第6章电子系南昌大学低频课件

1、第第 6 章集成运算放大器及其应用电路章集成运算放大器及其应用电路 集成运算放大器是将多个晶体管集成在一小块硅片集成运算放大器是将多个晶体管集成在一小块硅片上实现高增益放大功能的一种集成器件。上实现高增益放大功能的一种集成器件。 实现集成运放的工艺主要有双极性工艺、实现集成运放的工艺主要有双极性工艺、MOSMOS工艺工艺和和BiCMOSBiCMOS工艺。工艺。 双极性集成运放：双极性集成运放：转换速率快、驱动能力强、失调转换速率快、驱动能力强、失调和温漂小和温漂小 MOSMOS集成运放：集成运放：具有输入阻抗高、功耗低具有输入阻抗高、功耗低 BiCMOSBiCMOS集成运放：集成运放：兼有两者

2、优点兼有两者优点 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理根据集成运放自身所处的工作状态，应用电路分为：线根据集成运放自身所处的工作状态，应用电路分为：线性应用电路和非线性应用电路两大类。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 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1 或或 Zf 采用非线性器件采用非线性器件( (如三极管如三极管) )，则可构成，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、，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。微分等运算电路

3、。组成：组成：集成运放外加深度负反馈。集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。号工作，故运放处于线性状态。 q 非线性应用电路非线性应用电路 -+AvOvIVREF组成特点：组成特点：运放运放开环工作（包括开环工作（包括正反馈）。正反馈）。 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。例即可使运放输出进入非线区工作。例如：电压比较器、振荡如：电压比较器、振荡器等。器等。集成运放理想化条件下两条重要法则集成运放理想化条件下两条重要法则 理理想想运运放放 d

4、vA idR0odR CMRK BW失调和漂移失调和漂移0 推论推论 idR0do vAvvv因因则则 vv因因则则0i电源电压抑制能力无穷大电源电压抑制能力无穷大 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+) 的值的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这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。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，只是输入电流同样，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

5、计的程度。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，因此可利用实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电运算法则分析运放应用电路。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。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-+AR1Rf+-vsvoifi1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f1ii 1s1

6、s1RvRvvi fofofRvRvvi 由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：s1fovRRv 输入电阻输入电阻1iRR 输出电阻输出电阻0oR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 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈类型：电压串联负反馈 vv因因则则svv 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1s110RvRvi fosfofRvvRvvi 由图由图输出电压表达式：输出电压表达式： vRRvRRv)1()1(1fs1fo输入电阻输入电阻 iR输出电阻输出电阻0oR因深度电压负反馈因深度电压负反馈0i因因则则f1ii

7、同相跟随器同相跟随器 -+A+-vsvo由图得由图得sovvv vv因因由于由于1f vA iR0oR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：)()()()(s1fosvsZsZsv 反相放大器反相放大器)()()(1 )(s1fosvsZsZsv 同相放大器同相放大器拉氏反变换拉氏反变换 )(otv得得注：注：拉氏反变换时拉氏反变换时tsdd tsd1q 加、减运算电路加、减运算电路 反相加法器反相加法器 -+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1 v

8、v因因则则0 v因因 i 0则则f21iii fo2s21s1RvRvRv 即即整理得整理得s22fs11fovRRvRRv 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，还可采概念外，还可采用用 叠加原理进行分析。叠加原理进行分析。 2o1oovvv 令令 vs2 = 0则则s11fo1vRRv 令令 vs1 = 0则则s22fo2vRRv 例如例如 集成运放应用电路集成运放应用电路 同相加法器同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：利用叠加原理：212s1211s2RRvRRRvRv 则则 vRRv)1(3fo)(1(212

9、s1211s23fRRvRRRvRRR 减法器减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令 vs2 = 0，则则s11fo1vRRv 令令 vs1 = 0，32s231fo2)1(RRvRRRv 2o1oovvv s11fvRR 32s231f)1 (RRvRRRq 积分和微分电路积分和微分电路 tvCRvd)(dos 有源积分器有源积分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则方法一：利用运算法则则则 tstvRCv0od1方法二：利用方法二：利用拉氏变换拉氏变换)()(Z)()(s1fosvssZsv )(1ssvsRC )()/(1ssvRsC 拉氏反变换得拉氏反变换得 tst

10、vRCv0od1 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏变换：拉氏变换：)()(Z)()(s1fosvssZsv )(sssRCv )()/(1ssvsCR 拉氏反变换得拉氏反变换得tvRCvddso -+ARC+-vsvo 波形变换波形变换tvsO输入方波输入方波积分输出三角波积分输出三角波votO微分输出尖脉冲微分输出尖脉冲tvoOq 对数、反对数变换器对数、反对数变换器 对数变换器对数变换器 -+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv 利用运算法得：利用运算法得：由于由于oBEvv 整理得整理得RIvVvSsToln 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VCC-+A1+-vsvo+-A2+-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图由图1CC2T1CC2TBE1BE2B2lg3 . 2lniiViiVvvv 由于由于1sC1/ Rvi 2CC22BCCC2/ )(RVRvVi ( (很小很小) )则则)lg(3 . 2lg3 . 2sCC12T2CC1TB2vVRRViiVv )lg()1(3 . 2)1(sT432B43oKvVRRvRRv ( (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

12、时， vO 变化很小。变化很小。 反对数变换器反对数变换器 RvIVvoSTBEe 利用运算法则得利用运算法则得由于由于sBEvv 整理得整理得TseSoVvRIv 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 ,-+AR+-vsvoTq 乘、除法器乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因因 T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，构成跨导线性环，则则OZYXiiii 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

13、/ Rvi 4OO/ Rvi ZYXYXZ4OvvvRRRRv ( (实现乘、除运算实现乘、除运算) )vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：分析方法二：XSXTBE1o1lnRIvVvv ZYXYXZ4vvvRRRR BE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvv ZSZTBE3o3lnRIvVvv 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To3o2e4SOVvvRIv 仪器放大器仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。仪器放

14、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G2I1IGRvvi 得得0i由由)(G21G2OO1RRRivv 得得由减法器由减法器 A3 得：得：2O656341O34O)1(vRRRRRvRRv 若若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得整理得)21(G342I1IOfRRRRvvvAv vI1+ -A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2q 有源反馈仪器放大器有源反馈仪器放大器 可证明可

15、证明GS4432I1IofRRRRRvvvAv vI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、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 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

16、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RGRTRRRt oVREFvo集成电压比较器（开环应用）集成电压比较器（开环应用） 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、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。 电压比较器工作原理电压比较器工作原理可知，只要开环可知，只要开环 Avd 很大，则很大，则 v+、v- 间的微小差值，即可使运间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。放输出工作在饱和状态。由由)(dO vvAvvv+ v- - 时，时， vO = Vomax( (正饱和值正饱和值) )

17、 v+ v- - 时，时， vO = Vomin ( (负饱和值负饱和值) ) v+ = v- - 时，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-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 时，时， vO = VominvI = VREF 时，时，逻辑状态转换逻辑状态转换 理想特性理想特性vIvOVREFVomaxVominO 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 作为门限值的作为

18、门限值的 比较精度越高。比较精度越高。具有不同比较特性的电压比较器具有不同比较特性的电压比较器q 单限电压比较器单限电压比较器 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 -+AvOvI+- -R1D1D2RR( (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) ) vIvOVOHVOLO比较特性比较特性tvOOtvIO 单限比较器单限比较器 -+AvOvI+- -R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1)

19、 )令令 v = v+ +， 求出的输入电压求出的输入电压 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 电平。电平。0REF212I211 VRRRvRRR令令得门限电平得门限电平REF12IVRRv 即即 v+ + v- -若若REF12IVRRv 则则 vO = VOH比较特性比较特性vIvOVOHVOLVREFR2R1- - 单限比较器优点：单限比较器优点： 电路结构简单，可不计有限电路结构简单，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： 电路抗干扰能力差。电路抗干扰能力差

20、。例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。时，输出会出现误操作。 tvOOvItOq 迟滞比较器迟滞比较器( (施密特触发器施密特触发器) )-+AvOvI+- -R3D1D2RVREFR1R2特点特点正反馈电路正反馈电路具有双门限具有双门限REF211O212IVRRRvRRRv 令令得门限电平：得门限电平：REF211OH212IHVRRRVRRRv REF211OL212ILVRRRVRRRv 反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器 )(OLOH212ILIHVVRRRVVV 迟滞宽度：迟滞宽度： vIvOVOHO比较特

21、性比较特性VOLVILVIH-+AvOvI+- -R3D1D2RVREFR1R2I211O212REFvRRRvRRRV 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： vIvOVOHO比较特性比较特性VOLVILVIH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，即得同相输交换，即得同相输入迟滞比较器。入迟滞比较器。OL12REF12IH)1(VRRVRRV OH12REF12IL)1(VRRVRRV )(OLOH12ILIHVVRRVVV 迟滞比较器优点：迟滞比较器优点：电路抗干扰能力电路抗干扰能力强。强。例：反相输入迟滞比较

22、器的比较特性如图示，在已知例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。输入信号时，试画输出信号波形。vI (V)vO/VO比较特性比较特性7- -7- -66vI /VtO10- -106- - 6tvO/VO7- -7 迟滞比较器应用迟滞比较器应用方波发生器方波发生器-+AvO+- -R3D1D2R1R2RC门限电平门限电平OH212IHVRRRv OL212ILVRRRv 设设 t = 0 时，时，vO = VOH ，初始，初始 vC = 0则则 VOH 经经 R 向向 C 充电充电 vC 按指数规律按指数规律 当当 vC VIH 时时 vO 跳变为跳变为 VOL此时此时 C 经经 R 放电放电 vC 按指数规律按指数规律 当当 vC VIL 时时 vO 又上跳到又上跳到 VOH可证振荡周期：可证振荡周期：)21ln(212RRRCT tvOOvC