第13章集成運算放大電路

第13章集成運算放大電路模擬電路部分

第13章集成運算放大電路13.1集成運算放大器的概述13.2基本運算電路13.3電壓比較器13.4有源濾波電路13.5RC正弦波振蕩電路13.6集成運算放大器的使用集成電路:

將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；13.1概述13.1.1集成運算放大器的結(jié)構(gòu)特點集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：1.電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2.電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3.幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4.二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。集成運算放大器外形圖13.1.2集成運放的組成

集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。輸入級中間級輸出級UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖：輸入級中間級輸出級+UCCUEE

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對輸入級的要求：盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR

,

輸入阻抗ri盡可能大。與uo反相與uo同相輸入級中間級輸出級UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸入級中間級輸出級UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對輸出級的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

。即輸出阻抗ro小。對偏置電路的要求:

提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。

13.1.3集成運算放大器的主要參數(shù)1.差模開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ado：指集成運放本身（無外加反饋回路）的差模電壓放大倍數(shù)，即

它體現(xiàn)了集成運放的電壓放大能力，一般在104～107之間。Ado越大，電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。2.共模開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aco：指集成運放本身的共模電壓放大倍數(shù)，它反映集成運放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運放Aco應(yīng)接近于零。3.共模抑制比KCMR：用來綜合衡量集成運放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于80dB。4.差模輸入電阻rid：指差模信號作用下集成運放的輸入電阻。5.輸入失調(diào)電壓Uio：指為使輸出電壓為零，在輸入級所加的補償電壓值。它反映差動放大部分參數(shù)的不對稱程度，顯然越小越好，一般為毫伏級。6.失調(diào)電壓溫度系數(shù)ΔUio／ΔT：是指溫度變化ΔT時所產(chǎn)生的失調(diào)電壓變化ΔUio的大小，它直接影響集成運放的精確度，一般為幾十μV／℃。7.轉(zhuǎn)換速率SR：衡量集成運放對高速變化信號的適應(yīng)能力，一般為幾V／μs，若輸入信號變化速率大于此值，輸出波形會嚴(yán)重失真。uou+u–

13.1.4集成運算放大器的電壓傳輸特性輸出端反相輸入端同相輸入端Au0信號傳輸方向運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)1.符號

ri高:幾十k

幾百k實際運放：KCMRR很大

ro小：幾十~幾百

Au0很大:104以上~107理想運放：

ri

KCMRR

ro

0Au0

運放符號：－＋＋u－u+uoAu0_++u+u-u02.集成運放的參數(shù)3.電壓傳輸特性Ao越大，運放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。實際運放uo_++Au0uiUO（sat）–UO（sat）Uim–UimuiuO0ui=u+-u-

理想運放的電壓傳輸特性UO（sat）–UO（sat）理想運放

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

uOui0uiuo++–“虛斷路”原則+iiui對于理想運放rid相當(dāng)于兩輸入端之間短路uiiirid=對于理想運放u–u+相當(dāng)于兩輸入端之間斷路uOii

0Auoui

0,rid,“虛短路”原則2)1)4.理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––13.2基本運算電路一、反相輸入_++RFR1RPuiuoi1iFi1=iF13.2.1集成運算放大器的輸入方式_++RFR1RPuiuo電路的輸入電阻：Ri=R1反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很??！平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。RP=R1//RF電位為0，虛地。輸入電阻小、共模電壓為0，以及“虛地”是反相輸入的特點二、同相輸入_++RFR1RPuiuou-=u+=ui電壓串聯(lián)負(fù)反饋：輸入電阻高。共模電壓：ui沒有虛地概念。ifi1當(dāng)RF=0，R1=時，電路為電壓跟隨器_++RFuiuo此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、差動輸入_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：

差動運算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3oo_++RFR1R1ui2uoRFui1差動信號放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（2R1）。若取R2=R1，R3=RF則：以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高，差動輸入電阻亦小。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。13.2.2集成運放在信號運算方面的應(yīng)用uo

=

uiRFR1有：uiuoi1iFRFR1R21.反相比例運算電路一、比例運算uiuoi1ifRFR1R2虛地：ui1

=—iR1例1:反相比例運算電路R3R4設(shè):

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'例2：T型電阻網(wǎng)絡(luò)電路I=I1-I2=（1+RF1RF2）U1R1RF2I1I1I2IRF1RF3R1U1UOuo

=

1+

u+RFR1

=

1+

uiRFR12.同相比例運算電路有：RFRR12uiuouiuo3、同相跟隨器uo

=uiRFR若不接入電阻R、RF，運算關(guān)系不變二、加法運算_++RFR11R12ui2uoRPui1i11i12iF1.差動比例運算電路uoRFR1R1RF三、減法運算電路ui1ui2差動比例運算是減法運算電路的一種形式

（ui2

uO=RFR1-

ui1）11ui1212.兩級反相輸入減法運算電路132212A2A1uo11uRRRRRRRi2F2=

—–

–

—–uoui1

ui2RRRR

13

12F2F2應(yīng)用舉例：tui0四、積分運算tuo01、輸入方波，輸出是三角波。iFi1u

i-++RR2Cuo2、如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0U-Uo（sat）TM積分時限五、微分運算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFC例1：若輸入：則：tui0tuo0微分應(yīng)用舉例uuOiC

duidtuo=

–

RC

–—uouiＲＲ輸出與輸入的關(guān)系式為2、若輸入為方波則輸出波形為例2：求解微分方程dtduo–5uo

=10ui根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：uouiA1A3A210k100k100k150k50k50k0.1F例3:三運放電路uo2++A++ARRRWui1ui2uo1abR1R1++AR2R2uouo2++A++ARRRWui1ui2uo1ab三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。R1R1++AR2R2uouo1uo213.3集成運放的非線性應(yīng)用-電壓比較器非線性應(yīng)用是指由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。由運放組成的非線性電路有以下三種情況：1.電路中的運放處于非線性狀態(tài)比如：運放開環(huán)應(yīng)用++Auouo運放電路中有正反饋，運放處于非線性狀態(tài)。2.電路中的運放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管）ui>0時：ui<0時：++AuoR1RF1RF2Duiuoui0傳輸特性3.另一種情況，電路中的運放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）由于處于線性與非線性狀態(tài)的運放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運放是否工作在線性區(qū)。確定運放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負(fù)反饋。若有負(fù)反饋，則運放工作在線性區(qū)；若無負(fù)反饋，或有正反饋，則運放工作在非線性區(qū)。處于非線性狀態(tài)運放的特點：1.虛短路不成立。2.輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。3.輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。一、單限電壓比較器uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）UR++uouiUR設(shè)：UR大于零uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）1、過零比較器++uoui++uouituituo+Uo（sat）-Uo（sat）例1：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?+uiuoUZuoui0+UZ-UZ例2：穩(wěn)定輸出電壓-UZ2、反相輸入任意電平比較器UR0uiuo設(shè)UR>0UZR1R2R3DzURuOuiUZ總結(jié)1、電路簡單。2、容易引入干擾。tuituo過零附近仍處于放大區(qū)3、當(dāng)Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。二、遲滯電壓比較器1、下行的遲滯比較器分析：（1）因為有正反饋，所以能加速輸出端的翻轉(zhuǎn)（2）當(dāng)uo正飽和時：（3）當(dāng)uo負(fù)飽和時：比較電壓由原來的輸出決定－++uoR1RfR2uiU+傳輸特性U+HU+L翻轉(zhuǎn)后增大了U+-U-，進一步加速翻轉(zhuǎn)URH-URL稱為回差小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn)下限上限uoui0Uo（sat）-Uo（sat）uRHuRLtuiURHURLtuoUo（sat）-Uo（sat）輸入正弦波的情況加上參考電壓后的上下限－++uoR1RfR2uiUR加上參考電壓后的傳輸曲線uoui0U+H.uRHuRL2、上行的遲滯比較器從u+=0時翻轉(zhuǎn)，可以求出上下限。－++uoR1RfR2uiuoU+HU+Lui0Uo（sat）-Uo（sat）傳輸特性曲線uRHuRL另一種電路形式？如何計算上下限？用UZ代替Uo（sat）－++R1RfR2uiuoUZ另一種電路形式？如何計算上下限？上下限不同?。?+R1RfR2uiuoUZ電壓比較器的分析方法1.輸出電壓躍變的條件u–u

=+由此可求出電壓比較器的門限電壓2.電壓傳輸特性u–u

>+uo>0；時，u–u

<+uo<0。時，輸出端不接DZ時，

uo

=

UO(sat）輸出端接DZ限幅時一般為，

uo

=

UZ13.4有源濾波器

濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。

有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波電路的分類1.按信號性質(zhì)分類3.按電路功能分類:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器2.按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR1.帶負(fù)載能力差。2.無放大作用。3.特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.7070截止頻率此電路的缺點：將兩級一階低通濾波器串接？各級互相影響！RCRCRRR1RFC+-+1.一階有源低通濾波器一、有源低通濾波器有放大作用3.運放輸出，帶負(fù)載能力強。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似幅頻特性：相頻特性：電路的特點：2.=0

時1.=0

時解出：其中：RR1RFC+-+CRP2.二階有源低通濾波器03dBR1=

時：AF=1

=

0時：RC+-+CRP傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：二、有源高通濾波器1.一階有源高通濾波器幅頻特性：缺點：阻帶衰減太慢。幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|產(chǎn)生自激振蕩的原理基本放大電路Ao反饋電路F+–改成正反饋正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩13.5RC正弦波振蕩電路+13.5.1自激振蕩如果：k閉合,去掉仍有信號輸出?；痉糯箅娐稟o反饋電路F++k基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號代替了放大電路的輸入信號若，則仍有穩(wěn)定輸出自激振蕩條件的推導(dǎo)：自激振蕩的條件：因為：所以自激振蕩條件可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋，振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達到。進一步理解自激振蕩：基本放大電路Ao反饋電路F++如果：輸入信號為0時仍有信號輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。在振蕩建立的過程中，|A0F|>1也就是說每次Xf大于前一時刻的Xf。振蕩的建立過程也就是|A0F|從大于1到等于1的過程。振蕩器的組成:放大環(huán)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)13.5.2起振過程

13.5.3選頻網(wǎng)絡(luò)用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2R1C1R2C2時相移為0。如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：uo1.用運放組成的RC振蕩電路所以只有在f0處才滿足相位條件：因為：A0F=1uf_++R2R1RCRC13.5.4振蕩電路_++RTuoRCRCR1t2.能自行啟動的電路（1）uotRtAu半導(dǎo)體熱敏電阻起振時RT>2R1,uo越大則RT越小。3.能自行啟動的電路（2）uo_++R21RCRCR1D1D1R22R21+R22略大于2R1,隨著uo的增加，R22逐漸被短接，Au自動下降。13.6集成運算放大器的使用

在實際應(yīng)用中，除了要根據(jù)用途和要求正確選擇運放的型號外，還必須注意以下幾個方面的問題。

1.調(diào)零