电子设计制作大赛中的
基本概念、基本知识与基本方法汇编
电信学院
一、 运算放大器的使用
2运算放大器的基本结构
2运算放大器输入端的偏置 2运算放大器的单电源使用 2运放输出摆幅与电源电压
2运算放大器的开环使用与闭环使用 2运算放大器的自激 2运算放大器的主要指标
尹建新
二、 振荡器的基本概念（待续）
三、 滤波器（有源滤波器）的带外特性（待续） 四、 工频干扰（待续）
五、 管子发烫问题的分析（待续） 六、 数量级概念（待续）
七、 集成稳压器的内阻与电源去耦（待续）
一、运算放大器的使用
运算放大器是使用得最为广泛的模拟集成电路，由其构成的放大器、加法器、比较器、恒流源、振荡器、脉冲处理电路、微积分电路、有源滤波器、施密特触发器等等，不仅在电子设计制作比赛中，而且在工程应用上频频出现。但一般教材往往重在介绍其典型应用电路，而对于集成运放器件本身的使用（无论是开环使用与闭环使用）很少予以注重，故此处进行专题讲解。
1．运算放大器的基本结构
所有的运算放大器都可以分为输入级、中间级和输出级构成，如图1所示：
图1
整个运放的增益主要由输入级提供，而输出级只是一种互补推挽形式的跟随器，以提供一定的电流输出。虽然从使用的角度出发，我们并没有必要去了解运放内部的具体电路形式（而且不同型号的运放其内部电路形式也不相同），但是，其输入级和输出级是需要和外电路相连的，所以我们有必要了解运放的输入级和输出级的电路特点，以对其正确的外部使用提供依据。
第1页
无一例外地，运放的输入级必定是差分放大器的电路形式（或者是双极型管，或者是场效应管），而输出级必定是互补推挽形式的射极跟随器（或者是场效应管的源极跟随器）。之所以运放的输入级必定是差分放大器，是因为运算放大器本质上是一种直接耦合的高增益放大器，所以必然会带来直接耦合放大器的必然难题——“零点漂移”问题，而差分放大器的优越的共模抑制能力就成为运放输入级电路形式的首选。通俗的说，差分放大器的优越的共模抑制能力其实就是利用了电路结构上的对称性，从而将共模形式的漂移和扰动抵销掉。从图1中可以看到，运放的两个输入端是平衡的，或者说是完全对称的。运放的输出端之所以要采用互补推挽形式的跟随器，首先，采用跟随器的电路形式既是因为它能够提供一定的输出电流，同时也能够提供较低的输出阻抗；其次，之所以采用互补推挽的电路形式，是因为这样可以使得输出级既能够提供较大输出电流，同时又能够实现偏置电流比较小（接近于乙类放大器），这样有利于降低功耗。充分了解以图1所代表的运算放大器的电路结构，对于理解下面的关于运算放大器的基本使用方法是必需的。
2．运放的输入端的偏置
现在以图1所示的双极型管运放为例来说明（场效应管运放是类似的）。运放输入端原则上来说对地，或者对电源必须有直流通路。否则图1所示的运放的基极是不可能得到偏置电流的。如果对地有直流通路，则可以通过负电源给基极提供偏置电流；如果对电源有直流通路，则可以通过正电源给基极提供偏置电流。但是，偏置电流的大小与电源电压无关，也与用于提供直流通路的电阻的大小无关，因为其发射极是用恒流源偏置的。运放器件是把差分放大器的两个基极引出作为运放的反相和同相输入端的，但是，在集成运放内部，这两个输入端无论是对地还是对正电源都没有直流通路，即处于悬空状态，这样做是为了让使用者具有更灵活的运用空间。但是这就要求使用时要注意输入端的偏置。我们以图2来说明。
图2
图2是一个典型的同相放大器。其中，同相输入端的对地电阻R2有两个作用。第一个作用是通过电阻R2给运放的同相输入端提供一个对地的直流通路，使得运放内部与同相输入端相连的基极通过电阻R2与负电源构成回路以形成基极电流（参见图1）；而反相输入端则接有两个支路：一个是通过电路R1对地形成直流通路，另一个是通过电阻Rf与运放输出端形成通路。注意，输出端的静态直流电位应该为零（在双电源供电的情况下），这一点是由放大器输入端的静态零电位和负反馈环路来保证的。所以R1和Rf在形式上是并联的。R2的第二个作用是要保证运放的同相输入端和反相输入端的外电路的对称性，或者静态参数的对称性，以充分保证运放差分放大器形式的输入级的共模抑制能力，故应满足R2=R1∥Rf。
以上是在运放正负电源供电（即双电源供电）时的情况，而运放在单电源供电时的情况，将在“3．运算放大器的单电源使用”一节中说明。
下面再讨论R1、R2和Rf的具体取值原则。首先，设运放的输入电阻为Ri，在满足（R1∥Rf）< 图3 从图3的参数表中可以看到，LM118和LM218的输入电阻离散范围至少为1~3MΩ，而LM318的输入电阻离散范围至少为0.5~3 MΩ，所以，如果不满足（R1∥Rf）< 第2页 增益将会有一定的离散性。一般来说，为了避免这种影响，应该满足（R1∥Rf）≦Ri/10的条件，这是问题的一方面。问题的另一方面是，从同相输入端来看，对地电阻R2会降低整个放大器的输入电阻，虽然图2所示电路为电压串联负反馈，如果不考虑R2的影响，则整个放大器的输入电阻为Ri3（1+AF）,这是相当高的输入电阻，但是R2的存在使得放大器的输入电阻大大降低，所以从提高放大器输入电阻的方面来考虑，应当尽可能将R2取值较大。这两个方面的制约，就是R1、R2和Rf的取值原则，掌握了这个原则，然后就可以根据实际情况进行具体取值。 当然，采用运放可以组成各种各样的电子线路，并不一定都如图2所示，但是，其外部元件的具体取值所需要考虑的方面也大都如上所述，这本身需要针对具体情况具体分析，此处不再赘述。 3．运放的单电源使用 教材上的关于运放的各种电路往往都是在双电源供点的情况下的，但是其实，运放既可以工作在双电源供电的情况，也可以工作在双电源供电的情况。而且，既可以在正的单电源供电的情况，也可以在负的单电源供电的情况下工作，不过，与双电源供电的情况略有不同。由于一般正电源供电的情况比较多，所以，这里以正的单电源供电为例进行说明。 首先，在单电源供电的情况下，运放输出端的直流电位不再可能为零，如果为零，则从图1中可以看到，输出推挽电路的下方的管子将会饱和（注意此时负电源端是接地端），从而处于非线性状态。从运放输出端的最大的输出信号的动态范围来看，输出端的静态应该偏置在电源电压的二分之一，即E/2。所以，单电源供电的运放所构成的同相交流放大器的电路如图4所示。 图4 从图4中可以看到，当R2=R3时，运放的同相输入端被偏置到E/2，而由于反馈支路中电容C2的存在，放大器在直流情况下是全反馈，即放大器的直流电压增益为1，所以，输出端将被偏置到E/2。现在再来看参数取值。放大器的交流电压增益为：Av=Rf/R1，从同相输入端来看，由偏置电路（R2和R3组成）提供的偏置电压为E/2，其内阻为R2∥R3，所以，反馈电阻Rf的取值应该为：Rf= R2∥R3。这样才能做到静态情况下同相输入端和反相输入端外电路的完全对称。 图5 图5则是集成运放LM358的参数手册中所给出的应用电路之一。这个电路是一个交流耦合的反相放大器（AC COUPLED INVERTING AMPLIFIER），但是图中没有画出供电电源端的电源连接。从图5中可 第3页 以看到，其同相输入端同样被偏置在Vcc/2，而偏置电路中的电容C1（10μF，而不是10F）用于交流接地。尽管是参数手册中给出的电路形式，但是笔者认为仍然有个地方值得商榷：就是图5中Rf≠R2∥R3。这会造成静态时同相和反相输入端的不对称，从而导致放大器输入端等效为有一个微小的静态输入电压（E/2±△V），当然，由于运放直流的全反馈，直流电压增益为1，同时，也由于运放输入端的偏置电流很小（纳安的数量级），所以对输出端的静态电位影响不大。 当然，双电源供电的运放可以输出正负极性的电压波形，而单电源供电的运放则只能输出单极性的波形。当需要对包含直流的信号进行放大时，往往采用双电源供电更为合适；而如果只对交流信号进行放大，则采用单电源供电就可以了。 4．运放输出摆幅与电源电压 运放的输出摆幅（Output Voltage Swing）指的是运放在一定的电源电压供电下可能得到的最大输出幅度。有很多时候人们需要关心运放的最大输出幅度或者输出电平。例如，运放在+5V供电电压下，最高输出电压能够达到5V吗？最低输出电压能够达到0V吗？——当然这是不可能的。这一点，我们可以从图1中的运放输出级的电路结构中看出。运放的最高输出电压出现在运放输出级推挽电路中上方管子接近饱和的时候，由于管子饱和压降的存在，以及发射极电阻的存在等等因素，所以最高输出电压不可能达到+E；最低输出电压也不可能达到-E。一般来说，运放的极限输出电压如果上端接近+E，则下端输出电压则会离-E比较多；反之，如果下端输出电压接近-E，则上端输出电压则会离+E比较多。例如，如果运放为+5V的单电压供电，则如果最高输出电压接近+5V，例如4.85V，则最低输出电压可能只能达到1.5~2V，而不可能达到例如0.3V。实际上，运放输入级推挽电路往往并不是完全对称的，图6所示的就是运放LM358的输出级电路，从该电路可以看出，LM358的最低输出电压可以达到比较低，但是由于电阻Rsc的存在和推挽电路的上端没有采用自举电路，其最高输出电压将会离+E比较远。 图6 下面是运放LM358的输出电压摆幅参数表，见图7。 第4页 图7 从输出电压摆幅（Output Voltage Swing）来看，在正电源端为+5V，负电源端接地的情况下，最大输出电压的峰峰值Vopp大约只能到3V。在单电源+30V供电的情况下，最高输出电压（High Level Output Voltage）可能只能到达26V；而在+5V供电的情况下，最低输出电压（Low Level Output Voltage）却可以低到20mV，即0.02V。（请注意测试条件：Vcc+=5V，Vcc-=Ground，Vo=1.4V，Tamb=25℃，除非另外指定） 从表中可以看到，运放LM358输出电压高端不可能很高，但是低端可以很低。这在使用运放时是应该加以注意的，尤其是当运放工作在开关状态时。 5．运放的开环使用与闭环使用 所谓开环是指在使用运放时没有对运放引入反馈环路，而闭环则是指引入了反馈环路。所引入的反馈，既可能是正反馈，也可能是负反馈，不过，更多的应用是引入负反馈，所以这里只讨论负反馈的情形。而正反馈的引入则放在“二、振荡器的基本概念”一章中讨论。 首先应该明确这样的概念：闭环使用的运放工作在线性状态，而开环使用的运放则工作在非线性状态。这是因为运放是一个高增益放大器（其低频增益往往高达100dB以上），所以，在开环情况下，即使输入端有任何一点微小的输入电平，例如由于外电路的不对称而导致的等效输入电平等，都会导致运放的高增益的放大，其结果，必然导致运放内部放大器的过载，即使得内部的放大器件进入非线性区。其表现形式就是运放输出端的静态电平不是最高电平就是最低电平，而不会是所期望的静态电平（例如双电源供电时输出端的静态电平应该为零）。但是在闭环情况下，由于负反馈的自动调节作用，将会使得运放输出端维持在正常的静态电平。那么，运放输出端的静态电平取决于什么呢？——这并不是取决于运放的输出端，相反，这取决于运放输入端的静态电平。这是因为所谓负反馈实际上是通过反馈网络将输出量反过来作用到输入端，与输入端的参考电平进行比较，然后将误差电平（即所谓的净输入）作用到运放的输入端，从而实现对运放输出端的控制。这里以图2电路进行说明。 在图2中，Rf和R1构成反馈网络，R1上的电压就是反馈电压，它比例于输出电压。而同相输入端的电压就是参考电压。静态时，这个参考电压为零，所以反馈电压也将接近于零。因为如果反馈电压不接近于零，则运放两个输入端之间将会有比较大的净输入电压，即误差电压，这个误差电压就会导致输出端有比较大的反向电压出现（因为是负反馈），从而就会导致反馈电压的反向变动，进而导致误差电压的减小，最终的结果就是——反馈电压接近于零。这是这种负反馈的自动调节，才保证了运放闭环时工作在线性状态。 所以，负反馈放大器有一个特点，那就是反馈电压会自动跟踪参考电压，反馈深度越深，这种跟踪能力就越强，其表现形式就是误差电压更小。所以，如果图2中的运放的同相输入端静态电位不为零，则反馈电压也不会为零，而输出电压与反馈电压成比例，故输出电压也不会为零。所以说，闭环情况下，运放输出端的静态电位完全取决于输入端的静态电位。 当然，如果输入端是一个波形，例如正弦波，则反馈电压因为跟踪输入端电压，所以同样会是正弦波，而输出电压与反馈电压成比例，当然也就是正弦波了。这个概念具有一般性，例如如果把集成稳压器的参考电压端接入正弦波，则集成稳压器就会成为一个正弦功率放大器。 由于运放的低频增益特别高，所以运放中所引入的负反馈肯定是深度负反馈，反馈深度用|1+AF|表示，其值越大，反馈越深。由于A太大，所以，即使F很小，例如0.001（实际使用中往往并没有这么小），也依然是深度负反馈。所以运放中的估算完全可以采用深度负反馈情况下的近似计算。但是我们也应该注意到，随着工作频率的提高，运放的增益将会直线下降，这时候运放就不再满足深度负反馈的条件了。所以 第5页