集成運算放大器及其應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第5章 集成運算放大器及其應(yīng)用在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路，稱為集成電路。集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，因此其發(fā)展速度極為驚人。目前集成電路的應(yīng)用幾乎遍及所有產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)品中。在軍事設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、通信設(shè)備、計算機和家用電器等中都采用了集成電路。集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其

2、他模擬集成電路等。在模擬集成電路中，集成運算放大器（簡稱集成運放）是應(yīng)用極為廣泛的一種，也是其他各類模擬集成電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此這里首先給予介紹。5.1 集成電路與運算放大器簡介5.1.1 集成運算放大器概述集成運放是模擬集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種，它實際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大器。之所以被稱為運算放大器，是因為該器件最初主要用于模擬計算機中實現(xiàn)數(shù)值運算的緣故。實際上，目前集成運放的應(yīng)用早已遠遠超出了模擬運算的范圍，但仍沿用了運算放大器（簡稱運放）的名稱。集成的發(fā)展十分迅速。通用型產(chǎn)品經(jīng)歷了四代更替，各項技術(shù)指標(biāo)不斷改進。同時，發(fā)展了適應(yīng)特殊需要的各種專用型集

3、成運放。第一代集成運放以（我國的FC3）為代表，特點是采用了微電流的恒流源、共模負反饋等電路，它的性能指標(biāo)比一般的分立元件要提高。主要缺點是內(nèi)部缺乏過電流保護，輸出短路容易損壞。第二代集成運放以二十世紀(jì)六十年代的型高增益運放為代表，它的特點是普遍采用了有源負載，因而在不增加放大級的情況下可獲得很高的開環(huán)增益。電路中還有過流保護措施。但是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比指標(biāo)不理想。 第三代集成運放代以二十世紀(jì)七十年代的AD508為代表，其特點使輸入級采用了“超管”，且工作電流很低。從而使輸入失調(diào)電流和溫漂等項參數(shù)值大大下降。第四代集成運放以二十世紀(jì)八十年代的HA2900為代表，它的特點是制造工藝達到大規(guī)

4、模集成電路的水平。將場效應(yīng)管和雙極型管兼容在同一塊硅片上，輸入級采用MOS場效應(yīng)管，輸入電阻達100M以上，而且采取調(diào)制和解調(diào)措施，成為自穩(wěn)零運算放大器，使失調(diào)電壓和溫漂進一步降低，一般無須調(diào)零即可使用。目前，集成運放和其他模擬集成電路正向高速、高壓、低功耗、低零漂、低噪聲、大功率、大規(guī)模集成、專業(yè)化等方向發(fā)展。除了通用型集成運放外，有些特殊需要的場合要求使用某一特定指標(biāo)相對比較突出的運放，即專用型運放。常見的專用型運放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高壓型、大功率型、高精度型、跨導(dǎo)型、低噪聲型等。5.1.2 模擬集成電路的特點由于受制造工藝的限制，模擬集成電路與分立元件電路相比具有如下

5、特點：1.采用有源器件由于制造工藝的原因，在集成電路中制造有源器件比制造大電阻容易實現(xiàn)。因此大電阻多用有源器件構(gòu)成的恒流源電路代替，以獲得穩(wěn)定的偏置電流。BJT比二極管更易制作，一般用集-基短路的BJT代替二極管。2.采用直接耦合作為級間耦合方式由于集成工藝不易制造大電容，集成電路中電容量一般不超過100pF，至于電感，只能限于極小的數(shù)值（1mH以下）。因此，在集成電路中，級間不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管復(fù)合或組合電路 集成電路制造工藝的特點是晶體管特別是BJT或FET最容易制作，而復(fù)合和組合結(jié)構(gòu)的電路性能較好，因此，在集成電路中多采用復(fù)合管（一般為兩管復(fù)合）和組合（

6、共射-共基、共集-共基組合等）電路。5.1.3 集成運放的基本組成圖5-1 集成運放的組成框圖集成運放的類型很多，電路也不盡相同，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，其一般的內(nèi)部組成原理框圖如圖5-1所示，它主要由輸入級、中間級和輸出級和偏置電路四個主要環(huán)節(jié)組成。輸入級主要由差動放大電路構(gòu)成，以減小運放的零漂和其他方面的性能，它的兩個輸入端分別構(gòu)成整個電路的同相輸入端和反相輸入端。中間級的主要作用是獲得高的電壓增益，一般由一級或多級放大器構(gòu)成。輸出級一般由電壓跟隨器（電壓緩沖放大器）或互補電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高運放的帶負載能力和輸出功率。偏置電路則是為各級提供合適的工作點及能源的。此外，為獲得電

7、路性能的優(yōu)化，集成運放內(nèi)部還增加了一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路和頻率補償電路等。圖5-2 集成運放的電路符號a）國際符號 b）慣用符號集成運放的電路符號如圖5-2所示（省略了電源端、調(diào)零端等）。集成運放有兩個輸入端分別稱為同相輸入端uP和反相輸入端uN；一個輸出端uo。其中的“-”、“+”分別表示反相輸入端uN和同相輸入端uP。在實際應(yīng)用時，需要了解集成運放外部各引出端的功能及相應(yīng)的接法，但一般不需要畫出其內(nèi)部電路。5.1.4 集成運放的主要參數(shù)集成運放的參數(shù)是否正確、合理選擇是使用運放的基本依據(jù)，因此了解其各性能參數(shù)及其意義是十分必要的。集成運放的主要參數(shù)有以下幾種。1.開環(huán)差

8、模電壓增益Aod是指運放在開環(huán)、線性放大區(qū)并在規(guī)定的測試負載和輸出電壓幅度的條件下的直流差模電壓增益（絕對值）。一般運放的Aod為60120dB，性能較好的運放Aod140dB。值得注意的是，一般希望Aod越大越好，實際的Aod與工作頻率有關(guān)，當(dāng)頻率大于一定值后，Aod隨頻率升高而迅速下降。2.溫度漂移放大器的零點漂移的主要來源是溫度漂移，而溫度漂移對輸出的影響可以折合為等效輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO，因此可以用以下指標(biāo)來表示放大器的溫度穩(wěn)定性即溫漂指標(biāo)。在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化量DUIO與引起UIO變化的溫度變化量DT之比，稱為輸入失調(diào)電壓/溫度系數(shù)DUIO/DT。

9、DUIO/DT越小越好，一般為±(1020) mV/。3.最大差模輸入電壓Uid,max這是指集成運放的兩個輸入端之間所允許的最大輸入電壓值。若輸入電壓超過該值，則可能使運放輸入級BJT的其中一個發(fā)射結(jié)產(chǎn)生反向擊穿。顯然這是不允許的。Uid,max大一些好，一般為幾到幾十伏。4.最大共模輸入電壓Uic,max這是指運放輸入端所允許的最大共模輸入電壓。若共模輸入電壓超過該值，則可能造成運放工作不正常，其共模抑制比KCMR將明顯下降。顯然，Uic,max大一些好，高質(zhì)量運放最大共模輸入電壓可達十幾伏。5.單位增益帶寬fTfT是指使運放開環(huán)差模電壓增益Aod下降到0dB（即Aod =1）時

10、的信號頻率，它與三極管的特征頻率fT相類似，是集成運放的重要參數(shù)。6.開環(huán)帶寬fHfH是指使運放開環(huán)差模電壓增益Aod下降為直流增益的倍（相當(dāng)于-3dB）時的信號頻率。由于運放的增益很高，因此fH一般較低，約幾赫茲至幾百赫茲左右（寬帶高速運放除外）。7.轉(zhuǎn)換速率SR這是指運放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（如矩形波信號等）時，其輸出電壓對時間的最大變化速率，即轉(zhuǎn)換速率SR反映運放對高速變化的輸入信號的響應(yīng)情況，主要與補償電容、運放內(nèi)部各管的極間電容、雜散電容等因素有關(guān)。SR大一些好，SR越大，則說明運放的高頻性能越好。一般運放SR小于1V/ms，高速運放可達65 V/ms以上。需要指出的是，轉(zhuǎn)換速

11、率SR是由運放瞬態(tài)響應(yīng)情況得到的參數(shù)，而單位增益帶寬fT和開環(huán)帶寬fH是由運放頻率響應(yīng)（即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）情況得到的參數(shù)，它們均反映了運放的高頻性能，從這一點來看，它們的本質(zhì)是一致的。但它們分別是在大信號和小信號的條件下得到的，從結(jié)果看，它們之間有較大的差別。8.最大輸出電壓Uo,max最大輸出電壓Uo,max是指在一定的電源電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。除上述指標(biāo)外，集成運放的參數(shù)還有共模抑制比KCMR、差模輸入電阻Rid、共模輸入電阻Ric、輸出電阻Ro、電源參數(shù)、靜態(tài)功耗PC等，其含義可查閱相關(guān)手冊，這里不再贅述。5.2差動放大電路5.2.1 零點漂移集成運放電路各級之間由于均

12、采用直接耦合方式，直接耦合放大電路具有良好的低頻頻率特性，可以放大緩慢變化甚至接近于零頻（直流）的信號（如溫度、濕度等緩慢變化的傳感信號），但卻有一個致命的缺點，即當(dāng)溫度變化或電路參數(shù)等因素稍有變化時，電路工作點將隨之變化，輸出端電壓偏離靜態(tài)值（相當(dāng)于交流信號零點）而上下漂動，這種現(xiàn)象稱為“零點漂移”，簡稱“零漂”。由于存在零漂，即使輸入信號為零，也會在輸出端產(chǎn)生電壓變化從而造成電路誤動作，顯然這是不允許的。當(dāng)然，如果漂移電壓與輸入電壓相比很小，則影響不大，但如果輸入端等效漂移電壓與輸入電壓相比很接近或很大，即漂移嚴(yán)重時，則有用信號就會被漂移信號嚴(yán)重干擾，結(jié)果使電路無法正常工作。容易理解，多級

13、放大器中第一級放大器零漂的影響最為嚴(yán)重。如放大器第一級的靜態(tài)工作點由于溫度的變化，使電壓稍有偏移時，第一級的輸出電壓就將發(fā)生微小的變化，這種緩慢微小的變化經(jīng)過多級放大器逐步放大后，輸出端就會產(chǎn)生較大的漂移電壓。顯然，直流放大器的級數(shù)越多，放大倍數(shù)越高，輸出的漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，直接耦合放大電路必須采取措施來抑制零漂。抑制零點漂移的措施通常采用以下幾種：第一是采用質(zhì)量好的硅管。硅管受溫度的影響比鍺管小得多，所以目前要求較高的直流放大器的前置放大級幾乎都采用硅管。第二是采用熱敏元件進行補償。就是利用溫度對非線性元件（晶體管二極管、熱敏電阻等）的影響，來抵消溫度對放大電路中三極管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的

14、漂移。第三是采用差動式放大電路。這是一種廣泛應(yīng)用的電路，它是利用特性相同的晶體管進行溫度補償來抑制零點漂移的，將在下面介紹。5.2.2 簡單差動放大電路差動放大電路又稱為差分放大器。這種電路能有效的減少三極管的參數(shù)隨溫度變化所引起的漂移，較好地解決在直流放大器中放大倍數(shù)和零點漂移的矛盾，因而在分立元件和集成電路中獲得十分廣泛的應(yīng)用。1.電路組成和工作原理簡單差動放大電路如圖5-3所示，它由兩個完全對稱的單管放大電路構(gòu)成，有兩個輸入端和兩個輸出端。其中三極管VT1, VT2的參數(shù)和特性完全相同（如b1 =b2 =b 等），RB1=RB2=RB，RC1=RC2=RC。顯然，兩個單管放大電路的靜態(tài)工

15、作點和電壓增益等均相同。當(dāng)然，實際電路總存在一定的差異，不可能完全對稱，但在集成電路中，這種差異很小。圖5-3 簡單差動放大電路由于兩管電路完全對稱，因此，靜態(tài)（ui =0）時，直流工作點UC1=UC2 ，此時電路的輸出uo= UC1-UC2 = 0（這種情況稱為零輸入時零輸出）。當(dāng)溫度變化引起管子參數(shù)變化時，每一單管放大器的工作點必然隨之改變（存在零漂），但由于電路的對稱性，UC1和UC2同時增大或減小，并保持UC1 =UC2，即始終有輸出電壓uo =0，或者說零漂被抑制了。這就是差動放大電路抑制零漂的原理。設(shè)每個單管放大電路的放大倍數(shù)為Au1，在電路完全對稱的情況下，有 （5.1）顯然uo

16、1=Au1ui1，uo2=Au1ui2 ，而差動放大電路的輸出取自兩個對稱單管放大電路的兩個輸出端之間（稱為平衡輸出或雙端輸出），其輸出電壓 uo = uo1-uo2= Au1(ui1-ui2) （5.2）由式（5.2）可知，差動放大電路輸出電壓與兩單管放大電路的輸入電壓之差成正比，“差動”的概念由此而來。實際的輸入信號（即有用信號）電壓通常加到兩個輸入端之間（稱為平衡輸入或雙端輸入），由于電路對稱，因此兩管的發(fā)射結(jié)電流大小相等、方向相反，此時若一管的輸出電壓升高，另一管則降低，且有uo1= -uo2 ，所以uo=uo1-uo2=2uo1，因此輸出電壓不但不會為0，反而比單管輸出大一倍。這就是

17、差動放大電路可以有效放大有用輸入信號的原理。設(shè)有用信號輸入時，兩管各自的輸入電壓（參考方向均為b極指向e極）分別用uid1和uid2表示，則有，uid1 = ui /2，uid2= -ui /2，uid1= -uid2。顯然，uid1與uid2大小相等、極性相反，通常稱它們?yōu)橐粚Σ钅］斎胄盘柣虿钅Ｐ盘?。而電路的差動輸入信號則為兩管差模輸入信號之差，即uid =uid1-uid2=2uid1= ui 。在只有差模輸入電壓uid作用時，差動放大電路的輸出電壓就是差動輸出電壓uod 。通常把輸入差模信號時的放大器增益稱為差模增益，用Aud表示，即 （5.3）顯然，差模增益就是通常的放大器的電壓增益，

18、對于簡單差動放大電路，有 （5.4）差模增益Aud表示電路放大有用信號的能力。一般情況下要求|Aud| 盡可能大。以上討論的是差動放大電路如何放大有用信號的。下面介紹它是如何抑制零漂信號（即共模信號）的原理， 設(shè)在一定的溫度變化值DT的情況下，兩個單管放大器的輸出漂移電壓分別為uoc1和uoc2 ，uoc1和uoc2折合到各自輸入端的等效輸入漂移電壓分別為uic1和uic2 ，顯然有uoc1 = uoc2 ，uic1 = uic2將uic1與uic2分別加到差動放大電路的兩個輸入端，它們大小相等，極性相同，通常稱它們?yōu)橐粚材］斎胄盘柣蚬材Ｐ盘?。共模信號可以表示為uic1 = uic2 = u

19、ic。顯然，共模信號并不是實際的有用信號，而是溫度等因素變化所產(chǎn)生的漂移或干擾信號，因此需要進行抑制。當(dāng)只有共模輸入電壓uic作用時，差動放大電路的輸出電壓就是共模輸出電壓uoc ，通常把輸入共模信號時的放大器增益稱為共模增益，用Auc表示，則 （5.5）在電路完全對稱情況下，差動放大電路雙端輸出時的uoc=0，則Auc =0共模增益Auc表示電路抑制共模信號的能力。|Auc|越小，電路抑制共模信號的能力也越強。當(dāng)然，實際差動放大電路的兩個單管放大器不可能做到完全對稱，因此Auc不可能完全等于0。需要指出的是，差動放大電路實際工作時，總是既存在差模信號，也存在共模信號，因此，實際的ui1和ui

20、2可表示為 ui1=uic+uid1ui2=uic+uid2=uic-uid1由上述二式容易得到：uic=(ui1+ui2)/2 （5.6）uid1= -uid2 =(ui1-ui2)/2電路的差模輸入電壓uid=2uid1= ui1-ui2 = ui （5.7）2.共模抑制比在差模信號和共模信號同時存在的情況下，若電路基本對稱，則對輸出起主要作用的是差模信號，而共模信號對輸出的作用要盡可能被抑制。為定量反映放大器放大有用的差模信號和抑制有害的共模信號的能力，通常引入?yún)?shù)共模抑制比，用KCMR表示。它定義為 （5.8a）共模抑制比用分貝表示則為 （5.8b）顯然，KCMR越大，輸出信號中的共模

21、成分相對越少，電路對共模信號的抑制能力就越強。5.2.3 射極耦合差動放大電路前面所討論的簡單差動放大電路在實際應(yīng)用中存在以下不足。 即使電路完全對稱，每一單管放大電路仍存在較大的零漂，在單端輸出（非對稱輸出，即輸出取自任一單管放大電路的輸出）的情況下，該電路和普通放大電路一樣，沒有任何抑制零漂的能力。電路不完全對稱時，抑制零漂的作用明顯變差。 每一單管放大電路存在的零漂（即工作點的漂移）可能使它們均工作于飽和區(qū)，從而使整個放大器無法正常工作。采用射極耦合差動放大電路可以較好地克服簡單差動放大電路的不足，一種實用的射極耦合差動放大電路如圖5-4a所示，電路中接入-VEE的目的是為了保證輸入端在

22、未接信號時基本為零輸入（IB, RB均很?。瑫r又給BJT發(fā)射結(jié)提供了正偏。其中，RC1=RC2=RC，RB1=RB2=RB。由圖5-4a可以看出，射極耦合差動放大電路與簡單差動放大電路的關(guān)鍵不同之處在于兩管的發(fā)射極串聯(lián)了一個公共電阻RE（因此也稱為電阻長尾式差動放大電路），而正是RE的接入使得電路的性能發(fā)生了明顯變化。當(dāng)輸入信號為差模信號時，則ui1= -ui2 =uid/2，因此兩管的發(fā)射極電流 iE1和iE2將一個增大、另一個同量減小，即流過RE的電流iE =iE1+iE2保持不變，RE兩端的電壓也保持不變（相當(dāng)于交流iE =0, uE =0），也就是說，RE對差模信號可視為短路，由此

23、可得該電路的差模交流通路如圖5-4b所示。顯然，RE的接入對差模信號的放大沒有任何影響。當(dāng)輸入（等效輸入）信號為共模信號時，則uic1= uic2 =uic，因此兩管的發(fā)射極電流iE1和iE2將同時同量增大或減小，相當(dāng)于交流iE1= iE2，即iE =iE1+iE2=2iE1，uE= iERE=2iE1RE。容易看出，此時RE對每一單管放大電路所呈現(xiàn)的等效電阻為2RE，由此可得該電路的共模交流通路如圖5-4c所示。顯然，RE的接入對共模信號產(chǎn)生了明顯影響，這個影響就是每一單管放大電路相當(dāng)于引入了反饋電阻為2RE的電流串聯(lián)負反饋。當(dāng)RE較大時，單端輸出的共模增益也很低，有效地抑制了零漂，并穩(wěn)定了

24、靜態(tài)工作點。由圖5-4c可以看出，RE越大，共模負反饋越深，可以有效地提高差動放大電路的共模抑制比。但由于集成電路制造工藝的限制，RE不可能很大；另外，RE太大，則要求負電源電壓也很高（以產(chǎn)生一定的直流偏置電流），這一點對電路的實現(xiàn)是不利的。針對上述問題，可以考慮將RE用直流恒流源來代替。圖5-4 射極耦合差動放大電路a）基本電路 b)差模交流通路 d)共模交流通路5.3 集成運放的應(yīng)用集成運放應(yīng)用十分廣泛，電路的接法不同，集成運放電路所處的工作狀態(tài)也不同，電路也就呈現(xiàn)出不同的特點。因此可以把集成運放的應(yīng)用分為兩類：線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。5.3.1 集成運放的線性應(yīng)用在集成運放的線性應(yīng)用電路中

25、，集成運放與外部電阻、電容和半導(dǎo)體器件等一起構(gòu)成深度負反饋電路或兼有正反饋而以負反饋為主。此時，集成運放本身處于線性工作狀態(tài)，即其輸出量和凈輸入量成線性關(guān)系，但整個應(yīng)用電路的輸出和輸入也可能是非線性關(guān)系。需要說明的是，在實際的電路設(shè)計或分析過程中常常把集成運放理想化。理想運放具有以下理想?yún)?shù)。 開環(huán)電壓增益Aod。 差模輸入電阻rid。 輸出電阻rod=0。 共模抑制比KCMR，即沒有溫度漂移。 開環(huán)帶寬fH。 轉(zhuǎn)換速率SR。 輸入端的偏置電流IBN=IBP=0。 干擾和噪聲均不存在。在一定的工作參數(shù)和運算精度要求范圍內(nèi)，采用理想運放進行設(shè)計或分析的結(jié)果與實際情況相差很小，誤差可以忽略，但卻大

26、大簡化了設(shè)計或分析過程。集成運放實際是一種高增益的電壓放大器，其電壓增益可達104106以上。另外其輸入阻抗很高，BJT型運放達幾百千歐以上，MOS型運放則更高；而輸出電阻較小，一般在幾十歐左右，并具有一定的輸出電流驅(qū)動能力，最大可達幾十到幾百毫安。由于集成運放的開環(huán)增益很高，且通頻帶很低（幾到幾百Hz，寬帶高速運放除外），因此當(dāng)集成運放工作在線性放大狀態(tài)時，均引入外部負反饋，而且通常為深度負反饋。由前面關(guān)于深度負反饋放大器計算的討論可知，運放兩個輸入端之間的實際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為0，相當(dāng)于短路，即 uP=uN （5.9）但由于兩輸入端之間不是真正的短路，故稱為“虛短”。另外，由

27、于集成運放的輸入電阻很高，而凈輸入電壓又近似為0，因此，流經(jīng)運放兩輸入端的電流可以近似看成為0， 即 iIN=iIP=0 （5.10）（以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相當(dāng)于開路。但由于兩輸入端間不是真正的開路，故稱為“虛斷”。利用“虛短”和“虛斷”的概念，可以十分方便地對集成運放的線性應(yīng)用電路進行快速簡捷地分析。集成運放的線性應(yīng)用主要有模擬信號的產(chǎn)生、運算、放大、濾波等。下面首先從基本運算電路開始討論。1.比例運算電路比例運算電路是運算電路中最簡單的電路，其輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。比例運算電路有反相輸入和同相輸入兩種。（1）反相輸入比例運算電路圖5-5所示為反相輸入比例運算

28、電路，該電路輸入信號加在反相輸入端上，輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故得名。在實際電路中，為減小溫漂提高運算精度，同相端必須加接平衡電阻RP接地，RP的作用是保持運放輸入級差分放大電路具有良好的對稱性，減小溫漂提高運算精度，。其阻值應(yīng)為RP=R1/Rf 。后面電路同理。由于運放工作在線性區(qū)，凈輸入電壓和凈輸入電流都為零。圖5-5 反相輸入比例運算電路由“虛短”的概念可知，在P端接地時，uP=uN =0，稱N端為“虛地”。由“虛斷”的概念可知ii=if 有 該電路的電壓增益 即 （5.11）輸出電壓uo與輸入電壓ui之間成比例（負值）關(guān)系。該電路引入了電壓并聯(lián)深度負反饋，電路輸入阻抗（為R1）較

29、小，但由于出現(xiàn)虛地，放大電路不存在共模信號，對運放的共模抑制比要求也不高，因此該電路應(yīng)用場合較多。值得注意的是，雖然電壓增益只和Rf 和R1的比值有關(guān)，但是電路中電阻R1、RP、Rf 的取值應(yīng)有一定的范圍。若R1、RP、Rf 的取值太小，由于一般運算放大器的輸出電流一般為幾十毫安，若R1、RP、Rf 的取值為幾歐姆的話，輸出電壓最大只有幾百毫伏。若R1、RP、Rf 的取值太大，雖然能滿足輸出電壓的要求，但同時又會帶來飽和失真和電阻熱噪聲的問題。通常取R1的值為幾百歐姆至幾千歐姆。取Rf 的值為幾千至幾百千歐姆。后面電路同理。（2）同相輸入比例運算電路圖5-6 同相輸入比例運算電路圖5-6所示為

30、同相輸入比例運算電路，由于輸入信號加在同相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相同，因此將它稱為同相放大器。由“虛斷”的概念可知iP=iN=0，由“虛短”的概念可知ui=up=uN其電壓增益即 （5.12）同相輸入電路為電壓串聯(lián)負反饋電路，其輸入阻抗極高，但由于兩個輸入端均不能接地，放大電路中存在共模信號，不允許輸入信號中包含有較大的共模電壓，且對運放的共模抑制比要求較高，否則很難保證運算精度。圖5-6所示為同相輸入比例運算電路中，若R1不接，或Rf短路，組成如圖5-7所示電路。此電路是同相比例運算的特殊情況,此時的同相比例運算電路稱為電壓跟隨器。電路的輸出完全跟隨輸入變化。ui=uP=uN=uo

31、, Au=1，具有輸入阻抗大，輸出阻抗小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。常用于多級放大器的輸入級和輸出級。圖5-7 電壓跟隨器2.加法電路電路測試35：加法電路的測試 （見9.5） 若多個輸入電壓同時作用于運放的反相輸入端或同相輸入端，則實現(xiàn)加法運算；若多個輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，則實現(xiàn)減法運算。圖5-8所示為加法電路，該電路可實現(xiàn)兩個電壓uS1與uS2相加。輸入信號從反相端輸入，同相端虛地。則有：uP=uN=0；又有“虛斷”的概念可知iI=0，圖5-8 加法電路因此，在反相輸入節(jié)點N可得節(jié)點電流方程： 即整理可得若R1=R2 =Rf

32、，則上式變?yōu)?（5.13）實現(xiàn)了真正意義的反相求和。圖5-8所示的加法電路也可以擴展到實現(xiàn)多個輸入電壓相加的電路。利用同相放大電路也可以組成加法電路。3.減法電路電路測試36 減法電路（一）的測試（見9.5） （1）減法電路（一）圖5-9所示電路第一級為反相比例放大電路，設(shè)Rf 1=R1，則uO1= -uS1。第二級為反相加法電路，圖5-9 減法電路（一）可導(dǎo)出 （5.14）若R2=Rf 2，則式（5.14）變?yōu)?（5.15）即實現(xiàn)了兩信號uS1與uS2的相減。此電路優(yōu)點是調(diào)節(jié)比較靈活方便。 由于反相輸入端與同相輸入端“虛地”，因此在選用集成運放時，對其最大共模輸入電壓的指標(biāo)要求不高，此電路應(yīng)

33、用比較廣泛。（2）減法電路（二）電路測試37 減法電路（二）的測試（見9.5） 電路如圖5-10所示。該電路是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。圖5-10 減法電路（二）根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知uP=uN，uI=0，iI=0并可得下列方程式： （5.16） （5.17）利用uN = uP，并聯(lián)解式（5.16）和式（5.17）可得在上式中，若滿足Rf/R=R3/R2，則該式可簡化為 （5.18）當(dāng)Rf=R，有uO=uS2-uS1 （5.19）式（5.19）表明，輸出電壓uO與兩輸入電壓之差（uS2-uS1）成比例，實現(xiàn)了兩信號uS2與uS1的相減。從原理上說,求和電路也可以采用雙端輸入

34、(或稱差動輸入)方式、此時只用一個集成運放，即可同時實現(xiàn)加法和減法運算。但由于電路系數(shù)的調(diào)整非常麻煩，所以實際上很少采用。如需同時進行加法、通常寧可多用一個集成運放，而仍采用反相求和電路的結(jié)構(gòu)形式。4.積分電路電路測試38 積分電路的測試（見9.5） 圖5-11 積分電路在電子電路中，常用積分運算電路和微分運算電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，此外，積分運算電路還用于延時、定時和非正弦波發(fā)生電路中。積分電路有簡單積分電路、同相積分電路、求和積分電路等。下面重點介紹一下簡單積分電路。簡單積分電路如圖5-11所示。反相比例運算電路中的反饋電阻由電容阻所取代，便構(gòu)成了積分電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念有：uI=0

35、，iI=0，i1= i2= uS/R電流i2對C進行充電，且為恒流充電（充電電流與電容C及電容上電壓無關(guān)）。假設(shè)電容C初始電壓為0，則 （5.20）式（5.20）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足積分運算要求，負號表示它們在相位上是相反的。RC稱為積分時間常數(shù)，記為。實際的積分器因集成運算放大器不是理想特性和電容有漏電等原因而產(chǎn)生積分誤差，嚴(yán)重時甚至使積分電路不能正常工作。最簡便的解決措施是，在電容兩端并聯(lián)一個電阻Rf，引入直流負反饋來抑制上述各種原因引起的積分漂移現(xiàn)象，但RfC的數(shù)值應(yīng)遠大于積分時間。通常在精度要求不高、信號變化速度適中的情況下，只要積分電路功能正常，對積分誤差可不加考慮。若

36、要提高精度，則可采用高性能集成運放和高質(zhì)量積分電容器。利用積分運算電路能夠?qū)⑤斎氲恼译妷海儞Q為輸出的余弦電壓，實現(xiàn)了波形的移相；將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實現(xiàn)了波形的變換；對低頻信號增益大，對高頻信號增益小，當(dāng)信號頻率趨于無窮大時增益為零，實現(xiàn)了濾波功能。5.微分電路電路測試39 微分電路的測試（見9.5） 微分是積分的逆運算。將圖5-12所示積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構(gòu)成微分電路，微分電路如圖5-12所示。微分電路選取相對較小的時間常數(shù)RC 。圖5-12 微分電路同樣根據(jù)“虛地”和“虛斷”的概念有：uI=0，iI=0，i1= i2設(shè)t=0時，電容C上的初始電壓為0

37、，則接入信號電壓uS時有： （5.21）式（5.21）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足微分運算的要求。因此微分電路對高頻噪聲和突然出現(xiàn)的干擾（如雷電）等非常敏感，故它的抗干擾能力較差，限制了其應(yīng)用。6.有源濾波器允許某一部分頻率的信號順利通過，而使另一部分頻率的信號被急劇衰減（即被濾掉）的電子器件稱為濾波器。濾波器可分為按照其功能，又可以分為低通、帶通、高通、帶阻濾波器。圖5-13所示為四種濾波器的幅頻特性。圖中fH為上限截止頻;fL為下限截止頻率；f0為中心頻率，即通帶和阻帶的中點。 圖5-13 四種濾波器的幅頻特性a）低通 b)高通 a）帶通 b)帶阻濾波器具有“選頻”的功能。在電子通信

38、、電子測試及自動控制系統(tǒng)中，常常利用濾波器具有“選頻”的功能來進行模擬信號的處理（用于數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等）。此外，濾波器在無線電通信、信號檢測和自動控制中對信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面也獲得了廣泛應(yīng)用。濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器兩種。一般主要采用無源元件R, L和C組成的模擬濾波器稱為無源濾波器；由集成運放和R, C組成的濾波器稱為有源濾波器。有源濾波器具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又很低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。不過，有源濾波器的工作頻率不高，一般在幾千赫以下。在頻率較高的場合，常采用L

39、C無源濾波器或固態(tài)濾波器。無源濾波器一般不存在噪聲問題，而有源濾波器由于使用了放大器濾波器的噪聲性能就比較突出，信噪比很差的有源濾波器也很常見。因此，使用有源濾波器時要注意以下幾點：一是濾波器的電阻盡可能小一些，電容則要大一些；二是反饋量盡可能大一些，以減小增益；三是放大器的開環(huán)頻率特性應(yīng)該比濾波器的通頻帶要寬。圖5-14 一階RC有源低通濾波電路如圖5-14所示為一簡單的一階RC有源低通濾波電路。該電路在一級無源RC低通濾波電路的輸出端再加上一個同相比例放大器，使之與負載很好地隔離開來，由于同相比例放大器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，其帶負載能力很強，同時該電路還具有電壓放大作用。5.

40、3.2 集成運放的非線性應(yīng)用在集成運放的非線性應(yīng)用電路中，運放一般工作在開環(huán)或僅正反饋狀態(tài)，而運放的增益很高，在非負反饋狀態(tài)下，其線性區(qū)的工作狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，因此主要工作在非線性區(qū)，實際上這正是非線性應(yīng)用電路所需要的工作區(qū)。電壓比較電路是用來比較兩個電壓大小的電路。在自動控制、越限報警、波形變換等電路中得到應(yīng)用。由集成運放所構(gòu)成的比較電路，其重要特點是運放工作于非線性狀態(tài)。開環(huán)工作時，由于其開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，因此，在兩個輸入端之間有微小的電壓差異時，其輸出電壓就偏向于飽和值；當(dāng)運放電路引入適時的正反饋時，更加速了輸出狀態(tài)的變化，即輸出電壓不是處于正飽和狀態(tài)（接近正電源電壓+VCC），就是

41、處于負飽和狀態(tài)（接近負電源電壓-V）。處于運放電壓傳輸特性的非線性區(qū)。由此可見，分析比較電路時應(yīng)注意：比較器中的運放，“虛短”的概念不再成立，而“虛斷”的概念依然成立。應(yīng)著重抓住輸出發(fā)生跳變時的輸入電壓值來分析其輸入輸出關(guān)系，畫出電壓傳輸特性。電壓比較器簡稱比較器，它常用來比較兩個電壓的大小，比較的結(jié)果（大或小）通常由輸出的高電平UOH或低電平UOL來表示。1.簡單電壓比較器電路測試40 簡單電壓比較器的測試（見9.5） 簡單電壓比較器的基本電路如圖5-15a所示，它將一個模擬量的電壓信號uI和一個參考電壓UREF相比較。模擬量信號可以從同相端輸入，也可從反相端輸入。圖5-15a所示的信號為反

42、相端輸入，參考電壓接于同相端。圖5-15 簡單電壓比較器的基本電路a）電路 b)傳輸特性當(dāng)輸入信號uIUREF，輸出即為高電平uO=UOH（+VCC）當(dāng)輸入信號uIUREF，輸出即為高電平uO=UOL（-V）顯然，當(dāng)比較器輸出為高電平時，表示輸入電壓uI比參考電壓UREF??；反之當(dāng)輸出為低電平時，則表示輸入電壓uI比參考電壓UREF大。根據(jù)上述分析，可得到該比較器的傳輸特性如圖5-15b中實線所示?？梢钥闯?，傳輸特性中的線性放大區(qū)（MN段）輸入電壓變化范圍極小，因此可近似認為MN與橫軸垂直。通常把比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時對應(yīng)的臨界輸入電壓稱為閥值電壓或門限電壓，簡稱為閥值，

43、用符號UTH表示。對這里所討論的簡單比較器，有UTH=UREF。也可以將圖5-15a所示電路中的UREF和uI的接入位置互換，即uI接同相輸入端，UREF接反相輸入端，則得到同相輸入電壓比較器。不難理解，同相輸入電壓比較器的閥值仍為UREF，其傳輸特性如圖5-15b中虛線所示。作為上述兩種電路的一個特例，如果參考電壓UREF=0(該端接地），則輸入電壓超過零時，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，這種比較器稱為過零比較電路。2.遲滯電壓比較器電路測試41 遲滯電壓比較器的測試（見9.5） 當(dāng)基本電壓比較電路的輸入電壓若正好在參考電壓附近上下波動時，不管這種波動時信號本身引起的還是干擾引起的，輸出電平必然會跟著

44、變化翻轉(zhuǎn)。這表明雖然簡單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差。在實際運用中，有的電路過分靈敏會對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，甚至使之不能正常工作。實際電路希望輸入電壓在一定的范圍內(nèi)，輸出電壓保持原狀不變。滯回比較電路就具有這一特點。遲滯比較器電路如圖5-16a所示，由于輸入信號由反相端加入，因此為反相遲滯比較器。為限制和穩(wěn)定輸出電壓幅值，在電路的輸出端并接了兩個互為串聯(lián)反向連接的穩(wěn)壓二極管。同時通過R3將輸出信號引到同相輸入端即引入了正反饋。正反饋的引入可加速比較電路的轉(zhuǎn)換過程。由運放的特性可知，外接正反饋時，滯回比較電路工作于非線性區(qū)，即輸出電壓不是正飽和電壓（高電平UOH或），就是負飽

45、和電壓（低電平UOL），二者大小不一定相等。設(shè)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為UZ，忽略正向?qū)妷海瑒t比較器的輸出高電平UOHUZ，輸出低電平UOL-UZ。圖5-16 遲滯比較器a）反相遲滯比較器電路 b）傳輸特性 c）UREF=0時的傳輸特性 d）UREF=0時UI與UO的波形當(dāng)運放輸出高電平時（uO=UOHUZ），根據(jù)“虛斷”，有 ，運放同相端輸入電壓為參考電壓和輸出電壓UZ共同作用的結(jié)果，利用疊加定理有：又因為輸入信號，所以此時的輸入電壓和比較，令稱為上閥值電壓。 （5.22）當(dāng)運放輸出低電平時（uO= UOL-UZ），根據(jù)“虛斷”，有 ，同理可得令稱為下閥值電壓。 （5.23）得到了兩個閥值電壓

46、，顯然有UTH1UTH2。當(dāng)輸入信號uI= uN很小，uNuP，則比較器輸出高電平uO=UOH，此時比較器的閥值為UTH1 ；當(dāng)增大uI直到uI = uNUTH1時，才有uO= UOL，輸出高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，此時比較器的閥值變?yōu)閁TH2 ；若uI反過來又由較大值（UTH1）開始減小，在略小于UTH1時，輸出電平并不翻轉(zhuǎn)，而是減小uI直到uI = uNUTH2時，才有uO= UOH，輸出低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，此時比較器的閥值又變?yōu)閁TH1。以上過程可以簡單概括為，輸出高電平翻轉(zhuǎn)為低電平的閥值為UTH1，輸出低電平翻轉(zhuǎn)為高電平的閥值為UTH2。由上述分析可得到遲滯比較器的傳輸特性，如圖5-16b所

47、示。可見該比較器的傳輸特性與磁滯回線類似，故稱為遲滯（或滯回）比較器。特別是當(dāng)UREF =0時，相應(yīng)的傳輸特性如圖5-16c所示，兩個閥值則為 （5.24） （5.25）顯然有 UTH2 = -UTH1。如圖5-16d所示為UREF=0的遲滯比較器在uI為正弦電壓時的輸入和輸出電壓波形。顯然，其輸出的方波較過零比較器延遲了一段時間。由于遲滯比較器輸出高、低電平相互翻轉(zhuǎn)的閥值不同，因此具有一定的抗干擾能力。當(dāng)輸入信號值在某一閥值附近時，只要干擾量不超過兩個閥值之差的范圍，輸出電壓就可保持高電平或低電平不變。令兩個閥值之差為 稱為回差電壓?；夭铍妷菏潜砻鳒乇容^器抗干擾能力的一個參數(shù)。另外，由于遲

48、滯比較器輸出高、低電平相互翻轉(zhuǎn)的過程是在瞬間完成的，即具有觸發(fā)器的特點，因此又稱為施密特觸發(fā)器。電壓比較器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成輸出的高低點平，輸入模擬電壓可能是溫度、壓力、流量、液面等通過傳感器采集的信號，因而它首先廣泛用于各種報警電路；其次，在自動控制、電子測試、模數(shù)轉(zhuǎn)換、各種非正弦波的產(chǎn)生和變換電路中也得到廣泛的應(yīng)用。3.集成電壓比較器隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)比較器的工作特點和要求，集成電壓比較器得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在市場上用的比較多的產(chǎn)品有LM239/LM339系列、LM293/LM393系列和LM111/LM211/LM311系列。LM293/LM393系列為雙電壓比較器；LM23

49、9/LM339系列為四電壓比較器。LM111/LM211/LM311系列為單電壓比較器。它們都是集電極開路輸出，均可采用雙電源或單電源方式供電，供電電壓從5V到±15V。LM111/LM211/LM311的不同在于工作溫度分別為55°C到 +125°C 、25°C到 +85°C、0°C to 到70°C。如圖5-17所示為LM311的引腳圖。圖5-17 LM311的引腳圖圖5-18所示為LM311在超聲波接收器中的應(yīng)用電路圖。JSQ為超聲波接收器，接收發(fā)射器發(fā)射過來的超聲波信號，TL082為雙集成運放，由于信號比較微弱，經(jīng)過

50、兩級放大后至LM311電壓比較器的反相輸入端，調(diào)節(jié)電位器，使當(dāng)沒有超聲波時LM311輸出為零，當(dāng)有超聲波信號時，電壓比較器有輸出，由于是集電極開路門，輸出端通過一個上拉電阻至+5V,以便和單片機電源相匹配。圖5-18 LM311的應(yīng)用電路集成電壓比較器除了用作比較器功能外，通過不同的接法，可以組成不同的用途的電路，如繼電器驅(qū)動電路、振蕩器、電平檢測電路等等。知識小結(jié)· 集成運算放大器是用集成工藝制成的、具有高增益的直接耦合多級放大器。它一般由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成。為了抑制溫漂和提高共模抑制比，常采用差動式放大電路作為輸入級；中間為電壓增益級；互補對稱電壓跟隨電路

51、常用于輸出級。· 差動式放大電路是集成運算放大器的重要組成單元，它既能放大直流信號，又能放大交流信號；它對差模信號具有很強的放大能力，而對共模信號卻具有很強的抑制能力。· 集成運放是模擬集成電路的典型組件。對于它的內(nèi)部電路只要求定性了解，目的在于掌握它的主要技術(shù)指標(biāo)，能根據(jù)電路系統(tǒng)的要求正確選用。· 集成運放工作在線性工作區(qū)時，運放接成負反饋的電路形式，此時電路可實現(xiàn)加、減、積分和微分等多種模擬信號的運算，。分析這類電路可利用“虛短”和“虛斷”這兩個重要概念，以求出輸出與輸入之間的關(guān)系。· 有源濾波電路通常是由運放和RC反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，根據(jù)幅頻響應(yīng)不同，可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波電路。· 集成運放工作在非線性工作區(qū)時，運放接成開環(huán)或正反饋的電路形式，此時電路的輸出電壓受電源電壓限制，且通常為二值電平（非高即低）。· 電壓比較器常用于比較信號大小、開關(guān)控制、波形整形和非正弦波信號發(fā)生器等電路中。集成電壓比較器由于電路簡單，使用方便而得到廣泛應(yīng)用。思考與練習(xí)5.1 集成運放電路結(jié)構(gòu)有什么特點？集成運放有那幾部分組成？各部分的作用是什么？