第7章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用(修改1)

1、電子電路中放大電子電路中放大, ,本質(zhì)上講是一種本質(zhì)上講是一種能量的轉(zhuǎn)換能量的轉(zhuǎn)換, ,即在輸即在輸入小信號(hào)控制下入小信號(hào)控制下, ,通過(guò)放大器將通過(guò)放大器將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的所需的, ,比輸入信號(hào)源所提供的大得多的能量比輸入信號(hào)源所提供的大得多的能量. .注意：放大注意：放大是指是指不失真不失真前提下，使交流信號(hào)前提下，使交流信號(hào)由小變大、由弱變強(qiáng)由小變大、由弱變強(qiáng)。電壓放大電路可以用一個(gè)有輸入端口和輸出端口的四電壓放大電路可以用一個(gè)有輸入端口和輸出端口的四端網(wǎng)絡(luò)表示，如下圖：端網(wǎng)絡(luò)表示，如下圖：uiuoAu電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)

2、互導(dǎo)放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)iuUUA0=iiIIA0=igUIA0=irIUA0=uiuoAuiii02. 輸入電阻輸入電阻Ri 輸入電阻輸入電阻( (由放大器輸入端看進(jìn)去呈現(xiàn)的電阻由放大器輸入端看進(jìn)去呈現(xiàn)的電阻) )是衡量是衡量放大電路從信號(hào)源放大電路從信號(hào)源( (或從其前級(jí)放大器輸出端或從其前級(jí)放大器輸出端) )采集信號(hào)大采集信號(hào)大小的參數(shù)。小的參數(shù)。定義為放大器的輸入電壓定義為放大器的輸入電壓Ui與其輸入電流與其輸入電流I i 的的比值比值（對(duì)交流信號(hào)，為有效值之比）。（對(duì)交流信號(hào)，為有效值之比）。AuIiUSUiiiiIUR =RsSSSiiiUURRRU=3.

3、輸出電阻輸出電阻RoRo=LSRUTTIUR000URLAu USU0i0UTiTAuUSfbw=fHfL用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力fAu0.7AumfL下限截止下限截止頻率頻率fH上限截止上限截止頻率頻率Aum低頻段低頻段高頻段高頻段中頻段（通頻帶）中頻段（通頻帶）由半導(dǎo)體器件非線性特性引起的失真由半導(dǎo)體器件非線性特性引起的失真=213212AAAAD 當(dāng)輸入電壓增大到使輸出電壓非線性失真系數(shù)達(dá)到額定當(dāng)輸入電壓增大到使輸出電壓非線性失真系數(shù)達(dá)到額定值值(通常定為通常定為10%)時(shí)的輸出電壓定義為最大不失真輸出電壓。時(shí)的輸出電壓定義為最大不

4、失真輸出電壓。一般以有效值一般以有效值Uom表示。表示。 發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏 RB+VCCRCC1C2TT 是是NPN 型型三極管，起三極管，起放大的作用放大的作用直流電源直流電源VCC一方面提一方面提供靜態(tài)偏置以保證發(fā)射供靜態(tài)偏置以保證發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，另一方面也為輸出放大另一方面也為輸出放大了的信號(hào)提供能量。了的信號(hào)提供能量?；?jí)電阻基級(jí)電阻RB可設(shè)置合適可設(shè)置合適的靜態(tài)基極偏置電流。的靜態(tài)基極偏置電流。集電極電阻集電極電阻RC用于用于將電流的變化轉(zhuǎn)換將電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以為電壓的變化，以實(shí)現(xiàn)電壓放大。實(shí)現(xiàn)電壓放大。隔直耦合電容

5、隔直耦合電容C1和和C2用來(lái)隔斷直流、耦合用來(lái)隔斷直流、耦合交流，通常要求大電交流，通常要求大電容，以保證一定頻率容，以保證一定頻率范圍內(nèi)，電容對(duì)交流范圍內(nèi)，電容對(duì)交流而言視為短路。而言視為短路。 ui=0ui=0時(shí)時(shí)IBQICQRB+VCCRCC1C2TBCCBBEQCCBQRVRUVI=ICQ=IBQUCEQ=VCC-RCIBQRB+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCEtuotuiiCuCEuoiB微弱的信號(hào)電壓微弱的信號(hào)電壓ui 疊加疊加在在UBEQ上，上，改變?nèi)龢O管的基改變?nèi)龢O管的基極電流極電流iB在基極電流在基極電流iB 控制下，得到控制下，得到放大了的集電放大了的集電極變化電

6、流極變化電流iCRC 將將iC的的變變化轉(zhuǎn)變成電化轉(zhuǎn)變成電壓壓uCE變化變化C2 將將uCE的直流成的直流成分隔離，得到放大分隔離，得到放大的交流輸出的交流輸出電壓電壓uo 集成電路集成電路是把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊半導(dǎo)體硅基是把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊半導(dǎo)體硅基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的分類：集成電路的分類：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； 具有體積小、重量輕、耗電省、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良、使用具有體積小、重量輕、耗電

7、省、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良、使用方便等。方便等。 集成運(yùn)放集成運(yùn)放是一種是一種直接耦合的多級(jí)放大電路直接耦合的多級(jí)放大電路，性能理想的運(yùn)，性能理想的運(yùn)算放大電路具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作算放大電路具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。按制作工藝分為雙極型、按制作工藝分為雙極型、CMOS 型和型和BiFET 型三種。型三種。 按照工作原理分為電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型和互按照工作原理分為電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型和互阻型四種。阻型四種。 按照性能指標(biāo)分為通用型、低噪聲型、高速型、低功耗型、按照性能指標(biāo)分為通用型、低噪聲型、高速型、低功耗

8、型、精密型和程控高輸入阻抗型等。精密型和程控高輸入阻抗型等。 集成運(yùn)放雖種類繁多、形式多樣，但電路結(jié)構(gòu)一般由四部集成運(yùn)放雖種類繁多、形式多樣，但電路結(jié)構(gòu)一般由四部分組成分組成：(1)(1)輸入級(jí)輸入級(jí)：輸入電阻高、噪聲低、靜態(tài)電流小、零漂?。狠斎腚娮韪?、噪聲低、靜態(tài)電流小、零漂小。(2)(2)中間級(jí)中間級(jí)( (電壓放大級(jí)電壓放大級(jí)) )：具有較高的電壓放大倍數(shù)。：具有較高的電壓放大倍數(shù)。(3)(3)輸出輸出級(jí)：級(jí)：動(dòng)態(tài)范圍大、帶負(fù)載能力強(qiáng)，非線性失真小。動(dòng)態(tài)范圍大、帶負(fù)載能力強(qiáng)，非線性失真小。(4)(4)偏置電路偏置電路：為以上電路提供合適的直流工作電流，通常由電流源組成。為以上電路提供合適的

9、直流工作電流，通常由電流源組成。反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號(hào)傳信號(hào)傳輸方向輸方向輸出端輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(a)(b)集成運(yùn)放的電路符號(hào)及典型芯片的引腳排列集成運(yùn)放的電路符號(hào)及典型芯片的引腳排列集成運(yùn)放的信號(hào)輸入方式集成運(yùn)放的信號(hào)輸入方式1、共模輸入方式、共模輸入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入大大小相同，極性也相同小相同，極性也相同的信號(hào)時(shí)，的信號(hào)時(shí)，稱為共模輸入方式。稱為共模輸入方式。ui 在集成運(yùn)放內(nèi)部電路的設(shè)在集成運(yùn)放內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)中，為了有效的控制零

10、點(diǎn)漂計(jì)中，為了有效的控制零點(diǎn)漂移，已通過(guò)采用差分輸入級(jí)電移，已通過(guò)采用差分輸入級(jí)電路，使得共模輸入時(shí)放大電路路，使得共模輸入時(shí)放大電路的輸出接近于的輸出接近于0。 因此，理想的情況下集成運(yùn)放在共模輸入時(shí)的放因此，理想的情況下集成運(yùn)放在共模輸入時(shí)的放大倍數(shù)為大倍數(shù)為0，即，即0iouc=uuA集成運(yùn)放的信號(hào)輸入方式集成運(yùn)放的信號(hào)輸入方式2、差模輸入方式、差模輸入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入大大小相同，極性相反小相同，極性相反的信號(hào)時(shí)，稱的信號(hào)時(shí)，稱為差模輸入方式。為差模輸入方式。ui 當(dāng)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的當(dāng)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的內(nèi)部電路完全

11、對(duì)稱時(shí)，信號(hào)內(nèi)部電路完全對(duì)稱時(shí)，信號(hào)ui接于同相端和反向端之間就滿接于同相端和反向端之間就滿足差模輸入條件。即足差模輸入條件。即 差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用Aud表示，即表示，即=uuuuuAoioud=uuui（1）反饋的概念）反饋的概念 將放大電路的輸出量（電壓或電流），通過(guò)一定的電路將放大電路的輸出量（電壓或電流），通過(guò)一定的電路(反饋電路反饋電路)，部分或全部回送到輸入端，部分或全部回送到輸入端(或輸入回路或輸入回路)，用以改善，用以改善或改變電路某些特性的控制過(guò)程，稱之為或改變電路某些特性的控制過(guò)程，稱之為反饋反饋。通過(guò)反饋電路。通過(guò)反饋電路回送到輸

12、入回路電壓或電流信號(hào)稱為回送到輸入回路電壓或電流信號(hào)稱為反饋信號(hào)反饋信號(hào)。 如果反饋信號(hào)使放大器的凈輸入加強(qiáng)，從而也使輸出加如果反饋信號(hào)使放大器的凈輸入加強(qiáng)，從而也使輸出加強(qiáng)，這種反饋稱為強(qiáng)，這種反饋稱為正反饋正反饋。 如果反饋信號(hào)使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減如果反饋信號(hào)使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減弱，這種反饋稱為弱，這種反饋稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。（2）開(kāi)環(huán)閉環(huán)的概念）開(kāi)環(huán)閉環(huán)的概念 如果放大器的輸出與輸入之間沒(méi)有反饋，放大器的這種如果放大器的輸出與輸入之間沒(méi)有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為連接狀態(tài)稱為開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)狀態(tài)狀態(tài)。 如果放大器的輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種如果放大器的

13、輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為連接狀態(tài)稱為閉環(huán)閉環(huán)狀態(tài)狀態(tài)。開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)閉環(huán)閉環(huán)引入負(fù)反饋引入負(fù)反饋閉環(huán)閉環(huán)引入正反饋引入正反饋 指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比。即之比。即idooduuA= 指運(yùn)放無(wú)外加反饋時(shí)，開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開(kāi)環(huán)共模指運(yùn)放無(wú)外加反饋時(shí)，開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開(kāi)環(huán)共模放大倍數(shù)之比。即放大倍數(shù)之比。即|ocodCMRRAAK=差模輸入電阻差模輸入電阻rid 指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下，從兩個(gè)輸入端口看進(jìn)去的下，從兩個(gè)輸入端口看進(jìn)去的等效電阻。等效電阻。uou+u-rid

14、輸出電阻輸出電阻ro 指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下，從輸入端口看進(jìn)去的況下，從輸入端口看進(jìn)去的戴維南等效電阻。戴維南等效電阻。uou+u-+-uocro（5）其他參數(shù)）其他參數(shù) 包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫漂及開(kāi)環(huán)帶寬等，詳細(xì)定義參看教程。漂及開(kāi)環(huán)帶寬等，詳細(xì)定義參看教程。 實(shí)際運(yùn)放的理想化模型就是理想運(yùn)放。其理想化參數(shù)為：實(shí)際運(yùn)放的理想化模型就是理想運(yùn)放。其理想化參數(shù)為：;odA;idr; 0=or;CMRK;Hf線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Aud( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = +Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)，

15、uo = + Uo(sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1+ uiuoOURuiUR輸出帶限幅的電壓比較器輸出帶限幅的電壓比較器UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+ Uo(sat) +Uo(sat)uoO例例7.9 圖圖 7.39 所示電路中，所示電路中，R1 = R2 = 5k ，參考電壓，參考電壓 U R = 2V ，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓 U Z = 5V，輸入電壓為圖，輸入電壓為圖 (a)所示的三角波。所示的三角波。試畫(huà)輸出電壓波形。試畫(huà)輸出電壓波形。RDZuouiR2+ R1URRURRR

16、uRRRu2121211-=根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷i = i + = 0則則R1 和和 R 2串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得VURRUuuRT2 012=，可得閾值電壓令例例7.9 圖圖 7.39 所示電路中，所示電路中，R1 = R2 = 5k ，參考電壓，參考電壓 U R = 2V ，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓 U Z = 5V，輸入電壓為圖，輸入電壓為圖 (a)所示的三角波。所示的三角波。試畫(huà)輸出電壓波形。試畫(huà)輸出電壓波形。RDZuouiR2+ R1UR當(dāng)當(dāng)ui-2V時(shí)，時(shí)，uo= - Uz= - 5VuitOUROt +Uz Uzuo單限電壓比較器

17、具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，存在的單限電壓比較器具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，存在的主要問(wèn)題是輸出電壓主要問(wèn)題是輸出電壓波形不夠陡波形不夠陡，抗干擾能力差抗干擾能力差。0tui閾值電壓閾值電壓0tuO錯(cuò)誤的輸出錯(cuò)誤的輸出+ +UZ- -UZ0ut干擾干擾輸出波形輸出波形不夠陡不夠陡實(shí)際運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益不實(shí)際運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益不是是 ，所以狀態(tài)的躍變，所以狀態(tài)的躍變必須經(jīng)過(guò)線性區(qū)，并需必須經(jīng)過(guò)線性區(qū)，并需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。7.5.2 滯回比較電路滯回比較電路R2引入正反饋，引入正反饋，-+uiuOR1UZRURR2if反相遲滯比較器反相遲滯比較器運(yùn)放工作在非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性

18、區(qū)。引入正反饋有兩個(gè)作用：引入正反饋有兩個(gè)作用：1、正反饋加快了、正反饋加快了uO的轉(zhuǎn)換速度，的轉(zhuǎn)換速度， 輸出電壓波形很陡。輸出電壓波形很陡。2、電路有兩個(gè)閾值電壓。、電路有兩個(gè)閾值電壓。,iuu = = ，0= = = ii+UZ- -UZRURRRu222=OuRRR211+ +說(shuō)明說(shuō)明U有兩種取值有兩種取值由疊加原理，由疊加原理，反相遲滯比較器反相遲滯比較器令令u+=u-，可得兩個(gè)不同的閾值電壓。，可得兩個(gè)不同的閾值電壓。-+uiuOR1RURR2if+UZ- -UZRURRRu212=OURRR211+ +ui 很小時(shí)，輸出很小時(shí)，輸出;ZOUU = =ui 很大時(shí)，輸出很大時(shí)，輸出

19、;ZOUU = =當(dāng)當(dāng)u+=u-時(shí)，時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生跳變，電路狀態(tài)發(fā)生跳變，ui由小增大由小增大，使，使uO從從+UZ跳變?yōu)樘優(yōu)? -UZ所需的閾值電壓為所需的閾值電壓為UTH+：ui由大變小由大變小，使，使uO從從- -UZ 跳變?yōu)樘優(yōu)? +UZ所需的閾值電壓為所需的閾值電壓為UTH- -： ;211212ZRTHURRRURRRU=;211212ZRTHURRRURRRU=上閾值電壓、下閾值電壓和回差電壓：上閾值電壓、下閾值電壓和回差電壓：ZTHTHTURRRUUU2112=下閾值下閾值電壓電壓上閾值上閾值電壓電壓回差回差電壓電壓-+uiuOR1RURR2if電壓傳輸特性：電壓傳輸特性

20、：uoui0UTH+UTH-傳輸特性傳輸特性+UZ-UZ若若u o =U Z ，閾值電壓為，閾值電壓為 UTH+ 當(dāng)當(dāng) u i 不斷增大，且不斷增大，且u i U TH+時(shí)，時(shí)，輸出輸出 u o 由高到低翻轉(zhuǎn)。由高到低翻轉(zhuǎn)。當(dāng)當(dāng) u i 不斷減少，且不斷減少，且u i U TH-時(shí)時(shí),輸出輸出 u o 才由低到高翻轉(zhuǎn)。才由低到高翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后，閾值電壓變?yōu)榉D(zhuǎn)后，閾值電壓變?yōu)閁TH- 。比較器的傳輸特性呈現(xiàn)比較器的傳輸特性呈現(xiàn)滯回滯回形狀，因而稱之為形狀，因而稱之為滯回比較滯回比較電路。電路。7.5.3 雙限比較電路雙限比較電路 單限比較器和滯回比較器有一共同特點(diǎn)：輸入電單限比較器和滯回比較器有一共同特點(diǎn)：輸入電壓在單一方向變化時(shí)，輸出電壓只單方向跳變一次。壓在單一方向變化時(shí)，輸出電壓只單方向跳變一次。