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1、第4章集成运算放大器及其应用n差动放大器n集成运算放大器电路n集成电路运放的应用概述集成电路简称简称IC【Integrated Circuit】它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。连线等集成在一片硅片上而制成的。优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。DIP双列直插式封装QFP表面贴装型封装LCCC无引线陶瓷封装产生产生“零点漂移零点漂移”T 定义：定义：输入电压（输入电压（v vi
2、i）为零而输出电压（）为零而输出电压（v vo o）不为）不为零且缓慢变化的现象，称为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象零点漂移现象，简称简称零漂零漂。常用耦合方式有常用耦合方式有直接耦合直接耦合 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，如果第一级产生零漂，经多级放大后输出级将严重偏离原工作点，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。关于关于“零点漂移零点漂移”T 产生原因：产生原因：以目前的工艺水平，以目前的工艺水平，由温度变化所引起的半由温度变化所引起的半导体器件参数变化导体器件参数变化成为产生零漂现象的主要成为产生零漂现象的主要原因，因而也称零点漂移为原因，因而也称零
3、点漂移为温度漂移温度漂移，简称，简称温漂温漂。T 差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果4.1.1 差分式放大电路组成电路构成特点T1与与T2的特性完全相同，的特性完全相同，电路结构电路结构对称对称。电路参数也相同，电路参数也相同，即：即：等等。等等。12-VEE长尾对称长尾对称电路电路4.1 4.1 差分式放大电路差分式放大电路12-VEE静态时静态时,Ui1=Ui2=0对称对称Uo=0零漂相互抵消零漂相互抵消,抑制抑制输入输入输入输入输出输出4.1.2差分式放大电路分析共模信号共模信号vic是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。12-VEE
4、共模增益共模增益:抑制零点漂移原理 温温度度变变化化和和电电源源电电压压波波动动，都都将将使使集集电电极极电电流流产生变化。且变化趋势是相同的，产生变化。且变化趋势是相同的， 其其效效果果相相当当于于在在两两个个输入端加入了共模信号。输入端加入了共模信号。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差模信号差模信号vic是指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号。12-VEE差模增益差模增益:共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标差模信号和共模信号温度和电源电压的波动对三极管电路的影响（零漂）相当于在两个输入端加入了共模信号vC1vC
5、2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】差模信号差模信号共模信号共模信号voc+-vi1+-vi2b1b22Ro2Rovoc1+-voc2两管的电流或是同时增加，或是同时减少两管的电流或是同时增加，或是同时减少根据根据有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。号大小相等，相位相反。实际工作时实际工作时4.2.1 集成运算放大器概述对称性有源器件直接
6、耦合作为级间耦合方式组合电路BJT代替二极管4.2 4.2 集成运算放大器电路集成运算放大器电路集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元图图 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图4.2.2 集成运放及其基本组成（1）输入级（又称前置级）要求：要求：Ri高，以便把外加信号尽可能多的吸高，以便把外加信号尽可能多的吸入电路中去，同时要考虑干扰信号的入电路中去，同时要考虑干扰信号的滤除问题。滤除问题。往往都是用往往都是用双端输入双端输入的高性能的高性能差分放大差分放大电路电路。（2）中间级作用：在这一级把信号尽量放大，使集成运放作用：在这一级把信号尽量放大，
7、使集成运放具有较强的放大能力。具有较强的放大能力。多采用多采用共射（或共源）放大电路共射（或共源）放大电路（它们它们的的AV大大）；）；多采用多采用复合结构复合结构（它们的它们的AV大大）；）；如：复合管结构如：复合管结构bce= 1 2bce= 1 2互补型互补型（3）输出级要求：要求：Ro小，带负载能力强；非线性失真小。小，带负载能力强；非线性失真小。多采用多采用互补对称输出电路互补对称输出电路，保证功率放大。，保证功率放大。（4）偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点+VCC-VEEPNvPvNOvOiPiNA集成运放的符号同相输入端反相
8、输入端这两个电压有时画有时不画，无所谓！输入与输出的关系：输入与输出的关系：当当vi从从反相反相输入端输入时，输入端输入时，vo与与vi反相；反相；当当vi从从同相同相输入端输入时，输入端输入时，vo与与vi同相同相； 1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。4.2.3 集成运放的主要性能指标 2.输入偏置电流输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个
9、输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 3.输入失调电流输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。 4.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。 6.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压
10、的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。 5.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。 共模抑制比共模抑制比双端双端输出，理想情况输出，理想情况单端单端输出输出抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运
11、放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui4.2.4 电压传输特性为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0
12、）线性区非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想：理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)4.2.5 理想运算放大器基本运算电路以后使用如无特殊说明都认为是理想集成运放【】4.3.1 基本运算电路1)反相比例运算i1=if （虚断）（虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+ =0 u=u+=0（虚地）（虚地）反馈组态：反馈组态：电压并联负反馈电压并联负反馈1.比例运算电路虚地点虚地点 R0为平衡电阻为平衡电阻(使输入端对地的
13、静态使输入端对地的静态电阻相等电阻相等):R0=R1/Rf2)同相比例运算电路u-= u+= uii1=if （虚断）虚断）平衡电阻平衡电阻R=Rf/R1因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈电压放大倍数电压放大倍数:电压跟随器根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vi（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）此电路是同相比例运算的特殊情况，输入此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能元件的射极输出器相同，但
14、是电压跟随性能好。好。电压跟随器的作用电压跟随器的作用(补补)无电压跟随器时无电压跟随器时 负载上得到的电压负载上得到的电压电压跟随器时电压跟随器时ip00，vpvs根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vs2.加法电路 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和n n点点的的KCLKCL得：得：若若则有则有例例4.2 4.2 利用加法器和反相比例器利用加法器和反相比例器3.减法电路 从从结结构构上上看看，它它是是反反相相输输入入和和同同相相输输入入相相结结合合的的放放大电路。大电路。当当则则若继续有若继续有则则 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和n n、p p点的点的KCLKCL得：得：从放大器角
15、度看从放大器角度看: :时，时，增益为增益为（该电路也称为差分电路）（该电路也称为差分电路）当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有4.积分电路应用举例应用举例4.3：输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo05.微分电路u-= u+= 0有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。放大器。滤波器的功能：滤波器的功能：对频率进行选择对频率进行选择, ,过滤掉噪声和过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。干扰信号，保留下有用信号。 4.3.2 有源滤波电路 滤波器的分类：滤波器的分类：低通滤波器（低通滤波器（LPFLPF）；高通
16、滤波器（）；高通滤波器（HPFHPF）带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF）；带阻滤波器（）；带阻滤波器（BEFBEF）|A|0C通带通带阻带阻带A0|A|0CA0通带通带阻带阻带|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（3）带通）带通（4）带阻）带阻 滤波器的用途滤滤波波器器主主要要用用来来滤滤除除信信号号中中无无用用的的频频率率成成分分，例例如如，有有一一个个较较低低频频率率的的信信号号，其其中中包包含含一一些些较高频率成分的干扰。较高频率成分的干扰。 一一阶阶低低通通滤滤波波器器的的电电路路如如图图所所示示
17、，图图中中虚虚线线为为理理想想的的情情况况，实实线线为为实实际际的的情情况况。特特点点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。图一阶LPF 图一阶LPF的幅频特性曲线 4.3.3 非线性应用电路 将将一一个个模模拟拟电电压压信信号号与与一一参参考考电电压压相相比比较较，输输出一定的高低电平。出一定的高低电平。功能：功能：构成：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。uoui0+UOM-UOM1.简单电压比较器v运放工作在非线性状态的判定：运放工作在非线性状态
18、的判定：电路开环或引入正反馈。电路开环或引入正反馈。v运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法： 若若U+U- 则则UO=+UOM； 若若U+U- 则则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM（1 1）过零比较器）过零比较器（门限电平（门限电平=0=0）uoui0+UOM-UOMtuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。（2 2）单门限比较器（与参考电压比较）单门限比较器（与参考电压比较）u
19、oui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当ui UREF时时 , uo = +Uom当当ui UREF时时 , uo = -Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态uoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uoui0+UZ-UZ（A A）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD（3 3）限幅电路）限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值当当ui 0时时 , uo = +UZ当当ui 0时时 , uo = -UZ 2.迟滞比较器（1 1）工作原理）工作原理两个门限电
20、压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（A A）当）当u uo o =+ =+U UZ Z时，时，（B B）当）当uo =-Uuo =-UZ Z时，时，UT+称称上门限电压上门限电压UT-称称下门限电压下门限电压UT+- UT-称为回差称为回差电压电压比较器的应用比较器的应用 比比较较器器主主要要用用来来对对输输入入波波形形进进行行整整形形，可可以以将将不不规则的输入波形整形为方波。规则的输入波形整形为方波。(a) 正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波 图图 用比较器实现波形变换用比较器实现波形变换迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui , 当当ui = UT+时时, uo从从+UZ -UZ例题：例题：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：uoui08V3V传输特性传输特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6V
