第十六章 集成運(yùn)算放大器

1、 集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路, 是是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路集成電路 是把整個電路的各個元件以及相互之是把整個電路的各個元件以及相互之間的連接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上間的連接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個不組成一個不可分的整體?？煞值恼w。：體積小、重量輕、功耗低、可體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低?？啃愿?、價格低。按集成度按集成度按導(dǎo)電類型按導(dǎo)電類型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容雙

2、、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬各類型號集成運(yùn)算放大器各類型號集成運(yùn)算放大器 1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用晶體管恒流電阻的阻值受到限制，大電阻常用晶體管恒流源代替，電位器需外接；源代替，電位器需外接； 3. 電感、電容不易集成，常采用外接方式；電感、電容不易集成，常采用外接方式； 4. 二極管多用晶體管的發(fā)射結(jié)代替。二極管多用晶體管的發(fā)射結(jié)代替。電路方框圖電路方框圖中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡

3、可能大中間級應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)中間級應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小。小。偏置電路可提供穩(wěn)定的偏置電流，以偏置電路可提供穩(wěn)定的偏置電流，以穩(wěn)定各部分的工作點(diǎn)。穩(wěn)定各部分的工作點(diǎn)。 集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路, ,基本組成部分如圖：基本組成部分如圖：16.1.2 電路的簡單說明電路的簡單說明運(yùn)算放大器方框圖運(yùn)算放大器方框圖 輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號，擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器

4、都采用帶恒流源的差分放大器 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 偏置電路偏置電路: 一般由各種恒流源等電路組成。一般由各種恒流源等電路組成。 輸出級：輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。一般由互補(bǔ)功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。輸入級輸入級輸出級輸出級中間級中間級集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器的管腳和符號運(yùn)算放大器的管腳和符號反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端信號傳信號傳輸方向輸

5、方向輸出端輸出端實(shí)際運(yùn)算放大器實(shí)際運(yùn)算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a) 符號符號; (b)引腳引腳16.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOM 能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。 2. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo 運(yùn)放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運(yùn)放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。定，運(yùn)算精度也越高。 6. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸

6、入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。至造成器件損壞。 3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB u u+ uo Auo集成運(yùn)放的符號集成運(yùn)放的符號u ：反相輸入端反相輸入端；該端輸入信號的變化極性與輸出端相反；該端輸入信號的變化極性與輸出端相反u+ ：同相輸入端同相輸入端；該端輸入信號的變化極性與輸出端相同；該端輸入信號的變化極性與輸出端相同uo ：輸出端輸出端。A u o ：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù))(ouu

7、Auuo表示理想運(yùn)算放大器Aud實(shí)際運(yùn)算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)運(yùn)放的特點(diǎn)和符號運(yùn)放的特點(diǎn)和符號 rid 高高:幾十幾十k 幾百幾百k 運(yùn)放的特點(diǎn)：運(yùn)放的特點(diǎn)：理想運(yùn)放：理想運(yùn)放： rid KCMRR很大很大KCMRR ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 ro 0 A uo 很很大大:104以上以上 107Auo 運(yùn)放符號：運(yùn)放符號： u u+ uo Auo u u+ uo u u+ uo (1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) (2) 差模輸入電阻差模輸入電阻(3) 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻(4) 共模抑制比共模抑制比 由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接

8、近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化, 為此為此,后面對運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。后面對運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。 ouA idr0or CMRRK 在分析運(yùn)算放大器時，一般將它看成是理想的在分析運(yùn)算放大器時，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：件：3 個”，1 個”0” u+ u uO線性區(qū)：線性區(qū)：uO = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)： u+ u 時，時，uO = +UO(sat) u+ u 時，時， uO = + UO(sat) u+ 0 uI

9、= UI 0 輸出電壓隨時輸出電壓隨時間線性變化間線性變化線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積分時間F1IO(sat)0CRUUt tUCRud1IF1OtCRUF1I 采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路, 由于電路的由于電路的uO = uC，而電容的充電，而電容的充電電流電流 基本上是恒定的，故基本上是恒定的，故 uO 是時間是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。11fRUiiI 電路的輸出電壓電路的輸出電壓 )d1(1F1FtiCiR)d1(IF1I1F tuCRuRR)(FFOCuiRu 上式表明：輸出電壓是對

10、輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例積分。積分。 這種運(yùn)算器又稱這種運(yùn)算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中常用于控制系統(tǒng)中, 以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變精度。改變 RF 和和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù)，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。以滿足控制系統(tǒng)的要求。iFi1 uOtOFI1OddRutuC tuCRuddI1FO iFi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = iFuItO 由于微分電路的輸出電壓與輸入電壓的變化率成比例，而電路中的干擾信號由于微分電路的輸出電壓與輸入電壓的變化率

11、成比例，而電路中的干擾信號都是迅速變化的高頻信號都是迅速變化的高頻信號,因此微分器抗干擾能力差。因此微分器抗干擾能力差。 工業(yè)中，信號的頻率較低，干擾和噪聲的頻率較高。由于微分電容在高頻時容抗很小，工業(yè)中，信號的頻率較低，干擾和噪聲的頻率較高。由于微分電容在高頻時容抗很小，電路對高頻信號的放大倍數(shù)很大，所以純微分電路電路對高頻信號的放大倍數(shù)很大，所以純微分電路對噪聲和干擾敏感而不穩(wěn)定對噪聲和干擾敏感而不穩(wěn)定，實(shí)際電，實(shí)際電路往往在輸入回路中加串電阻路往往在輸入回路中加串電阻R1R1，使輸出，使輸出/ /輸入信號的輸入信號的放大比例受放大比例受RfRf和和R R的限制而不會的限制而不會太大太大。

12、iFiRiC上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例微分。微分。 控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。度和工作穩(wěn)定性。FFOiRu CRiii FtuCRuddI11I )dd(I1FI1FOtuCRuRRu 16.3 運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用16.3.1 有源濾波器有源濾波器 濾波器是在無線電通信、測量和控制系統(tǒng)中常用到的一種選頻電路。如傳感器濾波器是在無線電通信、測量和控制系統(tǒng)中常用到的一種選頻電路。如傳感器輸

13、出的電量信號，一般都需要經(jīng)過濾波和放大再送給后續(xù)電路。輸出的電量信號，一般都需要經(jīng)過濾波和放大再送給后續(xù)電路。 無源濾波器：無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。由電阻、電容和電感組成的濾波器。 有源濾波器：有源濾波器：含有有源器件含有有源器件(運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：低頻時體積大，很難做到小型化。低頻時體積大，很難做到小型化。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。體積小、效率高、頻率特性好。 濾波器按工作頻率范圍濾波器按工作頻率范圍, 可分為低通、高通、帶通和帶阻等?？煞譃榈屯?、高通、帶通和帶阻等。 濾波器的功能是使指定頻段的信號通過，而抑制其他頻段的信號。濾波器的功

14、能是使指定頻段的信號通過，而抑制其他頻段的信號。用于信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等用于信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 濾波器濾波器 一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無用頻率信號的一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無用頻率信號的 電子裝置。電子裝置。 有源濾波器有源濾波器 由由R、C 和有源器件構(gòu)成的濾波器。和有源器件構(gòu)成的濾波器。)(Itv)(Otv濾波電路濾波電路 濾波電路一般結(jié)構(gòu)濾波電路一般結(jié)構(gòu)有有對對于于實(shí)實(shí)際際頻頻率率 ,js )(je)j ()j ( AA其中其中)j (

15、A)( 模模, 相位角相位角 時延時延d ( )( ) ()ds 單位通常用通常用 幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng) 來表征濾波電路的特性，來表征濾波電路的特性， 欲使信號通過濾波器的失真小，則要求具有欲使信號通過濾波器的失真小，則要求具有線性的線性的 相頻響應(yīng)相頻響應(yīng) ，復(fù)頻域電壓傳遞函數(shù)復(fù)頻域電壓傳遞函數(shù)有時也要考慮有時也要考慮相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)曲線的斜率相頻響應(yīng)曲線的斜率Vi(t)t0基波基波二次諧波二次諧波Vo(t)t0基波基波二次諧波二次諧波Vo(t)t0基波基波二次諧波二次諧波t0此時時延此時時延()為一常數(shù)，即不同頻率的信號具有相同的時延，這是輸出信號才可能避免失真為一常數(shù)，即不同頻率的信

16、號具有相同的時延，這是輸出信號才可能避免失真（）02. 濾波器的濾波器的分類分類 低通（低通（LPF: Low Pass Filter） 高通（高通（HPF: High Pass Filter） 帶通（帶通（BPF: Band Pass Filter ） 帶阻（帶阻（BEF: Band Elimination Filter） 全通（全通（APF: All Pass Filter ） 基本概念及初步定義基本概念及初步定義 按所處理的信號的模擬或離散性質(zhì)分：按所處理的信號的模擬或離散性質(zhì)分： 按是否采用有源元件分：按是否采用有源元件分： 按能通過的信號頻率范圍分：按能通過的信號頻率范圍分： ( 本

17、書只討論本書只討論有源濾波器有源濾波器) 思考題：思考題：模擬濾波電路和數(shù)字濾波電路模擬濾波電路和數(shù)字濾波電路無源濾波電路和有源濾波電路無源濾波電路和有源濾波電路高通帶阻帶通低通 理想濾波器：理想濾波器：在通帶內(nèi)具有等幅的幅頻響應(yīng)和線性在通帶內(nèi)具有等幅的幅頻響應(yīng)和線性的相頻響應(yīng)，而在阻帶外具有無限大的幅度衰減。的相頻響應(yīng)，而在阻帶外具有無限大的幅度衰減。v設(shè)計(jì)者的任務(wù)是力求向理想特性逼近設(shè)計(jì)者的任務(wù)是力求向理想特性逼近阻帶：阻帶：阻止或衰減的信號頻率范圍阻止或衰減的信號頻率范圍A0A0H通帶通帶阻帶阻帶(a) 低通濾波器低通濾波器(b) 高通濾波器高通濾波器BW帶帶 寬寬截止角頻率截止角頻率通

18、帶電壓增益通帶電壓增益實(shí)際實(shí)際AA00L通帶通帶阻帶阻帶下限截止角頻率下限截止角頻率實(shí)際實(shí)際理想理想濾濾 波波 器器 的的 幅幅 頻頻 特性特性 (c) 帶通濾波器帶通濾波器(d)帶阻濾波器帶阻濾波器A000通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶HLA實(shí)實(shí) 際際阻帶中心角頻率阻帶中心角頻率通帶：通帶：能夠通過的信號頻率范圍能夠通過的信號頻率范圍理理 想想理想理想A00LH實(shí)實(shí) 際際A0理理 想想通帶中心角頻率通帶中心角頻率低邊截止角頻率低邊截止角頻率BW帶帶 寬寬通帶通帶阻帶阻帶 阻帶阻帶高邊截止角頻率高邊截止角頻率 思考題：思考題：下列情況屬哪種類型的濾波電路？下列情況屬哪種類型的濾波電路？(d)帶阻濾波

19、器帶阻濾波器A000通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶HLA阻帶中心角頻率阻帶中心角頻率理理 想想A00通帶通帶A理想理想 1.1.直流電壓增益就是它的通帶電壓增益。直流電壓增益就是它的通帶電壓增益。 2.2.理想情況下，理想情況下， 當(dāng)當(dāng)f=0 f=0 和和ff時的電壓增時的電壓增益相等，且不為零。益相等，且不為零。(e) 全通濾波器全通濾波器帶阻濾波電路低通濾波電路(1) 電路電路輸出信號電壓輸出信號電壓Uj2Uj1輸入信號電壓輸入信號電壓均為頻率的函數(shù)均為頻率的函數(shù)C+U j1+Uj2RCRCRCUUTj11j1j1jjj12RC1o 設(shè)設(shè):C+U j1+U j2R TT2 jarctan11j1

20、1jooo 則則:幅頻特性幅頻特性： 0221111jCRT相頻特性：相頻特性： 0arctanarctanCR)(3) 特性曲線特性曲線 0 0 1 0.707 0T j 045-90- 0arctan11j11j020T 0 0 當(dāng)當(dāng) 0時時, ,|T(j )| 明顯下降明顯下降, ,信號衰減較大。信號衰減較大。0.707 jT 0 01一階一階RC低通濾波器具有低通濾波器具有低通低通濾波濾波特性特性,使低頻信號較易通過而抑制使低頻信號較易通過而抑制較高頻率信號。較高頻率信號。 0 0 1 0.707 0T j 045-90-C+U j1+Uj2R45-90-通頻帶：通頻帶： 把把 0 0

21、的的頻率范圍稱為低通濾波電路的頻率范圍稱為低通濾波電路的通通頻帶頻帶。 0稱為稱為截止頻率截止頻率( (或半功率點(diǎn)頻率、或半功率點(diǎn)頻率、3dB頻率頻率) )。 通頻帶：通頻帶： 0 0 0 截止頻率截止頻率: : 0=1/RCC+U j1+Uj2R 0 00.707 jT 0 0145-90-011jCRCRRUUT1j11j1jjj12CR+U j1+U j2幅頻特性幅頻特性： CT01111221jR相頻特性：相頻特性： RC0arctan1arctan 10.707 0 000 jT 一階一階RC高通濾波器具有高通濾波器具有高通高通濾波濾波特性特性 通頻帶：通頻帶： 0 0時，時，| T

22、(j )| 衰減很快。衰減很快。 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的信號順利通的信號順利通過過, 衰減很小衰減很小, 而使高于而使高于 0 的信號不易通的信號不易通過過, 衰減很大衰減很大, 稱一稱一 階有源低通濾波器。階有源低通濾波器。 為了改善濾波效果，使為了改善濾波效果，使 0 時信時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)濾波環(huán)節(jié)串接起來，節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波組成二階有源低通濾波器。器。一階一階二階二階2. 有源高通濾波器有源高通濾波器 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo設(shè)輸入為正弦波信號，則有設(shè)

23、輸入為正弦波信號，則有故故RC10 式中式中稱為截止角頻率稱為截止角頻率 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 的信號被阻止，稱為的信號被阻止，稱為有源高通有源高通濾波器濾波器。 ,0時時當(dāng)當(dāng) ,時時當(dāng)當(dāng) 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT若頻率若頻率 為變量，則為變量，則電路的傳遞函數(shù)電路的傳遞函數(shù) 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當(dāng)當(dāng) 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 把一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)把一

24、個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián) ( 低通濾波器的截止頻率應(yīng)高于高通低通濾波器的截止頻率應(yīng)高于高通濾波器的截止頻率濾波器的截止頻率 ) 就構(gòu)成就構(gòu)成帶通濾波器帶通濾波器。低通濾波器與高通濾波器的截止頻率之低通濾波器與高通濾波器的截止頻率之差就是帶通濾波器通頻帶。差就是帶通濾波器通頻帶。二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器 采樣保持電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本部件之一采樣保持電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本部件之一,多用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路多用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 (A/D ) 之前。之前。A/D轉(zhuǎn)換需要一定時間轉(zhuǎn)換需要一定時間, , 在轉(zhuǎn)換過程中在轉(zhuǎn)換過程中, , 如果送給如果送給A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的模擬量發(fā)生的模擬量發(fā)

25、生變化，則不能保證精度。為此，在變化，則不能保證精度。為此，在A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換前加入采樣保持電路前加入采樣保持電路, , 在進(jìn)行在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換前對模擬量進(jìn)行瞬間采樣換前對模擬量進(jìn)行瞬間采樣, 并把采樣值保存一段時間并把采樣值保存一段時間,只有保持采樣點(diǎn)的數(shù)值不只有保持采樣點(diǎn)的數(shù)值不變變, 才能保證轉(zhuǎn)換的精度才能保證轉(zhuǎn)換的精度, 以解決快速變化的模擬信號與較低的以解決快速變化的模擬信號與較低的 A/D 轉(zhuǎn)換速度之轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾間的矛盾 (即滿足即滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要轉(zhuǎn)換電路的需要)。 用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。應(yīng)用：應(yīng)用： 采樣保持電路是一個具有信號輸入、信號輸出采樣保持電路是一個具有信號輸入、信號輸出以及由外部信號控制的模擬門電路。在控制信號作用下，采