中國民航大學(xué)低頻電子電路第6章

第6章集成運(yùn)算放大器原理及其應(yīng)用

*緒論一.集成電路（IntegratedCircuit簡稱IC）

采用半導(dǎo)體制造工藝，將大量的晶體管、電阻、電容等電路元件及其電路連線制作在一小塊硅單晶上，形成具有特定電路功能的單元電路。二.摩爾定律

未來10年中芯片上的晶體管數(shù)將每年翻一番（1965年）芯片上的晶體管數(shù)量每兩年將翻一番（1975年）514緒論三.集成電路的特點(diǎn)（同分立器件電路相比）：1.集成電路中電阻、電容等無源器件不能象分立元件電路那樣任意選用；集成電路中電阻阻值偏大將占用硅片較大的面積，不利于集成；集成電路中的電容是利用PN結(jié)的結(jié)電容或用二氧化硅層作為電介質(zhì)做成的，不適宜制造幾十皮法以上的電容器，所以集成運(yùn)放電路多采用直接耦合的形式。515緒論2.兩者的設(shè)計思想正好相反3.同一集成電路中的元件參數(shù)一致性和溫度均一性較好，很容易制造對稱性較高的電路。分立元件電路：盡量少用晶體管，以降低成本；集成電路：則盡量減少電阻、電容等無源器件，用晶體管等有源器件所取代。5166.1差分放大器6.1.1差分放大器的分析6.1.2差分放大器大信號輸入時的傳輸特性6.1.3舉例6.1.4差分放大器的失調(diào)和溫漂5136.1差分放大器

引子：為什么引入差分放大器？

1.直流信號的放大在無線電通信和其他領(lǐng)域中，常常需要對變化十分緩慢的信號進(jìn)行放大。例如生物電的放大，或某些自動控制中的控制信號。把這種變化十分緩慢的信號（頻率很低，幾乎為零，但不能認(rèn)為頻率等于零）稱為直流信號。直流放大器是放大直流信號的一種放大器（當(dāng)然也可以放大交流信號）。直流信號不同于直流電。517

引子：為什么引入差分放大器？

2.直流放大器面臨的問題電容耦合放大器無法放大直流信號，耦合電容很難傳送緩變信號。直流放大器常常采用直接耦合方式。兩個問題：1）級與級之間的直流工作狀態(tài)互相影響2）零點(diǎn)漂移518

引子：為什么引入差分放大器？

1）級與級之間的直流工作狀態(tài)互相影響調(diào)整某一級工作狀態(tài)就會導(dǎo)致其他各級工作狀態(tài)的改變。這一點(diǎn)對直接耦合放大器的設(shè)計和調(diào)整帶來很多不便。519

引子：為什么引入差分放大器？

現(xiàn)象：輸入電壓為零，輸出端電壓表指針偏離零點(diǎn)或起始值，出現(xiàn)忽大忽小的不規(guī)則擺動。2）零點(diǎn)漂移定義：輸入電壓為零時，輸出還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生，輸出電壓偏離起始值而上下波動，使輸出端產(chǎn)生緩慢變化的電壓。零點(diǎn)漂移簡稱零漂。引起零漂的外界因素：時間漂移：由于晶體管和其他元件的參數(shù)本身老化作用引起的，與電路設(shè)計無關(guān)。溫度漂移：由于晶體管的參數(shù)隨著環(huán)境溫度的變化而變化所造成的。電源電壓變化引起的漂移：當(dāng)電源電壓變化時，電路的直流電平配制受到某種破壞而導(dǎo)致輸出零點(diǎn)的變動。520

引子：為什么引入差分放大器？

為什么是矛盾？為了獲得高的直流增益，可以增加級數(shù)，但同時輸出漂移電壓也加大。為了減小零漂可以引入負(fù)反饋，但同時放大器對直流信號的放大能力也減弱了。尋求新方法解決矛盾！抵消采用特殊形式的電路使漂移電壓互相抵消。引入特殊的負(fù)反饋對零點(diǎn)漂移有很強(qiáng)的負(fù)反饋，對有用直流信號無負(fù)反饋。例如乙類推挽功放電路，每個管子產(chǎn)生大量的諧波失真，但在負(fù)載上，偶次諧波互相抵消了。高質(zhì)量的直流放大器應(yīng)該具有高的電壓增益和小的零點(diǎn)漂移。矛盾！調(diào)制型直流放大器（框圖）5216.1.1

差分放大器的分析1.電路形式——基本形式（長尾電路）兩個性能完全相同的共發(fā)射極電路拼接而成。如何消除零漂？輸入信號為零，電路對稱某種因素產(chǎn)生零漂，如溫度升高，電路對稱，晶體管參數(shù)相同，靠電路對稱消除零漂！5226.1.1

差分放大器的分析1.電路形式——射極電阻的幾種不同形式輸入信號分別加到兩管基極，輸出兩種取法：從單管集電極取——單端輸出從兩管集電極之間取——雙端輸出5236.1.1

差分放大器的分析1.電路形式——差分式放大電路的組態(tài)基于不同的應(yīng)用場合，有雙、單端輸入和雙、單端輸出的情況。單端輸入時，另一端接地。雙入雙出雙入單出單入雙出單入單出5246.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——輸入信號的分析1）差模輸入信號：

即兩管輸入信號大小相等、相位相反，稱為差模輸入信號，記為2）共模輸入信號：即兩管輸入信號大小相等、相位相同，稱為共模輸入信號，記為零漂引起的就是共模信號，為有害信號。5256.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——輸入信號的分析問題：差分放大器的兩個輸入信號往往是一對任意數(shù)值的信號，一般，即，非差模也非共模，該怎樣分析？解決方法：對輸入信號進(jìn)行分解，把一對任意數(shù)值的輸入信號分解為差模信號和共模信號的疊加，求出差模信號和共模信號分別作用于差分放大器時的輸出結(jié)果，然后利用疊加原理，得出差分放大器在一對任意數(shù)值輸入信號作用下的性能指標(biāo)。

5266.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——輸入信號的分析令具體分解方法：5276.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——輸入信號的分析例子：差模輸入信號（任一端都不接地）共模輸入信號5286.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——電阻的分析1）差模信號作用下：相同VT1：VT2：流過的信號電流彼此抵消，在上無信號電壓兩管均為共射放大器，完成放大差模信號的作用。反之亦然。兩管各極電流的變化正好相反，當(dāng)5296.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——電阻的分析2）共模信號作用下：兩管相應(yīng)電流始終相等，流過的信號電流為，產(chǎn)生的電壓為引入了電流串連負(fù)反饋，使得從每個管子集電極輸出時的共模電壓大大減小了。5306.1.1

差分放大器的分析2.工作原理——結(jié)論

共模等效差分放大器對差模信號具有放大作用，而對共模信號具有抑制作用。差模輸入信號正是要放大的有用輸入信號，而共模輸入信號則是有害的輸入信號（零點(diǎn)漂移）。結(jié)論差模等效5316.1.1

差分放大器的分析3.差模電壓放大倍數(shù)和差模輸入電阻1）差模電壓放大倍數(shù)單端輸出差模電壓放大倍數(shù)5326.1.1

差分放大器的分析雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙端輸出只要輸入電壓有差別，輸出就變動！5336.1.1

差分放大器的分析3.差模電壓放大倍數(shù)和差模輸入電阻2）差模輸入電阻5346.1.1

差分放大器的分析4.共模電壓放大倍數(shù)和共模輸入電阻1）共模電壓放大倍數(shù)單端輸出共模電壓放大倍數(shù)和成反比，越大，越小。5356.1.1

差分放大器的分析單端輸出共模電壓放大倍數(shù)雙端輸出共模電壓放大倍數(shù)單端輸出時，射極電阻引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋，使得共模輸出電壓大大減小；雙端輸出、電路對稱時，則共模輸出電壓為零，即共模輸入電壓完全被抑制。5366.1.1

差分放大器的分析4.共模電壓放大倍數(shù)和共模輸入電阻2）共模輸入電阻5376.1.1

差分放大器的分析5.輸出電阻無論是差模輸入還是共模輸入，輸出端是一樣的，輸出電阻統(tǒng)一用表示。5386.1.1

差分放大器的分析共模抑制比——衡量差分放大器放大差模信號和抑制共模信號的能力定義：差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值。CommonModeRejectionRatio越大，表示差分放大器對共模信號的抑制能力越強(qiáng)。5396.1.1

差分放大器的分析共模抑制比1，雙端輸出時，使電路盡可能對稱；

增大發(fā)射極電阻，受到發(fā)射極電源電壓的限制。尋找一種電阻：它對直流呈現(xiàn)很小的阻值，而對交流呈現(xiàn)非常大的阻值；減小共模輸出電壓提高共模抑制比的方法：單端輸出時，恒流源電路3，引入共模負(fù)反饋。

2，5406.1.1

差分放大器的分析共模抑制比——提高方法，電路舉例1）恒流源電路2）引入級間共模負(fù)反饋5416.1.1

差分放大器的分析（往后）7.幾種放大器方式性能參數(shù)比較雙入雙出雙入單出單入雙出單入單出射極電阻或射極電流源內(nèi)阻以上對應(yīng)電路均未接基極電阻或信號源內(nèi)阻忽略不計。5426.1.1

差分放大器的分析8.差分放大器的組合形式1）共集-共基差分放大器分析：雙端輸入、單端輸出；VT5、VT6構(gòu)成基本電流源，作為VT4的有源負(fù)載；

CC組態(tài)CB組態(tài)5436.1.1

差分放大器的分析8.差分放大器的組合形式1）共集-共基差分放大器5446.1.1

差分放大器的分析8.差分放大器的組合形式2）共集-共射差分放大器分析：雙端輸入、單端輸出；VT5、VT6構(gòu)成基本電流源，作為VT4的有源負(fù)載；

CE組態(tài)CC組態(tài)5456.1.1

差分放大器的分析8.差分放大器的組合形式2）共集-共射差分放大器5466.1.1

差分放大器的分析例6-1

某差分放大器已知，，，dB，已知為負(fù)值，求輸出電壓。

9.例題分析解：5476.1.1

差分放大器的分析9.例題分析例6-2

某差分放大器兩個輸入端的信號分別為和，輸出電壓，三者的關(guān)系是。試求該差分放大器的差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)及共模抑制比。解：5486.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性1.雙極型晶體管差分放大器的傳輸特性考慮大信號的輸入特性，晶體管的小信號電路已不適用，要從晶體管特性基本關(guān)系式出發(fā)，結(jié)合電路進(jìn)行研究。5496.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性1.雙極型晶體管差分放大器的傳輸特性雙曲正切函數(shù)5506.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性1.雙極型晶體管差分放大器的傳輸特性差分放大器傳輸特性5516.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性從傳輸特性得到的結(jié)論：1）當(dāng)差模輸入電壓時，差動放大器處于平衡狀態(tài)，，即

2）在平衡狀態(tài)的工作點(diǎn)附近范圍內(nèi)，與呈線性關(guān)系

5526.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性怎樣擴(kuò)大差分放大器的線性范圍？引入負(fù)反饋——射極電阻射極電阻增大，線性工作范圍改善程度越好。5536.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性從傳輸特性得到的結(jié)論：3）當(dāng)差模輸入電壓超過時，輸出電壓基本不變，這表明差動放大器在大信號輸入時，具有良好的限幅特性。差分型限幅器4）定義：差分放大器跨導(dǎo)為mV改變恒流源電流就可以改變跨導(dǎo)，從而改變差模電壓增益，所以帶有恒流源的差分放大器可以用來實(shí)現(xiàn)自動增益控制。5546.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性例6-3

電路如圖所示，已知，，VT1、VT2參數(shù)相同，求差模電壓放大倍數(shù)

。解：直接利用5556.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性2.場效應(yīng)管差分放大器的傳輸特性目的：提高差分放大器的輸入電阻電路對稱，雙端輸出5566.1.2

差分放大器大信號輸入時的傳輸特性2.場效應(yīng)管差分放大器的傳輸特性傳輸特性5576.1.3

例題分析例6-7差動放大器如圖所示，VT1、VT2特性、參數(shù)相同，

，要求（1）和；

（2）和；

5676.1.3

例題分析解：（1）5686.1.3

例題分析5696.1.3

例題分析（2）5706.1.4

差分放大器的失調(diào)和溫漂現(xiàn)象和定義失調(diào)：差分放大器在理想狀態(tài)下，當(dāng)輸入信號為零時，其雙端輸出電壓也為零。但對實(shí)際差分放大器而言，由于電路不完全對稱，因而零輸入時，對應(yīng)的輸出電壓并不為零。分為電壓失調(diào)和電流失調(diào)失調(diào)漂移：差分放大器的失調(diào)往往是隨著時間、溫度、電源電壓等外界因素的變化而變化。

降低了放大器的靈敏度5746.1.4差分放大器的失調(diào)和溫漂1.輸入失調(diào)電壓及其溫度漂移

輸出失調(diào)電壓折算到輸入端的電壓顯然要使輸出電壓為零，就必須在輸入端加入一能抵消輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)償電壓。引起輸入失調(diào)電壓的原因：（1）晶體管的不對稱性；（2）集電極電阻的相對誤差。輸入失調(diào)電壓漂移是由不對稱性和集電極電阻的漂移引起的。

5752.輸入失調(diào)電流及其溫度漂移

假如差分放大器兩管的基極偏置電流不相等，兩信號源的內(nèi)阻相等，則會在輸入端產(chǎn)生一個輸入誤差電壓，輸入失調(diào)電流：靜態(tài)輸出電壓為零時，兩管基極偏置電流之差。由管子的和集電極電阻的相對誤差引起。6.1.4差分放大器的失調(diào)和溫漂576結(jié)論：差動放大器的失調(diào)是由于電路中管子參數(shù)和電阻等的不對稱而引起的。失調(diào)電壓和失調(diào)電流都隨著溫度的變化而變化。為了盡可能地減小失調(diào)和漂移，要求電路盡可能地對稱。方法：常用差動對管(它是在一個基片上制作兩個相同的管子，這樣容易使參數(shù)一致)來構(gòu)成差動放大器。6.1.4差分放大器的失調(diào)和溫漂5776.2集成運(yùn)算放大器典型電路介紹6.2.1雙極型集成運(yùn)算放大器F7416.2.2MOS集成運(yùn)算放大器的組成5786.2集成運(yùn)算放大器典型電路介紹6.2.1雙極型集成運(yùn)放F741高增益，高輸入阻抗的第二代集成運(yùn)放F741由輸入級、中間級和輸出級三級組成。5796.2集成運(yùn)算放大器典型電路介紹6.2.1雙極型集成運(yùn)放F741輸入級：VT1-VT9，采用有源負(fù)載的共集-共基（VT1-VT4）電路提高放大器的差模輸入電阻和差模輸入電壓范圍。VT5、VT6和VT7組成小電流源改進(jìn)電路，作為差分放大器集電極的有源負(fù)載，并將雙端輸入信號轉(zhuǎn)變成單端輸出信號。這一級可以獲得較高的電壓增益。5806.2集成運(yùn)算放大器典型電路介紹6.2.1雙極型集成運(yùn)放F741中間級：有VT16、VT17組成復(fù)合管的單級共射放大器，并由VT13作為它的有源負(fù)載。高的輸入電阻保證輸入級有較高的電壓增益。提高中間級的電壓增益。30pF補(bǔ)償電容，可以保證閉環(huán)穩(wěn)定工作。5816.2集成運(yùn)算放大器典型電路介紹6.2.1雙極型集成運(yùn)放F741輸出級：VT14和互補(bǔ)復(fù)合管VT18、VT19組成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。消除交越失真輸出級二極管保護(hù)電路5826.2.2MOS集成運(yùn)放的組成1.CMOS集成運(yùn)放組成——CC14573為例CC14573是一個四可編程運(yùn)算放大器，它用P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管以單片結(jié)構(gòu)組成低功耗運(yùn)算放大器。偏置電路：由P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管VT5、VT6和外接偏置電阻組成。VT5、VT6構(gòu)成基本電流源。輸入級:由VT1、VT2、VT3、VT4和VT6組成。VT1、VT2組成差分放大器，VT3

、VT4作為它的有源負(fù)載，VT6提供工作電流。

輸出級:由VT7

、VT8構(gòu)成一共源放大器。

5836.2.2MOS集成運(yùn)放的組成2.NMOS集成運(yùn)放1）NMOS的單級共源放大器或差分放大器與CMOS放大器相比，其電壓增益較低。為了提高NMOS放大器的電壓增益，采用一些特殊電路，使電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。2）為了保證零輸入時零輸出，NMOS運(yùn)放一定要有電平位移電路。而CMOS運(yùn)放的電平位移靠器件的互補(bǔ)性能來實(shí)現(xiàn)，沒有專門的電平位移電路。3）為提高NMOS運(yùn)放的輸出性能，輸出級采用特殊的電路形式，它比CMOS互補(bǔ)輸出電路復(fù)雜。NMOS運(yùn)放與CMOS運(yùn)放相比，它有下列不同之處：5846.4理想運(yùn)放及其基本組態(tài)6.4.1理想集成運(yùn)算放大器6.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)5946.4理想運(yùn)放及其基本組態(tài)6.4.1理想集成運(yùn)算放大器特點(diǎn)：⑤輸入失調(diào)電壓①開環(huán)電壓放大倍數(shù)②差模輸入電阻③輸出電阻④頻帶無限寬⑥輸入失調(diào)電流⑦共模抑制比⑧干擾和噪聲都不存在5956.4.1理想集成運(yùn)算放大器理想運(yùn)放模型符號傳輸特性線性放大區(qū)等效電路正向飽和區(qū)等效電路負(fù)向飽和區(qū)等效電路比電源電壓小1~2V5966.4.1理想集成運(yùn)算放大器分析方法：1）線性放大區(qū)兩個輸入端無電流，兩個輸入端之間開路；兩個輸入端“虛短路”。

理想運(yùn)放特性（線性區(qū)）5976.4.1理想集成運(yùn)算放大器分析方法：2）飽和區(qū)兩個輸入端無電流，兩個輸入端之間開路；比較兩個輸入端電壓大小。高電平輸出低電平輸出理想運(yùn)放特性（飽和區(qū)）5986.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)1.反相放大組態(tài)存在負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)輸入電壓在一定范圍內(nèi)時，輸出電壓和輸入電壓相位相反，大小僅取決于反饋回路電阻比。

虛地：反相輸入端沒有真正接地，而具有地電位虛地5996.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)1.反相放大組態(tài)傳輸特性反相跟隨器

輸入電阻：反相放大組態(tài)的實(shí)質(zhì)是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，具有低的輸入阻抗和輸出阻抗。6006.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)例題分析例6-9

已知，試畫出輸出波形。解：受的限制6016.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)例題分析例6-10

求輸出的表達(dá)式。解：利用疊加原理6026.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)2.同相放大組態(tài)存在負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)輸入電壓在一定范圍內(nèi)時，輸出電壓和輸入電壓同相，大小僅取決于反饋回路電阻比。

6036.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)2.同相放大組態(tài)同相跟隨器

同相放大組態(tài)的實(shí)質(zhì)是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻很大，理想運(yùn)放為無窮大。6046.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)例題分析例6-11

求。解：無電流。6056.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)3.差分放大組態(tài)反相放大組態(tài)和同相放大組態(tài)二者結(jié)合輸入信號可以認(rèn)為是，利用疊加原理，分別計算對輸出的貢獻(xiàn)和，然后合成，即

6066.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)3.差分放大組態(tài)結(jié)論：運(yùn)放特性理想且外接元件參數(shù)滿足特定條件差分運(yùn)算放大器只對差模輸入信號實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，輸出無共模分量，且閉環(huán)增益僅取決于外接電阻比。作用：抑制共模成分6076.4.2集成運(yùn)放的基本組態(tài)3.差分放大組態(tài)虛短路

差模輸入電阻共模輸入電阻對于理想運(yùn)放，共模輸出電壓為零，輸出端相當(dāng)于接地，所以(R1+R2)與(R3+R4)是并聯(lián)關(guān)系。6086.3集成運(yùn)算放大器的性能參數(shù)和模型6.3.1性能參數(shù)6.3.2模型5856.3集成運(yùn)放的性能參數(shù)和模型6.3.1性能參數(shù)1）輸入偏置電流()：當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出直流電壓為

零時，其兩輸入端偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流，

即雙極型管1pA～1μA左右場效應(yīng)管：一般小于1nA

2）輸入失調(diào)電流：其值范圍一般為1nA～10μA。偏置電流越大，其輸入失調(diào)電流也越大。5866.3.1性能參數(shù)3）輸入失調(diào)電壓：一般為mV數(shù)量級。對于高精度、低漂移類型的運(yùn)算放大器，可以做到小于1μV。

雙極型管作為輸入級<場效應(yīng)管作為輸入級4）差模開環(huán)電壓增益即線性區(qū)域的斜率。

5876.3.1性能參數(shù)5）共模電壓增益：當(dāng)共模信號輸入時，運(yùn)放輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值，即6）共模抑制比：

頻率的函數(shù)

7）差模輸入阻抗：差模輸入電阻和差模輸入電容構(gòu)成，在低頻時僅指差模輸入電阻。雙極型管：幾十千歐到幾兆歐場效應(yīng)管：通常大于109Ω5886.3.1性能參數(shù)8）共模輸入阻抗：輸入共模信號時，共模輸入電壓的變化量與對應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模輸入電阻。9）輸出阻抗：在低頻時，它即為運(yùn)放的輸出電阻，一般為幾十至幾百歐。10）最大差模輸入電壓：運(yùn)放兩輸入端所允許加的最大電壓差。11）最大共模輸入電壓：在線性區(qū)共模輸入電壓的最大值。5896.3.1性能參數(shù)12）額定輸出電壓：指在特定的負(fù)載條件下，運(yùn)放能輸出的最大不失真電壓幅度。通常與電源電壓相差1~2V。13）-3dB帶寬和單位增益帶寬：

直流電壓增益

5906.3.1性能參數(shù)14）轉(zhuǎn)換速率：在額定負(fù)載條件下，當(dāng)輸入階躍大信號時，運(yùn)放在線性區(qū)輸出電壓的最大變化速率稱為轉(zhuǎn)換速率，即

圖中輸出電壓上升部分的斜率最大值就是轉(zhuǎn)換速率。5916.3.1性能參數(shù)14）轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率也可以用頻率范圍來表示，定義全功率帶寬為在正弦輸入電壓作用下，把運(yùn)放接成單位增益情況下，不失真輸出電壓振幅達(dá)到額定值的最高頻率。上圖畫出了由于轉(zhuǎn)換速率太小，而造成輸出波形產(chǎn)生非線性失真的情況。圖(a)是輸入信號電壓的頻率稍大于全功率帶寬，輸出電壓已經(jīng)來不及跟隨激勵電壓而變化，使正弦波產(chǎn)生明顯失真；圖(b)是當(dāng)時，使得輸出電壓根本來不及達(dá)到額定輸出電壓值，致使正弦波變成了三角波。59215）靜態(tài)功率：運(yùn)放在空載和沒有輸入信號情況下要求電源供給的直流功率。6.3集成運(yùn)放的性能參數(shù)和模型等于全部電源電壓(正電源與負(fù)電源絕對值之和)與靜態(tài)電流的乘積。6.3.2模型5936.5集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用6.5.1信號放大及檢測電路6.5.2信號運(yùn)算電路6.5.3信號處理電路6096.5集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用6.5.1信號放大及檢測電路1.高輸入阻抗放大器1）輸入電阻自舉擴(kuò)展電路

A1：主放大器

A2：正反饋，提供電流反相比例放大器6106.5.1信號放大及檢測電路1）輸入電阻自舉擴(kuò)展電路實(shí)際上，兩者之間阻值總有一定的偏差，同時為了放大器穩(wěn)定工作，防止電路自激振蕩，也必須人為地使略大于保證為正值。

6116.5.1信號放大及檢測電路2）同相串聯(lián)差分式高輸入阻抗放大器輸入信號加于兩個運(yùn)放的同相輸入端，差分輸入電阻近似為兩個運(yùn)放的共模輸入電阻之和，提高了輸入電阻。利用迭加原理，分別作用于輸入端6126.5.1信號放大及檢測電路2）同相串聯(lián)差分式高輸入阻抗放大器雙端輸入，輸入電阻為無窮大。6136.5.1信號放大及檢測電路2.可編程增益放大器若S1接通，則同相跟隨器若S2接通，則同相放大器若S3接通，則6146.5.1信號放大及檢測電路2.可編程增益放大器若S4接通，則結(jié)論：放大器有4種增益水平，其大小取決于外電阻R1-R4

，改變電阻大小即可改變增益。

如果在電路中接入譯碼器B對開關(guān)進(jìn)行控制，則可以減少控制位數(shù)。6156.5.1信號放大及檢測電路碼控四段轉(zhuǎn)換可編程增益放大器為數(shù)字選通信號，譯碼輸出后控制開關(guān)的選通。

6166.5.1信號放大及檢測電路3.測量放大器

均為同相輸入，具有雙端輸入、雙端輸出形式。為差分組態(tài)，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。6176.5.1信號放大及檢測電路3.測量放大器輸出與輸入之間成線性放大關(guān)系。調(diào)節(jié)電位器即可方便地改善增益。電路特點(diǎn)：輸入電阻極高。共模抑制比極高。增益調(diào)節(jié)方便。

6186.5.2信號運(yùn)算電路1.全加器——能進(jìn)行加法和減法運(yùn)算的電路利用線性疊加原理，得到：結(jié)論：對輸出的貢獻(xiàn)只決定于而與無關(guān)，或者說不參與運(yùn)算。

6196.5.2信號運(yùn)算電路1.全加器將電路加以推廣，可以得到進(jìn)行加法運(yùn)算和減法運(yùn)算的全加器。如果所有輸入網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)的元件都是純電阻，且滿足則6206.5.2信號運(yùn)算電路例題分析例6-12

試用一個運(yùn)算放大器構(gòu)成如下運(yùn)算關(guān)系且要求每路輸入電阻不小于。解：電路設(shè)計如右圖，選擇則6216.5.2信號運(yùn)算電路2.積分器和微分器1）積分器結(jié)論：輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。利用積分器可以構(gòu)成線性良好的掃描電路。

6226.5.2信號運(yùn)算電路例題分析例6-13

電路如下圖所示，求輸出電壓表達(dá)式。解：6236.5.2信號運(yùn)算電路例6-14

電路如下圖所示，輸入電壓波形如下圖所示，設(shè)時，電容C上的初始電壓為零，試畫出波形。解：輸入信號是方波，采用分段積分。輸出波形6246.5.2信號運(yùn)算電路2.積分器和微分器2）微分器將積分器電路中電容和電阻的位置調(diào)換，就構(gòu)成微分器。

輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。6256.5.2信號運(yùn)算電路例6-15

設(shè)電路和、波形如圖所示。試畫出波形（提示：JFET導(dǎo)通時的電阻可忽略不計）。解：場效應(yīng)管夾斷，運(yùn)放組成全加器電路場效應(yīng)管導(dǎo)通，6266.5.2信號運(yùn)算電路3.對數(shù)和反對數(shù)放大器1）對數(shù)放大器二極管伏安特性輸出電壓與輸入電壓的對數(shù)成正比。圖中二極管常用三極管連接而成。6286.5.2信號運(yùn)算電路2）反對數(shù)（指數(shù)）放大器輸出電壓與輸入電壓的反對數(shù)（指數(shù)）成正比。將對數(shù)放大器電路中二極管和電阻的位置調(diào)換，構(gòu)成反對數(shù)放大器。

二極管伏安特性圖中二極管常用三極管連接而成。6296.5.2信號運(yùn)算電路4.乘法和除法運(yùn)算由對數(shù)和反對數(shù)放大器不難構(gòu)成乘法和除法運(yùn)算電路，原理如下圖，

6306.5.3信號處理電路1.電壓比較器作用：判斷輸入信號電壓之間的相對大小。輸出只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)：

高電平輸出低電平輸出1）單限比較器參考電平6316.5.3信號處理電路專用集成電壓比較器LM139/339系列集成電壓比較器，由4個獨(dú)立的精密電壓電壓比較器組成，具有低功耗、低失調(diào)的特點(diǎn)，輸入失調(diào)電壓2mV，失調(diào)電流3nA，可在單雙電源下工作。

6326.5.3信號處理電路2）遲滯比較器—帶有正反饋的比較器，又稱施密特觸發(fā)器正反饋支路工作原理當(dāng)從很負(fù)逐漸增大時，假設(shè)初始狀態(tài)由于很負(fù)，使得，運(yùn)放輸出為正向最大值，即此時是參考電平和輸出電壓共同作用的疊加，上門限電壓6336.5.3信號處理電路2）遲滯比較器當(dāng)從很負(fù)逐漸增大到時，由于強(qiáng)正反饋，輸出將跳變到負(fù)向最大值，即此時下門限電壓減小，輸出電壓仍維持在。直到時，才又跳變到正向最大值，即6346.5.3信號處理電路2）遲滯比較器

—傳輸特性輸入由小變大時的傳輸特性輸入由大變小時的傳輸特性完整的傳輸特性6356.5.3信號處理電路2）遲滯比較器遲滯比較器存在兩個比較門限，兩者之差為：

上門限電壓下門限電壓門限寬度遲滯比較器又稱為雙限比較器6366.5.3信號處理電路例題分析例6-17

已知的輸出，，，

，為理想二極管。試分析電路的工作原理，畫出傳輸特性曲線。分析：只要中任有一個為高電平，輸出即為高電平；

只有均為低電平，輸出才為低電平。

兩個單限比較器構(gòu)成的或門電路6376.5.3信號處理電路解：結(jié)論：只有當(dāng)

取值介于3-6V間時，電路輸出為低電平，；否則，電路輸出為高電平，6386.5.3信號處理電路2.波形產(chǎn)生電路1）正弦波文氏橋振蕩器橋形RC網(wǎng)絡(luò)接在輸出端與同相輸入端之間，則起振條件是相移等于零。零相移橋式振蕩器

6396.5.3信號處理電路2.波形產(chǎn)生電路1）正弦波文氏橋振蕩器零相移橋式振蕩器

6396.5.3信號處理電路1）正弦波文氏橋振蕩器要求和之間相移在某個頻率上為零，則虛部為零，

振蕩頻率滿足幅度平衡條件的運(yùn)放的閉環(huán)增益應(yīng)等于3。

6406.5.3信號處理電路2）方波發(fā)生器脈沖和數(shù)字系統(tǒng)的信號源運(yùn)放以比較器方式工作。利用電容兩端電壓和相比較，來決定輸出是高電平還是低電平。如果為高電平，則對電容C充電，使增加；如果為高電低，則對電容C放電，使減小。電容兩端電壓的變化又使輸出不斷翻轉(zhuǎn)，得到方波。6416.5.3信號處理電路2）方波發(fā)生器瞬態(tài)電路三要素公式6426.5.3信號處理電路2）方波發(fā)生器6436.5.3信號處理電路對稱的方波和三角波發(fā)生器電路A1為遲滯比較器，A2為反相積分器，共同組成正反饋電路，形成自激振蕩，由A1輸出方波，A2輸出三角波。6446.5.3信號處理電路3.波形變換電路1）半波整流電路

運(yùn)放與二極管配合，可組成波形變換電路。反相型運(yùn)放電路

正極性負(fù)極性截止導(dǎo)通零負(fù)極性正極性導(dǎo)通截止6456.5.3信號處理電路1）半波整流電路

輸入輸出傳輸特性

06466.5.3信號處理電路全波整流電路

將VD1、VD2放入到負(fù)反饋環(huán)內(nèi)，以改善性能。

傳輸特性實(shí)際電路原理圖6476.5.3信號處理電路3.波形變換電路2）峰值檢波電路同相跟隨器二極管導(dǎo)通，運(yùn)放構(gòu)成同相跟隨器，電容充電時間常數(shù)很小，充電速率很快；二極管截止，電容電壓值保持不變。

輸出電壓跟隨信號的峰值而變，并保持信號的最大值。

6496.5.3信號處理電路3.波形變換電路3）限幅電路特點(diǎn)：當(dāng)輸入信號進(jìn)入限幅區(qū)后，輸出信號不再跟隨輸入信號變化，而保持在某個固定值上。

單限限幅器6506.5.3信號處理電路3）限幅電路

二極管的接法決定了對輸出電壓的正向進(jìn)行限幅。如果要進(jìn)行負(fù)向限幅，只要將圖中的二極管和穩(wěn)壓管都反接一下即可。若想獲得雙向限幅效果，只要將二極管換成穩(wěn)壓管，背靠背串接即可。傳輸特性6516.5.3信號處理電路4.有源濾波電路1）低通濾波器功能：使低于某一頻率(如f0)的信號能通過，而高于f0

信號不能通過。

一階有源低通濾波器（反相型）

6526.5.3信號處理電路1）低通濾波器歸一化的幅頻特性

6536.5.3信號處理電路1）低通濾波器目的：提高增益和帶負(fù)載能力方法：可將RC無源網(wǎng)絡(luò)接到運(yùn)放的同相輸入端

缺點(diǎn)：濾波效果不夠好。理想的低通濾波器,其幅頻特性應(yīng)該呈矩形。6546.5.3信號處理電路1）低通濾波器上圖所示低通濾波器的幅頻特性，在時有3dB衰減；而當(dāng)時，以－20dB/10倍頻程的速率下降，衰減不夠快。

6556.5.3信號處理電路二階有源低通濾波器電路AB節(jié)點(diǎn)A：節(jié)點(diǎn)B：6566.5.3信號處理電路二階有源低通濾波器電路AB類似諧振回路的品質(zhì)因素

為不同值時對幅頻特性的影響

需要指出:當(dāng)時，將趨于無窮大，意味著電路將產(chǎn)生自激振蕩，因此必須小于，且要求元器件性能穩(wěn)定。

6576.5.3信號處理電路4.有源濾波電路2）高通濾波器將低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容互換即可變成高通濾波器。兩者是“鏡像”關(guān)系。

6586.5.3信號處理電路4.有源濾波電路3）帶通濾波器功能：允許某一頻帶內(nèi)的信號通過，而處于該頻帶外的信號都不能通過?？梢杂傻屯ê透咄娐方Y(jié)合而成。

優(yōu)點(diǎn)：改變和的比例就可改變頻帶寬度而不影響中心頻率。

中心角頻率頻帶寬度品質(zhì)因數(shù)若只能讓某一頻率的信號通過，則稱為選頻放大器。6596.5.3信號處理電路4.有源濾波電路4）帶阻濾波器功能：在規(guī)定的頻帶內(nèi)信號不能通過(或受到很大衰減)，而在其余頻率范圍，則信號能順利通過。

原理方框圖

6606.5.3信號處理電路4.有源濾波電路若是阻止某一頻率分量通過，稱這種帶阻濾波器為陷波器。

6616.5.3信號處理電路5.取樣—保持電路方框圖原理電路波形圖實(shí)際電路6636.5.3信號處理電路6.其他應(yīng)用舉例1）模擬電感電路求下圖所示電路的輸入阻抗，并說明其性質(zhì)。虛短6646.5.3信號處理電路1）模擬電感電路此電路實(shí)質(zhì)上是一模擬電感電路6656.5.3信號處理電路2）恒流源電路求證：當(dāng)滿足時，與負(fù)載電阻無關(guān)。

證明：恒流源6666.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析實(shí)際工程簡化應(yīng)注意的幾點(diǎn):對輸入為交流信號的運(yùn)放電路，可以將模型中電壓源短路，電流源開路。對反相輸入的運(yùn)放，共模抑制比可忽略不計。對同相輸入的運(yùn)放，共模抑制比引入的誤差就不可忽略?？梢詫⑹д{(diào)誤差和增益誤差分別考慮，然后疊加組合，得到總誤差。如果討論某個(些)參數(shù)的影響，則其它參數(shù)可視為理想的。

667例6-19

下圖所示的反相放大器電路中，設(shè)運(yùn)放的開環(huán)電

壓增益，，，，求與理想運(yùn)放比較，它的閉環(huán)電壓增益是多少？相對誤差是多少？由于輸入為低頻信號，和均可不予考慮，可認(rèn)為開路，可認(rèn)為為零。

6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析668解：由輸入和輸出共同作用產(chǎn)生，利用疊加原理6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析669解：增益的相對誤差：6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析670例6-20

如圖所示的同相放大器電路，設(shè)開路電壓增益、

共模抑制比為有限值，其他參數(shù)均為理想值，試推導(dǎo)

的表達(dá)式。解：6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析671解：式中6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析672解：6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析例6-21

分析參數(shù)失調(diào)引起的誤差。令并考慮為無窮大，則673解：6.6實(shí)際集成運(yùn)放電路的誤差分析減小輸出失調(diào)電壓，令即運(yùn)算放大器反相輸入端和同相輸入端的直流電阻相等時，輸出失調(diào)電壓最小。結(jié)論：設(shè)計運(yùn)算放大器電路時，一定要使反相輸入端和同相輸入端直流電阻平衡，即滿足

674解：6