第三章集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。uP输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路uNuO输入级：输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小 零点漂移和抑制干扰信号。零点漂移和抑制干扰信号。 u+输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路u-uO中间级：中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流放

2、大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。源代替，以提高电压放大倍数。 输出级：输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。阻，提高带负载能力。 偏置电路：偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。 Auo是指集成运放在没有外接反馈电路时的是指集成运放在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数，也称开环电压增益。差模电压放大倍数，也称开环电压

3、增益。 iouolg20UUA Auo一般在一般在80140dB，即，即104107。 集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。的电源电压有关。 要使输出电压为零，必须在输入端加一个要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的般为几毫伏，理想集成运放的为零。为零。 输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极

4、电流之差，一般在零点零几微安级，电流之差，一般在零点零几微安级， 越小越好。越小越好。 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。值，称为输入偏置电流。 允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于模信号大于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。制比显著下降。 两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过模输入电压。如果差模输入信号超过，将引起输，将引

5、起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。入管反向击穿而使运放不能正常工作。 主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。 开环差模电压放大倍数无穷大开环差模电压放大倍数无穷大 Auo ，差模输入电阻无穷大差模输入电阻无穷大 rid ，开环输出电阻为零开环输出电阻为零 ro 0 ，共模抑制比无穷大共模抑制比无穷大 KCMR +Uo(sat)Uo(sat)线性区线性区理想特性理想特性实际特性实际特性饱和区饱和区 O u+ u uo线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo

6、 = + Uo(sat) u+0)VR1iCi1uouiR2+ 利用晶体管利用晶体管PN结的指数型结的指数型伏安特性，可以实现对数运算伏安特性，可以实现对数运算 TBESRCexpUuIi1iicRuii BEouu 1SRiTolnRIuUu由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得(ui0)VRFiCifuouiR+ TiFSRFfoexpUuRIRiu TBESRCexpUuIi由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得I1IFRFUOUZR2+ R1RVS+US由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得11RUIZ 0 uuFORUI FF1II Z1FoURRU 输出电压可以认为是恒压源。

7、改变反馈电阻输出电压可以认为是恒压源。改变反馈电阻RF的大小，可以改变输出电压的大小，可以改变输出电压UO的大小。的大小。 ILRFUZR2+ R1RLVS+USF由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得ZUuu ZURIU FLFFZLRUI IL的大小与负载电阻的大小与负载电阻RL无关，所以该电路构成电无关，所以该电路构成电流源电路，改变流源电路，改变RF的大小可以改变电流源的电流值。的大小可以改变电流源的电流值。IPRF+ UXRP 这种毫伏表能测量这种毫伏表能测量1mV左右电压，左右电压，具有高灵敏度，高输入电阻、高稳定具有高灵敏度，高输入电阻、高稳定性能等优点。性能等优点。 FXPR

8、UI 例如：表头是一块例如：表头是一块100A的直流微的直流微安表，反馈电阻安表，反馈电阻RF取取10，则可测，则可测量的满偏电压量的满偏电压UX = IPRF = 1 mV。 以直流毫伏表为基础，加上分压器或分流器就可以构以直流毫伏表为基础，加上分压器或分流器就可以构成多量程的直流电压表或电流表。如果将表头改接到一成多量程的直流电压表或电流表。如果将表头改接到一个桥式整流电路中，就可以测量交流电压和交流电流。个桥式整流电路中，就可以测量交流电压和交流电流。 i1R3+ uCR1-+ + + +-ui+-i2R4R2R5R6uo1uo2uoiRA3A1A2通常选取通常选取R3=R4=R5=R6

9、 ui为有效的输入信为有效的输入信号，号，uc为共模信号，为共模信号，即干扰信号。即干扰信号。 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得RuRuuii21 iii 21Cii1111o1uuuRRuRiu Ci11uuuu C22uuu i1R3+ uCR1-+ + + +-ui+-i2R4R2R5R6uo1uo2uoiRA3A1A2Ci2222o2uuRRuRiu o2656343o134ouRRRRRRuRRu 6543RRRR o2o1ouuu i21o)1(uRRRu 、 uo与共模信号与共模信号uC无关，这表明图测量放大器具无关，这表明图测量放大器具有很强的共模抑制能力。有很强的共模

10、抑制能力。 AD612测量放大器内部电路测量放大器内部电路 当当(1)端分别和精密电阻网络引出端端分别和精密电阻网络引出端(3)(10)相连时，按二进制关系建立增益，相连时，按二进制关系建立增益，8122fA92fA当当(10)、(11) 端均与端均与(1)端相连端相连时，时，当当(10)、(11)、(12)端均与端均与(1)端相连端相连时时，102fA当当(1)和精密电阻网络的各引出端和精密电阻网络的各引出端(3)(12)不相连时不相连时，1fA，在在(1)端和端和(2)端之间外接一个电阻端之间外接一个电阻R则增益为则增益为RKAf801 AD612测量放大器测量放大器滤波器就是一种选频电路

11、。它让一定频段的信号通滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过过(衰减很小衰减很小)，而抑制其余频段的信号，而抑制其余频段的信号(衰减很大衰减很大)。滤波器通常分为滤波器通常分为低通低通、高通高通、带通带通及及带阻带阻等。等。 uiuoRFuCCR+ R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAufiC1j1jUCRCUU URRU)(11Fo频频率率角角称称为为截截止止RC1: 0 式式中中uiuoRFuCCR+ R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAuf01Fioufj11)(j)(j)(jA RRUU0f0j1 uA1Fuf01RRA 为通频带放大倍数为通频带

12、放大倍数 0f0j1)( uufAjA20f0)(1)(j uAT幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数: 0arctan)( ,0时时当当 ,0时时当当 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | Auf(j ) | Of0uf)(juAA 2)(jf0ufuAA ,时时当当 0)(juf A20f0)(1)(j uAT幅频函数：幅频函数：uoRFCR+ R1uiRC 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减时信号衰减得更快些，常将两节得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。组成二阶有源低通滤波器。二阶二阶一阶一阶 幅频特性幅频特

13、性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | OuiuoRFCR+ R1 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUAufi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUAuf 01Fioufj11)(j)(j)(j RRUUA 0f0j1 uA1Fuf01RRA 为通频带放大倍数为通频带放大倍数 20f0uf)(1)(j uAA幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数: 0arctan)( 0f0j1)( uufAjA20f0uf)(1)(j uAA,时时当当 f0uf)(juA

14、A ,0时时当当 0)(juf A,0时时当当 2)(jf0uufAA 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | Auf(j ) | O 将低通滤波器将低通滤波器和高通滤波器串联，和高通滤波器串联，并使低通滤波器的并使低通滤波器的截止频率大于高通截止频率大于高通滤波器的截止频率，滤波器的截止频率，则构成有源带通滤则构成有源带通滤波器。波器。 将低通滤波将低通滤波器和高通滤波器和高通滤波器并联，并使器并联，并使高通滤波器的高通滤波器的截止频率大于截止频率大于低通滤波器的低通滤波器的截止频率，则截止频率，则构成有源带阻构成有源带阻滤波器。滤波器。 控制信号控制信号 采样保持电路采样保持电路

15、，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之前之前。由于。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。模拟开关模拟开关模拟输模拟输入信号入信号采样存储采样存储电容电容电压跟随器电压跟随器 SuC+ui+uo+ uG uG为高电平，为高电平， S 闭闭合合(场效应管导通场效应管导通)，ui对存储电对存储电容容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场

16、效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ uG 电压比较器用来比较输入信号与参考电压电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。平。由此来判断输入信号的大小和极性。 。URuouiR2+ R1参考电压参考电压电压传输特性电压传输特性ui

17、uoOUR可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。uiuoOURuitOURt1t2Ouot +Uo (sat) Uo (sat)URuouiR2+ R1 当当UR=0时，即输入电压和零电平比较，时，即输入电压和零电平比较，称为称为过零比较器过零比较器。 uouiR2+ R1tuituo+Uo(sat)Uo(sat)ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)u

18、iuoURR2+ R1 uiuoOUROt +Uo(sat) Uo(sat)uouitOURt1t2uoRVSuouiR2+ R1+UZ UZ电压传输特性电压传输特性uiuoO 例例3-7 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压ui是一正弦电是一正弦电压，其周期为压，其周期为T，输出端外接，输出端外接RC电路的时间常数电路的时间常数RC ，试画出，试画出uo、uA、uL的波形。的波形。 2TuoRVDuLuiRL+ +CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)uoRVDuLuiRL+ +CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)tuAtuL由于由于RC0 由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零 调零的两种方法：调零的两种方法： 一是在无输入时调零，即将两个输入端接一是在无输入时调零，即将两个输入端接“地地”，调节电位器，使输出电压为零，调节电位器，使输出电压为零 。VD1VD2uoui+ RFR2