1、第4章 集成运算放大器及其应用n差动放大器n集成运算放大器电路n集成电路运放的应用概 述集成电路简称简称IC【Integrated Circuit】它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。连线等集成在一片硅片上而制成的。优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。DIP双列直插式封装 QFP表面贴装型封装 LCCC无引线陶瓷封装 产生产生“零点漂移零点漂移”T 定义：定义：输入电压（输入电压（
2、v vi i）为零而输出电压（）为零而输出电压（v vo o）不为）不为零且缓慢变化的现象，称为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象零点漂移现象，简称简称零漂零漂。常用耦合方式有常用耦合方式有直接耦合直接耦合 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，如果第一级产生零漂，经多级放大后输出级将严重偏离原工作点，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。关于关于“零点漂移零点漂移”T 产生原因：产生原因：以目前的工艺水平，以目前的工艺水平，由温度变化所引起的半由温度变化所引起的半导体器件参数变化导体器件参数变化成为产生零漂现象的主要成为产生零漂现象的主要原因，因而也称零点漂移为原因，
3、因而也称零点漂移为温度漂移温度漂移，简称，简称温漂温漂。T 差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果4.1.1 差分式放大电路组成电路构成特点T1与与T2的特性完全相同，的特性完全相同，电路结构电路结构对称对称。电路参数也相同，电路参数也相同，即：即：CCCRRR21BBBIII21BEBEBEVVV21 21等等。等等。12-VEE长尾对称长尾对称电路电路4.1 4.1 差分式放大电路差分式放大电路12-VEE静态时静态时,Ui1=Ui2=0对称对称Uo=0零漂相互抵消零漂相互抵消,抑制抑制输输入入输输入入输输出出4.1.2差分式放大电路分析共模信号共
4、模信号vic是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。21iiicuuu12-VEE共模增益共模增益:icocucuuA抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。输入端加入了共模信号。iC1 iC2 温度温度 iC1 iE1 iC2 iE2 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差模信号差模信号vic是指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号。221iduuuidid12-VEE
5、差模增益差模增益:idoduduuA共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK差模信号和共模信号温度和电源电压的波动对三极管电路的影响（零漂）相当于在两个输入端加入了共模信号vC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】差模信号差模信号021,21EEEEEiiiii时iciivvv 21共模信号共模信号voc+-vi1+-vi2b1b22Ro2Rovoc1+-voc2两管的电流或是同时增加，或是同时减少两管的电流或是同时增加，或是同时减少eeeRiu EeEeRiRi 2 211根据根据2=idicid1ici1uuuuu2=idici
6、d2ici2vuuuui2i1id=vvv)(21=i2i1icvvv 有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。号大小相等，相位相反。实际工作时实际工作时4.2.1 集成运算放大器概述对称性有源器件直接耦合作为级间耦合方式组合电路BJT代替二极管4.2 4.2 集成运算放大器电路集成运算放大器电路集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组
7、成单元图图 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图4.2.2 集成运放及其基本组成（1）输入级（又称前置级）要求：要求：Ri高，以便把外加信号尽可能多的吸高，以便把外加信号尽可能多的吸入电路中去，同时要考虑干扰信号的入电路中去，同时要考虑干扰信号的滤除问题。滤除问题。往往都是用往往都是用双端输入双端输入的高性能的高性能差分放大差分放大电路电路。（2）中间级作用：在这一级把信号尽量放大，使集成运放作用：在这一级把信号尽量放大，使集成运放具有较强的放大能力。具有较强的放大能力。多采用多采用共射（或共源）放大电路共射（或共源）放大电路（它们它们的的AV大大）；）；多采用多采用复合结
8、构复合结构（它们的它们的AV大大）；）；如：复合管结构如：复合管结构bce=1 2bce=1 2互补型互补型（3）输出级要求：要求：Ro小，带负载能力强；非线性失真小。小，带负载能力强；非线性失真小。多采用多采用互补对称输出电路互补对称输出电路，保证功率放大。，保证功率放大。（4）偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点+VCC-VEEPNvPvNOvOiPiNA集成运放的符号同相输入端反相输入端这两个电压有时画有时不画，无所谓！输入与输出的关系：输入与输出的关系：当当vi从从反相反相输入端输入时，输入端输入时，vo与与vi反相；反相；当当vi从
9、从同相同相输入端输入时，输入端输入时，vo与与vi同相同相；1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。4.2.3 集成运放的主要性能指标 2.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。2B1BIB21III 3.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输
10、入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。2B1BIOIII 4.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。6.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时
11、，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。5.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。UUUAood共模抑制比共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 双端双端输出，理想情况输出，理想情况 CMRK 单端单端输出输出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大，CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA
12、 设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui4.2.4 电压传输特性为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区
13、的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）线性区uu+A+RiiRuu+ffoi11非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想：理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)4.2.5 理想运算放大器基本运算电路NPoVvvvA0NPNPvvvv ：称称虚虚短短。iR：称称虚虚断断。NPii以后使用如无特殊说明都认为是理想集成运放【】4.3.1 基本运算电路1)反相比例运算i1=if （虚断）（虚断）因为有负反馈，因
14、为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+=0 u=u+=0（虚地）（虚地）反馈组态：反馈组态：电压并联负反馈电压并联负反馈fo1iRuRu 1.比例运算电路虚地点虚地点uu+A+RiiRuu+ffoi110R R0为平衡电阻为平衡电阻(使输入端对地的静态使输入端对地的静态电阻相等电阻相等):R0=R1/Rf2)同相比例运算电路u-=u+=uii1=if（虚断）虚断）平衡电阻平衡电阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri电压放大倍数电压放大倍数:1fi
15、o1RRuuA电压跟随器根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vi1io vvvA（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）此电路是同相比例运算的特殊情况，输入此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。好。电压跟随器的作用电压跟随器的作用(补补)无电压跟随器时无电压跟随器时 负载上得到的电压负载上得到的电压sssLsLo01.011001vvvv RRR电压跟随器时电压跟随器时ip00，vpvs根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn
16、 vp vs2.加法电路1ni1Rvv-3onRvv-根据根据虚短虚短、虚断虚断和和n n点点的的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR -321RRR 若若0pn vv2ni2Rvv-则有则有2i1iovvv -例例4.2 4.2 利用加法器和反相比例器利用加法器和反相比例器)(i22fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uOA/2R3.减法电路 从结构上看，它是反相从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放输入和同相输入相结合的放大电路。大电路。4on1ni1
17、RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRRR 则则)(i1i214ovvRRv 若继续有若继续有,14RR 则则i1i2ovvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和n n、p p点的点的KCLKCL得：得：pnvv 从放大器角度看从放大器角度看:14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR)(i1i214ovvRRv 增益为增益为（该电路也称为差分电路）（该电路也称为差分电路）当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有4.积分电路Ruii 虚地虚地tiCuud1CCO tuRCd1i 应用举例应用举例4.3：输入
18、方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu5.微分电路u-=u+=0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。放大器。滤波器的功能：滤波器的功能：对频率进行选择对频率进行选择,过滤掉噪声和过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。干扰信号，保留下有用信号。4.3.2 有源滤波电路 滤波器的分类：滤波器的分类：低通滤波器（低通滤波器（LPFLPF）；高通滤波器（）；高通滤波器（HPFHPF）带通滤波器（带通滤波器（BPFB
19、PF）；带阻滤波器（）；带阻滤波器（BEFBEF）|A|0C通带通带阻带阻带A0|A|0CA0通带通带阻带阻带|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（3）带通）带通（4）带阻）带阻 滤波器的用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。较高频率成分的干扰。一阶低通滤波器的电路如图所示，图中一阶低通滤波器的电路如图所示，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特虚线为理想的情况
20、，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。图一阶LPF 图一阶LPF的幅频特性曲线 4.3.3 非线性应用电路 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输相比较，输出一定的高低电平。出一定的高低电平。功能：功能：构成：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM1.简单电压比较器v运放工作在非线性状态的判定：运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。电路开
21、环或引入正反馈。v运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法：若若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM（1 1）过零比较器）过零比较器（门限电平（门限电平=0=0）uoui0+UOM-UOMuuu-+ui+OA+uu-u+iOu+Atuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。uuu-+ui+OA+（2 2）单门限比较器（与参考电压
22、比较）单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当ui UREF时时,uo=+Uom当当ui UREF时时,uo=-Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uuu-+ui+OA+uoui0+UZ-UZ（A A）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD（3 3）限幅电路）限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时,uo=+UZ当当ui
23、 0时时,uo=-UZ 2.迟滞比较器（1 1）工作原理）工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（A A）当）当u uo o=+=+U UZ Z时，时，（B B）当）当uo=-Uuo=-UZ Z时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T REFZURRRURRRUuf2ff22T UT+称称上门限电压上门限电压UT-称称下门限电压下门限电压UT+-UT-称为回差称为回差电压电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2比较器的应用比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不比较器主要用来
24、对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波。规则的输入波形整形为方波。(a)正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波 (b)有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波 图图 用比较器实现波形变换用比较器实现波形变换迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+时时,uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2例题：例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V82ff2f2T RZURRRURRRUV32ff2f2T RZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2
