电子线路(高教第四版)电子课件

1、6.2集成运放性能参数及对应用电路的影响6.4集成电压比较器*6.3高精度和高速宽带集成运放6.1集成运放应用电路的组成原理 第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.1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，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 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1 或 Zf 采用非线性器件(如三极管)，则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。Z1 或 Zf 采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。组成：集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。 第 6 章集成运算放大

2、器及其应用电路 非线性应用电路 -+AvOvIVREF组成特点：运放开环工作。 由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。6.1.1集成运放理想化条件下两条重要法则 理想运放 失调和漂移0 推论因则因则第 6 章集成运算放大器及其应用电路 说明：相当于运放两输入端“虚短路”。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“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化

3、，因此可利用“虚短、虚断”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，而不涉及运放内部电路。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 集成运放基本应用电路 反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压并联负反馈 因则反相输入端“虚地”。因则由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因因深度电压负反馈第 6 章集成运算放大器及其应用电路 同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈 因则注：同相放大器不存在“虚地”。因由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因深度电压负反馈因则第 6 章集成运算放大器及其应用电路 同相跟随器 -+A+-vsvo由图得因由于

4、所以，同相跟随器性能优于射随器。 归纳与推广 当 R1 、Rf 为线性电抗元件时，在复频域内：反相放大器同相放大器拉氏反变换 得注：拉氏反变换时第 6 章集成运算放大器及其应用电路 加、减运算电路 反相加法器 6.1.2运算电路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因则因 i 0则即整理得说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采用 叠加原理进行分析。 令 vs2 = 0则令 vs1 = 0则例如第 6 章集成运算放大器及其应用电路 同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：则 减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令 vs2 =

5、 0，则令 vs1 = 0，第 6 章集成运算放大器及其应用电路 积分和微分电路 有源积分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则则方法二：利用拉氏变换拉氏反变换得第 6 章集成运算放大器及其应用电路 有源微分器 利用拉氏变换：拉氏反变换得-+ARC+-vsvo 波形变换tvsO输入方波积分输出三角波votO微分输出尖脉冲tvoO第 6 章集成运算放大器及其应用电路 对数、反对数变换器 对数变换器 -+AR+-vsvo利用运算法得：由于整理得缺点：vo 受温度影响大、动态范围小。vs 必须大于 0。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 改进型对数变换器VCC-+A1+-vsvo+-A2+

6、-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图由于(很小)则(T1、T2特性相同)利用 R4 补偿 VT，改善温度特性。vS 大范围变化时， vO 变化很小。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 反对数变换器 利用运算法则得由于整理得缺点：vo 受温度影响大。vs 必须小于 0。-+AR+-vsvoT第 6 章集成运算放大器及其应用电路 乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因 T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，则分析方法一：由图整理得(实现乘、除运算)第 6 章

7、集成运算放大器及其应用电路 vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3 对数放大器A4 反对数放大器第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.1.3精密整流电路 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，构成对微小幅值电压进行整流的电路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2 vI = 0 时 vO = 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 时 vO 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 D1、D2 vO = -(R2 / R1)vI工

8、作原理：vOvI-R2 / R1传输特性vItvOtvIR2R1-输入正弦波输出半波第 6 章集成运算放大器及其应用电路 精密转折点电路 当 v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 时： 当 v- 0，即 vI 0 D1、D2 传输特性vOvI-R2 / R3VRR3R1-vO 0 D1 、D2 则vO = 0 则第 6 章集成运算放大器及其应用电路 精密转折点电路实现非线性的函数 R/R1vO1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvO2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3RvO3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3传输特性第 6

9、 章集成运算放大器及其应用电路 6.1.3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。 特点：KCMR 很高、 Ri 很大， Av 在很大范围内可调。 三运放仪器放大器 由得由得由减法器 A3 得：若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得vI1+ -A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2第 6 章集成运算放大器及其应用电路 有源反馈仪器放大器 可证明vI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2 差放T3、T4 差放A3 跟随器A2

10、跟随器A1 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、高精度、增益可调的仪器放大器。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 仪器放大器的应用 仪器放大器单片集成产品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524 等。例：仪器放大器构成的桥路放大器温度为规定值时 RT =R 路桥平衡 vo = 0 。温度变化时 RT R 路桥不平衡 vo 产生变化。仪器放大器RGRTRRRt oVREFvo第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.1.5电流传输器 电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。 电流传输器电路符号及特点YXZCCvXvYvZiY = 0

11、iXiZY 输入端： iY = 0，即 RY ；X 输入端： vX = vY ，且 vX 与 iX 大小无关，RX 0 ；Z 输出端： iZ = iX ，且 iZ 与 vZ 大小无关。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 电流传输器构成的模拟信号处理电路 YXZCCviRLiXiOR+- 互导放大器 互阻放大器 电流放大器 YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第 6 章集成运算放大器及其应用电路 负阻变换器 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.2集成运放性能参数及对应用电路影响6.

12、2.1集成运放性能参数Avd 高(80 140 dB)，Rid 高(M)，Rod低 ( 100 M) 共模特性 输入直流误差特性IIB(10 100 A)，VIO (mV)，IIO(为 IIB 的 5% 10%) 大信号动态特性转换速率 SR，全功率带宽 BWP第 6 章集成运算放大器及其应用电路 vidRidvO+-v+v-Avd vid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+ -VIO+-Avd vicKCMR集成运放电路模型6.2.2直流和低频参数对性能的影响 Avd、Rid、Rod 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。因此工程估算时，可针对不同场合，

13、有选择地分析运算误差。可证明其中Avd 对精度影响最大。Avd 越大，运算误差越小。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 vidRidvO+-v-Avd vid- +Rod+-R1Rfvs+-RL-+AR1Rf+-vsvoRL KCMR、Ric 为有限值的影响可证明其中Avd、KCMR 越大，同相放大器运算精度越高。 由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须考虑KCMR的影响。RicvO+-v-Avd vidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-Avd vicKCMR第 6 章集成运算放大器及其应用电路 +-+AR1RfvsvoRL 输入偏置电流 IIB 对性能的影响-+AR1Rf

14、+-vsvoR+= R1/ Rf则 IIB 在外电路反相端产生的直流电压：则 IIB 在外电路同相端产生的直流电压：设 R-、R+ 分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。输入偏置电流若则输出无失调例：注：平衡电阻 R+ 的接入对性能指标计算没有影响，但运算精度得到明显改善。 因此，为减小 IIB 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。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 失调电流 IIO 与失调电压 VIO 的影响 可证明为减小失调的影响：在 R+ 较小时，应选择 VIO 小的运放；在 R+ 较大时，应选择 IIO 小的运放。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 v

15、O+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+ -VIOR+6.2.3高频参数对性能的影响 小信号频率参数 开环带宽 BW内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的上限截止频率即开环带宽 BW(或称 3 dB 带宽)。 单位增益带宽 BWG 指增益下降到 1(0 dB)时对应的频率。小信号工作时，其值为常数，且 BWG = AvdI BW 。当运放闭环工作时，BWG等于反馈电路的增益带宽积。反馈越深，Avf 越小，闭环带宽 BWf 越宽。即BWG = Avf BWf第 6 章集成运算放大器及其应用电路 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。其值越大，运放高频性能越

16、好。影响 SR 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)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。 全功率带宽当 SR 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 Vom 就越小。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.4集成电压比较器 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。 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。6.4.1电压比较器的作用 电压比较器工作原理可知，只要开环 Avd 很大，则 v+、v- 间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。由v+ v- 时，

17、vO = Vomax(正饱和值) v+ v- 时， vO = Vomin (负饱和值) v+ = v- 时，逻辑状态转换 因此第 6 章集成运算放大器及其应用电路 理想比较特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 时， vO = VominvI = VREF 时，逻辑状态转换 理想特性vIvOVREFVomaxVominO 实际比较特性实际特性vI VREF - Vomin /Avd 时， vO = Vomin注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性， VREF 作为门限值的 比较精度越高。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 6.4.1具有不同比较特性的

18、电压比较器 单限电压比较器 特点：运放开环工作。 过零比较器 -+AvOvI+-R1D1D2RR(VREF = 0)R1 限流电阻，与 D1、D2共同构成电平变换电路。VOH = VZ + VD(on) VOL = -( VZ + VD(on) ) vIvOVOHVOLO比较特性tvOOtvIO第 6 章集成运算放大器及其应用电路 单限比较器 -+AvOvI+-R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：1)令 v- = v+， 求出的输入电压 vI 即门限电平。2)分别分析 vI 大于门限、小于门限时的输出 vO 电平。令得门限电平即 v+ v-若则 vO = VOH比较特性vI

19、vOVOHVOLVREFR2R1-第 6 章集成运算放大器及其应用电路 单限比较器优点： 电路结构简单，可不计有限 KCMR 的影响。 单限比较器缺点： 电路抗干扰能力差。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。 tvOOvItO第 6 章集成运算放大器及其应用电路 迟滞比较器(施密特触发器)-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2特点正反馈电路具有双门限令得门限电平： 反相输入迟滞比较器 迟滞宽度： vIvOVOHO比较特性VOLVILVIH第 6 章集成运算放大器及其应用电路 -+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得门限电平： 同相输入迟滞比较器 迟滞宽度： vIvOVOHO比较特性VOLVILVIH将反相迟滞比较器中的vI 与 VREF 交换，即得同相输入迟滞比较器。第 6 章集成运算放大器及其应用电路 迟滞比较器优点