江 西 省 电 子 信 息 技 师 学 院

项目 4 温度指示器的制作与调试

每当季节更替，气候变化时，令人想回忆过去的往事。利用集成运放的应用电路，制作一款温度指示器，随时陪伴在你的身边，让你觉得总有“人”关心你，提示你“寒”“暑”间的温度变化。其实，时至今日，集成运放在各种放大器、比较器、振荡器、信号运算电路得到了广泛应用，成为一种通用性很强的基本集成电路。

2

内容提要内容提要集成运算放大器在基本运算中的应用11

集成运算放大器在信号处理方面的应用3333

集成运算放大器在波形发生方面的应用 集成运算放大器在波形发生方面的应用22

3

任务 1 集成运算放大器在基本运算中的应用

任务目标： 1 ．理解集成运算放大器的特点； 2 ．了解集成运放的单元电路（恒流源、差分放大

器）的组成形式及基本特性； 3 ．掌握集成运放在线性系统中的应用； 4 ．能正确识读集成运放和判断其的质量好坏任务教学方式： 教学建议：采用多媒体课件，重点介绍差分放大器输入与

输出方式及特点；集成运放的应用电路应结合练习，精讲电路结构形式及特性

4

任务 1 集成运算放大器在基本运算中的应用

知识 1 集成运放的基本单元电路

1 ．电流源电路 （ 1 ）单管电流源电路 单管电流源电路采用分压偏置式电路（即引入电流负反馈） 单管电流源电路

集成电路内部结构框图

5

（ 2 ）镜像电流源 V1 和 V2 管的参数完全相同，故 IC1=IC2 ，当管子的 β 较大时，IB 很小，可忽略不计，所以 V2 管的集电极电流 IC2 （即电流源输出电流）近似等于基准电流 IREF ，即

镜像电流源

R

V

R

UVII CCBECC

REFC

2

6

有源负载放大器

由于普通晶体管电流源的频率特性较差，尤其是横向 PNP 管电流源的频率特性更差，所以在高速或宽带集成电路中，一般不采用有源负载放大器。

由于电流源具有直流电阻小，而交流电阻很大的特点，在集成电路内部的放大器广泛使用电流源作有源负载 。

7

2 ．差分放大电路 （ 1 ）零点漂移现象 在单级共射放大器处静态时，由于温度变化、

电源波动、器件的老化等因素的影响，会使工作点电压（即集电极电位）偏离设定值而缓慢地上下漂动，这种现象称为零点漂移，简称“零漂”。

（ 2 ）基本差分放大器1 ）电路结构

8

对于完全对称的差分放大电路，输出电压 uo=uc1-uc2=0 ，因此共模电压放大倍数

共模放大倍数 AVC 愈小，则表明抑制零漂移能力愈强。 差分放大器常用共模抑制比 KCMR （ Common - Mode Rejection Ratio) 来衡量放大器对有用信号的放大能力及对无用漂移信号的抑制能力，其定义为

id

uiduid

id

cc

id

ouD u

AuAu

u

uu

u

uA

21

21

21

uuD AA

0iC

ouC u

uA

即

uC

uDCMR A

AK

9

2 ）典型的差分放大电路

当输入信号 ui=0 时，由于电路不完全对称，输出 uo 不一定为零，这时可调节 RP ，使电路达到对称， uo=0 。而发射极电阻 Re 的作用是引入共模负反馈。例如，当温度升高时，两个晶体管的射极电流同时增大，射极电阻 Re 两端电压升高，使两管发射结压降同时减小，基极电流也都减小，从而阻止了两管集电极电流随温度升高而增大，稳定了静态工作点，有效地抑制零漂。在共模信号输入时，由于差分放大器在 Re 上形成的反馈电压是单管电路的两倍，故对共模信号有很强的抑制能力。

10

3 ．具有恒流源的差分放大器

由于电流源的输出端电位在很宽范围内变化时，输出电流的变化极小，因而当输入共模信号引起射极电位改变时，将不会影响差模性能，但会使共模放大倍数减小。因此，引入恒流源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围，从而提高共模抑制比。

11

4 ．差分放大电路的几种输入、输出方式

图（ c ）为单端输入、双端输出差分放大电路；而图（ d ）为单端输入、单端输出差分放大电路。

双端输入和双端输出差分放大电路如图（ a ）所示，可利用电路两侧对称性及 Re 的共模反馈来抑制零漂；

图（ b ）为双端输入、单端输出差分放大电路；

12

无论是双端输入，还是单端输入，只要是双端输出时， Au

D = AuD1 （ AuD1 单边差模电压放大倍数）；单端输出时，

想一想：1 ．零点漂移是否在任何耦合方式的多级放

大器中都存在呢？2 ．在差分放大器的不同连接方式中，输出方式怎样影响电压放大倍数的？输入方式会影响电压放大倍数吗？

12

1uDuD AA

13

知识 2 集成运算放大器应用 理想化的条件主要是：开环放大倍数 Ao→∞ ；差

模输入电阻 rid→∞ ；开环输出电阻 ro→0 ；共模抑制比 KCMRR→∞ 。

运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：一是由于运算放大器输入端的差模输入电阻 rid→∞ ，故认为两个输入端的输入电流为零，称为“虚断”；二是由于运算放大器的开环放大倍数Ao→∞ ，输出电压是一个有限的数据，从 uo=Ao

（ u+-u-） =uo/ Ao≈0 ，所以认为 u+≈u-，称为“虚短”。

14

（ a ）新符号 （ b ）旧符号

1 ．反相比例放大电路反馈电阻

输出输入

平衡电阻

输入电阻

if

o uR

Ru

1

15

2 ．同相比例放大器电路

当 Rf=0 ， R1→∞ 时，便构成了电压跟随器

16

例 4.1 有一理想集成运放电路接线如图所示，已知 ui=1V ，R1=20kΩ ， Rf=200kΩ ，试求输出电压 uo 及平衡电阻 R2 。

解：（ 1 ）此电路为反相放大器，

（ 2 ）

VuR

Ru i

fo 10

20

2001

1

kRRR f 2.1820020

20020//12

17

例 4.2 在下图所示电路中，已知 Rf=2R1 ， R3=2R2 ， ui=1V ，试求输出电压 uo 。

解：图示电路可以分解成两个运算放大器， A1 构成电压跟随器， A2 构成同相比例运算放大器。因此，对 A1来说，uo1= ui ；对 A2来说，

VuRR

R

R

Ru o

fo 2

3

231 1

32

3

1

18

3 ．反相加法器电路 集成运放构成反相放大器， u1 、 u2 为相加电压，

uo 为和电压。当取 R1=R2=Rf 时， A=1 ，输出电压uo=-（ u1+ u2 ），实现了加法运算。 R3 为平衡电阻（为保证同相输入和反相输入端参数对称，取R3= R1∥R2∥Rf ），用于平衡输入偏置电流造成的失调。

19

4 ．相减器（差动运算电路） 利用叠加原理进行分析计算， 得

当取 R1=R2= R3= Rf 时，A=1 ，输出电压 uo= u2-u1 ，实现了减法运算。 R3 为平衡电阻。

11

232

3

1

1 uR

Ru

RR

R

R

Ru ff

o

20

例 4.3 在下图所示电路中，已知 R1=R2=R3=Rf ， u1

=1V ， u2=3V ，试求输出电压 uo 。

解：此电路构成了一个减法器，因 R1=R2=R3=Rf ，故可得出

uo= u2-u1=3-1=2V

21

想一想：1 ．理想集成运放工作在线性区时，有哪两个特

点（即重要结论）？2 ．比例运算电路的闭环电压放大倍数是否与反

馈电阻和输入电阻以及集成运放本身参数均有关系？3 ．什么是“虚短”、“虚断”、“虚地”？同

相输入电路是否存在“虚地”？

22

做一做：集成运放的仿真测试

U1

741

3

2

4

7

6

51

R15.1k

V112 V

V212 V

V3-1 V

XMM11. 电压跟随器仿真电路

Ui/V ﹣1 ﹣0.5 0 1 2

Uo/V R1=5.1kΩ

R1=∞

电压跟随器仿真数据记录

23

U1

741

3

2

4

7

6

51

V112 V

V212 V

XMM1

R1

10kR2

10kR3200kV3

0.1 V

2. 反相比例放大器仿真电路

反相比例放大器仿真数据记录

Ui 20mV 100mV 500mV 1V 2V 5V

Uo

24

U1

741

3

2

4

7

6

51

V112 V

V212 V

XMM1

R1

10kR2

10kR3200k

V30.1 V

3. 同相比例放大器仿真电路

同相比例放大器仿真数据记录

Ui 20mV 100mV 500mV 1V 2V 5V

Uo

25

U1

741

3

2

4

7

6

51

V112 V

V212 V

XMM1

R1

10kR2

10kR3200k

V3

20mV

V4-5mV

R4200k

4. 相减器仿真电路

相减器仿真数据记录

V3直流电压源 / mV 5 10 20 ﹣50

V4直流电压源 / mV 10 5 ﹣5 20

Uo/ mV

26

U1

741

3

2

4

7

6

51

V112 V

V212 V

XMM1

R3200k

V3

5mV

V410mV

R1 20k

R2 20k

R420k

5. 反相加法器仿真电路

反相加法器仿真数据记录

V3直流电压源 / mV 5 10 20 ﹣50

V4直流电压源 / mV 10 5 ﹣5 20

Uo/ mV

27

做一做：集成运放的实验测试

反相比例运算实验电路

输入电压 Ui ﹣0.4V ﹣0.2V +0.2V +0.4V

输出电压Uo

计算值 Uo= -（ Rf/R1） Ui

实测值

在反相输入端加入直流信号 Ui ，依次将 Ui 调到 -0.4V 、 -0.2V 、 +0.2V 、 +0.4V ，用万用表测量出每次对应的输出电压 Uo ，记录在下表中。

28

从函数信号引入 f =1kHz 、 Ui=0.5V 的正弦交流信号，用示波器测量相应的 Uo ，并观察 Uo 和 Ui 的相位关系，记入下表中。

Ui（ V） Uo（ V） Ui波形 Uo波形 AV

实测值 计算值

反相比例运算实验电路

29

同相比例运算实验电路

在同相输入端加入直流信号 Ui ，依次将 Ui 调到﹣ 0.4V 、﹣ 0.2V 、 +0.2V 、 +0.4V ，用万用表测量出每次对应的输出电压 Uo ，记录在下表中。

输入电压 Ui ﹣0.4V ﹣0.2V +0.2V +0.4V

输出电压Uo

计算值 Uo= （ 1+Rf/R1） Ui

实测值

30

从函数信号引入 f =1kHz 、 Ui=0.5V 的正弦交流信号，用示波器测量相应的 Uo ，并观察 Uo 和 Ui 的相位关系，记入到下表中。

Ui（ V） Uo（ V） Ui波形 Uo波形 AV

实测值 计算值

同相比例运算实验电路

31

电压跟随器实验电路

从函数信号引入 f =1kHz 、 Ui=0.5V 的正弦交流信号，用示波器测量相应的 Uo ，并观察 Uo 和 Ui 的相位关系，记入到下表中。

Ui（ V） Uo（ V） Ui波形 Uo波形

32

反相加法实验电路

在电阻 R1 端加入直流信号电压 Ui1 ，在电阻 R2 端加入直流信号电压 Ui2 ，依下表调整 Ui1 、 Ui2 ，用万用表测量出每次对应的输出电压 Uo ，记录在下表中，

输入电压 Ui1 ﹣0.4V ﹣0.2V +0.2V +0.4V

输入电压 Ui2 ﹣0.2V +0.4V ﹣0.4V +0.2V

输出电压 Uo

计算值 Uo= -（ Rf/R1）（ Ui1+Ui2）

实测值

33

减法器（差动放大器）实验电路

在电阻 R1 端加入直流信号电压 Ui1 ，在电阻 R2 端加入直流信号电压 Ui2 ，依下表调整 Ui1 、 Ui2 ，用万用表测量出每次对应的输出电压 Uo ，记录在下表中，

输入电压 Ui1 +0.2V ﹣0.2V +0.2V +0.4V

输入电压 Ui2 +0.4V +0.2V ﹣0.2V ﹣0.4V

输出电压 Uo

计算值 Uo= （ Rf/R1）（ Ui2-Ui1）

实测值

34

任务 2 集成运放在波形变换发生方面的应用

任务目标： 1 ．了解集成运算放大器在线性系统中的应用； 2 ．理解集成运放在低频正弦波信号的产生电路

中的作用任务教学方式： 教学建议：集成运放构成的 RC振荡器讲解时，可结合前面所学的由

分立元件组成 RC正弦波振荡器，来进行电路结构比较

35

任务 2 集成运放在波形变换发生方面的应用

知识 产生低频正弦波信号的电路 当集成运放应用于产生正弦波、矩形波（方波）和锯

齿波等不同类型的波形时，其工作状态并不相同。通常在产生正弦波的电路中，集成运放可以作为放大环节，再配以一定的选频网络等，即可产生正弦波振荡，所以其中的运放基本上工作在线性区。但是，对于产生矩形波或锯齿波的电路，它们实质上是脉冲电路，其中的运放作为一个开关元件，输出电压只有两种状态，因此，它们大都工作在非线性区。

36

如右图所示为采用集成运放的 1kHz文氏桥式正弦波振荡器， R1 、 C1 和 R2 、C2 构成正反馈回路，并具有选频作用，使电路产生单一频率的振荡。 R3 、 R4 、R5 等构成负反馈回路，以控制集成运放 IC 的闭环增益，并利用并联在 R5 上的二极管 VD1 、 VD2 的箝位作用进一步稳定振幅。电路谐振中心频率

集成运放构成的 RC 振荡电路 o

1

2πf

RC

1 1

37

右图中，由三节 RC 高通电路组成的反馈网络（兼选频网络），其最大相移可接近 270º ，因此有可能在特定频率 fo 下移相180º ，即 φf=180º 。考虑到放大电路产生的相移（运放的输出与反相输入端比较） φa=180º ，则有 φa+φf=360º 或 0º 。显然，只要适当调节 Rf 的值，使 Auf适当，就可同时满足相位和振幅条件，产生正弦波信号。 可以证明，这种振荡电路的振荡频率为

移相式 RC 振荡器

RCfo

62

1

38

做一做： 运算放大器构成的 RC 振荡器仿真测试

U1

LM318D

3

2

4

7

6

51

8

R1

20k

R220k

R3

10k

R4

15k R510k

C1

8.2nF

C28.2nF

D11N4148

D21N4148

V112 V

V2 12 V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

由 M318 构成的振荡器

39

任务 3 集成运放在信号处理方面的应用

任务目标： 1 ．了解集成运算放大器和电压比较器在线性系统

中的应用； 2 ．掌握温度指示器的工作原理任务教学方式： 教学建议：结合投影等多媒体课件，着重讲电压比较器的基本特性；

而电压比较器的开环应用只简单描述

40

LM324热敏电阻

电源二线插座电位器

LM324

温度指示器实物外形

41

任务 3 集成运放在信号处理方面的应用

知识 1 信号频率的有源滤波 在各种有源滤波和采样保持电路中，运放一般工

作在线性区，而在信号幅度的比较和选择电路中，运放常常工作在非线性区。

滤波器或滤波电路是一种能使某一部分频率比较顺利地通过而另一部分频率受到较大衰减的装置，常用在信息处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。

42

用集成运放可方便地构成有源滤波器，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。

集成运放 IC1A

等构成二阶高通滤波器， IC1B 等构成二阶低通滤波器，将前置放大器来的全音频信号分频后分别送入两个功率放大器，然后分别推动高音扬声器和低音扬声器。 集成运放构成的有源滤波器

右图所示为前级二分频电路。

43

任务 3 集成运放在信号处理方面的应用

知识 2 信号幅度的比较电路 电压比较器，简称比较器，实际上是一个高增益、宽频带

放大器，其符号与运放符号一样。它与运放的主要区别在于比较器的输出电压为两个离散值，通常称为高 / 低电平，相当于数字电路中的逻辑“ 1” 和“ 0” 。

功能：将一个模拟输入电压信号与一个参考电压相比较，根据比较结果，输出一定的高低电平。将模拟信号转成数字信号。

构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系 uo= f (ui) 是非线性函数。

44

比较器可分为过零比较器、单限比较器、滞回比较器、双限比较器。

1 ．电压比较器的开环应用——单门限比较器（与参考电压比较）

uo

ui0

+Uom

-Uom

uu

U

+ ¡Þ+

+i

-

u

u £ A

O

REF

若 ui 从同相端输入时符号及传输特性

输入电压 ui加在同相端，参考电压 UREF置于反相端。当ui > UREF 时，即 u+＞ u-，集成运放正向饱和，比较器 uo = +Uom （高电平）；当 ui < UREF 时， uo = -Uom （低电平） 。

45

输入电压 ui 加于反相端，参考电压 UREF

（设为正值）加在同相端。当 ui < UREF 时， 即 u-＜ u+ ，比较器 uo = +Uom ；当 ui >UREF 时，即 u-＞ u+ ，比较器 uo = -Uom 。

uo

ui0

+Uom

-Uom

若 ui 从反相端输入时符号及传输特性

46

2 ．电压比较器的开环应用——过零比较器：（门限电平 =0 ）

uo

ui0

+UOM

-UOM

uu u

-

+

£ u

i

+O

A¡Þ+

uo

ui0

+UOM

-UOM

uu

¡Þ-

u

++

i

Ou

£ +

A

输入信号加在反相输入端，同相端接“地”。相当于同相端加了参考电压为“零”的值。此时，参考电压 UREF=0 。过零比较器门限电平为零也属于单限比较器（只是电平为零的单限比较器）。

47

过零电路可做为零电平检测器，也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。例如，利用电压比较器（过零比较器）将正弦波变为方波。

t

ui

t

uo

+Uom

-Uom

48

3. 限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值 （ 1 ）用稳压管稳定输出电压。

uo

ui0

+UZ

-UZ

忽略了 UD

当 ui > 0 时， uo = +UZ （稳压管 DZ 的稳压值）；当 ui < 0 时， uo = -UZ 。

49

（ 2 ）稳幅电路的另一种形式——将双向稳压管接在负反馈回路中。

uo

ui0

+UZ

-UZ

50

*4 ．迟滞比较器 迟滞比较器由于电路中使用正反馈，因此运放工作在非线

性区。 工作原理：有两个门限电压。 UT+ 称上门限电压， UT- 称下门限电压。 UT+–UT-称为回差电压。

uo

ui

0

+UZ

-UZ

UT+UT-

51

（ 2 ）当 uo = -UZ 时。这时， uo = -UZ ， u+= UT-；假设 ui

下降，当 ui ≤UT-时， uo 从 -UZ +UZ 。

REFZ URR

RU

RR

RUu

f2

f

f2

2T

迟滞比较器相对于单限比较器而言，当输入信号中存在干扰时，抗干扰能力强。迟回电压越大，比较器的抗干扰能力越强，但分辨率（灵敏度）越低。

REFZ URR

RU

RR

RUu

2f

f

2f

2T

（ 1 ）当 uo = +UZ 时。设初始值： uo =+UZ ， u+= UT+ ；假设 ui 升高，当 ui ≥UT+ 时， uo 从 +UZ -UZ 。

52

例 4 ． 4 如图所示电路中， Rf=10k ， R2=10k ， UZ=6V ， UREF=8V 。当输入 ui 为如下图所示的波形时，画出输出 uo 的波形。

解：上下限电压求解如下

53

1V

7V

ui

uo

+6V

-6V

例 4 ． 4 题中 uo 的输出波形

54

电压比较器的主要性能参数有鉴别灵敏度、响应速度和带负载能力。

55

做一做： 运算放大器构成的信号幅度比较电路的分析与测试

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10k

R210k

R3

1.0k

XFG1XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

V112 V

V212 V

D102DZ4.7

D202DZ4.7

电压比较器仿真电路

56

函数信号发生器输出 1VP-P 、 1kHz 的正弦信号，用示波器观察比较器输入和输出波形。根据电路结构，该电路输出两个跳变的值（ +5.7V 、﹣ 5.6V ），如下图所示。

57

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10k

R210k

R3

1.0k

XFG1XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

V112 V

V212 V

D102DZ4.7

D202DZ4.7

R4

500K_LINKey = A

50%

反向迟滞比较器仿真电路

函数信号发生器输出 1VP-P ， 1kHz 的正弦信号，用示波器观察比较器输入和输出波形。

58

A点

B点

结论：对右图分析表明，输入电压（正弦波）上升到 A点，电路翻转到低电平；当输入电压下降到 B点时，电路再次翻转输出高电平。

59

1K

R2

1K

R3

1K

R4

1K

R5

1K

R6

1K

R7

1K

R8

1K

R9

1K

R10

1KR11

1KR12

1KR13

1KR14

1KR15

1KR16

1KR17

12

LEDD1

12

LEDD2

12

LEDD3

12

LEDD4

12

LEDD5

12

LEDD6

12

LEDD7

12

LEDD8

100KR1

R19

VCC

1KR18

231

411

A

LM324N

U1A

5 67

B

411

LM324N

U1B

10

98

C

411

LM324N

U1C

12

13

14

D

411

LM324N

U1D23

1411

A

LM324N

U2A

5 67

B

411

LM324N

U2B

10

98

C

411

LM324N

U2C

12

13

14

D

411

LM324N

U2DVCC VCC

温度指示器原理图

做一做：温度指示器的制作与调试

60

温度指示器线路板（ PCB ）接线图

61