算放大器电路》既可供工科院校相关专业师生参考，亦可供从事电子技术相关方面的技术人员阅读使用。

第1章 运算放大器

1.1 运算放大器概述

运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机(analog computer)的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管(transistor)或真空管(vacuum tube)、分立式(discrete)元件或集成电路(integrated circuits)元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。

1960年代晚期，仙童半导体(Fairchild Semiconductor)推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒(Bob Widlar)。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741

1.1.1 "运算"一词的由来

1.1.2 运算放大器的诞生背景

1.2 发挥五官的作用

1.2.1 身边的各种感受

1.2.2 运算放大器和显微镜

运算放大器(简称"运放")是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名"运算放大器"。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

1.3 运算放大器和油压装置

1.3.1 油压装置

1.3.2 超微型油压装置

1.4 中心线

1.4.1 偏离中心

1.4.2 集成运算放大器的输出偏离--失调

1.5 内外之分

1.5.1 内部状态与外部状态

1.5.2 运算放大器的"内外"之分

1.6 杠杆原理

杠杆原理亦称"杠杆平衡条件"。要使杠杆平衡，作用在杠杆上的两个力(用力点、支点和阻力点)的大小跟它们的力臂成反比。动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1· l1=F2·l2。式中，F1表示动力，l1表示动力臂，F2表示阻力，l2表示阻力臂。从上式可看出，欲使杠杆达到平衡，动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。

1.7 杠杆和电阻

1.7.1 通过杠杆的运动来控制油压装置的运动

1.7.2 杠杆和电阻的工作原理

1.8 在运算放大器上连接电阻

1.8.1 失调调节法

1.8.2 反馈电阻的作用

1.9 放大倍数的决定因素

1.9.1 放大倍数由电阻的比值决定

1.9.2 运放由负反馈决定

1.10 运算放大器的图形符号

1.10.1 使用图形符号使电路图变得简明

1.10.2 没有逆流的"力"

1.11 信号和电能

1.11.1 电的利用方法

1.11.2 信号

1.12分贝(dB)

1.12.1 尺度

1.12.2 将倍数A换算成增益G

本章小结

第2章 规格表的读法和用法

2.1 集成运算放大器的型号

2.1.1 封装

2.1.2 集成运算放大器的名称

2.2 集成运算放大器的外形尺寸和工作温度

2.2.1 集成运算放大器的外形尺寸

2.2.2 集成运算放大器的工作温度

2.2.3 原创品和非原创品

2.3 极限参数

2.4 直流参数

2.4.1 输入失调电压

2.4.2 输入偏置电流和失调电流

2.4.3 输入电阻和输入电容

2.4.4 电源电流(消耗功率)

2.5 直流参数

2.5.1 电压增益和开环增益

2.5.2 输入失调电压和电流的温度系数(温漂)

2.5.3 上下波动(输出电压振幅)

2.5.4 输入电压范围

2.5.5 共模抑制比CMRR

为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示，符号为Kcmr，单位是分贝db。

差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越优良。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CMRR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。

◇ 电路对称性--电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号(干扰)的能力也就越差。

◇ 电路本身的线性工作范围--实际的电路其线性范围不是无限大的，当差模信号超出了电路线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。实际电路的线性工作范围都小于其工作电压，这也就是为什么对共模抑制要求较高的设备前端电路也采用较高工作电压的原因。

2.5.6 电源抑制比PSRR

电源抑制比(PSRR)是输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示。对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。

电源抑制比可分为交流电源抑制比和直流电源抑制比,其具体意思如下.

交流电源抑制比(ACPSR)

先在标称电源电压(5V)的情况下,读取一个测量值,然后在电源电压上叠加一个频率为100HZ,有效值为200mV的信号,在相同的输入信号电平下,读取第二个测量值,按测量误差公式 "百分误差=(第二测量值-第一测量值)/第一测量值" 计算得到的百分比误差即为交流电源抑制比.

直流电源抑制比(DCPSR)

先在标称电源电压(5V)的情况下,读一个测量值,然后使电源电压变化 5%,在相同的输入信号电平下读取第二个测量值,按测量误差公式(同上题公式)计算得到的百分误差即为直流电源抑制比.

2.6 交流参数

2.6.1 过渡响应

2.6.2 信号经过电路后会变形(转换速率SR)

本章小结

第3章 运算放大器的基本电路

3.1 反相放大电路(高温测量)

3.1.1 将温度变化转换成电信号

3.1.2 放大倍数为100倍的反相放大器

3.1.3 反相放大器的输入电阻

3.1.4 温漂怕热

3.2 同相放大电路(光度测量)

3.2.1 将亮度变化转换成电信号

3.2.2 放大倍数为10倍的同相放大器

3.2.3 同相放大器的输入电阻和特征

3.2.4 运算放大器的最大输出电压

3.2.5 运算放大器的负载电阻

3.3 差动放大

3.3.1 反相跟随同相

3.3.2 电阻型传感器的用法

3.4 运算放大器的本来面目是差动放大

3.4.1 拉长电线会使电阻值增加

3.4.2 通过检测物体的变形来测量重量

3.4.3 抵消因温度变化带来的测量误差

3.5 地线与高增益电路

3.5.1 地线的处理方法

3.5.2 增益可变的电路

3.5.3 增益很高的电路

3.6 施密特触发器

3.6.1 同相放大电路与施密特电路的区别

3.6.2 线性电路和非线性电路

3.7 灯到黄昏自动亮

3.7.1 灯到黄昏自动亮

3.7.2 继电器驱动电路

3.8 用运算放大器制作的交流放大电路

3.8.1 连微动都没有的"静止"状态

3.8.2 用运算放大器制作的交流放大电路

3.8.3 活动不敏捷

3.8.4 运算放大器的过渡特性和转换速率

本章小结

第4章 非线性电路中运算放大器的用法

4.1 非线性电路

4.1.1 非线性电路

4.1.2 非线性电路的作用

4.2 理想二极管和直线检波

4.2.1 消除死区(理想二极管)

4.2.2 二极管的工作原理

4.3 将交流变成直流(AC/DC变换)

4.3.1 求交流的绝对值和平均值

4.4 对数放大器和反对数放大器

4.4.1 对数放大器

对数放大器是指输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。实际的对数放大器总是兼具线性和对数放大功能,它的输入-输出幅度特性如图1。输入信号弱时,它是一个线性放大器,增益较大;输入信号强时,它变成对数放大器,增益随输入信号的增加而减小。对数放大器在雷达设备中有特别重要的作用。它不仅可以保证雷达接收机有很宽的动态范围，而且可以限制接收机输出的杂波干扰电平，达到恒虚警的效果。对于单脉冲雷达(见跟踪雷达)，还可归一化角误差信号;对于动目标显示雷达，还可抑制固定目标起伏。

在雷达、通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。采用对数放大器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。 设计良好的对数放大器能达到D1超过100分贝而D2在30分贝以下。除动态范围外，对数放大器的主要指标还包括对数关系的准确度和频率响应。

对数中频放大器和对数射频放大器，可用相同的方法获得对数特性。

晶体二极管的PN结电压(见固态电子器件)是结电流的对数函数，用它作为放大电路的负载或反馈元件可以使放大器具有对数幅度特性。使用这种方法虽然电路简单，但通常只能达到小于50分贝的输入动态范围，而且放大器的频带受PN结电容的限制，不能太宽。利用多级放大器串联或并联相加形成近似对数放大特

性，可以获得较好的结果。图2是多级串联相加对数放大器的框图，其中每级都是一个线性-限幅放大器。当输入信号弱时,放大器各级均不饱和，总增益最高。随着输入信号幅度的增大，从末级起各级放大器依次进入饱和状态，总增益随之降低。实用的对数放大器常用 4~10级限幅放大器组成。若规定放大器的动态范围，较多的级数能达到的对数关系也较准确。

4.4.2 反对数放大器

4.4.3 用途

4.5 折线近似电路

4.5.1 稍有弯曲(折线电路)

4.5.2 折线电路的基本原理

……

第5章 运算放大器的各种使用方法

第6章 由集成运算放大器构成的电路实例

第7章 集成运算放大器的电路构成与原理及使用时的注意事项

附录

书 名: 运算放大器电路

ISBN: 9787030234070

开本: 16开

定价: 29.00 元