第7章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用(修改1)

本章要點(diǎn)

放大電路的基本概念及參數(shù)集成運(yùn)放的理想化參數(shù)理想運(yùn)放的工作區(qū)理想運(yùn)放在線性區(qū)的應(yīng)用理想運(yùn)放在非線性區(qū)的應(yīng)用章節(jié)內(nèi)容7.0放大電路的基礎(chǔ)7.1集成運(yùn)放概述7.2具有負(fù)反饋的集成運(yùn)放應(yīng)用電路7.3電壓比較器7.0放大電路基礎(chǔ)7.0.1

放大的概念電子電路中放大,本質(zhì)上講是一種能量的轉(zhuǎn)換,即在輸入小信號控制下,通過放大器將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的,比輸入信號源所提供的大得多的能量.注意：放大是指不失真前提下，使交流信號由小變大、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端網(wǎng)絡(luò)表示，如下圖：uiuoAu5.0.2

放大電路的性能指標(biāo)1.放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)iuUUA0=iiIIA0=igUIA0=irIUA0=uiuoAuiii02.輸入電阻Ri

輸入電阻(由放大器輸入端看進(jìn)去呈現(xiàn)的電阻)是衡量放大電路從信號源(或從其前級放大器輸出端)采集信號大小的參數(shù)。定義為放大器的輸入電壓Ui與其輸入電流Ii

的比值（對交流信號，為有效值之比）。AuIi~USUiRsRi越大，則放大器從前端采集的信號Ui就越大3.輸出電阻Ro輸出電阻是從放大電路輸出端看進(jìn)去呈現(xiàn)的電阻。放大電路輸出端對其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號源，我們將它等效為戴維南等效電路，這里的內(nèi)阻就是輸出電阻。~RoRLAu~USU0i0UTiTAu~USRo越小，則放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)4.通頻帶fbw=fH–fL用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力fAu0.7AumfL下限截止頻率fH上限截止頻率Aum低頻段高頻段中頻段（通頻帶）頻帶寬帶5.非線性失真由半導(dǎo)體器件非線性特性引起的失真設(shè):輸出信號中的基波幅值為A1、諧波波幅值為A2、A3…，則非線性失真系數(shù)。6．最大不失真輸出電壓當(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(通常定為10%)時(shí)的輸出電壓定義為最大不失真輸出電壓。一般以有效值Uom表示。8.最大輸出功率與效率

在輸出信號不失真的情況下，負(fù)載上能夠獲得的最大功率稱為最大輸出功率。直流電源能量的利用率稱為效率η，等于輸出功率Po

與直流電源功率PE

之比，即7.0.3

基本放大電路的組成及交流放大原理

晶體管在電路中有三種連接方式：

為了使晶體三極管工作在放大狀態(tài)，要求：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

基本共射放大電路組成RB+VCCRCC1C2TT是NPN型三極管，起放大的作用直流電源VCC一方面提供靜態(tài)偏置以保證發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，另一方面也為輸出放大了的信號提供能量?；夒娮鑂B可設(shè)置合適的靜態(tài)基極偏置電流。集電極電阻RC用于將電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以實(shí)現(xiàn)電壓放大。隔直耦合電容C1和C2用來隔斷直流、耦合交流，通常要求大電容，以保證一定頻率范圍內(nèi)，電容對交流而言視為短路。

靜態(tài)時(shí)，輸入的交流信號ui=0ui=0時(shí)IBQICQRB+VCCRCC1C2T隔直耦合電容等效為開路。

VCC通過RB提供靜態(tài)基極偏流IBQ。經(jīng)過T放大,得到

ICQ=βIBQ三極管CE端口電壓為

UCEQ=VCC-RCIBQRB+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCEtuotuiiCuCEuoiB

動(dòng)態(tài)時(shí)，輸入的交流信號

ui≠0，交流時(shí)電容等效為短路微弱的信號電壓ui

疊加在UBEQ上，改變?nèi)龢O管的基極電流iB在基極電流iB

控制下，得到放大了的集電極變化電流iCRC將iC的變化轉(zhuǎn)變成電壓uCE變化C2將uCE的直流成分隔離，得到放大的交流輸出電壓uo7.1集成運(yùn)放概述7.1.1集成運(yùn)放的特點(diǎn)及分類

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)：集成電路的分類：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；……具有體積小、重量輕、耗電省、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良、使用方便等。集成運(yùn)放是一種直接耦合的多級放大電路，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、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。按制作工藝分為雙極型、CMOS型和BiFET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、精密型和程控高輸入阻抗型等。7.1.2集成運(yùn)放的基本組成

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：(1)輸入級：輸入電阻高、噪聲低、靜態(tài)電流小、零漂小。(2)中間級(電壓放大級)：具有較高的電壓放大倍數(shù)。(3)輸出級：動(dòng)態(tài)范圍大、帶負(fù)載能力強(qiáng)，非線性失真小。(4)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。反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)集成運(yùn)放的電路符號及典型芯片的引腳排列集成運(yùn)放的信號輸入方式1、共模輸入方式+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入大小相同，極性也相同的信號時(shí)，稱為共模輸入方式。ui在集成運(yùn)放內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)中，為了有效的控制零點(diǎn)漂移，已通過采用差分輸入級電路，使得共模輸入時(shí)放大電路的輸出接近于0。因此，理想的情況下集成運(yùn)放在共模輸入時(shí)的放大倍數(shù)為0，即集成運(yùn)放的信號輸入方式2、差模輸入方式+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入大小相同，極性相反的信號時(shí)，稱為差模輸入方式。ui當(dāng)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的內(nèi)部電路完全對稱時(shí)，信號ui接于同相端和反向端之間就滿足差模輸入條件。即差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用Aud表示，即7.1.3集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)1．必要的概念（1）反饋的概念

將放大電路的輸出量（電壓或電流），通過一定的電路(反饋電路)，部分或全部回送到輸入端(或輸入回路)，用以改善或改變電路某些特性的控制過程，稱之為反饋。通過反饋電路回送到輸入回路電壓或電流信號稱為反饋信號。

如果反饋信號使放大器的凈輸入加強(qiáng)，從而也使輸出加強(qiáng)，這種反饋稱為正反饋。

如果反饋信號使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減弱，這種反饋稱為負(fù)反饋。（2）開環(huán)閉環(huán)的概念

如果放大器的輸出與輸入之間沒有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為開環(huán)狀態(tài)。

如果放大器的輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為閉環(huán)狀態(tài)。開環(huán)閉環(huán)引入負(fù)反饋閉環(huán)引入正反饋2．集成運(yùn)放的主要參數(shù)（1）差模開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod指運(yùn)放在無外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比。即（2）共模抑制比CMRR指運(yùn)放無外加反饋時(shí)，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模放大倍數(shù)之比。即（3）差模輸入電阻rid指運(yùn)放在無外加反饋情況下，從兩個(gè)輸入端口看進(jìn)去的等效電阻。uou++–+u-rid（4）輸出電阻ro指運(yùn)放在無外加反饋情況下，從輸入端口看進(jìn)去的戴維南等效電阻。uou++–+u-+-uocro（5）其他參數(shù)包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫漂及開環(huán)帶寬等，詳細(xì)定義參看教程。7.3.1理想運(yùn)放分析基礎(chǔ)7.3具有負(fù)反饋的集成運(yùn)放應(yīng)用電路實(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：

開環(huán)差模增益：

差模輸入電阻：

輸出電阻：

共模抑制比：

上限截止頻率：

失調(diào)電壓、電流及其溫漂：均為0。1.理想運(yùn)放的概念2.運(yùn)放的電壓傳輸特性線性區(qū)：uo=Aud(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–時(shí)，uo=+Uo(sat)u+<u–時(shí)，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性非線性區(qū)O3.理想運(yùn)放在線性工作區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Aud(u+–u–)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–,稱“虛短”電壓傳輸特性Aud越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O(2)由于

輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

4.理想運(yùn)放在非線性工作區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O非線性區(qū)7.3.2比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–例:電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RFR1

=–5010=–5R2=R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf=–RF/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–

當(dāng)R1=且RF=0時(shí)，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–uoui++––++–同相比例電路的最大特點(diǎn)是輸入電阻高，比較適合于輸入級，以提高信號的采集能力。7.3.3加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路

平衡電阻：

R2=Ri1//Ri2//RFuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–

可采用疊加定理求uo（1）ui1單獨(dú)作用時(shí)（2）ui2單獨(dú)作用時(shí)則當(dāng)Ri1=Ri2=RF時(shí)，uo=－(ui1+ui2)2.同相加法運(yùn)算電路方法:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–當(dāng)Ri1=Ri2=R1=RF時(shí)，uo=ui1+ui27.3.4減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––當(dāng)R1=R2=R3=RF時(shí)，uo=ui2—ui1例7.7加減法運(yùn)算電路如圖7.23所示，求輸出與各輸入電壓之間的關(guān)系。方法:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用時(shí)，ui2單獨(dú)作用時(shí)，ui3單獨(dú)作用時(shí)，u4單獨(dú)作用時(shí)，uo=uo1+uo2+uo3+uo4

=?1.3ui1?1.9ui2+2.3ui3+1.15ui4

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–7.3.5積分與微分運(yùn)算電路1.積分運(yùn)算電路輸出電壓為輸入電壓對時(shí)間的積分，因此稱實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算的功能電路為積分電路。ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–2.微分運(yùn)算電路輸出電壓為輸入電壓對時(shí)間的微分，因此稱實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算的功能電路為微分電路。7.5電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。

閾值：指輸出電壓在高、低電平間發(fā)生跳變時(shí)對應(yīng)的輸入電壓值。一般是固定的，有的有一個(gè)閾值，有的有兩個(gè)閾值。按照傳輸特性的不同，電壓比較器有以下種類b.遲滯比較器:兩個(gè)閾值電壓UT1≠UT2.輸入電壓向單一方向變化時(shí),輸出電壓躍變一次.a.單限比較器:一個(gè)閾值電壓UT.c.窗口比較器:兩個(gè)閾值電壓UT1≠UT2.輸入電壓向單一方向變化時(shí),輸出電壓躍變兩次.圖1圖2圖3傳輸特性：指比較器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。電壓比較器分析主要抓住三個(gè)要點(diǎn)：①確定電路輸出電壓uO高電平值UOH和低電平值UOL。②確定閾值電壓值UT，輸入電壓uI等于閾值電壓值UT的時(shí)刻，也正是輸出電壓uO發(fā)生跳變的時(shí)刻。③當(dāng)輸入電壓uI變化經(jīng)過閾值電壓值UT時(shí)，輸出電壓uO跳變的方向；即是由UOH跳變到UOL，還是由UOL跳變到UOH。7.5.1單限比較電路uoui0+UOM-UOM++uoui++uouiuoui0+UOM-UOM（1）過零比較器:（運(yùn)放處于開環(huán)，門限電平=0）–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–時(shí)，uo=–Uo(sat)即ui<UR時(shí)，uo=+Uo(sat)

ui>UR時(shí)，uo=–

Uo(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。門限電壓為UR。參考電壓(2)非過零比較器（運(yùn)放處于開環(huán)）輸入信號接在反相端ui>UR，uo=+Uo(sat)ui<UR，uo=–Uo(sat)uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在同相端uiUR輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui<

UR，uo=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZui<UR時(shí)，uo'

=+Uo(sat)ui>UR時(shí)，uo'

=–

Uo(sat)uo'RDZURuouiR2++–R1+–++–––Uo(sat)+Uo(sat)uoO例7.9

圖7.39所示電路中，R1=R2=5kΩ，參考電壓UR=2V，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為圖(a)所示的三角波。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2++–R1UR根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷i?=i+=0則R1和R2串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得例7.9

圖7.39所示電路中，R1=R2=5kΩ，參考電壓UR=2V，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為圖(a)所示的三角波。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2++–R1UR當(dāng)ui<-2V時(shí)，uo=Uz=5V當(dāng)ui>-2V時(shí)，uo=-Uz=-5VuitOUROt+Uz–Uzuo單限電壓比較器具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，存在的主要問題是輸出電壓波形不夠陡，抗干擾能力差。0tui閾值電壓0tuO錯(cuò)誤的輸出+UZ-UZ干擾輸出波形不夠陡實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)增益不是，所以狀態(tài)的躍變必須經(jīng)過線性區(qū)，并需要經(jīng)過一定的時(shí)間。7.5.2滯回比較電路R2引入正反饋，-+uiuOR1UZRURR2if反相遲滯比較器運(yùn)放工作在非線性區(qū)。引入正反饋有兩個(gè)作用：1、正反饋加快了uO的轉(zhuǎn)換速度，

輸出電壓波形很陡。2、電路有兩個(gè)閾值電壓。+UZ-UZ+說明U＋有兩種取值由疊加原理，反相遲滯比較器令u+=u-，可得兩個(gè)不同的閾值電壓。-+uiuOR1RURR2if+UZ-UZ+ui很小時(shí)，輸出ui很大時(shí)，輸出當(dāng)u+=u-