劳动第三版电子电路基础---第四章集成运放应用

1、第四章 集成运算放大器的应用 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电集成电路路（Integrated Circuits，简称，简称IC）。）。它的体积小，而性能它的体积小，而性能却很好。自却很好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，经过五年世界上出现第一块集成电路至今，经过五十年时间的发展，它已深入到一切产业的每种产品中。在导十年时间的发展，它已深入到一切产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、弹、卫

2、星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱等家用电器中都采用了集成电路。录象、洗衣机、电冰箱等家用电器中都采用了集成电路。n集成运算放大电路的实质：一个高增益的集成运算放大电路的实质：一个高增益的多级多级直接耦合直接耦合（差动放大）集成放大电路。（差动放大）集成放大电路。n与分立元件电路比较具有：与分立元件电路比较具有：体积小、重量体积小、重量轻、耗电省、成本低、可靠性高等优点。轻、耗电省、成本低、可靠性高等优点。集成电路的特点集成电路的特点 由于制造工艺上的原因

3、，模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点： 1电阻值不宜做得太大，电路结构上采用直接耦合方式。 2为克服直接耦合电路的温度漂移，常采用差分放大电路。 3尽量采用半导体三极管(或场效应管)代替电阻、电容和二极管等元件。集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 集成运放的内部电路通常由集成运放的内部电路通常由偏置电路、输入级偏置电路、输入级、中间级和输出级、中间级和输出级组成。组成。 输入极输入极是集成运放性能指标好坏的关键，是集成运放性能指标好坏的关键，常采常采用差分放大电路来减小温度漂移用差分放大电路来减小温度漂移，并提供运放的同，并提供运放的同相输入端和反相输入端。相输入端和反相输入端。

4、中间级主要用来放大中间级主要用来放大，常采用带有源负载的共，常采用带有源负载的共发射极放大电路来提高电压增益。发射极放大电路来提高电压增益。 输出极输出极用来提高输出电压和电流的幅度，要求用来提高输出电压和电流的幅度，要求输出功率和带负载能力强。输出功率和带负载能力强。常用常用PNP和和NPN管构成管构成的互补对称共集电极放大电路，又称的互补对称共集电极放大电路，又称OCL功率放大功率放大电路。电路。并设有过载保护措施。并设有过载保护措施。 集成运放组成框图集成运算放大器的电路符号集成运算放大器的电路符号运算放大器电路符号1、反相输入端，用符号“”表示。由此输入的信号，输出与输入信号反相；2、

5、同相输入端，用符号“+”表示。由此输入的信号，输出与输入信号同相；3、输出端。 大多数集成运放需要两个直流电源：正电源+VCC和负电源VCC1、开环差模电压放大倍数、开环差模电压放大倍数Auo(Ad)当运放未接反馈电路时其本身的差模直流电压放大倍数，即)(ouoUUUAAuo愈高，所构成的运放电路愈稳定，运算精度也愈高。Auo一般为104107dB或80140dB.。4-1 集成运放的主要参数和工作特点集成运放的主要参数和工作特点一、集成运放的主要参数一、集成运放的主要参数2、差模输入电阻、差模输入电阻Rid 和输出电阻和输出电阻RonRid表征两输入端对差模信号呈现的输入电阻，其值为几百千欧

6、至数兆欧。Rid越大对信号源的影响及所引起的动态误差越小。nRo是指开环状态下输出电阻，越小越好，越小带负载能力越强。输入电阻越大越好，输出电阻越小越好。输入电阻越大越好，输出电阻越小越好。集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比就是集成运放的共模抑制比，KCMR常用分贝表示，越大越好，越大说明对共模信号的抑制能力越强。3、共模抑制比、共模抑制比KCMR4、最大输出电压、最大输出电压Uopp(或称输出峰一峰电压或称输出峰一峰电压)输出不失真的最大输出电压值。5、最大差模输入电压、最大差模输入电压UidmUidm是指两输入端之间所能承受的最大差模输入电压。超过这个电压值，输入级某侧

7、晶体管将会出现反向击穿现象，其典型值为几伏到几十伏。6、最大共模输入电压、最大共模输入电压Uicm 由于差动输入级对共模信号有抑制作用，因此运放的输出基本上不受其影响。 抑制共模信号的作用是在一定的共模电压范围内才有效，如超出此范围，将使运放内部管子工作在不正常状态(处于饱和或截止)，抑制能力显著下降，甚至造成器件损坏。7输入失调电压输入失调电压Uio(或称输入补偿电压或称输入补偿电压)n理想的运算放大器，当输入为零时(指同向和反向输入端同时接地)，输出电压应该为零，由于工艺等原因造成元件参数不对称，输出并不为零。通常用失调电压来反映这种不对称程度。n当输入端加入一补偿电压Uio时，可使输出电

8、压为零，一般为几个毫伏。越小越好。8、输入失调电流、输入失调电流Iio(或称输入补偿电流或称输入补偿电流)n输入为零时，放大器两个输入端的静态基极电流之差，称为输入失调电流，即Iio= IB1-IB2nIio破坏放大器的平衡，一般是几十纳安。越小越好。9、输入偏置电流、输入偏置电流IBn输入为零时，两个输入端静态电流的平均值称为输入偏置电流，即IB=(IB1+IB2)/2。 一般为几百纳安，越小越好。二、集成运放的分类二、集成运放的分类 1 1、按功能分：高精度、高速度、高压、按功能分：高精度、高速度、高压、 高输入阻抗、大功率、低噪声、高输入阻抗、大功率、低噪声、 低漂移、低功耗等。低漂移、

9、低功耗等。2 2、按集成度分：单运放、双运放、四运放、按集成度分：单运放、双运放、四运放双列直插式封装双列直插式封装圆壳式封装圆壳式封装3 3、按性能指标、按性能指标高高 阻阻 型型：ridrid，可高于，可高于10101212。 用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。高高 速速 型型： fH fH和和SRSR高，高， fH fH可达可达1.7GHz1.7GHz，SRSR可达可达 10103 3V/SV/S。用于。用于A/DA/D、D/AD/A转换电路、视频放大器。转换电路、视频放大器。高精度型高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益，：低失调、低温漂、低噪声、高增益， Ao

10、dAod高于高于10105 5dBdB。用于微弱信号的测量与运算、高精度。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。设备。低功耗型低功耗型：工作电源电压低、静态功耗小，在：工作电源电压低、静态功耗小，在100100200W200W。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。测。大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器器通常情况下用通用型运放，通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。特殊情况下才用专用型运放。二、集成运放的工作特点二、集成运放的工作特点1、集成运放理想化条件：、集成运放理想化条件：n开

11、环差模电压放大倍数Auo=；n开环输入电阻Rid=；n开环输出电阻Ro=0；n共模抑制比KCMR=。n频带宽度fbw= 2 2、理想运放工作在线性区的结论、理想运放工作在线性区的结论 所谓工作在线性区是指集成运放内部电路中全部三极管均所谓工作在线性区是指集成运放内部电路中全部三极管均工作在放大状态。工作在放大状态。 结论结论1 1 两个输入端等电位两个输入端等电位。结论结论2 2 两个输入端均不取电流两个输入端均不取电流 “虚短虚短”“虚断虚断”NPUduuAu0NPuu 趋于趋于00NPii3 3、理想运放工作在非线性区时的结论、理想运放工作在非线性区时的结论 在电路中，若集成运放处于开环状

12、态，甚至接在电路中，若集成运放处于开环状态，甚至接入正反馈时，则表明集成运放工作在非线性区。入正反馈时，则表明集成运放工作在非线性区。 对于理想运放，由于差模增益无穷大，只要同对于理想运放，由于差模增益无穷大，只要同相输入端与反相输入端之间由无穷小的差值电压，相输入端与反相输入端之间由无穷小的差值电压，输出电压就将达到正的最大值或负的最大值，其电输出电压就将达到正的最大值或负的最大值，其电压传输特性如下图。压传输特性如下图。 传输特性理想运放工作在非线性区的两个特点是：理想运放工作在非线性区的两个特点是：（1 1）输出电压）输出电压 只有高、低两种电平（只有高、低两种电平（ 或或 ），而），而

13、 与与 也不一定相等。也不一定相等。 当当 时，则时，则 ； 当当 时，则时，则 ； 当当 时，则高、低电平发生转换；时，则高、低电平发生转换；（2 2）由于理想运放的差模输入电阻无穷大，故输入电流为零，）由于理想运放的差模输入电阻无穷大，故输入电流为零，即即 0IIUUooHUUUUUUooLUUoUoHUoLUUU 的作用是使运放处于平衡状态，减小失调及温度漂移。的作用是使运放处于平衡状态，减小失调及温度漂移。 大小由下式决定大小由下式决定 4 4、基本运算电路、基本运算电路 1 1、反相放大器、反相放大器1/ /FRRRR“虚地虚地”平衡电阻反馈电阻0-uu“虚断虚断”-ii深度电压并联

14、负反馈深度电压并联负反馈1100ifiiofffou fiuuiiiiuiRuiRRuAuR 2 2、同相放大器、同相放大器 输入电压加在同相输入电压加在同相输入端，为保证运放工输入端，为保证运放工作在线性区，在输出端作在线性区，在输出端和反相输入端之间接反和反相输入端之间接反馈电阻馈电阻R Rf f构成深度电压构成深度电压串联负反馈，串联负反馈，R R为平衡为平衡电阻，电阻，R R= = R Rf fR R1 1。 111(1)1iifiiiofffoifou fiuuuiiuiRuuiRRuuRRuAuR Au=13.电压跟随器电压跟随器此电路是同相比例此电路是同相比例运算的特殊情况，输运

15、算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻入电阻大，输出电阻小。小。在电路中作用与分在电路中作用与分立元件的射极输出器立元件的射极输出器相同，但是电压跟随相同，但是电压跟随性能好。性能好。uuo+uA+uiui=u+= u-= uo因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断：利用虚短和虚断：4-2 信号信号运算电路运算电路1. 反相加法器：反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡电阻平衡电阻R0= R1/ R2/Rf0 uui1 + i2= if一一. 加法运算电路加法运算电路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虚地虚地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRu

16、RRu )(i2i1fouuRRu 叠加原理叠加原理差动减法器差动减法器 ui1作用作用ui2 = 0 i11fuRRuo ui2作用作用ui1 = 0 i22331f)1(uRRRRRuo 综合：综合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo则有：则有：二二. 减法运算电路减法运算电路R1/Rf=R2/R3 平衡电阻：平衡电阻：当当R1=R2， Rf=R3时，上式简化为时，上式简化为)(1 i2i1fouuRRu如果取如果取Rf=R1，则，则uo=ui2-ui1减法运算实际是差分电路减法

17、运算实际是差分电路输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。 0 0i0PNCNPiiRuiuuuu虚断：虚地tiCuud1CCOtuRCd1i uu+oiiAC+iR1RCuC三三. 积分运算电路积分运算电路反相积分器：反相积分器：如果如果u i是直流电压是直流电压,输出将反相积分，输出将反相积分，经过一定的时间后输出经过一定的时间后输出饱和饱和。tui0tuo0-UomtuRCud1io tuRCi1 应用举例：应用举例：输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCuu-= u+= 0Riu O

18、dtduCiCC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiCdtduCi 四四. 微分运算电路微分运算电路一、概述一、概述1. 电压比较器的功能：电压比较器的功能：比较电压信号比较电压信号( (被测试信号与被测试信号与标准信号标准信号) )大小大小。广泛用于各种报警电路和鉴幅。广泛用于各种报警电路和鉴幅。比较器比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/AD/A和和A/DA/D转换电路中应用广泛。转换电路中应用广泛。 输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只

19、有高电平和低电平两种情况。只有高电平和低电平两种情况。 使输出产生跃变的输入电压称为门限电压。使输出产生跃变的输入电压称为门限电压。2. 电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平+Uom和输出低电平和输出低电平-Uom ；（2）门限电压）门限电压Up；（3）输入电压过门限电压时输出电压跃变的方向，即是从）输入电压过门限电压时输出电压跃变的方向，即是从+Uom跃变为跃变为-Uom ，还是从，还是从-Uom跃变为跃变为+Uom 。4-3 电压比较器和方波发生器电压比较器和方波发生

20、器3.3.几种常用的电压比较器几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个门限电压）单限比较器：只有一个门限电压（3）窗口比较器：）窗口比较器：有两个门限电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个门限电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，门限电压也不同，但输入电压单输入电压的变化方向不同，门限电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压调变化使输出电压只跃变一次。回差电压P2P1UUUP4.4.集成运放在比较器中的应用（集成运放在比较器中的应用（非线性工作区非线性工作区）电路特征：集成

21、运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点集成运放工作在非线性区的特点1) 净输入电流为净输入电流为02) uP uN时，时， uOUOM uPUR时，时，uo=-UomuiUR时，时，uo=+Uom门限电压为门限电压为UR因输入电压只跟一个参考电压因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，进行比较，故此电路称为故此电路称为“单门限电压比较器单门限电压比较器”。若若UR0 过零电压比较器过零电压比较器单门限电压比单门限电压比较器较器电路开环，集成运放工作在非线性区。电路开环，集成运放工作在非线性区。单门限电压比较器的传输特性曲线单门限电压比较器

22、的传输特性曲线uiuo0UR-Uom+Uom单门限电压比较器的单门限电压比较器的特点特点：电路结构简单、灵敏度高，但是抗干电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差扰能力差 单门限电压比较器可实现波形的变换单门限电压比较器可实现波形的变换0tui单门限电压比较器单门限电压比较器把正弦波变为矩形波把正弦波变为矩形波2、双门限电压比较器（滞回比较器）、双门限电压比较器（滞回比较器）输出电压输出电压uo经经Rf和和R1分压加到同相输入端，为分压加到同相输入端，为电路引入了电路引入了正反馈正反馈当当uo=+Uom时，门限电压用时，门限电压用UP1表示表示URRRURRRUom1f1R1ff1P当输入电压当输入电压上升上升到到ui=UP1时，输出电压时，输出电压uo