電子線路-線性部分-集成運放

電子線路-線性部分-集成運放第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1集成運放應用電路的組成原理根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應用電路分：線性應用電路和非線性應用電路兩大類。

線性應用電路-+AZ1Zfvovs1vs2i

Z1或Zf

采用非線性器件(如三極管)，則可構成對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法等運算電路。

Z1

或Zf

采用線性器件(R、C)，則可構成加、減、積分、微分等運算電路。組成：集成運放外加深度負反饋。因負反饋作用，使運放小信號工作，故運放處于線性狀態(tài)。

第6章集成運算放大器及其應用電路第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

非線性應用電路-+AvOvIVREF組成特點：運放開環(huán)工作。

由于開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。6.1.1集成運放理想化條件下兩條重要法則理想運放

失調(diào)和漂移

0

推論因則因則第6章集成運算放大器及其應用電路第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：相當于運放兩輸入端“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的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度。相當于運放兩輸入端“虛斷路”。實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運算法則分析運放應用電路。此時，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡參數(shù)有關，而不涉及運放內(nèi)部電路。第6章集成運算放大器及其應用電路第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

集成運放基本應用電路

反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負反饋

因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負反饋第6章集成運算放大器及其應用電路第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負反饋

因則注：同相放大器不存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負反饋因則第6章集成運算放大器及其應用電路第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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R1

、Rf

為線性電抗元件時，在復頻域內(nèi)：反相放大器同相放大器拉氏反變換

得注：拉氏反變換時第6章集成運算放大器及其應用電路第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

加、減運算電路

反相加法器6.1.2運算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因i

0則即整理得說明：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行分析。

令vs2=0則令vs1=0則例如第6章集成運算放大器及其應用電路第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，第6章集成運算放大器及其應用電路第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

積分和微分電路

有源積分器-+ARC+-vsvo方法一：利用運算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得第6章集成運算放大器及其應用電路第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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第6章集成運算放大器及其應用電路第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

對數(shù)、反對數(shù)變換器

對數(shù)變換器-+AR+-vsvo利用運算法得：由于整理得缺點：vo

受溫度影響大、動態(tài)范圍小。vs

必須大于0。第6章集成運算放大器及其應用電路第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

改進型對數(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補償

VT，改善溫度特性。vS大范圍變化時，vO

變化很小。第6章集成運算放大器及其應用電路第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

反對數(shù)變換器利用運算法則得由于整理得缺點：vo

受溫度影響大。vs

必須小于0。-+AR+-vsvoT第6章集成運算放大器及其應用電路第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4構成跨導線性環(huán)，則分析方法一：由圖整理得(實現(xiàn)乘、除運算)第6章集成運算放大器及其應用電路第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3

對數(shù)放大器A4

反對數(shù)放大器第6章集成運算放大器及其應用電路第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.3精密整流電路

精密半波整流電路利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，構成對微小幅值電壓進行整流的電路。vo-+AvIR1vo

R2RL+-D1D2vI=0時

vO

=0D1

、D2

vO=0vI>0時

vO

<0D1

、D2

vO=0vI<0時

vO

>0D1

、D2

vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波第6章集成運算放大器及其應用電路第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

精密轉(zhuǎn)折點電路

當v-

>0，即vI>-(R3/R1)VR時：

當v-

<0，即vI

<-(R3/R1)VR時：vo-+AVRR1vo

R2RL+-D1D2R3vI由圖

vO

>0D1

、D2

傳輸特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO

<0D1

、D2

則vO

=0則第6章集成運算放大器及其應用電路第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù)R/R1vO1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvO2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3RvO3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特性第6章集成運算放大器及其應用電路第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.3儀器放大器儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。

特點：KCMR

很高、Ri

很大，Av

在很大范圍內(nèi)可調(diào)。

三運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第6章集成運算放大器及其應用電路第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。第6章集成運算放大器及其應用電路第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

儀器放大器的應用儀器放大器單片集成產(chǎn)品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。例：儀器放大器構成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時

RT=R

路橋平衡vo=0

。溫度變化時

RT

R

路橋不平衡vo

產(chǎn)生變化。儀器放大器RGRTRRRtoVREFvo第6章集成運算放大器及其應用電路第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.5電流傳輸器電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號處理電路中。

電流傳輸器電路符號及特點YXZCCvXvYvZiY

=0iXiZY輸入端：

iY

=0，即RY

；X輸入端：

vX=

vY

，且vX

與iX

大小無關，RX

0

；Z輸出端：

iZ=

iX

，且iZ

與vZ

大小無關。第6章集成運算放大器及其應用電路第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

電流傳輸器構成的模擬信號處理電路YXZCCviRLiXiOR+-

互導放大器

互阻放大器

電流放大器YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第6章集成運算放大器及其應用電路第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

負阻變換器YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL第6章集成運算放大器及其應用電路第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2集成運放性能參數(shù)及對應用電路影響6.2.1集成運放性能參數(shù)Avd

高(80~140dB)，Rid

高(M

)，Rod低(<200

)

差模特性KCMR

高(80~120dB)，Ric

高(>100M

)

共模特性

輸入直流誤差特性IIB(10~100

A)，VIO

(mV)，IIO(為IIB

的5%~10%)

大信號動態(tài)特性轉(zhuǎn)換速率SR，全功率帶寬BWP第6章集成運算放大器及其應用電路vidRidvO+-v+v-Avdvid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+-VIO+-AvdvicKCMR集成運放電路模型第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2直流和低頻參數(shù)對性能的影響

Avd、Rid、Rod

為有限值的影響運放應用場合不同，各項性能參數(shù)影響也不同。因此工程估算時，可針對不同場合，有選擇地分析運算誤差?？勺C明其中Avd

對精度影響最大。Avd

越大，運算誤差越小。第6章集成運算放大器及其應用電路vidRidvO+-v-Avdvid-

+Rod+-R1Rfvs+-RL-+AR1Rf+-vsvoRL第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

KCMR、Ric

為有限值的影響可證明其中Avd、KCMR

越大，同相放大器運算精度越高。

由于同相放大器輸入端引入了共模信號，因此必須考慮KCMR的影響。RicvO+-v-AvdvidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-AvdvicKCMR第6章集成運算放大器及其應用電路+--+AR1RfvsvoRL第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

輸入偏置電流IIB

對性能的影響-+AR1Rf+-vsvoR+=R1//Rf則IIB

在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓：則IIB

在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓：設R-、R+分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。輸入偏置電流若則輸出無失調(diào)例：注：平衡電阻R+的接入對性能指標計算沒有影響，但運算精度得到明顯改善。因此，為減小IIB對運算精度的影響，要求外接在集成運放兩輸入端的直流電阻相等。第6章集成運算放大器及其應用電路第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

失調(diào)電流IIO

與失調(diào)電壓VIO

的影響可證明為減小失調(diào)的影響：在R+

較小時，應選擇VIO

小的運放；在R+

較大時，應選擇IIO

小的運放。第6章集成運算放大器及其應用電路

vO+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+-VIOR+第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3高頻參數(shù)對性能的影響

小信號頻率參數(shù)

開環(huán)帶寬BW內(nèi)補償?shù)募蛇\放可近似看成是單極點系統(tǒng)，該運放的上限截止頻率即開環(huán)帶寬BW(或稱3dB帶寬)。

單位增益帶寬BWG

指增益下降到1(0dB)時對應的頻率。小信號工作時，其值為常數(shù)，且BWG=AvdI·BW

。當運放閉環(huán)工作時，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。反饋越深，Avf

越小，閉環(huán)帶寬

BWf

越寬。即BWG=Avf·BWf第6章集成運算放大器及其應用電路第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

大信號動態(tài)參數(shù)指集成運放輸出電壓隨時間最大可能的變化速率。其值越大，運放高頻性能越好。影響SR

主要原因：運放內(nèi)部存在寄生電容和相位補償電容。

轉(zhuǎn)換速率(又稱壓擺率)指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時，允許的最高工作頻率。

全功率帶寬當SR

一定時，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的Vom

就越小。第6章集成運算放大器及其應用電路第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4集成電壓比較器

電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。

電壓比較器的特點輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。6.4.1電壓比較器的作用

電壓比較器工作原理可知，只要開環(huán)Avd

很大，則v+、v-

間的微小差值，即可使運放輸出工作在飽和狀態(tài)。由v+

>v-

時，

vO=Vomax(正飽和值)

v+

<v-

時，

vO=Vomin(負飽和值)

v+

=v-

時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

因此第6章集成運算放大器及其應用電路第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI

<VREF時，

vO=VomaxvI

>VREF時，

vO=VominvI

=VREF時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

理想特性vIvOVREFVomaxVominO

實際比較特性實際特性vI

<VREF

-

Vomax/Avd時，

vO=VomaxvI

>VREF

-

Vomin/Avd時，

vO=Vomin注：Avd越大，比較特性越接近理想特性，VREF

作為門限值的比較精度越高。第6章集成運算放大器及其應用電路第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1具有不同比較特性的電壓比較器

單限電壓比較器特點：運放開環(huán)工作。

過零比較器-+AvOvI+-R1D1D2RR(VREF=0)

R1

限流電阻，與D1、D2共同構成電平變換電路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvOVOHVOLO比較特性tvOOtvIO第6章集成運算放大器及其應用電路第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

單限比較器-+AvOvI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1)令v-=v+，求出的輸入電壓vI

即門限電平。2)分別分析vI

大于門限、小于門限時的輸出vO

電平。令得門限電平即v+<v-若則vO=VOL即v+>v-若則vO=VOH比較特性vIvOVOHVOLVREFR2R1-第6章集成運算放大器及其應用電路第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

單限比較器優(yōu)點：電路結(jié)構簡單，可不計有限KCMR

的影響。

單限比較器缺點：電路抗干擾能力差。例如：過零比較器，當門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。tvOOvItO第6章集成運算放大器及其應用電路第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

遲滯比較器(施密特觸發(fā)器)-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2特點正反饋電路具有雙門限令得門限電平：

反相輸入遲滯比較器遲滯寬度：

vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH第6章集成運算放大器及其應用電路第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得門限電平：

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。第6章集成運算放大器及其應用電路第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

遲滯比較器優(yōu)點：電路抗干擾能力強。例：反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已知輸入信號時，試畫輸出信號波形。vI(V)vO/VO比較特性7-7-66