第13章集成运算放大电路

第13章集成运算放大电路模拟电路部分

第13章集成运算放大电路13.1集成运算放大器的概述13.2基本运算电路13.3电压比较器13.4有源滤波电路13.5RC正弦波振荡电路13.6集成运算放大器的使用集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；13.1概述13.1.1集成运算放大器的结构特点集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。集成运算放大器外形图13.1.2集成运放的组成

集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。输入级中间级输出级UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级+UCCUEE

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。与uo反相与uo同相输入级中间级输出级UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。输入级中间级输出级UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。对偏置电路的要求:

提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

13.1.3集成运算放大器的主要参数1.差模开环电压放大倍数Ado：指集成运放本身（无外加反馈回路）的差模电压放大倍数，即

它体现了集成运放的电压放大能力，一般在104～107之间。Ado越大，电路越稳定，运算精度也越高。2.共模开环电压放大倍数Aco：指集成运放本身的共模电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aco应接近于零。3.共模抑制比KCMR：用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。4.差模输入电阻rid：指差模信号作用下集成运放的输入电阻。5.输入失调电压Uio：指为使输出电压为零，在输入级所加的补偿电压值。它反映差动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好，一般为毫伏级。6.失调电压温度系数ΔUio／ΔT：是指温度变化ΔT时所产生的失调电压变化ΔUio的大小，它直接影响集成运放的精确度，一般为几十μV／℃。7.转换速率SR：衡量集成运放对高速变化信号的适应能力，一般为几V／μs，若输入信号变化速率大于此值，输出波形会严重失真。uou+u–

13.1.4集成运算放大器的电压传输特性输出端反相输入端同相输入端Au0信号传输方向运放开环电压放大倍数1.符号

ri高:几十k

几百k实际运放：KCMRR很大

ro小：几十~几百

Au0很大:104以上~107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Au0

运放符号：－＋＋u－u+uoAu0_++u+u-u02.集成运放的参数3.电压传输特性Ao越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。实际运放uo_++Au0uiUO（sat）–UO（sat）Uim–UimuiuO0ui=u+-u-

理想运放的电压传输特性UO（sat）–UO（sat）理想运放

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

uOui0uiuo++–“虚断路”原则+iiui对于理想运放rid相当于两输入端之间短路uiiirid=对于理想运放u–u+相当于两输入端之间断路uOii

0Auoui

0,rid,“虚短路”原则2)1)4.理想运放工作在线性区的分析依据+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––13.2基本运算电路一、反相输入_++RFR1RPuiuoi1iFi1=iF13.2.1集成运算放大器的输入方式_++RFR1RPuiuo电路的输入电阻：Ri=R1反馈方式：电压并联负反馈输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。RP=R1//RF电位为0，虚地。输入电阻小、共模电压为0，以及“虚地”是反相输入的特点二、同相输入_++RFR1RPuiuou-=u+=ui电压串联负反馈：输入电阻高。共模电压：ui没有虚地概念。ifi1当RF=0，R1=时，电路为电压跟随器_++RFuiuo此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。三、差动输入_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：

差动运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3oo_++RFR1R1ui2uoRFui1差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）。若取R2=R1，R3=RF则：以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电压稳定，输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高，差动输入电阻亦小。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。13.2.2集成运放在信号运算方面的应用uo

=

uiRFR1有：uiuoi1iFRFR1R21.反相比例运算电路一、比例运算uiuoi1ifRFR1R2虚地：ui1

=—iR1例1:反相比例运算电路R3R4设:

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'例2：T型电阻网络电路I=I1-I2=（1+RF1RF2）U1R1RF2I1I1I2IRF1RF3R1U1UOuo

=

1+

u+RFR1

=

1+

uiRFR12.同相比例运算电路有：RFRR12uiuouiuo3、同相跟随器uo

=uiRFR若不接入电阻R、RF，运算关系不变二、加法运算_++RFR11R12ui2uoRPui1i11i12iF1.差动比例运算电路uoRFR1R1RF三、减法运算电路ui1ui2差动比例运算是减法运算电路的一种形式

（ui2

uO=RFR1-

ui1）11ui1212.两级反相输入减法运算电路132212A2A1uo11uRRRRRRRi2F2=

—–

–

—–uoui1

ui2RRRR

13

12F2F2应用举例：tui0四、积分运算tuo01、输入方波，输出是三角波。iFi1u

i-++RR2Cuo2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-Uo（sat）TM积分时限五、微分运算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFC例1：若输入：则：tui0tuo0微分应用举例uuOiC

duidtuo=

–

RC

–—uouiＲＲ输出与输入的关系式为2、若输入为方波则输出波形为例2：求解微分方程dtduo–5uo

=10ui根据电路参数，所要求解的微分方程为：uouiA1A3A210k100k100k150k50k50k0.1F例3:三运放电路uo2++A++ARRRWui1ui2uo1abR1R1++AR2R2uouo2++A++ARRRWui1ui2uo1ab三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。R1R1++AR2R2uouo1uo213.3集成运放的非线性应用-电压比较器非线性应用是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：1.电路中的运放处于非线性状态比如：运放开环应用++Auouo运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）ui>0时：ui<0时：++AuoR1RF1RF2Duiuoui0传输特性3.另一种情况，电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。一、单限电压比较器uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）UR++uouiUR设：UR大于零uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）1、过零比较器++uoui++uouituituo+Uo（sat）-Uo（sat）例1：利用电压比较器将正弦波变为方波。++uiuoUZuoui0+UZ-UZ例2：稳定输出电压-UZ2、反相输入任意电平比较器UR0uiuo设UR>0UZR1R2R3DzURuOuiUZ总结1、电路简单。2、容易引入干扰。tuituo过零附近仍处于放大区3、当Ao不够大时，输出边沿不陡。二、迟滞电压比较器1、下行的迟滞比较器分析：（1）因为有正反馈，所以能加速输出端的翻转（2）当uo正饱和时：（3）当uo负饱和时：比较电压由原来的输出决定－++uoR1RfR2uiU+传输特性U+HU+L翻转后增大了U+-U-，进一步加速翻转URH-URL称为回差小于回差的干扰不会引起跳转下限上限uoui0Uo（sat）-Uo（sat）uRHuRLtuiURHURLtuoUo（sat）-Uo（sat）输入正弦波的情况加上参考电压后的上下限－++uoR1RfR2uiUR加上参考电压后的传输曲线uoui0U+H.uRHuRL2、上行的迟滞比较器从u+=0时翻转，可以求出上下限。－++uoR1RfR2uiuoU+HU+Lui0Uo（sat）-Uo（sat）传输特性曲线uRHuRL另一种电路形式？如何计算上下限？用UZ代替Uo（sat）－++R1RfR2uiuoUZ另一种电路形式？如何计算上下限？上下限不同！－++R1RfR2uiuoUZ电压比较器的分析方法1.输出电压跃变的条件u–u

=+由此可求出电压比较器的门限电压2.电压传输特性u–u

>+uo>0；时，u–u

<+uo<0。时，输出端不接DZ时，

uo

=

UO(sat）输出端接DZ限幅时一般为，

uo

=

UZ13.4有源滤波器

滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类:低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器2.按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义低通高通带通带阻四种典型的频率特性无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）传递函数：RCR1.带负载能力差。2.无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。截止频率处：010.7070截止频率此电路的缺点：将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCRRR1RFC+-+1.一阶有源低通滤波器一、有源低通滤波器有放大作用3.运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似幅频特性：相频特性：电路的特点：2.=0

时1.=0

时解出：其中：RR1RFC+-+CRP2.二阶有源低通滤波器03dBR1=

时：AF=1

=

0时：RC+-+CRP传递函数：通带增益：截止频率：二、有源高通滤波器1.一阶有源高通滤波器幅频特性：缺点：阻带衰减太慢。幅频特性及幅频特性曲线传递函数：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|产生自激振荡的原理基本放大电路Ao反馈电路F+–改成正反馈正反馈电路才能产生自激振荡13.5RC正弦波振荡电路+13.5.1自激振荡如果：k闭合,去掉仍有信号输出。基本放大电路Ao反馈电路F++k基本放大电路Ao反馈电路F反馈信号代替了放大电路的输入信号若，则仍有稳定输出自激振荡条件的推导：自激振荡的条件：因为：所以自激振荡条件可以写成：（1）振幅条件：（2）相位条件：n是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。进一步理解自激振荡：基本放大电路Ao反馈电路F++如果：输入信号为0时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。在振荡建立的过程中，|A0F|>1也就是说每次Xf大于前一时刻的Xf。振荡的建立过程也就是|A0F|从大于1到等于1的过程。振荡器的组成:放大环节选频网络正反馈环节稳幅环节13.5.2起振过程

13.5.3选频网络用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路，可选用的RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。R1C1R2C2R1C1R2C2时相移为0。如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：uo1.用运放组成的RC振荡电路所以只有在f0处才满足相位条件：因为：A0F=1uf_++R2R1RCRC13.5.4振荡电路_++RTuoRCRCR1t2.能自行启动的电路（1）uotRtAu半导体热敏电阻起振时RT>2R1,uo越大则RT越小。3.能自行启动的电路（2）uo_++R21RCRCR1D1D1R22R21+R22略大于2R1,随着uo的增加，R22逐渐被短接，Au自动下降。13.6集成运算放大器的使用

在实际应用中，除了要根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几个方面的问题。

1.调零