模拟电子电路第6章

第一节集成运算放的组成及基本特性第二节运放的线性应用及理想运放模型第三节基本运算电路第四节电压比较器第五节波形发生器第6章集成运算放大器的分析与应用第一节集成运算放大器的组成及基本特性模拟集成电路分成：通用集成电路：模拟信号处理电路。专用集成电路：1）控制系统专用集成电路（如电机控制电路、可控硅控制电路等）；2）通信系统专用集成电路（如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等）。3）测试系统专用集成电路（ATE电路、信号变换和处理电路等）、仪器专用电路等。一．概述1．模拟集成电路的基本结构二．集成电路的基本结构2．

数字集成电路的基本结构运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。集成运放电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四大主要部分构成。运放组成及符号差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+Uo三．模拟集成运算放大器的基本结构1.输入级：高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U＋

表示；一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U－表示。

4.恒流源偏置：可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，一般采用电流源电路。

3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流，常采用互补对称电路的形式，具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器（共射电路）。集成运放F007的电路原理2．单极型集成运放第一级以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。

集成运放的应用多种多样，在不同的应用电路中处于不同的工作状态，集成运放的应用可划分为两大类：线性应用：闭环应用，集成运放可用理想模型来代替。非线性应用：开环应用，如：比较器。第三节线性应用及理想运放模型运放模型分类：1.按精度分类：理想模型非理想模型运放宏模型2.按功能分类：直流模型交流小信号模型大信号模型噪声模型1、集成运算放大器的转移特性:uou-

-

u+0线性工作范围正饱和负饱和输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以常将特性理想化。2、运放线性工作的保障:两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。运放应用电路中：负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。一、集成运算放大器的线性应用运放的输出幅度有限（比电源低2V左右）;运放的开环电压增益一般>10000;u-u+uo二、理想运放模型理想运放具有如下性能：1、开环电压增益——AUd;2、输入电阻——Rid;3、输出电阻——Ro=0;4、频带宽度——BW

;5、共模抑制比——KCMR

;6、失调、漂移和内部噪声为零

;运放的主要特点根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性。三、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：1、u+=u-(虚短)2、i+=i-=0(虚断)同相和反向输入端电流近似为零；两输入端电压近似相等；Ui=U+-U-=Uo/AU0理想运放的开环电压增益Ui=Uo/AU0;Ui=IiRi0;Ii0;3、输出端呈电压源特性：1)同相端与反相端呈开路状态。2)输出回路为一受控电压源AU(U+-U-)，由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-)。-U-I-+U+I+Uo+-AU(U+-U-)反相比例运算同相比例运算一、比例运算电路三、积分微分电路四、对数指数电路基本反相积分基本反相微分对数电路二、加、减法运算电路反相加法运算同相加法运算减法运算第四节基本运算电路指数电路1．反相比例运算电路(1)实际电路分析法:1)电压增益由理想运放“虚短”和“虚断”

的概念可知：UP=UN=0IP=IN=0

其中UN被称为“虚地点”。也因此有：If=I1将相应变量代入后得：

为了保证集成运放输入的对称性，要求

Rp=R1//Rf。一、比例运算电路2)输入电阻和输出电阻根据输入电阻的定义：反相比例电路的输出电阻为：Ro=Rf//0

0上述结果表明：虽然理想运放的输入电阻为无穷大，但是反相比例运算电路的输入电阻却不大。为了提高输入电阻，必须适当增大R1。反相比例运算电路的输出电阻近似为0，表明其带负载能力较强。(2)小信号模型分析法可把上述反相比例运算电路改画成小信号模型等效电路：由于：U+=U-

=0故有：If=I1即：则电压增益为：

上式表明：采用两种分析方法所得结论一致，但模型分析法分析过程更直观、更简单。在实际应用中，采用那种分析方法可自主选择。2．同相比例运算电路为了保证集成运放输入的对称性，要求

R2=R1//Rf。1)电压增益由理想运放的“虚短”和“虚断”的概念可知，集成运放的净输入信号为零，即：

UP=UN=Ui

If=I1

将相应变量代入后得：电压增益为2)输入电阻与输出电阻

Ri=∞Ro=Rf//0

0结论：Auf的大小决定于Rf和R1的比值，Auf为正值，说明输出电压与输入信号电压是同相的。在极限情况下:有AUf=1，Ui=Uo；Ri→∞和Ro=0。R1→∞Rf→0的极限状态称为电压跟随器。作用：阻抗变换。

输出电阻为Ro=Rf//0

0输入电阻为电压增益为输入电阻为电压增益为输出电阻为Ro=Rf//0

0Ri=∞此处不加电阻是否可以？为什么？二、加减运算电路1．加法电路（反相）由于I1=U1/R1

I2=U2/R2

I3=U3/R3又由“虚断”可得：

If=I1+I2+I3因而输出电压：结论：(1)反相加法器的输出电压与输入电压之和成正比。

(2)比例系数由各输入电阻比值决定与运放参数无关。

(3)输入电压与输出电压的极性成反比。同理对于有n个输入端的加法电路有：Rp=R1//R2////Rn//Rf构成要求：即：（R+=R-）由反相放大器组成的加法电路（简称反相加法电路或反相求和电路）改变某一路信号的输入电阻Rn，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，因而调节方便。【例6-1】试用叠加原理，计算图6—21所示由同相放大器组成的加法电路的输出电压Uo表达式。解：而UP可用叠加原理求出。令U2=0，则由U1产生的UP’为：令U1=0，则由U2产生的UP”为：因此：故同相加法电路共模输入较高，调节不便，运用较少。2.有n个输入端的同相加法电路在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。同相加法电路

运放具有虚断的特性；同相输入端的电位可用叠加原理。求得：结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压U1Un之和成正比。

(2).缺点：调节某一支路的Rn会影响比例放大倍数。

(3).优点：输入阻抗高。3.减法电路减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：减法电路

1)只考虑U1作用时：2)只考虑U2作用时：同相端输入电压为：3)总输出电压为：结论：(1)减法器的输出电压与输入电压之差成正比。(2)减法器又称差分放大器。(3)为减小运放失调误差影响设计时应保持：R1//Rf=R2//R3。实例：双端输入求和电路双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图：其输出电压表达式的推导方法与同相加法电路相似。双端输入求和运算电路当Ui1=Ui2=0时，用叠加原理分别求出:Ui3和Ui4时作用时的输出电压Uop。当Ui3=Ui4=0时，用叠加原

理分别求出:Ui1和Ui2作用时的Uon。先求式中Rp=R3//R4//R,Rn=R1//R2//Rf再求【例6-2】图6-23所示电路是一个具有高输入阻抗、低输出阻抗的测量放大器，其增益可通过改变R4值进行调节。假设运放是理想的，试证明：解：直接应用虚短和虚断的概念求解。由虚短的概念可知：

U2=UN2、U1=UN1，则又由虚短的概念可知：

I1=I4=I2由此可导出：对于A3与R1、R1

构成差动式减法电路,因此有：例题

求图所示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。解：vs1和vs2为差模输入信号，为此vo1

和vo2也是差模信号，R1的中点为交流零电位。对

A3是双端输入放大电路。所以：显然调节R1可以改变放大器的增益。积分运算电路的分析方法与反相比例电路类似，反相积分运算电路如图所示：积分运算电路i1(t)=if

(t)i1(t)=ui

(t)/R1.利用虚地的概念：3.电容两端的电压：Rf可抑制直流漂移限制低频增益2.利用虚断的概念：三、积分电路当输入信号是阶跃直流电压E时:输出电压：反映了输入输出的积分关系。若输入信号电压是直流电压E：则输出电压uo(t)随时间t按负斜率下降，如图所示。积分器除了进行数学运算外，在电子技术中常用于波形变换。若输入信号是幅值为5V频率为1kHz的方波电压信号，电路元件

R=10k，C=0.1F，输出信号变成如图的三角波。三角波的幅值为：由于Uim=5V，T=1/1kHz=10-3s，可求得：结论:1.现精确积分的关键是确保运放反响端为“虚地”。（这样能保证C的充电电流正比与输入电压）2.若反馈回路接入大阻值电阻Rf可抑制直流漂移、直流增益。3.设计时应满足：且输出电压的幅值要小于等于Uom，由此可知，输出电压可表示为：

Uo=(Ui/RC)(T/2)Uom【例题】如图6-24所示积分器，已知输入矩形波电压幅值

U1=1V，T=10ms，见图6-25（b），运放最大输出电压Uom=10V，求电路元件R和C的值。解：由于即：UiT

2Uom

RC由上式可求出RC乘积为RCUiT/

2Uom=0.5×10×lo-3/10=0.5ms可取电阻：R5k；电容：C0.1F

微分运算电路如图所示:反映了输入输出的微分关系。四、微分电路实用微分电路R1的作用是:适当减小放大器高频增益以抑制高频噪声。微分器除了可作数学运算外，在电子技术中也可用作波形变换。若在微分器输入端加入一个频率为1kHz幅值为2.5V的三角波信号，不计R1的影响，则变化率：微分器输出电压是一方波信号，它的幅值电压为：在设计微分器时，元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制，即最大输出电压Uom满足：对数运算电路见图:1.输入电压与输出电压的对数成正比。2.由于结论中包含有反向饱和电流IS，IS是温度的函数，故温度稳定性差。结论五、对数电路

指数运算电路如图所示：指数运算电路相当反对数运算电路。六、指数电路第五节电压比较器1.比较器的功能:

是将一个模拟电压信号与一个参考电压相比较的电路。2.比较器的应用:

波形变换、过零检测、越线报警、模数转换等。3.比较器的种类很多如:

单门限比较器、迟滞比较器、单片集成电压比较器和*窗口比较器等。一、单门限比较器

(1)单门限电压比较器由于集成运放的开环电压增益AU很大：当输入信号Ui小于参考电压UREF，即Uid=（Ui－UREF）＜0时，运放输出Uo为低电平VOL；当输入信号Ui大于参考电压UREF

，当Ui升高到略大于UREF，即Uid=（Ui－UREF）＞0时，Uo为高电平VOH。【举例】电路如图6-31(a)所示，当Ui如图6-32(a)所示时，试画出Uo及Uo‘

的波形。（2）过零比较器二、迟滞比较器由输出引一电阻分压支路到同相端，电路如图所示。当输入电压Ui从零逐渐增大：此时触发电平变为U2

，U2称为

下限阈值(触发)电平。滞回比较器电路图此时触发电平变为U1，U1称为上限阈值(触发)电平。当Ui逐渐减小，且Ui=

U2

以前，始终等于Uom-

；当Ui逐渐增大，且Ui=U1以前，始终等于Uom+

，因此出现如图所示的迟滞特性曲线。门限宽度U

：*三、比较器的应用比较器一个重要作用是：用来对输入波形进行整形：可以将不规则的输入波形整形为方波输出。(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波比较器的基本特点：工作在开环或正反馈状态；开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态；非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。一、方波、三角波发生器1.vo1输出为方波。2.vo2输出为三角波（C的冲放电时间相同）。第五节波形发生电路二、脉冲波、锯齿波振荡在方波—三角波振荡电路中:

积分电路两个积分方向采用不同的时间常数,可改变上升沿和下降沿的斜率，形成锯齿波,对应的方波也成了脉冲波。第七节集成运放的其他应用一电流-电压变换器二RC有源滤波器三测量放大器四增益可调放大器五交流耦合放大器六稳压电源

一、电流-电压变换器由图可知:可见输出电压与输入电流成比例。电流-电压变换电路(a)负载接地可解得：负载接地的情况：

R1和R2构成电流并联负反馈；

R3

、R4和RL构成电压串联正反馈。由图可得：二、电压-电流变换器由图（b）可知：所以输出电流与输入电压成比例。(b)负载不接地负载不接地的情况：结论：

电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。1.一阶低通有源滤波器:根据反相比例运算电路的分析频率特性:截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1三、RC有源滤波器特性曲线：2.一阶高通有源滤波器：据反相比例运算电路的分析:频率特性:截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1特性曲线:RfRRR

RX=R+RURUo-+四、测量放大器如图所示电路为典型的测量电路：常用于非电量测量。如温度，压力等。RX的阻值随被测量变化而变：RX产生R变化时：输出电压将变化Uo。RX=R时：电桥平衡；Ui=0；Uo=0。=R/R<<1时，输出电压为：

Uo≈URRf/(2R)五、单电源供电放大电路

集成运放通常采用双电源供电，其中负电源主要提供差分放大级的发射极电源（静态工作点）。当使用单电源供电时，为保证电路有合适的静态点，运放的输入级由外电路提供偏置电压。R1UiUoRf-+EcRRRf-+Ec/2Ec