课件－运算放大器

1、第二章第二章 运放及其常用电路运放及其常用电路主要研究内容主要研究内容：1、运算放大器的工作原理、运算放大器的工作原理 2、运算放大器的主要指标、运算放大器的主要指标3、常用电路、常用电路4、比较器及其电路、比较器及其电路2.1 运算放大器的工作原理运算放大器的工作原理Operational Amplifier,简称简称OP、 OPA、OPAMP，是一种直流耦合差模（差动模式）输入、通常是一种直流耦合差模（差动模式）输入、通常为单端输出（为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（的高增益（gain）电压放大器）电压放大器。1 运算放大器运算

2、放大器：2 符号符号3 开环回路开环回路Vout = ( V+ -V-) * Aog4 理想运放具有如下性能理想运放具有如下性能a开环电压增益开环电压增益AUd ;b输入电阻输入电阻Rid ;c输出电阻输出电阻Ro=0;d频带宽度频带宽度BW ;e共模抑制比共模抑制比CMRR ;f失调、漂移和内部噪声为零失调、漂移和内部噪声为零 ;对功能电路非对功能电路非常重要常重要运放的主要特运放的主要特点点5 虚短与虚断虚短与虚断 虚断：同相和反向输入端电流近似为零；虚断：同相和反向输入端电流近似为零；虚短：两输入端电压近似相等；虚短：两输入端电压近似相等；反相闭环放大器反相闭环放大器虚短虚短-U-=U+

3、=0- Vin=Iin*Rin虚断虚断-If=Iin-Vout=Rf*If=Rf*In所以：所以：Vout/Vin=(Rf*Iin)/(Iin*Rin) = Rf/Rin=Af2.2 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数1 输入失调电压（输入失调电压（VOS） 使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是运放的一个十分重要的指标，

4、特别是精密运放或是用于直流放大时。双极型工艺的输入失调电压在用于直流放大时。双极型工艺的输入失调电压在110mV之间；采用场效应管做输入级的，输入之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些；对于精密运放，输入失调电失调电压会更大一些；对于精密运放，输入失调电压一般在压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。时中间零点偏移越小，越容易处理。指温度变化引起的输入失调电压的变化，指温度变化引起的输入失调电压的变化，V/。2 输入失调电压温漂（输入失调电压温漂（TCVOS）3 输入失调电流（输入失调电流（IOS）Input

5、Offset Current，当运放的输出直流电压为零，当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。对称性越好，时，其两输入端偏置电流的差值。对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如部采用较大的电阻（例如10k或更大时），输入失或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，

6、越容易处理。零点偏移越小，越容易处理。4 输入失调电流温漂（输入失调电流温漂（TCIOS）代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以通常以pA/为单位表示。为单位表示。5 输入偏置电流（输入偏置电流（IB）Input bias current，指运算放大器工作在线性区，指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流，也定义为当运放的输时流入输入端的平均电流，也定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。值。6 输入偏置电流温漂（输入偏置电流温漂（TCIB）代表输入偏置电流在温度

7、变化时产生的变化量。代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以通常以pA/为单位表示为单位表示7 共模输入阻抗共模输入阻抗/电阻（电阻（RINCM）表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压压 范范 围与该范围内偏置电流的变化量之比，即围与该范围内偏置电流的变化量之比，即 RINCM= VCM/IB。即运放工作在输入共模信号。即运放工作在输入共模信号时（运放两输入端输入同一个信号），共模输入时（运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对电压的变化量与对 应的输入电流变化量之比。应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电

8、阻。在低频情况下，它表现为共模电阻。8差模输入阻抗差模输入阻抗/电阻（电阻（RIN）表示运放表示运放 作作 在线性区时，两输入端的电压变在线性区时，两输入端的电压变 化量与对应的输入端电流变化量的比值化量与对应的输入端电流变化量的比值9 输入电容（输入电容（CIN）10 输入电压范围（输入电压范围（VIN）11 最大最大 模输模输 入电压入电压 范围范围运放两输入端允许加的最大输入运放两输入端允许加的最大输入 电压差。当运放电压差。当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时，可能造电压时，可能造 成运放输入级成运放输入级 损坏。损坏。12

9、共模输入电压范围共模输入电压范围 （Common Mode Input Voltage Range）定义定义 为运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比为运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入特性显著变坏时的共模输入 电电 压压 。一般为共模。一般为共模 制比制比下降下降6dB所对应的共模输入电压。最大共模输入电压所对应的共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干 扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。13 电压噪声（电压噪声（Voltage No

10、ise）等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的 运运放在其输出端产生的任放在其输出端产生的任 何何 交交流无规流无规 则的干则的干 扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入为运放输入 噪声电压。对于宽带噪声，普通运放噪声电压。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有的输入噪声电压有 效值约效值约1020uV。14 输输 入入电压电压 噪声密度（噪声密度（en, Voltage Noise Desity）输入电压噪声输入电压噪声 可以看作是可以看作是连接到任意一个输入连接到任意一个输入端

11、的串联噪声电压源，通常以端的串联噪声电压源，通常以 表示。表示。/nVHz/nVHz15 输输入入 电电流流 噪声密度（噪声密度（in, Current Noise Desity） 可以看作可以看作两个电流噪声源连接到两个输入端源，两个电流噪声源连接到两个输入端源，通常以通常以 表示。表示。/nAHz16 输出阻抗（输出阻抗（ZO）该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗的内部等效小信号阻抗17 输出电压摆幅（输出电压摆幅（VO）指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，

12、电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。电阻和电源电压下。18 压摆率（压摆率（SR，Slew Rate）指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。值。V/s为单位为单位SR一般定义在特定的负载电阻下，运放接一般定义在特定的负载电阻下，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。对的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。对于一般运放转换速率于一般运放转换速率SR10V/s。目前

13、的高速运放转换速率。目前的高速运放转换速率SR可达可达6000V/s。19 建立时间（建立时间（Settling Time）运放接成跟随器（或增益为运放接成跟随器（或增益为-1的反向放大器），的反向放大器），输入阶跃大信号输入阶跃大信号Vi，输出电压从开始响应道稳定，输出电压从开始响应道稳定值为止的时间。稳定值的误差范围一般为值为止的时间。稳定值的误差范围一般为Vi的的0.1%。20 相位裕度（相位裕度（Phase Margin）为保证运放工作的稳定性，当增益下降到为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时，时，相位的移动应小于相位的移动应小于180度。相位裕度越大，系统越度。相位裕度越大，

14、系统越稳定，但同时时间响应速度减慢了，因此必须要有稳定，但同时时间响应速度减慢了，因此必须要有一个比较合适的相位裕度。经研究发现，相位裕度一个比较合适的相位裕度。经研究发现，相位裕度至少要至少要45，最好是，最好是60。21 增益裕度增益裕度为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证：为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证：当相位移动达到当相位移动达到180度时，相位交点的增益要小于度时，相位交点的增益要小于0dB，一般要有，一般要有10dB裕量，即当相位移动达到裕量，即当相位移动达到180度时，增益要小于度时，增益要小于-10dB 22 过载恢复时间（过载恢复时间（Overload Reco

15、very Time）在给定过载程度的条件下如超过正常信号值在给定过载程度的条件下如超过正常信号值的的200倍到倍到1000倍，放大器输出波形回到基线并保倍，放大器输出波形回到基线并保持在基线附近最大额定输出电压持在基线附近最大额定输出电压1%的一个带的一个带内，小信号增益已回到正常时所需要的时间。时内，小信号增益已回到正常时所需要的时间。时间越短，性能越好。间越短，性能越好。23 开环电压增益（开环电压增益（Open-Loop Gain）运算放大器的放大倍数称为开环增益（开环差模电运算放大器的放大倍数称为开环增益（开环差模电压增益），记作压增益），记作AVO，理想值为无限大，一般约为，理想值为

16、无限大，一般约为数千倍至数万倍，其表示法有使用数千倍至数万倍，其表示法有使用dB及及V/mV等。等。24 闭环电压增益（闭环电压增益（Closed-Loop Gain）在有反馈的情况下，运算放大器的放大倍数在有反馈的情况下，运算放大器的放大倍数25 单位增益带宽、开环增益带宽单位增益带宽、开环增益带宽单位增益带宽指开环差模电压增益下降到单位增益带宽指开环差模电压增益下降到1时运算放大器的最大工作频率。下降到直时运算放大器的最大工作频率。下降到直流增益的流增益的-3db（1/根号根号2倍）时所对应的频倍）时所对应的频带宽度，称为运放的带宽度，称为运放的3db开环增益带宽。开环增益带宽。26 增益

17、带宽积（增益带宽积（GBP，Gain Bandwidth Product)增益带宽积增益带宽积AOL*是一个常量，定义在开环增益是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降十倍频程滚降的区域。单位增益带宽和带宽增益积这两个概念的区域。单位增益带宽和带宽增益积这两个概念有些相似，但不同。这里需要说明的是对电压反有些相似，但不同。这里需要说明的是对电压反馈型运放来说，增益带宽积是一个常量，这时单馈型运放来说，增益带宽积是一个常量，这时单位增益带宽和带宽增益积应该一样。而对于电流位增益带宽和带宽增益积应该一样。而对于电流型运放来说却不是这样的，因

18、为对于电流型运放型运放来说却不是这样的，因为对于电流型运放而言，带宽和增益不是一个线性的关系。而言，带宽和增益不是一个线性的关系。27) 共模抑制比（共模抑制比（CMRR，Common-Mode Rejection Ratio）当运放工作于线性区时，运放开环差模增益与开当运放工作于线性区时，运放开环差模增益与开环共模增益的比值环共模增益的比值2.3 常用运放电路常用运放电路1 反相闭环放大器反相闭环放大器Vout = -(Rf / Rin) * Vin缺省为对称电源供电缺省为对称电源供电2 同同相闭环放大器相闭环放大器Vout = (R2 / R1) + 1) * Vin3 电压跟随器电压跟随

19、器4 电压减法器电压减法器/差动放大器差动放大器5 电压加法器电压加法器常用来电平移位常用来电平移位6 低通滤波器低通滤波器/积分器积分器7 高通滤波器高通滤波器/微分器微分器7 高通滤波器高通滤波器/微分器微分器8 仪用放大器仪用放大器放大低频差分信号，抑制共模信号放大低频差分信号，抑制共模信号前级：前级：Vout=Vsig/Rg * (Rg+2R1)=Vsig*(1+2R1/Rg)后级：后级：Vout = R3/R2 * Vout BB公司的公司的INA114仪用放大器内部原理仪用放大器内部原理电桥放大电桥放大交流耦合放大交流耦合放大V/I转换电路转换电路AD522仪用放大器仪用放大器BB

20、公司公司:PGA204/205可编程仪用放大器可编程仪用放大器PGA204/205的应用电路的应用电路注意两个地符号的不同注意两个地符号的不同有偏移电压的有偏移电压的PGA204应用电路应用电路9 电流检测电路电流检测电路Vout=-(0.884.4V) 若要正的，只需将若要正的，只需将I+与与I-对调即可对调即可10 电压电压/电流转换电路电流转换电路电压比较电路是一种常用的信号处理电路。他将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较电路的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。在自动控制及自动测量系统中，常常将比较电路应用于越限报警、模数转换以及各种非正弦波的产生和

21、变换电路等等。10 电压电压/电流转换电路电流转换电路 比较电路的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1或0，因此，可以认为比较电路是模拟电路和数字电路的“接口”。 由于比较电路的输出只有高电平或低电平两种状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。 从电路结构来看，集成运放经常处于开环状态，有时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速，以提高比较精度，也可在电路中引入正反馈。2.4 电压比较器电压比较器1 过零比较电路 处于开环工作状态的集成运放是一个最简单的过零比较电路，由于理想运放的开环差模增益Aod，因此在图中，当uI0时，uOUOPP；当uI0时，uOUOPP。其中UOPP

22、是集成运放的最大输出电压。据此可画出过零比较电路的传输特性。 - -A A+ +u uI Iu uO Ou uO Ou uI I-U-Uoppopp+U+UoppoppO O当比较电路的输出电压由一种状态跳变为另一种状态时，相应的输入电压通常称为阀值电压或门限电平，这种比较电路的门限电平等于零，所以称为过零比较电路。以上过零比较电路采用的是反相输入方式，如果需要也可以采用同相输入方式。只用一个开环状态的集成运放组成的过零电压比较电路非常简单，但其输出电压幅度较高，uOUOPP。有时希望比较电路的输出幅度限制在一定的范围内，例如要求与TTL数字电路的逻辑电平兼容，此时需要加上一些限幅的措施。 用

23、两个稳压管背靠背串连，可以得到限幅的过零比较电路，电路见图 (a)。假设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的稳定电压值均为UZ，这里UOPP UZ。当当uI0，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导通，通，uO- UZ。比较电路的传输特性如图比较电路的传输特性如图(c)所示。所示。也可以在集成运放的输出端接一个电阻和两个稳压管来实现限幅，如图 (b)所示 。不难看出，此时过零比较电路的传输特性仍如图 (c)所示。这两个电路的不同之处在于，图 (a)电路中的集成运放，由于当稳压管反向击穿时引入一个深度负反馈，所以此时工作在线性区；而图 (

24、b)电路中的集成运放处于开环状态，所以工作在非线性区。 2 单限比较电路所谓单限比较电路是指只有一个门限电平的比较电路，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。 实现单限比较的电路可有多种，其中一种如图 (a)所示，可以看出，此电路是在图 (a)所示过零比较电路的基础上，将参考电压UREF通过电阻R2，也接在集成运放的反相输入端而得到的，目的是引入一个用于比较的门限电平。u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R,

25、 ,集成运放的同相输入端通过电阻接地，因此，当输入电压uI变化时，若反相输入端的电位u-0，则输出端的状态将发生跳变。根据“虚断”的特点，并利用叠加原理，求得此时反相输入端的电位为 2112120IREFRRuuURRRRu uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R, ,12TIREFRUuUR 3 滞回比较电路如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，见图 (a)，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，见图 (

26、b)，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。存在的主要问题是抗干扰能力差。图图4.4.4 存在干扰时，单限比较电路波形图存在干扰时，单限比较电路波形图 为了解决以上问题，可以采用具有滞回传输特性的比较电路。滞回比较电路又名施密特触发器，这种比较电路有两个可变的比较门限电平，故传输特性呈滞回形状，其电路见图(a)。输入电压 uI 经电阻 R1 加在集成运放的反相输入端，参考电压 UREF 经电阻 R2 接在同相输入端，此外从输出端通过电阻 RF 引回到同相输入端

27、。电阻R和背靠背串连的稳压管 VDz 的作用只是限幅，将输出电压的幅度限制在UZ。 u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO OU UREFREFA A+ +u uI Iu uO OR RVDVDZ ZR RF FR R2 2R R1 1+ +u uT T- -u uT+T+- - 电路中，当集成运放反相与同相输入端的电位相等，即 u-=u+ 时，输出端的状态将发生跳变。 其中Iuu u+ 则有参考电压则有参考电压 UREF 和输出电压和输出电压 uO 两者共同决定，而两者共同决定，而 uO 有两种不同的状态：有两种不同的状态：- UZ 和和 + UZ ，由此可见，使输出电压，由

28、此可见，使输出电压由由 - UZ跳变到跳变到 + UZ 和输出电压由和输出电压由 + UZ 跳变到跳变到 UZ 所需要所需要的电压是不同的。即这种比较电路有两个不同的门限电平，的电压是不同的。即这种比较电路有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，见图故传输特性呈滞回形状，见图(b)。 图图(c)为存在干扰时，滞回比较电路的输出特性，可见其性为存在干扰时，滞回比较电路的输出特性，可见其性能得到大大改善。能得到大大改善。图图C 存在干扰时，单限比较电路存在干扰时，单限比较电路和滞回比较电路波形图和滞回比较电路波形图比较电路的两个门限电平值，可用叠加定理求出：若原来输出电压为 UZ ，当逐渐减小

29、 uI 时，uO从 UZ 跳变到 +UZ 所需的门限电平用表示，则 若原来输出电压为 +UZ ，当逐渐增大 uI 时，uO从 +UZ 跳变到 UZ 所需的门限电平用表示，则 222FTREFZFFRRuUURRRR222FTREFZFFRRuUURRRR上述两个门限电平的差称为回差或门限宽度，用符号表示是： 由上式可见：门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压 UZ 以及电阻 R2 和 RF 的值。但与参考电压 UREF 无关。改变 UREF 的大小可以调节两个门限电平和的大小，但两者之差不变。即当 UREF 增大或减小时，传输特性将平行的左移或右移。 222TTTZFRuuuURR4 双限比较电路

30、 在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是否处在两个给定的门限电平之间，这就要求比较电路有两个门限电平，这种比较电路称为双限比较电路。 输入电压 uI 各通过一个电阻 R 分别接到 A1 的同相输入端和 A2 的反相输入端，参考电压 UREF1 和 UREF2 分别加在 A1 的反相输入端和 A2 的同相输入端，其中 UREF1 UREF2 ，两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，作为双限比较电路的输出端。- -A A1 1+ +u uR RU UREF1REF1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UREF2REF2VDVD1 1VDVD2 2R RL Lu uO O+ +U UTHTHU UTLTLu uI Iu uO OO O- -A A1 1+ +u uR RU UREF1REF1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UREF2REF2VDVD1 1VDVD2 2R RL Lu uO O+ +U UTHTHU UTLTLu uI Iu uO OO O 若 uI 低于 UREF2 (当然更低于 UREF1 )，此时运放 A1 输出低电平， A2 输出高电平，于是二极管 VD1 截止， VD2 导通，则输出电压 uO 为高电平。 若 uI 高于 UREF1 (当然更高于 UREF2 )，此时