第4章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

1、第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用n差動放大器n集成運(yùn)算放大器電路n集成電路運(yùn)放的應(yīng)用第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用概 述集成電路簡稱簡稱IC【Integrated Circuit】它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。連線等集成在一片硅片上而制成的。優(yōu)點(diǎn)：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高優(yōu)點(diǎn)：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。 DIP雙列直插式封裝 QFP表面貼裝型封裝 LCCC無引線陶瓷封裝 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用產(chǎn)

2、生產(chǎn)生“零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移”T 定義：定義：輸入電壓（輸入電壓（v vi i）為零而輸出電壓（）為零而輸出電壓（v vo o）不為）不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，簡稱簡稱零漂零漂。常用耦合方式有常用耦合方式有直接耦合直接耦合 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點(diǎn)互相影響，如果第一級產(chǎn)生零漂，經(jīng)多級放大后輸出級將嚴(yán)重偏離原工作點(diǎn)，這是構(gòu)成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用關(guān)于關(guān)于“零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移”T 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：以目前的工藝水平，以目前的工藝水平，由溫度變化所引起的半由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)變

3、化導(dǎo)體器件參數(shù)變化成為產(chǎn)生零漂現(xiàn)象的主要成為產(chǎn)生零漂現(xiàn)象的主要原因，因而也稱零點(diǎn)漂移為原因，因而也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移溫度漂移，簡稱，簡稱溫漂溫漂。T 差分放大電路對抑制零點(diǎn)漂移具有很好的效果差分放大電路對抑制零點(diǎn)漂移具有很好的效果第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4.1.1 差分式放大電路組成電路構(gòu)成特點(diǎn)T1與與T2的特性完全相同，的特性完全相同，電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)對稱對稱。電路參數(shù)也相同，電路參數(shù)也相同，即：即：CCCRRR21BBBIII21BEBEBEVVV21 21等等。等等。12-VEE長尾對稱長尾對稱電路電路4.1 4.1 差分式放大電路差分式放大電路第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用12

4、-VEE靜態(tài)時靜態(tài)時,Ui1=Ui2=0對稱對稱Uo=0零漂相互抵消零漂相互抵消,抑制抑制輸輸入入輸輸入入輸輸出出第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4.1.2差分式放大電路分析共模信號共模信號vic是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。21iiicuuu12-VEE共模增益共模增益:icocucuuA第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用抑制零點(diǎn)漂移原理 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的， 其效果相當(dāng)于在兩個其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。輸入端加入了共模信號。 iC1 iC2 溫度溫

5、度 iC1 iE1 iC2 iE2 差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制作用差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制作用第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用差模信號差模信號vic是指在兩個輸入端加上大小相等，極性相反的信號。221iduuuidid12-VEE差模增益差模增益:idoduduuA共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)反映抑制零漂能力的指標(biāo)cdCMR=vvAAK第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用差模信號和共模信號溫度和電源電壓的波動對三極管電路的影響（零漂）相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用vC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】差模信號差模信號0

6、21,21EEEEEiiiii第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用時iciivvv 21共模信號共模信號voc+-vi1+-vi2b1b22Ro2Rovoc1+-voc2兩管的電流或是同時增加，或是同時減少兩管的電流或是同時增加，或是同時減少eeeRiu EeEeRiRi 2 211第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用根據(jù)根據(jù)2=idicid1ici1uuuuu2=idicid2ici2vuuuui2i1id=vvv)(21=i2i1icvvv 有有 共模信號相當(dāng)于兩個輸入共模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中相同的部分端信號中相同的部分 差模信號相當(dāng)于兩個輸入差模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中不同的部分端信號中不同

7、的部分 兩輸入端中的共模信號兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。號大小相等，相位相反。實際工作時實際工作時第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4.2.1 集成運(yùn)算放大器概述對稱性有源器件直接耦合作為級間耦合方式組合電路BJT代替二極管4.2 4.2 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4.2.2 集成運(yùn)放及其基本組成第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用（1）輸入級（又稱前置級）要求：要求：Ri高

8、，以便把外加信號盡可能多的吸高，以便把外加信號盡可能多的吸入電路中去，同時要考慮干擾信號的入電路中去，同時要考慮干擾信號的濾除問題。濾除問題。往往都是用往往都是用雙端輸入雙端輸入的高性能的高性能差分放大差分放大電路電路。第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用（2）中間級作用：在這一級把信號盡量放大，使集成運(yùn)放作用：在這一級把信號盡量放大，使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力。具有較強(qiáng)的放大能力。多采用多采用共射（或共源）放大電路共射（或共源）放大電路（它們它們的的AV大大）；）；多采用多采用復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)（它們的它們的AV大大）；）；如：復(fù)合管結(jié)構(gòu)如：復(fù)合管結(jié)構(gòu)bce= 1 2bce= 1 2互補(bǔ)型互補(bǔ)型第

9、4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用（3）輸出級要求：要求：Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；非線性失真小。小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；非線性失真小。多采用多采用互補(bǔ)對稱輸出電路互補(bǔ)對稱輸出電路，保證功率放大。，保證功率放大。（4）偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)用于設(shè)置集成運(yùn)放各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用+VCC-VEEPNvPvNOvOiPiNA集成運(yùn)放的符號同相輸入端反相輸入端這兩個電壓有時畫有時不畫，無所謂！輸入與輸出的關(guān)系：輸入與輸出的關(guān)系：當(dāng)當(dāng)vi從從反相反相輸入端輸入時，輸入端輸入時，vo與與vi反相；反相；當(dāng)當(dāng)vi從從同相同相輸入端輸入時，輸入端輸入時，vo與與vi

10、同相同相；第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 1.輸入失調(diào)電輸入失調(diào)電UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。部電路對稱性的指標(biāo)。4.2.3 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 2.輸入偏置電流輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時，輸入電壓為零時，運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。 2B1BIB21III 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 3.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)

11、電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 2B1BIOIII 4.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uidmax 運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 6.最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超

12、過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。 5.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ： 無反饋時的差模電壓增益。無反饋時的差模電壓增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。以上。 UUUAood第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用共模抑制比共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 雙端雙端輸出，理想情況輸出，理想情況 CMRK 單端單端輸出輸出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越

13、強(qiáng)越強(qiáng)單端輸出時的總輸出電壓單端輸出時的總輸出電壓)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的運(yùn)放的Aod=104Ui1mV時，運(yùn)放處于線性區(qū)。時，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)Aod 時，線性區(qū)時，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui4.2.4 電壓傳輸特性第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性

14、區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi11第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用理想：理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)4.2.5 理想運(yùn)算放大器

15、基本運(yùn)算電路NPoVvvvA0NPNPvvvv ：稱稱虛虛短短。iR：稱稱虛虛斷斷。NPii以后使用如無特殊說明都認(rèn)為是理想集成運(yùn)放【】第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4.3.1 基本運(yùn)算電路1)反相比例運(yùn)算i1=if （虛斷）（虛斷）因為有負(fù)反饋，因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷u+ =0 u=u+=0（虛地）（虛地）反饋組態(tài)：反饋組態(tài)：電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋fo1iRuRu 1.比例運(yùn)算電路虛地點(diǎn)虛地點(diǎn)uu+A+RiiRuu+ffoi110R R0為平衡電阻為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等電阻相等):R0=R1/Rf第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用2)同

16、相比例運(yùn)算電路u-= u+= uii1=if （虛斷）虛斷）平衡電阻平衡電阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因為有負(fù)反饋，因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷反饋方式：反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1fio1RRuuA第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vi1io vvvA（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立在電路中作用與分

17、立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。好。第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電壓跟隨器的作用電壓跟隨器的作用(補(bǔ)補(bǔ))無電壓跟隨器時無電壓跟隨器時 負(fù)載上得到的電壓負(fù)載上得到的電壓sssLsLo01. 011001vvvv RRR電壓跟隨器時電壓跟隨器時ip00，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vs第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用2.加法電路1ni1Rvv - -3onRvv - 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和n n點(diǎn)點(diǎn)的的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -321RRR 若若0pn vv2ni2Rvv - -

18、 則有則有2i1iovvv - -第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用例例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)(i22fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uOA/2R第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3.減法電路 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。大電路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(當(dāng)當(dāng),2314RRRR 則則)(i1i2

19、14ovvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,14RR 則則i1i2ovvv 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和n n、p p點(diǎn)的點(diǎn)的KCLKCL得：得：pnvv 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用從放大器角度看從放大器角度看: :14i1i2odRRvvvAv 時，時，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益為增益為（該電路也稱為差分電路）（該電路也稱為差分電路）第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用當(dāng)當(dāng)vI I為階躍電壓時，有為階躍電壓時，有4.積分電路Ruii 虛地虛地tiCuud1CCO tuRCd1i 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例4.3：輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三

20、角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用5.微分電路u-= u+= 0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。放大器。濾波器的功能：濾波器的功能：對頻率進(jìn)行選擇對頻率進(jìn)行選擇, ,過濾掉噪聲和過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。干擾信號，保留下有用信號。 4.3.2 有源濾波電路 濾波器的分類：濾波器的分類：低通濾波器（低通濾波器（LPFLPF）；高通濾波器（）；高通濾波器（HPFHPF）

21、帶通濾波器（帶通濾波器（BPFBPF）；帶阻濾波器（）；帶阻濾波器（BEFBEF）第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用|A|0C通帶通帶阻帶阻帶A0|A|0CA0通帶通帶阻帶阻帶|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通各種濾波器理想的幅頻特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（3）帶通）帶通（4）帶阻）帶阻第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 濾波器的用途濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。較高頻率成分的干擾。第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

22、 一階低通濾波器的電路如圖所示，圖中一階低通濾波器的電路如圖所示，圖中虛線為理想的情況，實線為實際的情況。特虛線為理想的情況，實線為實際的情況。特點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。圖一階LPF 圖一階LPF的幅頻特性曲線 第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4.3.3 非線性應(yīng)用電路 將一個模擬電壓信號與一將一個模擬電壓信號與一參考電壓參考電壓相比較，輸相比較，輸出一定的高低電平。出一定的高低電平。功能：功能：構(gòu)成：構(gòu)成：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。是非線性函數(shù)

23、。uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM1.簡單電壓比較器第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用v運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。電路開環(huán)或引入正反饋。v運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若若U+U- 則則UO=+UOM； 若若U+U- 則則UO=-UOM。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0） 注意：此時不能用虛短！注意：此時不能用虛短！uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用uoui0+UOM-UOM（1 1）過零比較器）過零比較器（門限電平（門限電平=0=0）u

24、oui0+UOM-UOMuuu-+ui+OA+uu-u+iOu+A第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā＠}：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uuu-+ui+OA+第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用（2 2）單門限比較器（與參考電壓比較）單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓為參考電壓當(dāng)當(dāng)ui UREF時時 , uo = +Uom當(dāng)當(dāng)ui UREF時時 , uo = -Uom 運(yùn)放處于運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)uuU+i-uuAOREF第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用uoui0+Uom-UomUREF當(dāng)當(dāng)ui UREF時時 , uo = -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入uuu-+ui+OA+第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用uoui0+UZ-UZ（A A）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了忽略了UD（3 3）限幅電路）限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值uuZ+O+-AuZ+DuRi當(dāng)當(dāng)ui 0時時 , uo = +UZ當(dāng)當(dāng)ui 0時時 , uo = -UZ 第4章