1、8.1 零点漂移零点漂移 8.2 差动放大电路差动放大电路 8.3 电流源电路电流源电路 8.4 集成运算放大器介绍集成运算放大器介绍 8.5 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础 第第8章章 集成运算放大器集成运算放大器 8.7 运算电路运算电路 8.8 有源滤波器有源滤波器 8.9 电压比较器电压比较器 8.10 集成运放应用举例集成运放应用举例 8.11 集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题 8.1 零点漂移零点漂移 基于集成工艺的特点，集成运算放大电路与分立元件组成的具有同样功能的电路相比，具有如下特点：(1)由
2、于集成工艺的关系，目前还不能制作大容量的电容，所以电路结构均采用直接耦合方式。(2)为提高集成度(指在单位硅片面积上所集成的元件数)和集成电路性能，一般集成电路的功耗要小，所以集成运放各级的偏置电流通常较小。(3)集成运放中的电阻元件，是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围受一定限制，一般在几十欧姆到几十千欧姆，太高太低都不易制造。(4)在集成电路中，制造有源器件(晶体三极管、场效应管等)比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不会增加麻烦，因此集成电路中大量使用有源器件组成的有源负载，以获得大电阻，提高放大电路的放大倍数，将其组成电流源，以获得稳定的偏置电流。而且二极管也
3、常用三极管代替。图8.1是典型集成运放的原理框图，它由4个主要环节组成。输入级的作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端，对其要求是温度漂移要尽可能地小。中间级主要是完成电压放大任务。输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大(将在第10章中讲述)。偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流。除此之外还有一些辅助环节，如电平偏移电路是调节各级工作电压的，且当输入端信号为零时，要求输出对地也为零，故应有调零电路。短路保护(过流保护)电路是防止输出端短路时损坏内部管子的。等等。图 8.1 运算放大器均采用直接耦合方式。这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。由于直接耦合使得各级Q点互相影
4、响，如前级Q点发生变化，则会影响到后面各级的Q点。由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经多级放大器的放大，使输出端产生很大的变化。最常见的是由于环境温度的变化而引起工作点漂移，称为温漂，它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。当输入短路时，输出将随时间缓慢变化，如图8.2所示。图8.2 零点漂移 这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化称为“零点漂称”，简称“零漂”。这种输出显然不反映输入信号的输出，造成假象，将会造成测量误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时，将会淹没真正的信号。零漂不能以输出电压的大小来衡量。因为放大电路的放大倍数越高，输出漂移必然愈大，与此同时对输入信号放大也愈大
5、，所以零漂一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。例如，两个放大电路A、B，输出端的零漂均为1V，但A放大电路的放大倍数为1000，B放大电路的为200，而折合到输入端的零漂电压：A为1V/1000=1mV;B为1V/200=0.005V=5mV，显然A放大电路的零漂小于B放大电路。也可这样讲：A放大电路输入信号只要大于1mV则输出信号大于零漂；而B放大电路需要输入信号大于5mV，输出信号才大于零漂。8.2 差动放大电路差动放大电路 8.2.1基本形式 基本形式如图8.3所示，对电路要求是：两个电路的参数完全对称，两个管子的温度特性也完全对称。由于电路对称，当输入信号Ui=0时，则两管电流相等，
6、两管集电极电位也相等，所以输出电压 120occUUU图 8.3 如果温度上升使两管电流均增加，则集电极电位 均下降，由于两管处于同一环境温度，因此两管电流的变化量和电压变化量都相等，即 ；，其输出电压仍然为零。这说明，尽管每一管子的静态工作点均随温度而变化，但c1,c2两端之间的输出电压却不随温度而变化，且始终为零，故有效地消除了零漂。从以上过程可知，该电路是靠电路的对称来消除零漂的。12ccUU、12ccII 12ccUU 输入信号可以有两种类型：1.共模信号及共模电压放大倍数Auc 所谓共模信号，是指在差动放大管V1和V2的基极接入幅度相等、极性相同的信号，如图8.4(a)所示，即12i
7、cicUU=下标ic表示为共模输入信号。图8.4 差动放大电路的两种输入信号 (a)共模信号；(b)差模信号 共模信号对两管的作用是同向的，如 均为正，将引起两管电流同量增加，而两管集电极电压也将同量减少，故从两管集电极输出共模电压Uoc为零。由上看出共模信号的作用与温度影响相似。所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力，当然共模放大倍数也反映了电路抑制零漂的能力。由于该电路从两管集电极共模输出电压为零，所以12icicUU=0ocucicUAU说明当差动电路对称时，对共模信号的抑制能力特强。2.差模信号及差模电压放大倍数Aud 差模信号是指在差动放大管V1与V2的基极分别加入
8、幅度相等而极性相反的信号，如图8.4(b)所示，即12ididUU 下标id表示差模输入信号。如 对地为正，则 对地为负，因此V1管集电极电压下降，V2管集电极电压上升，且二者变化量的绝对值相等，所以在两管集电极电压变化为每管集电极电压的二倍，即2idU1idU12122(2)odccccUUUUU或 而此时的两管基极b1,b2的信号为1212ididididUUUU故1111122ccodLuduidididsbeUUURAAUUURr(82)这说明，差动放大电路的差模电压放大倍数等于单管电压放大倍数。需指出的是RL的求出问题。当RL时，RL=Rc；当输出端c1和c2间接入RL，由于一管电位
9、下降，另一管电位上升，则中间某一点其电位不变，如电路对称，该点正好在RL/2处，所以RL=Rc(RL/2)，这是在求放大倍数时需注意的问题。由上看出，输入端信号之差 为0时(即共模信号时)输出为0；输入端信号之差 不为零时，就有输出，故称为差动放大电路。前面已提到，基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极c1,c2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而电路中对每一个管子并没有采取任何措施来消除零漂。所以，基本差动电路存在如下问题：12iiiUUU12iiiUUU (1)电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。(2)由于每个管没采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分
10、大时，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。(3)在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1和c2对地输出(这种输出我们称为单端输出)，而这时零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。8.2.2 长尾式差动放大电路 长尾式差动放大电路，又称为射极耦合差动放大电路，如图8.5所示。图中两管通过射极电阻Re和UEE耦合。1.静态工作点 静态时，输入短路，由于流过电阻Re的电流为 和 之和，且电路对称，故1EI2EI12EEII1111122;1EEEeBsBEEBsssUI RI RUIIRRR又 图 8.5 UCE=Uc-UE;Uc=UCC-IcRc;UE=-(UBE+IBRs)所以
11、 UCE=UCC-IcRc+UBE+IBRs所以 12221EEBEEEBEEEseeUUUUIIRRR(83)2.对共模信号的抑制作用 共模信号对两管引起同向变化，与基本电路相似，但由于长尾电路中射极接入Re，只需讨论一下Re的作用即可。由于是同向变化，故流过Re的共模信号电流是 ，对每一管而言，可视为在射极接入电阻为2Re，如图8.6所示。122eeeIII 图8.6 长尾式共模信号等效电路(a)共模信号电流；(b)共模信号交流通路 对双端输出电路，由于电路对称，其共模输出电压仍为零。当从一个管子的集电极对地输出时(即单端输出)，由于2Re的作用，将引入很强的负反馈作用，对零漂起到抑制作用
12、。单端输出时，共模放大倍数Auc单利用第6章的方法求得，即(/)(1)2LcucsbeeRRARrR(84)单 从(84)式可看出，由于Re的接入，使每个管的共模放大倍数下降很多，即对零漂具有很强的抑制能力。3.对差模信号的放大作用 差模信号引起两管电流反向变化，即一管电流上升，另一管电流下降。流过射极电阻Re的差模电流为 ，由于电路对称，所以流过Re的差模电流为零，Re上的差模信号电压也为零，故将射极视为地电位，此处“地”称为“虚地”，Re对差模信号不产生任何影响。其等效电路如图8.7所示。由于Re对差模信号不产生影响，故双端输出的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即12eeII12eeIILu
13、dsbeRARr(85)图8.7 长尾式电路差模信号等效电路(a)差模信号电流；(b)差模交流电路 4.共模抑制比 我们不仅要求放大电路对共模信号的抑制能力好，而且要求对差模信号的放大能力强。所以用共模抑制比CMRR来衡量差动放大电路性能的优劣。CMRR定义如下：uducACMRRA(86)这个值越大，表示电路对共模信号的抑制能力越好。有时还用对数的形式表示共模抑制比，即20lg20lg20lgududucucACMRAAA(87)CMR的单位为分贝(dB)。5.一般输入信号情况 如果差动放大电路的输入信号，既不是共模信号也不是差模信号，即 ，又应如何处理呢?此时可将输入信号分解成一对共模信号
14、和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输入端。设差模放大电路的输入为 和 ，则差模输入电压 是二者之差，即12iiUU1iU2iUidU12idiiUUU(88)每个管的差动信号输入为121211()22idididiiUUUUU (89)共模输入电压Uic为二者的平均值1211212iiiciicidiicidUUUUUUUUU则 oudiducicUA UA U(810)(811)例1 图8.5电路中，已知差模增益为48dB，共模抑制比为67dB，。试求输出电压Uo。解 因为20lg|Aud|=48dB,故Aud-251而CMR=67dB,故CMRR2239，所以 125,5.01i
15、iUV UV2510.112239uducAACMRR则输出电压为55.01251(55.01)0.11()22.510.553.06oudiducicUA UA UV 6.其它指标 差模输入电阻rid:在差模输入信号作用下，输入电压Uid与流入电流之比称为差模输入电阻rid，即从两个输入端看进去的差模输入电阻，利用第6章的知识可得 rid=2(rbe+Rs)(812)差模输出电阻rod:从两管集电极输出的差模输出电阻rod为 rod=2Rc (813)共模输入电阻ric:共模输入电压Uic与共模输入电流Iic之比，如两个输入端连在一起接成共模输入信号，如图8.8(a)所示，其输入电阻为 1(
16、)(1)2icbeserrRR(814)如共模信号分别由两个输入端送进，如图8.8(b)所示，则从一个输入端看进去的输入电阻为(1)2icbeserrRR(815)图8.8 两种共模信号接入电路(a)两个输入端连在一起；(b)输入端分开 为了克服半导体三极管V1,V2和电路元件参数不对称所造成的输出直流电压Uo0的现象，电路中常增加调零电路，如图8.9(a),(b)所示。在射极增加电位器RW，在集电极至电源间接入电位器RW，它们均是利用电位器RW的分配来补偿电路参数的不对称。注意：RW的接入对指标参数的影响，如射极调零电路，RW对指标影响的有关计算公式如下：差模放大倍数Aud(1)2LudWs
17、beRARRr(816)差模输入电阻rid2(1)21(1)(1)22(1)(1)22WidsbeWicbeseWicbeseRrRrRrrRRRrrRR 共模输入电阻ric(对应图8.8(a)或者为(对应图8.8(b)(817)(818)(819)图8.9 具有调零电路的差动放大电路 (a)发射极调零；(b)集电极调零 8.2.3 恒流源差动放大电路 长尾式差动放大电路，由于接入Re，提高了共模信号的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈强。但是Re增大，Re上的直流压降增大，为保证管子正常工作，则必须提高UEE值，这是不合算的。为此希望有这样一种器件：交流电阻r大，而直流电阻R小。恒流源即具有此
18、特性。恒流源的电流、电压特性如图8.10所示。从图上可分别表示出交流电阻r和直流电阻R，即UrIURI 图8.10 恒流源的电流、电压特性 将长尾式中Re用恒流源代替，即得恒流源差动放大电路，如图8.11(a)所示。求恒流源电路的等效电阻，与求放大电路的输出电阻相同，其等效电路如图8.11(b)所示。按输入短路，输出加电源Uo，求出Io，则恒流源等效电阻为33123()()(/)()0ooooobceobbbeobUrIUIIrIIRIrRRIIR(820)(821)图8.11 恒流源差动放大电路(a)电路；(b)恒流源等效电路 由式(821)得3312/bobeRIIrRRR 代入式(820
19、)，得恒流源的交流等效电阻为3333123123312(1)/(/)/(1)/oocebeobecebeURrrRrRRRIrRRRRrrRRR(822)其中rce是管子c、e之间的电阻。设=80,rce=100k,rbe=1k,R1=R2=6k,R3=5k，则34.5orM 用如此大的电阻作为Re，当然其对共模信号的抑制能力会得到很大的提高。而此时恒流源所要求的电源电压却不高，如233EEBECEEeUUUI R对应的静态电流为12312EEEIII(823)8.2.4 差动放大电路的4种接法 差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以信号的输入、输出方式有4种情况。现分别叙述如下：1.双端
20、输入、双端输出 前面的分析均是以此种形式为主进行分析的。如图8.12(a)所示，根据前面的分析得出差模电压放大倍数为/2oLudisbeLLcURAURrRRR 差动输入电阻rid和rod可表示为 rid=2(Rs+rbe)rod2Rc 共模电压放大倍数ucA 共模输出电压Uoc 共模输入电压Uic=0 共模抑制比CMRR。图8.12 差动放大电路的4种接法 2.双端输入、单端输出 这种电路如图8.12(b)所示。由于输出只从V1的集电极输出，所以输出电压只有双端输出的一半，即差模电压放大倍数为12/LudsbeLcLRARrRRR (824)如果从V2管输出，仅是Uo的相位与前者相反，其表达
21、式仍为(8-24)式，但需把负号去掉。单 共模电压放大倍数为输入电阻 rid=2(Rs+rbe);输出电阻 rodRc;(1)2(1)22()LucbeseudsbeeucsbeesbeRArRRARrRCMRRARrRRr 共模抑制比为(825)(826)3.单端输入、双端输出 如图8.12(c)，Ui仅加在V1管输入端，V2管输入端接地；或者Ui仅加在V2管输入端，V1管输入端接地。这种输入方式称单端输入，是实际电路中常用的一种。按式(88)、(89)、(810)，可得1211212122111222111222idiiiiiiciiicidiiiicidiidUUUUUUUUUUUUUU
22、UUUU所以 当忽略电路对共模信号的放大作用时，单端输入就可等效为双端输入的情况，故双端输入、双端输出的结论均适用单端输入、双端输出。这种接法的特点是把单端输入的信号转换成双端输出，作为下一级的差动输入，适用于负载两端任何一端不接地，而且输出正负对称性好的情况(如示波管的偏转板)。而实际中常常需要对地输出，所以单端输入、双端输出接法就不适用。4.单端输入、单端输出 此种情况如图8.12(d)所示，按与前述相同的方法，可得出它与双端输入、单端输出的电路等效。这种接法的特点是它比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力，而且可根据不同的输出端，得到同相或反相关系。综上所述，差动放大电路电压放大倍数仅
23、与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同；如为单端输出，它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半，输入电阻都是相同的。例2 电路如图8.13所示，设UCC=UEE=12V,1=2=50,RW=200,R3=33k,R2=6.8k,R1=2.2k,。(1)求静态工作点。(2)求差模电压放大倍数。(3)求RL=100k时，差模电压放大倍数。(4)从V1管集电极输出，求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设rce3=50k)。12100ccRRk1210ssRRk图8.13 例2电路图8.3 电流源电路电流源电路 8.3.1镜像电流源电路 电路如图8.14
24、所示，图中V1,V2组成对管，由图可知 由此得112RCBCBCIIIIII12CRII(827)IR称为参考电流，其大小主要由UCC和电阻R确定，即若1，则21CCRIII(828)1CCBERUUIR图8.14 镜像电流源 由以上分析可知，当参考电流IR一定时，不管V2管集电极支路中的负载如何，总是等于IR，二者关系像一面镜子，所以称这种电路为镜像电流源。这种电路的优点是结构简单，并且具有一定的温度补偿作用，但是也存在以下不足之处：(1)受电源的影响大。当UCC变化时，几乎也同样随之变化，因此它不适应电源电压在大幅度变动下运行。(2)当要求得到小的电流源时，如微安级的电流，就要求较大的电阻
25、R，如 =10A,UCC=15V时，R约为1.5M，这用集成工艺是难以实现的。2CI2CI2CI (3)由于恒流特性不够理想，管子c,e极间电压变化时，IC也会作相应的变化，即电流源的输出电阻还不够大。(4)图8.14电路，输出电流 与基准电流仅仅是近似相等，特别是当值不够大时，二者之间误差更大。为提高镜像电流源的精度以及进一步提高电路的输出电阻，可采用威尔逊电流源。2CI 4.3.2 威尔逊电流源 在图8.14的基础上增加一个放大管V3，就可组成威尔逊电流源，如图8.15所示。31332122(1)CCRBRECBBCIIIIIIIIII且 333212(1)22ECCRIIII由上可推得(
26、829)图8.15 威尔逊电流源 8.3.3 微电流源 为了使 为弱电流时，R值仍不大，我们可以在镜像电流源的基础上，引入一个电阻Re到V2的发射极如图8.16所示。此时 。因此，即使 比较大，但由于Re的存在，将使 ，即在R不太大的情况下，也能满足 比较小的要求。此外，Re引入电流负反馈，也提高了V2的集电极输出电阻，它更接近于理想的恒流源。由图8.17可得 2CI2CI21BEBEUU1CI21CCII1222BEBEEeCeUUI RI R图8.16 微电流源 再由二极管的基本公式1212212(1)lnlnBEBETTUUUUCSSCCBEBETCeSSIIeI eIIUUUI RII
27、(830)故 122lnCTCeCIUI RI(831)设 ，即得12SSII图8.17 多路偏置电流源 与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：(1)当电源电压UCC变化时，虽然IR与 也要作相应的变化，但由于Re的负反馈作用，的变化将要小得多，故提高了恒流源对电源变化的稳定性。(2)当温度上升时，将要增加，由图8.16可看出，此时 和 均将下降，所以对 的增加有抑制作用，从而提高了恒流源对温度变化的稳定性。(3)由于Re引入电流负反馈，因此微电流的输出电阻比V2本身的输出电阻 要高得多。更接近理想的恒流源。1CI2CI2CI1BEU2BEU2CIcer 8.3.4多路偏置电流源 前面讨论的
28、电流源都是用一个参考电流去获得另一个固定电流，实际中常用一个参考电流去获得多个电流，而且各个电流的数值可以不相同。图8.17就是在单电流源的基础上得到的多路电流源。由图可知参考电流IR=706A，通过V2建立参考电压，然后根据镜像电流源和微电流源的电流分配原则，得出 ,上述各值用式(831)算出，设各管=80。13442,47,698CCCIAIAIA 例3 图8.18是集成运放F007中的一部分电路，它们组成电 流源电路(各元器件的编号均与F007电路图中的编号相同)，试计算各个管子的电流，其中V12和V13是横向PNP管，12=13=2。V10和V11是NPN型管。解：流过电阻R5的电流就
29、是参考电流IR，1211528.60.7339CCEEBEBERUUUUIRmA图 8.18 V10,V11构成微电流源，根据式(831)得10104lnRTCCIUIRI即 101010730326ln,CCCIII 的单位为微安，利用作图法或试探法求得 28A。V12和V13组成镜像电流源，由于较小，则利用式(827)得10CI13121320.730.365222CRCIImAI 8.3.5 作为有源负载的电流源电路 恒流源在集成电路中除了设置偏置电流外，还可作为放大器的有源负载，以提高电压放大倍数。在第6章我们求各种放大电路的电压放大倍数时，得出电压放大倍数正比于负载电阻RL，提高负载
30、有利于放大倍数的提高。而RL=RcRL，RL是所要带动的负载，所以提高RL，可通过提高Rc来达到，但Rc增大，影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替电阻Rc，将有效地提高该级的电压放大倍数，对RL阻值较大的场合，效果更为突出，其电路如图8.19所示。V1是共射放大电路，V2,V3(PNP管)组成镜像电流作为V1管的负载电阻Rc。由于恒流源等效电阻为无穷大，可视为开路，则V1管变化的电流Ib全部流向RL，故电压放大倍数得到提高。图8.19 有源负载共射放大电路 8.4 集成运算放大器介绍集成运算放大器介绍 集成运放是一种高放大倍数、高输
31、入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为抑制零点漂移，对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为提高放大倍数，中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路，为提高此电路的带负载能力，多采用互补对称输出级电路。下面我们以F007为例来分析集成运放的各个组成部分。F007(A741)属于第二代集成运放，电路内部包含4个基本组成部分，即偏置电路、输入级、中间级和输出级。它的原理如图8.20所示。图中各引出端所标数字为组件的管脚编号。它有8个引出端，其中端为反相输入端；端为同相输入端；端为输出端；端和端分别接正和负电源；端与端之间接调零电位器。图8.20 F007的电路原理图
32、 8.4.1 偏置电路 F007偏置电路由图8.20中的V8V13和R4,R5等元件组成，如图8.21所示。其基准电流IR为 12115CCEEBEBERUUUUIR由IR便可求出其它各级电路的偏置电流。V10和V11组成微电流源，所以 比 小得多，二者关系由式(831)确定。提供V9的集电极电流和V3,V4的基流I34，即 10CI11CI10CI10934CCIII 横向PNP管V8,V9组成的镜像电流源产生电流I8，提供输入级V1,V2的集电极电流。横向PNP管V12,V13组成另一对镜像电流源，向中间级V16,V17提供工作点电流。如图8.20所示。图8.21 F007的偏置电路 8.
33、4.2 输入级 输入级由V1V9组成，如图8.22所示，V1,V2和V3,V4分别组成共集电极组态双端输出的差动放大电路和共基极组态单端输出的差动放大电路。V5,V6和V7组成源电路，作为V3,V4差动放大电路的集电极有源负载。V8,V9组成镜像电流源，给差动放大级V1,V2提供偏置电流。V8和V9不仅是镜像电流源，而且还与V10,V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定 ，从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下：12CCII、1899231243410CCCCCCCCCITIIIIIIIIII(因为I10是恒定电流)图8.22 F007的输入级 8.4.4 输出级和过载保护 输出级的主要
34、作用是给出足够的电流以满足负载的需要，同时还要具有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。放大倍数要适中，太高没必要，太低将影响总的放大倍数。除此之外，还应该有过载保护，以防输出端短路或过载电流过大而烧坏管子。F007的中间级由V16,V17组成的复合管，其负载由V12,V13组成的镜像电流源作为有源负载的共射放大电路。由于采用了复合管电路，故提高了本级输入电阻。中间级的放大倍数可达1000多倍。中间级电路如图8.23所示。8.4.4 输出级和过载保护 输出级的主要作用是给出足够的电流以满足负载的需要，同时还要具有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离
35、的作用。放大倍数要适中，太高没必要，太低将影响总的放大倍数。除此之外，还应该有过载保护，以防输出端短路或过载电流过大而烧坏管子。输出级电路如图8.24所示。V18,V19复合管组成PNP三极管与V14组成准互补推挽功率放大电路(将在第10章中讲述)。V15和R7,R8组成“UBE扩大电路”(见第10章)，调整R7和R8的数值，可以使互补对称功率放大电路有合适的静态电流，以消除输出电压波形的交越失真(第10章讲述)。图8.23 F007的中间级 VD1,VD2,R9,R10组成过载保护电路。基本原理叙述如下：当输出信号为正，且输出电流在额定值以内时，VD1截止。当输出电流超过额定电流值，则R9上
36、压降增大，使VD1导通，将流进V14管的基极电流通过VD1分流，从而使V14的输出电流受到限制。同理，当负向电流过大时，VD2导通，将V16基极电流旁路，从而限制了V18和V19的电流。图8.24 F007的输出级8.5 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 集成运放的性能指标叙述如下：1.开环差模电压放大倍数Aod 这是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数，常用Aod表示，即oodidUAU 对于集成运放而言，希望Aod大，且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(10+7倍)，理想集成运放认为Aod为无穷大。2.最大输出电压Uopp 最大输出电压是指在一定的电源电
37、压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。如F007电源电压为15V时的最大输出电压为10V，按Aod=10+5计算，输出为10V时，输入差模电压Ui d的峰峰值为0.01mV。输入信号超过0.1mV时，输出恒为10V，不再随Uid变化，此时集成运放进入非线性工作状态。通常可用集成运放的传输特性曲线表示上述关系，如图8.25所示。图8.25 集成运放的传输特性 3.差模输入电阻rid;rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好，一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧，故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2M。认为理想集成运放的r
38、id为无穷大。4.输出电阻ro;ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Iomax表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。5.共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好，理想集成运放的CMRR为无穷大。6.最大差模输入电压Uidmax 从集成运放输入端看进去，一般都有两个或两个以上的发射结相串联，若输入端的差模电压过高，会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏，PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏，如F007为30V。7.最大共模输入电压Uicmax 输入端共模信号超过一定数值后，集
39、成运放工作不正常，失去差模放大能力。F007的Uicmax值为13V。8.输入失调电压UIO 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端所加的补偿电压(去掉外接调零电位器)，它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时，输出也为零，但实际中往往输出不为零，将此电压折合到集成运放的输入端的电压，常称为输入失调电压UIO。其值在1mV10mV范围，要求愈小愈好。9.输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流，用 表示，而将 、之差的绝对值称为输入失调电流IIO，即 IIO=|IB1-IB2|可见IIB相当于输入电流的共模成分
40、，而IIO相当于输入电流的差模成分。当它们流过信号源电阻Rs时，其上的直流压降就相当于在集成运放的两个输入端上引入了直流共模和差模电压，因而也将引起输出电压偏离零值。121()2IBBBIII1BI2BI 10.输入失调电压温漂 和输入失调电流温漂 它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响，使直流输出电压调至零伏，但却很难补偿其温度漂移。IOdUdTIOdUdT 11.-3dB带宽fh;在第6章频率特性一节中我们已讲过，随着输入信号频率上升，放大电路的电压放大倍数将下降，当Aod下降到中频时的0.707倍时为截止频率，用分贝表示正好下降了3dB，故
41、对应此时的频率fh称为上限截止频率，又常称为-3dB带宽。当输入信号频率继续增大，Aod继续下降，当Aod=1时，与此对应的频率fc称为单位增益带宽。F007的fc=1MHz。12.转换速率SR 频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中，有时需要集成运放工作在大信号情况(输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压Uopp)，此时可用转换速率(SR)来表示其特性，即odUSRdt 它是输出电压对时间的变化率，集成运放的SR愈大，其输出电压的变化率也愈大，所以SR大的集成运放才可能允许在较高的工作频率下输出较大的电压幅度。8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础 8.6.1 低频等效电路 在电路
42、中我们将集成运放作为一个完整的独立器件来对待。因此，计算、分析时将集成运放用等效电路来代替，由于集成运放主要用在频率不高的场合，所以我们只讨论在低频时的等效电路，如图8.26所示。图8.26 集成运放低频等效电路 因为集成运放的信号输入端有两个，输出端只有一个，故只画出这三个端，其它端如电源端，调零端等，仅是保证集成运放正常工作，而对讨论输出电压与输入电压的函数关系联系不大，为突出讨论的核心问题，所以其它端一般不画出。标“+”的为同相输入端，表示输出电压信号与该输入端电压信号相位相同；标“-”的为反相输入端，表明输出电压与该输入端的电压信号相位相反。对于只讨论信号放大时，其它可不考虑，此时的简
43、化等效电路如图8.26所示。4.6.2 理想集成运算放大电路 大多数情况下，将集成运放视为理想集成运放。所谓理想集成运放，就是将集成运放的各项技术指标理想化，即 (1)开环电压放大倍数Aod=；(2)输入电阻rid=；(3)输入偏置电流 ；(4)失调电压UIO,失调电流IIO以及它们的温漂 120BBIIIOIOdUdIdTdT、均为零；(5)共模抑制比CMRR=；(6)输出电阻rod=0；(7)-3dB带宽fh=；(8)无干扰、噪声。由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析、计算应用电路时，用理想集成运放代替实际集成运放所带来的误差并不严重，在一般工程计算中是允许的。本章中凡未特别
44、说明的，均将集成运放视为理想集成运放来考虑。8.6.3 集成运放工作在线性区 当集成运放工作在线性区时，作为一个线性放大器件，它的输出信号和输入信号之间满足如下关系：Uo=Aod(U-U+)(832)由于集成运放的开环电压放大倍数极大，而输出电压为有限值，故其输入信号的变化范围很小，在前面已讲述过，F007的传输特性如图8.25所示，其输入信号变化范围仅为0.1mV，超过这个范围，输出不是Uom=10V就是Uom=-10V。显然，这样小的线性范围无法进行线性放大等任务。为了扩展集成运放的线性工作范围，必须通过外部元件引入负反馈，这是各种线性应用电路的共同点。例如，F007开环时Aod=10+5
45、，输入信号的变化范围仅有0.1mV，如果引入负反馈后其闭环增益Auf=100，则反馈深度为 33110,(1)10ododufooodufidssodididAA FAUUAAUUUA F UU考虑 则得 即将输入信号的变化范围扩大了10+3倍，可在0.1V-0.1V范围内均工作在线性区。上述关系用传输特性表示，如图8.27所示。由于理想集成运放Aod=,而Uo是有限值，故由式(832)可得 U-U+0 即 U-U+(833)图8.27 引入负反馈扩展线性区 满足此条件的我们称为“虚短”，即同相输入端与反相输入端电位相等，但不是短路。又由于理想集成运放rid=，所以集成运放输入端不取电流，即
46、I-=I+=0 (834)式(833)、(834)两个结论大大简化了集成运放应用电路的分析计算，凡是线性应用，均要用此两个结论，因此必须牢记。8.6.4 集成运放工作在非线性区 为了使集成运放工作在非线性区，集成运放一般均开环运用或者加正反馈加速转换过程。所以非线性运用时，其电路结构特点为开环或为正反馈。非线性运用时，显然放大关系已不存在，即 UoAod(U-U+)由于Aod=，所以输入端很微小的变化量，就可使其输出电压不是变到正向饱和压降UOH就是变到负向饱和压降UOL。其数值接近正、负电源电压。U-U+时 Uo=UOL U-UT时 所以，将反相比例电路中的Rf用二极管或三极管代替，即可组成
47、对数运算电路，如图8.39所示。图8.39 基本对数运算电路 由图8.39可得，当二极管正向导通时111lnDTuUDSoDioTSiiI euiRuuuuURI (849)(850)(851)而由“虚地”可得 输出电压为 则由式(849)、(850)得出如下关系：2.指数运算电路 指数运算是对数运算的逆运算。将对数运算电路中的二极管VD和电阻R对换即得指数运算电路，如图8.41所示。由图8.41可看出，利用“虚地”，ui=uD,设 uiUT，则iTiTuUDSoffDuUoSiI eui RiiuI Re 而 所以(852)图8.40 用三极管的对数运算电路图8.41 基本指数运算电路 例4
48、 集成运放应用电路如图8.42所示。是一个高输入阻抗放大器，试求电路的输入电阻。解 2111iiiioiiUrTIIIUUUIIRR(853)而 其中 从图8.42可求得 212212oooiRUURRUUR (854)(855)将式(855)代入式(854)得22oiUU(856)因此 11112()iiiiUUURRIURRR R(857)图8.42 高输入阻抗放大器 式(857)代入式(853)得1111()iiiURRrRRRRURR(858)当R-R1=0时，输入电阻ri。一般为防止自激，保证ri为正值，R约大于R1,故ri是一个较大的正值。8.8 有源滤波器有源滤波器 滤波器的作用
49、是允许规定频率范围之内的信号通过，而使规定频率范围之外的信号不能通过，即受到很大衰减。按其工作频率的不同，滤波器可分为：低通滤波器：允许低频信号通过，将高频信号衰减；高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减；带通滤波器：允许某一频带范围内的信号通过，将此频带以外的信号衰减；带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号通过。在电路分析课程中，利用电阻、电容等无源器件可以构成简单的滤波电路，称为无源滤波器。如图8.43(a),(b)分别为低通滤波电路和高通滤波电路。图8.43(c),(d)分别为它们的幅频特性。图8.43 无源滤波器及其幅频特性 由电路可求得它们的传递函数为
50、：图8.43(a)中11111111ouoioURAURjj RCj CRC(860)它们的截止角频率均为(861)根据式(859)、(860)可作出它们的幅频特性。由其幅频特性可以看出，它们分别具有低通滤波和高通滤波特性。无源滤波电路主要存在如下问题：(1)电路的增益小，最大仅为1。(2)带负载能力差。如在无源滤波电路的输出端接一负载电阻RL，如图8.43(a),(b)虚线所示，则其截止频率和增益均随RL而变化。以低通滤波电路为例，接入RL后，传递函数将成为1/11/1(1)11LLLLLLLLoLLLLoRRj R Cj CARRRRj Cj R CRRARRj R C RRj R Cj(
