集成运算放大器及其应用电路

1、 * 根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分： 线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路和非线性应用电路两大类。 q 线性应用电路线性应用电路 - + A Z1 Zf vovs1 vs2 i Z1或或Zf采用非线性器件（如三极管），则可构成采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反对数、反 对数、乘法、除法对数、乘法、除法等运算电路。等运算电路。 Z1或或Zf采用线性器件采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微，则可构成加、减、积分、微 分等运算电路。分等运算电路。 组成：组成：集成运放外加深度负反馈。集成运放外加深度负

2、反馈。 因负反馈作用，使运放小信号因负反馈作用，使运放小信号 工作，故运放处于线性状态。工作，故运放处于线性状态。 q 非线性应用电路非线性应用电路 - + A vovI VREF 组成特点组成特点：运放运放开环工作。开环工作。 由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压， 即可使运放输出进入非线区工作。即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。例如电压比较器。 理理 想想 运运 放放 dv A d i R 0 d o R CMR K BW 失调和漂移0 推论推论 d i R 0 d o v A v vv因因 则则 vv 因因 则则0i

3、vv 说明：说明： 0i 相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚短路虚短路”。 虚短路不能理解为两输入端短接，只是虚短路不能理解为两输入端短接，只是( (v- -v+ +) ) 的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放 正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。 同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是 输入电流小到了可以忽略不计的程度。输入电流小到了可以忽略不计的程度。 相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚断路虚断路”。 实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可实际

4、运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用利用“虚虚 短、虚断短、虚断”运算法则分析运放应用电路运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出。此时，电路输出 只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。 q 集成运放基本应用电路集成运放基本应用电路 反相放大器反相放大器 - + A R1 Rf + - vs vo if i1类型：电压并联负反馈类型：电压并联负反馈 vv 因因 则则0 v 反相输入端反相输入端“虚地虚地” 。 0i因因则则 f1 ii 1 s 1 s 1 R v R vv i f o f f R v R vv i o 由图由图 输出

5、电压表达式：输出电压表达式： s v R R v 1 f o 输入电阻输入电阻 1i RR 输出电阻输出电阻 0 o R 因因0 v 因深度电压负反馈因深度电压负反馈 ， 同相放大器同相放大器 - + A R1 Rf + - vs vo if i1类型：电压串联负反馈类型：电压串联负反馈 vv 因因 则则 s vv 注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虚地虚地” 。 0i因因 1 s 1 1 0 R v R v i f os f f R vv R vv i o 由图由图 输出电压表达式：输出电压表达式： v R R v R R v s )1 ()1 ( 1 f 1 f o 输入电阻输入电

6、阻 i R 输出电阻输出电阻 0 o R 因深度电压负反馈因深度电压负反馈 ， 0i因因 则则 f1 ii 同相跟随器同相跟随器 - + A + - vs vo 由图得由图得 so vvv vv 因因 由于由于1 f v A i R0 o R 所以，同相跟随器性能所以，同相跟随器性能优于优于射随器。射随器。 q 归纳与推广归纳与推广 当当R1 、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：为线性电抗元件时，在复频域内： )( )( )( )( s 1 f o sv sZ sZ sv反相放大器反相放大器 )( )( )( 1 )( s 1 f o sv sZ sZ sv 同相放大器同相放大器 拉氏反变换拉

7、氏反变换 ) t ( o v得得 注：注：拉氏反变换时拉氏反变换时 t d d s t 1 d s 反相加法器反相加法器 - + A R2 Rf + - vs2 vo if i2 R1 i1 + - vs1 vv 因因 则则0 v 0i因因则则 f21 iii f o 2 s2 1 s1 R v R v R v 即即整理得整理得 2 2 f 1 1 f oss v R R v R R v 说明：说明：线性电路除可以采用线性电路除可以采用“虚短、虚断虚短、虚断”概念外，还可概念外，还可 采采 用叠加原理进行分析。用叠加原理进行分析。 令令vs2=0则则 1 1 f o1s v R R v 令令v

8、s1=0则则 2 2 f o2s v R R v 2o1oo vvv 例如例如 同相加法器同相加法器 - + A R2 Rf + - vs1 vo R1 + - vs2 R3 利用叠加原理：利用叠加原理： 21 2s1 21 1s2 RR vR RR vR v 则则 v R R v)1 ( 3 f o )(1 ( 21 2s1 21 1s2 3 f RR vR RR vR R R 减法器减法器 Rf - + A R3 vs1 vo R2 vs2 R1 令令vs2=0， 则则 1 1 f o1s v R R v 令令vs1=0， 32 23 1 f o2 )1 ( RR vR R R v s 2

9、o1oo vvv 1 1 f s v R R 32 23 1 f )1 ( RR vR R R s t )( os d vd C R v 有源积分器有源积分器 - + A R C + - vs vo 方法一：利用运算法则方法一：利用运算法则 则则 t o sdt v RC v 1 o 方法二：利用方法二：利用拉氏变换拉氏变换 )( )(Z )( )( s 1 f o sv s sZ sv)( 1 s sv sRC )( )/(1 s sv R sC 拉氏反变换得拉氏反变换得 t o sdt v RC v 1 o 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏变换：拉氏变换： )( )(Z )( )( s

10、1 f o sv s sZ sv )( s ssRCv )( )/(1 s sv sC R 拉氏反变换得拉氏反变换得 dt dv RCv s o - + A R C + - vs vo 波形变换波形变换 t vs 0 输入方波输入方波 积分输出三角波积分输出三角波 vo t 0 微分输出尖脉冲微分输出尖脉冲 t vo 0 对数变换器对数变换器 - + A R + - vs vo T BE e S s V v I R v 利用运算法得：利用运算法得：由于由于 oBE vv 整理得整理得 RI v Vv S s To ln 缺点：缺点： vo受温度影响大、动态范围小受温度影响大、动态范围小。 vs

11、必须大于必须大于0。 改进型对数变换器改进型对数变换器 - + A1 + - vs vo + - A2 VCC + - RL R3 R4 to vB2 R2 R5 T1T2 R1 iC2 iC1 由图由图 1C C2 T 1C C2 TBE1BE2B2 lg3 . 2ln i i V i i Vvvv 由于由于 1sC1 / Rvi 2CC22BCCC2 / )(RVRvVi （很小）（很小） 则则)lg(3 . 2lg3 . 2 s CC1 2 T 2C C1 TB2 v VR R V i i Vv )lg()1 ( 3 . 2)1 ( sT 4 3 2B 4 3 o KvV R R v R

12、 R v （T1、T2特性相同）特性相同） 利用利用R4补补 偿偿VT ，改善，改善 温度特性。温度特性。 vS大范围大范围 变化时，变化时， vO 变化很小。变化很小。 反对数变换器反对数变换器 R v I V v o S T BE e 利用运算法则得利用运算法则得由于由于 sBE vv 整理得整理得 T s So V v eRIv 缺点：缺点：vo受温度影响大受温度影响大。vs必须小于必须小于0。 - + A R + - vs vo T vo1- + A1 vX RX iX R1 iX T1 vo2 - + A2 vY RY iY R2 iY T2 - + A4 T4 iO vO R4iO

13、 - + A3R3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ 因因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，构成跨导线性环， 则则 OZYX iiii 分析方法一：分析方法一： 由图由图 整理得整理得 XXX / Rvi YYY / Rvi ZZZ / Rvi 4OO / Rvi Z YX YX Z4 O v vv RR RR v （实现乘、除运算）（实现乘、除运算） vo1- + A1 vX RX iX R1 iX T1 vo2 - + A2 vY RY iY R2 iY T2 - + A4 T4 iO vO R4iO - + A3R3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ 分析方法二：分析方法二

14、： XS X TBE1o1 ln RI v Vvv Z YX YX Z4 v vv RR RR BE1 YS Y TBE1BE2o2 lnv RI v Vvvv ZS Z TBE3o3 ln RI v Vvv A1、A2、A3对数放大器对数放大器 A4反对数放大器反对数放大器 T o3o2 e 4SO V vv RIv q 精密半波整流电路精密半波整流电路 利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成 对微小幅值电压进行整流的电路。对微小幅值电压进行整流的电路。 vo - + A vI R1 vo R2 RL + - - D1 D2 vI =

15、0时时 vO =0 D1 、D2 vO=0 vI 0时时 vO 0 D1 、D2 vO=0 vI 0 D1 、D2 vO= -(-(R2 / R1) )vI 工作原理：工作原理： vO vI - -R2 / R1 传输特性传输特性 vI t vO t vI R2 R1 - - 输入正弦波输入正弦波 输出半波输出半波 q 精密转折点电路精密转折点电路 当当v- - 0，即 ，即 vI -(-(R3 / R1) )VR 时：时： 当当v- - 0，即 ，即 vI 0 D1 、D2 传输特性传输特性 vO vI - -R2 / R3 VR R3 R1 - - vO 0 D1 、D2 vO=0 则则

16、)( R 1 3 I 3 2 O V R R v R R v 则则 q 精密转折点电路实现非线性的函数精密转折点电路实现非线性的函数 R/R1 vo1 - + A1 VR1Rr1 R D1 D2 R1 vI vo2 - + A2 VR2Rr2 R D3 D4 R2 R R - + A3 VR3Rr3 R D5 D6 R3 R vo3 - + A4vO R )( R1 1r 1 I 1 O1 V R R v R R v )( R2 2r 2 I 2 O2 V R R v R R v )( R3 3r 3 I 3 O3 V R R v R R v )( O3O2O1O3 vvvv R/R2 R/R

17、3 vO vI vI1vI2vI3 传输特性传输特性 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 特点：特点：KCMR很高、很高、 Ri 很大，很大， Av 在很大范围内可调。在很大范围内可调。 q 三运放仪器放大器三运放仪器放大器 vv 由由 G 2I1I G R vv i 得得 0i由由 )( G21G2o1o RRRivv得得 由由减法器减法器A3得：得： 2o 65 6 3 4 1o 3 4 o )1 (v RR R R R v R R v 若若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得整理得 ) 2 1 ( G

18、3 4 2I1I o f R R R R vv v Av vI1 + - A1 R1 - + A2 RG vo1 vO vI2 - + A3 R2 R3R4 R5R6 iG vo2 q 有源反馈仪器放大器有源反馈仪器放大器 可证明可证明 G S 4 43 2I1I o f R R R RR vv v Av vI1 + - A3 R1 - + A1 RG vO IO + - A2 R2 R3 VCC R5 R6 iG vI2 RS VEE iS IO R4 T1T2 T3T4 T1、T2差放差放 T3、T4差放差放 A3跟随器跟随器 A2跟随器跟随器 A1放大器放大器 采用严格配对的低噪声对管和

19、精密电阻，可构成低噪声、采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、 高精度、增益可调的仪器放大器。高精度、增益可调的仪器放大器。 q 仪器放大器的应用仪器放大器的应用 仪器放大器单片集成产品：仪器放大器单片集成产品： LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。等。 例：仪器放大器构成的桥路放大器例：仪器放大器构成的桥路放大器 温度为规定值时温度为规定值时 RT =R 路桥平衡路桥平衡 vo =0 。 温度变化时温度变化时 RT R 路桥不平衡路桥不平衡 vo 产生变化。产生变化。 仪器仪器 放大器放大器 RG RT R R Rt o VREF vo 电流传输器

20、：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。 q 电流传输器电路符号及特点电流传输器电路符号及特点 Y X Z CC vX vY vZ iY=0 iX iZ Y输入端：输入端： iY= 0，即，即 RY ； X输入端：输入端： vX = vY ，且，且vX与与 iX 大小无关，大小无关，RX0 ； Z输出端：输出端： iZ = iX ，且，且 iZ 与与 vZ大小无关；大小无关； q 电流传输器构成的模拟信号处理电路电流传输器构成的模拟信号处理电路 Y X Z CC vi RL iX iO R + - - 互导放大器互导放大器 互阻放大器互

21、阻放大器 电流放大器电流放大器 iYX vvv Rvii/ XXo RviA/1/ iog Y X Z CC is RL iX iO R2 R1 1SYX Rivv 2XXo / Rvii 21Soi /RRiiA Y X Z CC1 ii R vo iZ1 RL Y X CC2Z + - - i1Z iiRivv 1Z2Yo RivA ior / 负阻变换器负阻变换器 Y X Z CC2 iX1 R2 Y X CC1Z vi iI iZ2 R1 iZ1 RL 21X1Xi Rivv 1 2Y 2Zi R v ii L1XL1Z2Y RiRiv L 21 i i i R RR i v R Av

22、d高高(80140dB)， Rid高高(M )， Rod低低 (100M ) 共模特性共模特性 输入直流误差特性输入直流误差特性 IIB(10100 A)， VIO (mV)， IIO(为为IIB的的5% 10%) 大信号动态特性大信号动态特性 转换速率转换速率SR， 全功率带宽全功率带宽BWP q Avd、Rid、Rod为有限值的影响为有限值的影响 运放应用场合不同，各项性能参数影响也不同。因此工运放应用场合不同，各项性能参数影响也不同。因此工 程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。 )1 ( dL1 fod ff v vv ARR

23、RR AA - + A R1 Rf + - vs vo RL vid Rid vO + - - v- - Avd vid - - + Rod + - - R1 Rf vs+ - RL 可证明可证明 其中其中 idf11 /RRRR odfLL /RRRR 1ff / RRAv Avd对精度影响最大。对精度影响最大。A Av vd d越大，运算误差越小。越大，运算误差越小。 q KCMR、Ric为有限值的影响为有限值的影响 - + A R1 Rf + - vs vo RL 可证明可证明 其中其中 Avd、KCMR越大，同相放大器运算精度越高。越大，同相放大器运算精度越高。 由于同相放大器输入端引

24、入了共模信号，因此必须由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须 考虑考虑KCMR的影响。的影响。 Ric vO + - - v- - Avd vid Rod+ - - R1 Rf vs RL v+ + Ric Rid + - - Avd vic KCMR ) 1 1 ( /1 CMRdf f f KAA A A vv v v 1ff /1RRAv q 输入偏置电流输入偏置电流IIB对性能的影响对性能的影响 - + A R1 Rf + - vs vo R+= R1/ Rf 则则IIB在外电路反相端产生的直流电压在外电路反相端产生的直流电压: : 则则IIB在外电路同相端产生的直流电压在外电路

25、同相端产生的直流电压: : RIV IB RIV IB 设设R- -、R+ 分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。 2/ )( B2B1IB III 输入偏置电流输入偏置电流 RR 若若则则0 id v 输出无失调输出无失调 例：例： 注：注：平衡电阻平衡电阻R+的接入对性的接入对性 能指标计算没有影响，但运能指标计算没有影响，但运 算精度得到明显改善。算精度得到明显改善。 因此，为减小因此，为减小IIB对运算精度的影响，要求外接在集成运放对运算精度的影响，要求外接在集成运放 两输入端的直流电阻相等。两输入端的直流电阻相等。 q 失调电流失调电

26、流IIO与失调电压与失调电压VIO的影响的影响 vO + - - R1 Rf RL IIB IIB IIO 2 IIO 2 + - - VIO R+ )(1 ( IOIO 1 f o RIV R R v可证明可证明 为减小失调的影响：为减小失调的影响： 在在R+较小时，应选择较小时，应选择VIO小的运放；小的运放； 在在R+较大时，应选择较大时，应选择 IIO小的运放。小的运放。 q 小信号频率参数小信号频率参数 开环带宽开环带宽BW 内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的 上限截止频率即开环带宽上限截止频率即开环带宽BW（或称（或称3

27、dB带宽）。带宽）。 单位增益带宽单位增益带宽BWG 指增益下降到指增益下降到1（0dB）时对应的频率。小信号工作时，）时对应的频率。小信号工作时， 其值为常数，其值为常数，且且BWG = AvdIBW 。 当运放闭环工作时，当运放闭环工作时，BWG等于反馈电路的增益带宽积。等于反馈电路的增益带宽积。 反馈越深，反馈越深，Avf 越小，闭环带宽越小，闭环带宽BWf 越宽。越宽。 即即 BWG = AvfBWf q 大信号动态参数大信号动态参数 指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。其值其值 越大，运放高频性能越好。越大，运放高频性能越好。 影响

28、影响SR主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。 转换速率（又称压摆率）转换速率（又称压摆率） max o R )( dt tdv S 指集成运放输出最大不失真峰值电压时，允许的最高工指集成运放输出最大不失真峰值电压时，允许的最高工 作频率。作频率。 全功率带宽全功率带宽 ommax R P 2V S BW 当当SR一定时，最大不失真输出电压与工作频率成反比。一定时，最大不失真输出电压与工作频率成反比。 工作频率越高，不失真输出的工作频率越高，不失真输出的Vom就越小。就越小。 电压比较器的作用电压比较器的作用 比较两输入信号大小，并以输出高

29、、低电平来指示。比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。 电压比较器的特点电压比较器的特点 输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。 电压比较器工作原理电压比较器工作原理 只要开环只要开环Avd很大，则很大，则v+、v- -间的微小差值，即可使运放输间的微小差值，即可使运放输 出工作在饱和状态。出工作在饱和状态。 由由)( do vvAv v 可知可知 v + v - - 时，时， vo=Vomax（正饱和值）（正饱和值） v + v - - 时，时， vo=Vomin （负饱和值）（负饱和值） v + = v - - 时，

30、时，逻辑状态转换逻辑状态转换 因此因此 理想比较特性理想比较特性 - + A vovI VREF vI vo VREF Vomax Vomin 0 vI VREF 时，时， vo=Vomin vI = VREF 时，时，逻辑状态转换逻辑状态转换 理想特性理想特性 vI vo VREF Vomax Vomin 0 实际比较特性实际比较特性 实际特性实际特性 vI VREF - -Vomin / /Avd 时，时， vo=Vomin 注：注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性，越大，比较特性越接近理想特性， VREF作为作为 门限值的比较精度越高。门限值的比较精度越高。 q 单限电压比较器单限电

31、压比较器 特点：运放开环工作。特点：运放开环工作。 过零比较器过零比较器 - + A vo vI + - - R1 D1 D2 R R （VREF =0） R1限流电阻，与限流电阻，与D1、D2 共同构成电平变换电路。共同构成电平变换电路。 VOH = VZ + VD(on) VOL= - -( VZ + VD(on) ) vI vo VOH VOL 0 比较特性比较特性 t vO 0 t vI 0 单限比较器单限比较器 - + A vo vI + - - R3 D1 D2 R1/R2 VREF R1 R2 i1 i2 分析方法：分析方法： 1）令）令v- -= v+ +求出的输入电压求出的输

32、入电压vI I 即门限电平。即门限电平。 2）分别分析）分别分析vI I大于门限、小于门限时的输出大于门限、小于门限时的输出vO O电平。电平。 0 REF 21 2 I 21 1 V RR R v RR R 令令得门限电平得门限电平 REF 1 2 I V R R v 即即v+ + v- - 若若 REF 1 2 I V R R v则则vO O = VOH 比较特性比较特性 vI vo VOH VOL VREF R2 R1 - - 单限比较器优点：单限比较器优点： 电路结构简单电路结构简单，可不计有限，可不计有限KCMR的影响。的影响。 单限比较器缺点：单限比较器缺点： 电路抗干扰能力电路抗

33、干扰能力差。差。 例如：过零比较器，例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信当门限电平附近出现干扰信 号时，输出会出现误操作。号时，输出会出现误操作。 t vO 0 vI t 0 q 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器） - + A vo vI + - - R3 D1 D2 R VREF R1 R2 特点特点 正反馈电路。正反馈电路。 具有双门限。具有双门限。 REF 21 1 O 21 2 I V RR R v RR R v 令令 得门限电平：得门限电平： REF 21 1 OH 21 2 IH V RR R V RR R v REF 21 1 OL 21 2 IL V R

34、R R V RR R v 反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器 )( OLOH 21 2 ILIH VV RR R VVV 迟滞宽度：迟滞宽度： vI vo VOH 0 比较特性比较特性 VOL VILVIH - + A vo vI + - - R3 D1 D2 R VREF R1 R2 I 21 1 O 21 2 REF v RR R v RR R V 令令 得门限电平：得门限电平： 同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器 迟滞宽度：迟滞宽度： vI vo VOH 0 比较特性比较特性 VOL VILVIH 将反相迟滞比较器中的将反相迟滞比较器中的vI 与与VREF交换，即得同相输入交换，即得同相输入 迟滞比较器。迟滞比较器。 OL 1 2 REF 1 2