第16章 集成運放器

1、(16-1) (16-2)(16-3)將整個電路的各個元件做在一將整個電路的各個元件做在一個半導體基片上。個半導體基片上。集成電路集成電路: :優(yōu)點優(yōu)點: :工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。重量輕、功耗小。分類分類: : 模擬集成電路、數(shù)字集成電路模擬集成電路、數(shù)字集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成電路 (16-4)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點1 1、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。方向一致，溫度均一性好。2 2、電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在

2、幾十到、電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到2020千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。件代替或外接。3 3、幾十、幾十PFPF以下的小電容用以下的小電容用PNPN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。大電容要外接。4 4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多集成運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。是發(fā)展最早、應用最廣泛的級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。一種模擬集成電路。(16-5)輸入級輸入級 差動放大器差動放

3、大器輸出級輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級中間級 電壓放大器電壓放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成 16.1.2 16.1.2 集成運放的基本結(jié)構(gòu)集成運放的基本結(jié)構(gòu)(16-6)輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框圖理框圖(16-7)盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大。盡可能大。-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：要求：輸

4、入級輸入級(16-8)足夠大的電壓放大倍數(shù)足夠大的電壓放大倍數(shù)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級輸入級中間級中間級(16-9)主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io ，輸，輸出阻抗出阻抗 ro小。小。-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級(16-10)u ui iu uo o u u+ + u u輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端A A信號傳信號傳輸方向輸方向理想理想運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實際實

5、際運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) u ui i = = u u u u+ +或或 u ui i = = u u+ + u u (16-11)A Au uo o 高高: 80: 80dB140dBdB140dBr rid id 高高: 10: 105 5 10 101111 r ro o 低低: : 幾十幾十 幾百幾百 K KCMRCMR高高: 70: 70dB130dBdB130dB(16-12)u uu uO O+ +u u+ +6 67 710101111 9 92 23 31 13 3 5 58 8+15V+15V15V15VR RP PR RC CFC3FC3C C1 1反相

6、輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端調(diào)零調(diào)零電位器電位器校正網(wǎng)絡校正網(wǎng)絡正電源正電源負電源負電源輸出端輸出端u uO O6 6u uu u+ + +7 78 82 23 31 14 45 5+15V+15V15V15VR RP P A741A741(16-13) 16.1.3 16.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 U UOPPOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2. 2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 A Au uo o 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

7、A Au uo o愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 U UICMICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 U UIOIO4. 4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 I IIOIO5. 5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 I IIBIB(16-14)1. 1. 理想運算放大器理想運算放大器u uo o+ + + u u+ +u u+

8、 +U UCCCCU UEEEE (1) (1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) A Auouo (2) (2) 開環(huán)差模輸入電阻開環(huán)差模輸入電阻 r rid id (3) (3) 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻 r ro o 0 0(4) (4) 共模抑制比共模抑制比 K KCMRR CMRR 運放的理想化模型是一組理想化的參數(shù)，是運放的理想化模型是一組理想化的參數(shù)，是將實際運放等效為理想運放的條件。將實際運放等效為理想運放的條件。等效為理想運放，將使分析和計算大大簡化。等效為理想運放，將使分析和計算大大簡化。將實際運放將實際運放(16-15)2. 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 u uo o=

9、 = f f ( (u ui i) )線性區(qū)：線性區(qū)：u uo o = = A Au uo o( (u u+ + u u) )非線性區(qū)：非線性區(qū)：u u+ + u u 時，時， u uo o = = + +U Uo(sato(sat) ) u u+ + u u u 時，時， u uo o = = + + U Uo(sato(sat) ) u u+ + uR4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uououo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFui(16-24)oF11uRRRu 因

10、因虛斷，虛斷，所以所以u u+ + = = u ui i i1Fo)1(uRRu （1 1）電路組成）電路組成（2 2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)1Fiof1RRuuAu u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 因因虛短，虛短，所以所以 u u = = u ui i ，反相輸入端不反相輸入端不“虛地虛地” 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u u+ +、u u 對對地電阻相同，地電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻R R2 2= =R R1 1/R RF Fu u+ +u u(16-25)(16-26) 例例1 1、當、當 R R1 1= = 且且 R RF F

11、= = 0 0 時，時，u uo o = u = ui i ， A Au uf f = 1 = 1， 稱電壓跟隨器。稱電壓跟隨器。u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 由運放構(gòu)成的電壓跟由運放構(gòu)成的電壓跟 隨器輸入電阻高、輸出隨器輸入電阻高、輸出 電阻低，其跟隨性能比電阻低，其跟隨性能比 射極輸出器更好。射極輸出器更好。u uo ou ui i+ + + + + u uo o+ + + + 15k15k R RL L15k15k +15V+15V 7.5k7.5k 例：例：(16-27)11LRuii 1xGRUI 1iRu (16-28) 當反相輸入

12、端接地當反相輸入端接地時時, , 因為存在負反饋信號因為存在負反饋信號, , 同同相輸入端相輸入端 “虛地虛地”的概念的概念由由“虛斷路虛斷路”原則原則 i ii i = = 0 0 , , 有有 u u+ +=0=0 u u_ _ u u+ + = = 0 0當同相輸入端接地時，當同相輸入端接地時，由由“虛短路虛短路”原則原則注意注意R R1 1R RF FR R2 2R R1 1R RF FR R2 2u uo ou ui iu uo ou ui i(16-29)因因虛短虛短, , u u= u= u+ += = 0 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡電阻：平衡電阻： R

13、 R2 2= R= Ri1i1 / R/ Ri2i2 / R/ RF Fi ii2i2i ii1i1i if fFo2i2i1i1iRuuRuuRuu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R2 2+ +因因虛斷虛斷，i i = 0 = 0 所以所以 i ii1i1+ i+ ii2 i2 = = i if f )(FF2i2i1 i1 iouRRuRRu(16-30)1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，u ui2i2單獨作用時單獨作用時 1F o)1( uRRu2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1

14、(uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +(16-31)方法方法2 2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou u+ +)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu u u+ +=?=?u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +(16-32)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu u u

15、i2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R2 2+ +)(FF2i2i1i1iouRRuRRu(16-33) 1111u ui1i121211313A A2 2A A1 1u uoF1F1u uR RR RR RR R1212R RR RR R2222i2i2F2F2= = u uo ou ui1i1 u ui2i2 1111R RR RR RR R R RR R 1313 1212F1F1F2F2F2 F2 u uo1u uo1o1=

16、 = u ui1i1 R RF1 F1 R R1111(16-34)由虛斷可得：由虛斷可得：2i3 23uRRRu 由虛短可得：由虛短可得： uuu ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R R3 3R R2 2+ + + R R1 1+ + + + 如果取如果取 R R1 1 = R= R2 2 ，R R3 3 = R= RF F )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R R1 1 = R= R2 2 = = R R3 3 = = R RF F 1i2iouuu 則：則：R R2 2 / R / R3 3 = R= R1 1 / R/ RF F輸出與兩個輸入信號的差值成正比

17、。輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量常用做測量放大電路放大電路)1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu 1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu (16-35) uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u u+ +1i1F ouRRu oo ouuu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R R3 3R R2 2+ + + R R1 1+ + + +(16-36) 由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i i1 1 = i = if ftuCRuCddF1i tuCddoF tuCR

18、ud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui i if f =?=?i if fi i1 1u uo oC CF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + u uC C+ + oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt (16-37) tUCRud1iF1ou ui it tO OF1iOM0CRUUt 積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積分時間U Uo(sao(sat t) )u uo ot tO O+ + U Uo(sato(sat) )u ui i = U = Ui i 0 0 u ui i = = U Ui i 0

19、 0時，時，| | T T(j(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 0的信號順利通過，衰減很小，的信號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低階有源低通濾波器。通濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 0 時信號衰減時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)得更快些，常將兩節(jié)RCRC濾波環(huán)節(jié)串接起來，濾波環(huán)節(jié)串接起來，組組成二階有源低通濾波器。成二階有源低通濾波器。u uo oR RF FC CR R+ + + R R1 1+ +u ui i+ +R RC C一階一階二階二階 幅頻

20、特性幅頻特性f021uA 0 0| | A Au uf0f0 | | | T T(j(j ) ) | | O O(16-45) 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 u ui iu uo oR RF FC CR R+ + + R R1 1+ + +設輸入為正弦波信號，則有設輸入為正弦波信號，則有故：故：(16-46) 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 0 的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。 ,0時時當當 ,時時

21、當當 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當當 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0 0| | A Au uf0f0 | | | T T(j(j ) ) | | O O(16-47)模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號模擬輸入信號電路電路 S Su uC C+ +u ui i+ +u uo o+ + + + 采樣保持電路，多用于模采樣保持電路，多用于模 - - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/DA/D）之前之前。由于。由于A/D A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行轉(zhuǎn)換需要一定的時

22、間，所以在進行A/D A/D 轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足一段時間，以滿足A/D A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號電壓跟隨器電壓跟隨器(16-48) u uG G為高電平，為高電平， S S 閉合閉合( (場效應管導通場效應管導通) )， u ui i對存儲電容對存儲電容C C充電，充電， u uo o= u= uC C = u= ui i 。 u uG G為為 0 0， S S 斷開斷開( (場效應管截止場效應管截止) )，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。保

23、持該階段開始瞬間的值不變。u ui it to ou uG Gt to o采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 S Su uC C+ +u ui i+ +u uo o+ + + + (16-49) 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)

24、換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 (16-50)u uo o u u+ + u u U Uo(sato(sat) )+ +U Uo(sato(sat) )飽和區(qū)飽和區(qū)O O(16-51)R R1 1R R2 2u uo ou ui iU UOMOM- -U UOMOMu ui iu uo o- -U UOMOMU UOMOM0 0u ui iu uo o0 0R R1 1R R2 2u uo ou ui i(16-52)R R1 1R R2 2U UOMOM- -U UOMOMt tt tU UOMOM- -U UOMO

25、M0 00 00 0u ui iu uo ou uo ou ui iu ui iu uo o(16-53)R R1 1R R2 2R R3 3- -U UZ ZU UZ Z0 0u ui iu uo ou ui iu uo oU UZ ZD DZ Z(16-54)R R1 1R R2 2u uo ou ui iU UZ Z- -U UZ Z0 0u uo o 運放運放構(gòu)成比較器構(gòu)成比較器U UZ Zu ui iD DZ Z(16-55)電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓( (門限電平門限電平) )：輸出躍變所對應的輸入電壓。：輸出躍變所對應的輸入電壓。 u ui iu uo oO OU

26、UR RU UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + +可見，在可見，在 u ui i = =U UR R 處輸出電壓處輸出電壓 u uo o 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓(16-56)u ui it tO OU UR RO Ou uo ot t + +U Uo o (sat)(sat) U Uo o (sat)(sat)t t1 1t t2 2 當當 u ui i 單方向變化時，單方向變化時， u uo o 只變化一次。只變化一次。U UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + +電壓傳輸特性電壓傳輸特性u ui iu uo oO OU UR R(16-57)u ui i UUR R，u uo o=+ U=+ Uo o (sat)(sat)u ui i U u u 時，時，u uo o 0 0 ；輸出端不接輸出端不接 D DZ Z時時， u uo o = = U UOMOM輸出