低頻電子線路第6章

第6章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路集成運(yùn)算放大器是將多個(gè)晶體管集成在一小塊硅片上實(shí)現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)放的工藝主要有雙極性工藝、MOS工藝和BiCMOS工藝。

雙極性集成運(yùn)放：轉(zhuǎn)換速率快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、失調(diào)和溫漂小

MOS集成運(yùn)放：具有輸入阻抗高、功耗低

BiCMOS集成運(yùn)放：兼有兩者優(yōu)點(diǎn)

集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，應(yīng)用電路分為：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類(lèi)。線性應(yīng)用電路-+AZ1Zfvovs1vs2i

Z1或Zf

采用非線性器件(如三極管)，則可構(gòu)成對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。

Z1

或Zf

采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信號(hào)工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。

非線性應(yīng)用電路-+AvOvIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作（包括正反饋）。

由于開(kāi)環(huán)工作時(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運(yùn)放輸出進(jìn)入非線區(qū)工作。例如：電壓比較器、振蕩器等。集成運(yùn)放理想化條件下兩條重要法則理想運(yùn)放

失調(diào)和漂移0

推論因則因則電源電壓抑制能力無(wú)窮大

說(shuō)明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是(v–-

v+)的值小到了可以忽略不計(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放正是利用這個(gè)極其微小的差值進(jìn)行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開(kāi)路，只是輸入電流小到了可以忽略不計(jì)的程度。相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路”。實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部電路。集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類(lèi)型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋

因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負(fù)反饋同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類(lèi)型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋

因則注：同相放大器不存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負(fù)反饋因則同相跟隨器-+A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。歸納與推廣當(dāng)R1

、Rf

為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：反相放大器同相放大器拉氏反變換

得注：拉氏反變換時(shí)加、減運(yùn)算電路反相加法器-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因i

0則即整理得說(shuō)明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采用疊加原理進(jìn)行分析。

令vs2=0則令vs1=0則例如

集成運(yùn)放應(yīng)用電路同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則減法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，則令vs1=0，積分和微分電路有源積分器-+ARC+-vsvo方法一：利用運(yùn)算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo波形變換tvsO輸入方波積分輸出三角波votO微分輸出尖脈沖tvoO對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換器對(duì)數(shù)變換器-+AR+-vsvo利用運(yùn)算法得：由于整理得缺點(diǎn)：vo

受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。vs

必須大于0。改進(jìn)型對(duì)數(shù)變換器VCC-+A1+-vsvo+-A2+-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由于(很小)則(T1、T2特性相同)利用R4補(bǔ)償

VT，改善溫度特性。vS

大范圍變化時(shí)，vO

變化很小。反對(duì)數(shù)變換器利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo

受溫度影響大。vs

必須小于0,-+AR+-vsvoT乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，則分析方法一：由圖整理得(實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算)vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3

對(duì)數(shù)放大器A4

反對(duì)數(shù)放大器儀器放大器儀器放大器是用來(lái)放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器。

特點(diǎn)：KCMR

很高、Ri

很大，Av

在很大范圍內(nèi)可調(diào)。三運(yùn)放儀器放大器

由得由得由減法器A3

得：若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得vI1+-A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2

有源反饋儀器放大器

可證明vI1+-A3R1-+A1RGvOIO+-A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2

差放T3、T4

差放A3

跟隨器A2

跟隨器A1

放大器采用嚴(yán)格配對(duì)的低噪聲對(duì)管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。儀器放大器的應(yīng)用

例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時(shí)RT=R路橋平衡vo=0

。溫度變化時(shí)RTR路橋不平衡vo

產(chǎn)生變化。儀器放大器RGRTRRRtoVREFvo集成電壓比較器（開(kāi)環(huán)應(yīng)用）

電壓比較器的作用比較兩輸入信號(hào)大小，并以輸出高、低電平來(lái)指示。電壓比較器工作原理可知，只要開(kāi)環(huán)Avd

很大，則v+、v-

間的微小差值，即可使運(yùn)放輸出工作在飽和狀態(tài)。由v+

>v-

時(shí)，

vO=Vomax(正飽和值)

v+

<v-

時(shí)，

vO=Vomin

(負(fù)飽和值)

v+

=v-

時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

因此理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI

<VREF時(shí)，

vO=VomaxvI

>VREF時(shí)，

vO=VominvI

=VREF時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

理想特性vIvOVREFVomaxVominO實(shí)際比較特性實(shí)際特性vI

<VREF

-

Vomax/Avd

時(shí)，

vO=VomaxvI

>VREF

-

Vomin

/Avd

時(shí)，

vO=Vomin注：Avd

越大，比較特性越接近理想特性，VREF

作為門(mén)限值的比較精度越高。具有不同比較特性的電壓比較器單限電壓比較器特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。過(guò)零比較器-+AvOvI+-R1D1D2RR(VREF=0)

R1

限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvOVOHVOLO比較特性tvOOtvIO單限比較器-+AvOvI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1)令v-=v+，求出的輸入電壓vI

即門(mén)限電平。2)分別分析vI

大于門(mén)限、小于門(mén)限時(shí)的輸出vO

電平。令得門(mén)限電平即v+<v-若則vO=VOL即v+>v-若則vO=VOH比較特性vIvOVOHVOLVREFR2R1-單限比較器優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不計(jì)有限KCMR

的影響。單限比較器缺點(diǎn)：電路抗干擾能力差。例如：過(guò)零比較器，當(dāng)門(mén)限電平附近出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)誤操作。tvOOvItO遲滯比較器(施密特觸發(fā)器)-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2特點(diǎn)正反饋電路具有雙門(mén)限令得門(mén)限電平：反相輸入遲滯比較器遲滯寬度：

vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得門(mén)限電平：同相輸入遲滯比較器遲滯寬度：

vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH將反相遲滯比較器中的vI

與VREF

交換，即得同相輸入遲滯比較器。遲滯比較器優(yōu)點(diǎn)：電路抗干擾能力強(qiáng)。例：反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已知輸入信號(hào)時(shí)，試畫(huà)輸出信號(hào)波形。vI

(V)vO/VO比較特性7-7-66vI

/VtO10-106-6tvO/VO7-7

遲滯比較器應(yīng)用——方波發(fā)生器-+AvO+-R3D1D2R1R2RC門(mén)限電平設(shè)t=0時(shí)，vO=VOH，初始

vC=0則VOH

經(jīng)R向C充電vC

按指數(shù)規(guī)律當(dāng)vC

VIH

時(shí)vO

跳變?yōu)閂OL此時(shí)C經(jīng)R放電vC

按指數(shù)規(guī)律當(dāng)vC

VIL

時(shí)vO

又上跳到VOH可證振蕩周期：tvOOvCtOVIHVILVOHVOL窗孔比較器-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1具有兩個(gè)基準(zhǔn)電源，可以判斷位于兩個(gè)指定門(mén)限之間的輸入信號(hào)。

特點(diǎn)：組成：A1

精密整流電路，A2

單限比較器由A2-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1當(dāng)0<vI

<VREF1時(shí)：vO1

=0D1、D2

得下門(mén)限由A2當(dāng)vI

>0，且vI

>VREF1時(shí)：vO1

<0D1、D2得上門(mén)限此時(shí)-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1遲滯寬度比較特性vIvOVOHOVOLVILVIH集成運(yùn)放的混合應(yīng)用精密整流電路vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2

vI

=0時(shí)vO

=0D1、D2vO

=0

vI

>0時(shí)vO

<0D1、D2v