第六章第一節(jié)集成運放應(yīng)用電路組成原理

第六章第一節(jié)集成運放應(yīng)用電路組成原理第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第六章集成運算放大器及其應(yīng)用電路第六章前言第一節(jié)集成運放應(yīng)用電路的組成原理第二節(jié)集成運放的性能參數(shù)及其對應(yīng)用電路的影響第四節(jié)集成電壓比較器第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

前言集成運算放大器是實現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。本章以反相放大器和同相放大器為基礎(chǔ)，重點分析理想化條件下各種運算電路的組成原理、分析方法，簡單了解運放實際性能參數(shù)對應(yīng)用電路的影響。熟悉電壓比較器的工作原理及分析方法。它廣泛應(yīng)用于模擬信號處理的各個領(lǐng)域。當(dāng)運放接成反饋電路時，可構(gòu)成各種運算和處理電路。第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三6.1教學(xué)要求1、熟悉集成運方電路的組成原理。掌握線性工作時，理想運方的兩條重要法則：v-→v+,i→02、掌握反相放大器與同相放大器的電路結(jié)構(gòu)和性能特點3、能熟練利用虛斷虛短的概念，分析各種運算電路，精密整流電路，儀器放大器等電路的性能4、熟悉電流傳輸器的性能特點，會分析應(yīng)用電路的工作原理5、了解運放性能參數(shù)對應(yīng)用電路的影響，零點掌握平衡電阻的基本概念6、掌握運放非線性工作時，單限比較器與遲滯比較器的電路結(jié)構(gòu)，分析方法以及傳輸特性5、本章6.3節(jié)根據(jù)教學(xué)需要，可作為擴展內(nèi)容。第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三6.2基本內(nèi)容6.2.1集成運放應(yīng)用電路的組成6.2.2集成運放理想化條件下的兩條重要法則6.2.3反相放大器和同相放大器6.2.4集成運放線性應(yīng)用電路1、精密整流電路2、儀器放大器3、電流傳輸器第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三6.2.5非理想?yún)?shù)對應(yīng)用電路性能的影響1、低頻參數(shù)的影響2、直流參數(shù)的影響3、高頻參數(shù)的影響6.2.6集成運放非線性應(yīng)用電路 由集成運放構(gòu)成的電壓比較器工作在大信號狀態(tài)，而其中的運放工作在開環(huán)或正反饋的非線性狀態(tài)1、單限比較器2、遲滯比較器3、窗孔比較器第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三3、模擬集成電路的種類有：集成運算放大器（加、減、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘、除等）集成寬帶放大器集成功率放大器集成穩(wěn)壓電路集成乘法器集成鎖相環(huán)路集成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（A/D和D/A）電視機、收錄機和電子設(shè)備中的專用集成電路第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三4、我們本章將要討論集成運算放大器，簡稱集成運放集成運方是一種性能優(yōu)良的直接耦合放大器，又是一種通用性很強的多功能部件。隨著集成器件的大量生產(chǎn)，它在自動控制、測量設(shè)備、計算機設(shè)備和電信等幾乎一切電子技術(shù)領(lǐng)域中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。5、從電特性來看，集成運放實際上是一個高放大倍數(shù)的多級直放大接耦合放大器，它的放大倍數(shù)可高達(dá)104～107（80~140）dB，輸入電阻從幾十KΩ～106MΩ

，而輸出電阻僅有幾十Ω；在靜態(tài)工作時，它的輸入電位和輸出電位均為零。這樣，在與其它集成運放連接時，就不需要考慮他們之間的電平配置問題。第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三6、從內(nèi)部組成來看，集成運放是一個多級串接的直接耦合放大器。它的輸入級均為各種改進(jìn)型的差分放大電路；中間級是由一到兩級（大多為一級）直接耦合共E(共S)或組合放大器組成；輸出級大多為共C或共D；偏置電路均由恒流組成，提供各級所需的恒流偏置。第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三7、集成運放的主要參數(shù)（指標(biāo)）大體上可分為五大類：大信號動態(tài)特性差模特性共模特性電源特性輸入誤差特性第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)集成運放應(yīng)用電路

————的組成原理第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三一、集成運放的理想化條件1、理想化條件：（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三注意：實際集成運放不可能具有上述理想特性，但在低頻工作時，它的特點接近理想的。2、兩個重要的結(jié)論：（1）、當(dāng)集成運放線性工作時，只要集成運放的輸出電壓vo

為有限值，則輸入差模電壓v+-v-→0即v+=v-

由于理想化條件，所以v+-v-≈0稱為虛短。（2）、i→0由于差模輸入電阻趨于無窮，因此流進(jìn)集成運放的輸入端電流

i也就趨于零，稱為虛斷。第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三通常將這種輸人端的極限狀態(tài)稱為虛短接，又稱為零子，輸出端的極限狀態(tài)稱為任意子，并用專門的電路符號表示，如圖6-1-1所示。第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三二、三種輸入方式：1、反相輸入（反相比例放大器）voRfR1∞vs電路如圖所示輸入信號從反相端輸入根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0得：i1if

i1=if

根據(jù)電路有i第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三所以則或表示為電路特點：輸入電阻（1）、輸入與輸出反相。（2）、反相端為虛地。voRfR1∞vs輸出電阻第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三2、同相輸入（同相輸入放大器）電路如圖所示voRfR1∞vs根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0得：根據(jù)電路有所以第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三或表示為voRfR1∞vs輸入電阻輸出電阻電路特點：（1）、輸入與輸出同相。（2）、差模電壓增益始終大于1或等于1。特例：當(dāng)時如圖所示第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vo∞vs根據(jù)電路可知vo

跟隨vs而變化。類似于共集電極放大器具有電壓跟隨特性。3、差動輸入（差動輸入放大器）根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0

i1=if

根據(jù)電路有電路如圖所示voRfR1∞vs1vs2i1ifR1Rf第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voRfR1∞vs1vs2i1ifR1Rf或表示為第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三三、運算電路1、加、減法運算電路：①、反相加法器電路如圖所示voRfR1∞vs1R2vs2Ai2i1if根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0

i1+

i2=if

根據(jù)電路有若取R1=R2=

R時第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三②、同相加發(fā)器電路如圖所示voRfR3∞vs1R2R1vs2A根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0利用電路的疊加原理可的：令vs1

=0則有令vs2

=0則有所以第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voRfR3∞vs1R2R1vs2A根據(jù)電路有所以第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三若取R1=R2、Rf

=R3時2、積分和微分電路（1）、為有源積分電路根據(jù)電路可知，輸入信號從反相端輸入，因此為反相輸入方式，v-=0(虛地）。當(dāng)C上的起始電壓為零時，根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0voCR∞vsiiif則第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voCR∞vsiiif因為所以第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三若將R

用開關(guān)電容電路模擬，則可構(gòu)成開關(guān)電容積分器。電路如圖所示voCC1∞vsiiifS1S2假設(shè)、開關(guān)的通斷頻率fC

遠(yuǎn)大與輸入信號頻率，則開關(guān)電容電路模擬的等效電阻為：相應(yīng)的積分時間常數(shù)第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三可見，當(dāng)fC

取定后，積分時間常數(shù)取決于兩個電容的比值，而與電容的大小無關(guān)。（2）、微分電路：voCR∞vsiiif如圖所示當(dāng)C上的起始電壓為零時，根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0則因為所以第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（3）、積分電路和微分電路的應(yīng)用是實現(xiàn)波性變換，濾波等信號處理功能的基本電路。所以第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三3、對數(shù)和反對數(shù)變換器（1）、基本對數(shù)運算電路：如圖所示voTR∞vsiiiC根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+-v-=0i→0根據(jù)電路可知第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voTR∞vsiiiC又因為可表示為所以由此可知電路實現(xiàn)了對vs

的對數(shù)運算。第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（2）、實際應(yīng)用對數(shù)電路：如圖所示VCCT1R1∞vsi1iC1T2R5∞toA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2根據(jù)兩個重要結(jié)論：

v+1-v-1=0i→0i→0

v+2-v-2=0根據(jù)電路有第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三若取T1

與T2

完全對稱，即參數(shù)相同，β1=β2、IS1=IS2

所以又因為則第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三所以VCCT1R1∞vsi1iC1T2R5∞toA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三故式中、R4

為正溫系數(shù)的熱敏電阻。（3）、反對數(shù)運算電路（指數(shù)運算電路）：voTRf∞vsifiC

v+-v-=0i→0根據(jù)電路可知第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三因為voTRf∞vsifiC所以故第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三4、乘、除法器：第二章介紹了跨導(dǎo)線性環(huán)實現(xiàn)電流量之間非線性運算組成的電路，若進(jìn)一步用集成運放將電流量變換為電壓量，就可以實現(xiàn)電壓量之間的非線性運算。電路如圖所示vyT1Rx∞vxixvo∞iyRy∞vzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vyT1Rx∞vxixvo∞iyRy∞vzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1

v+-v-=0i→0所以第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)電路有所以所以若取時則第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三若取為定值時電路為vx

和vy

的乘法器若取為定值時電路為vx

對vz的除法器第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三四、精密整流電路如圖所示應(yīng)用于當(dāng)vI

小于二極管導(dǎo)通電壓時的情況：根據(jù)電路可知voR1R2∞vID1D2v'oA當(dāng)時：二極管D1

和D2

均截止，由于所以輸出電壓為當(dāng)時：為負(fù)值，二極管D1

截止、D2導(dǎo)通，由于所以輸出電壓為1、整流電路第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voR1R2∞vID1D2v'oA當(dāng)時：為正值，二極管D2

截止、D1導(dǎo)通，由于電路變?yōu)榉聪噍斎敕糯笃?。vItvot傳輸特性曲線vo0vI-R2/R1

輸出波形，如圖所示第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三2、精密轉(zhuǎn)折點電路轉(zhuǎn)折點電路：凡是具有折線轉(zhuǎn)折傳輸特性的電路。例如、精密整流電路，就是自原點轉(zhuǎn)折的精密轉(zhuǎn)折點電路?，F(xiàn)介紹可將轉(zhuǎn)折點自原點移到X軸的特定位置上的電路。電路如圖所示voR1R2∞VRD1D2v'oAVIR3計算特定轉(zhuǎn)折點第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voR2∞VRtD1D2v'oAvItR3//R1利用疊加定理將輸入電壓源變換為戴維南電路。根據(jù)電路可知當(dāng)時：二極管D1

和D2

均截止，第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三voR2∞VRtD1D2v'oAvItR3//R1所以輸出電壓為當(dāng)時：為負(fù)值，二極管D1

截止、所以輸出電壓為D2導(dǎo)通。當(dāng)時：為正值，二極管D2

截止、D1導(dǎo)通。電路變?yōu)榉聪噍斎敕糯笃鳌Ｓ捎谟捎诘?4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vovI-R2/R30第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三利用精密轉(zhuǎn)折點電路可以構(gòu)成傳輸特性為非線性函數(shù)的電路。例如，將一單調(diào)增長的非線性傳輸特性，用三段折線逼近，如圖6—1—13(a)所示第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三為了實現(xiàn)這個傳輸特性，可采用圖6-1-13(b)所示電路，圖中，A1、A2和A3為精密轉(zhuǎn)折點電路，它們的轉(zhuǎn)折點電壓分別為通過分析求得相應(yīng)的傳輸特性為第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三A4為反相加法器，它的輸出電壓vO=-(vOl+vO2+vO3)，根據(jù)各折線段的斜率選定相應(yīng)的電阻值，便可得到圖6-1-13(a)所示折線逼近特性。第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三五、儀器放大器在精密測量和控制系統(tǒng)中，需要將來自各種換能器的電信號進(jìn)行放大，這種信號往往是換能器之間或者是換能器與基準(zhǔn)信號之間的微弱差值信號，通常選用儀器放大器。儀器放大器：又稱數(shù)據(jù)放大器，是用來放大上述微弱差值信號的高精度放大器。特點：具有很高的共模抑制比，極高的輸入電阻，而且增益能在大范圍內(nèi)可調(diào)。例如、三運放儀器放大器電路如圖所示第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vI2RGR1∞vI1∞R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2vo∞分析：已知R1=R2、R3=R5、R4=R6。由于各運放均為理想運算放大器，因此有所以加在RG

兩端的電壓為：因此，流過RG

的電流

iG為：iG第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vI2RGR1∞vI1∞R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2vo∞iG所以故當(dāng)R1=R2=R時第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三vI2RGR1∞vI1∞R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2vo∞iG對運放A3

來說，vo1

與

vo2

為A3

的輸入信號，因此有由于整理得：第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三則儀器放大器的差值電壓增益：由此，可以看出改變RG，可設(shè)定不同的Avf

值。第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三二、采用有源反饋的儀器放大器第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三另一種采用有源反饋的儀器放大器，它的簡化電路如圖6-1-15所示。圖中，T1、T2，R1、R2為差分放大器，RG是接在兩管發(fā)射極間的負(fù)反饋電阻。TT3,T4為另一差分放大器，I0為它的偏置電流，Rs是接在兩管發(fā)射極間的反饋電阻。A1、A2和A3為集成運放。第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三因而當(dāng)R1=R2=R時第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三相應(yīng)的電壓增益(6-1-15)采用嚴(yán)格配對的低噪聲對管和精密電阻，可以構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。

儀器放大器應(yīng)用十分廣泛，目前已有單片集成產(chǎn)品問世。例如，LH0036，LH0038，AMP-02，AMP-03，AD365，AD524等。第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三作為舉例，圖6-1-16示出了用儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器。第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三六、電流傳輸器YXCCZ1、結(jié)構(gòu)：有兩個輸入端，即X與Y,一個輸出端Z.特點：（1）、輸入端Y呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大，即

iY=0。（2）、輸入端X呈現(xiàn)的輸入阻抗為零，并且輸入端口的電壓跟隨Y端口電壓變化，即

vY=vX；而與流入端口的電流無關(guān)。（3）、流入X端口得電流，被傳輸?shù)礁咦杩沟妮敵鯶端口，即iZ=±iX，而與輸出端口電壓vZ

無關(guān)。vYvXvZiY=0iXiZ第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三電路如圖所示vYVSSVDD∞