第6章集成運放與其典型應用

第6章集成運放與其典型應用第一頁，共93頁。6.1模擬集成運算放大器概述6.2理想運算放大器6.3集成運放在運算電路中的應用第6章集成運放及其典型應用第二頁，共93頁。1）通用集成電路2）模擬信號處理電路3）控制系統(tǒng)專用集成電路，如電機控制電路、可控硅控制電路等.4）通信系統(tǒng)專用集成電路，如電話電路、無線通信電路、交換專用電路等。5）測試系統(tǒng)專用集成電路，ATE電路、信號變換和處理電路等。6）儀器專用電路等。1.模擬集成電路分類按照應用領域進行分類：一、概述6.1模擬集成運算放大器概述第三頁，共93頁。按照電路的功能進行分類1）運算放大器2）模擬乘法器（除法器）3）對數(shù)放大器4）函數(shù)發(fā)生器5）濾波器6）壓控振蕩器7）集成功率放大器8）集成穩(wěn)壓電源……一、概述(續(xù)）6.1集成運算放大器的組成及基本特性集成電路通用型專用型按照集成電路分類第四頁，共93頁。1．集成電路的基本結(jié)構二集成電路的基本結(jié)構第五頁，共93頁。二集成電路的基本結(jié)構(續(xù)）2．模擬集成電路組成輸入級中間級輸出級偏置電路第六頁，共93頁。組成：運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它的組成框圖如圖所示。運放組成差放輸入級中間放大級低阻輸出級恒流源偏置U+U-Uo三、模擬集成運放的典型電路運放舊符號運放國標符號第七頁，共93頁。1.輸入級:高性能的差動放大電路。運放有兩個輸入端，一個稱為同相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相同，用符號U＋

表示；另一個稱為反相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相反，用符號U－表示。

4.恒流源偏置：可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。

3.低阻輸出級：由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。2.中間放大級：提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。多為差動電路和帶有源負載的高增益放大器。差放輸入級中間放大級低阻輸出級恒流源偏置U-U+運放組成第八頁，共93頁。集成運放F007的電路原理第九頁，共93頁。2．單極型集成運放第一級是以P溝道管T3和T4為放大管、以N溝道管T5和T6管構成的電流源為有源負載。第二級是共源放大電路，以N溝道管T8為放大管，漏極帶有源負載。第十頁，共93頁。第十一頁，共93頁。6.2集成運算放大器的主要參數(shù)集成運放的性能指標-主要參數(shù)如下：1電源電壓2開環(huán)差模電壓增益AUd3共模抑制比KCMR4差模輸入電阻rid5輸入失調(diào)電壓Uos6輸入失調(diào)電壓的溫漂dUos/dT7輸入失調(diào)電流Ios8輸入失調(diào)電流的溫漂dIos/dT9輸入偏置電流IB10最大共摸輸入電壓Uic,max11最大差模輸入電壓Uid,max12-3dB帶寬13單位增益帶寬BWG----fT14轉(zhuǎn)換速率SR(擺率)|duo/dt|max第十二頁，共93頁。6.3線性應用及理想運放模型一、線性應用和非線性應用二、理想運放模型第十三頁，共93頁。6.3線性應用及理想運放模型運放模型分類按精度分類理想模型非理想模型運放宏模型按功能分類直流模型交流小信號模型大信號模型噪聲模型第十四頁，共93頁。6.3線性應用及理想運放模型（續(xù)）運放分析特點：芯片內(nèi)部分析復雜、外部特征特征分析簡單。運放分析內(nèi)容傳輸特性(輸入與輸出信號關系特性)頻域特性時域特性溫度特性噪聲特性……主要分析內(nèi)容第十五頁，共93頁。1.線性應用：運放輸入輸出成線性關系的應用。閉環(huán)應用，如“運算電路”、“有源濾波電路”等。一、線性應用和非線性應用2.非線性應用：運放輸入輸出成非線性關系的應用。開環(huán)應用，如比較器。輸入輸出輸入輸出電壓放大器電壓比較器第十六頁，共93頁。二、理想運放模型1.理想運放的性能1)開環(huán)電壓增益Aud=∞;2)輸入電阻Rid=∞;3)輸出電阻Ro=0;4)頻帶寬度F=∞;5)共模抑制比CMRR=∞;6)失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。主要條件條件較難滿足，可采用專用運放來近似滿足。第十七頁，共93頁。二、理想運放模型（續(xù)）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1）同相端與反相端呈開路狀態(tài)。2）輸出回路為一受控電壓源AUd(U+-U-)，由于輸出電阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想運放模型第十八頁，共93頁。3.線性運用狀態(tài)時主要特征1.理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零，稱虛斷。I+=I-≈02.理想運放的同相和反相輸入端電位近似相等，稱虛短。U+=U-Rid≈∞虛斷虛短在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。虛地如將運放的同相端接地U+=0，則U-=0,即反相端是一個不接“地”的“地”，稱為“虛地”。虛地點對地的電阻為“0”由于理想運放的輸入電阻非常高，輸入端電流近似為0，在分析處于線性狀態(tài)運放時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。U+-U-=Uo/AU≈0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)第十九頁，共93頁。4.飽和工作狀態(tài)時特征（非線性工作狀態(tài)）1)理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零2)當U+>U-時，Uo為正飽和值；當U+<U-時，Uo為負飽和值。I+=I-≈0。

飽和狀態(tài)的運放通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，主要用于數(shù)字電路，比較器電路等。二、理想運放模型（續(xù)）第二十頁，共93頁。6.4基本運算電路一、比例運算電路二、加法器三、減法器四、積分器五、微分器六、對數(shù)方大器七、指數(shù)放大器八、乘、除法器第二十一頁，共93頁。一、比例運算電路1.反相放大電路R1UiUoRfRP-+I1If平衡電阻Rp≈R1//Rf電壓并聯(lián)負反饋由I+=I-≈0（虛斷）I1=IfU+=0∵U+=U-（虛短）∴U-=0虛地點對地的電阻為“0”第二十二頁，共93頁。一、比例運算電路（續(xù)）1.反相放大電路（續(xù)）R1UiUoRfRP-+I1If平衡電阻Rp≈R1//Rf小結(jié)：電路的輸出Uo與輸入Ui呈比例關系，且相位相反，比例因子為Rf/R1

，因此，該電路常用于反相比例運算。Auf只與Rf、R1有關，而與運放的參數(shù)無關。輸入電阻

rif=R1輸出電阻

rof=0電壓增益第二十三頁，共93頁。一、比例運算電路（續(xù)）2.

同相放大電路R2UiUo-+電壓串聯(lián)負反饋∵I-=I+

≈0∵U+=U-rif≈rid≈∞r(nóng)of=0RfR1

小結(jié)：同相放大電路輸出Uo與輸入Ui呈比例關系，且相位相同，比例因子為1+Rf/R1

，因此，該電路常用于同相比例運算。第二十四頁，共93頁。一、比例運算電路（續(xù)）2.同相放大電路（續(xù)）電壓跟隨器R2UiUo-+rif≈rid≈∞,rof=0當Rf=0時，R2UiUo-+RfR1第二十五頁，共93頁。二、加法器RfIfUoRP-+R1U1I1R2U2I2RnUnIn1.反相加法器∵I+=I-≈0→I1+I2+…+In=IfU+=0∵U+=U-∴U-=0……,平衡電阻Rp≈R1//R2//…//Rn//Rf當R1=R2=…=Rn=Rf時，Uo=-(U1+U2+…+Un)第二十六頁，共93頁。2.同相加法器R2U2I2RnUnInIfUoRs-+R1U1I1Rf∵I+=I-≈0→I1+I2+…+In=0∵U+=U-……,二、加法器（續(xù)）第二十七頁，共93頁。2.同相加法器（續(xù)）R2U2I2RnUnInIfUoRs-+R1U1I1Rf

輸出電壓為各輸入電壓按比例相加，比例系數(shù)取決于各回路的電阻，改變一個輸入回路的電阻值將影響K值和其他回路的放大系數(shù)。二、加法器（續(xù)）第二十八頁，共93頁。三、減法器R3R1U1UoRf-+R2U2

運放工作在線性放大時，可用疊加原理來推導輸出表達式。當U2=0時，在輸入信號U1的作用下，產(chǎn)生的輸出為U'o

當U1=0時，在輸入信號U2的作用下，產(chǎn)生的輸出為U''o根據(jù)疊加原理：Uo=U'o+U''o當U1單獨作用時：U'o當U2單獨作用時：U''o第二十九頁，共93頁。R3R1U1UoRf-+R2U2當U1和U2共同作用時：若R1=R2

R3=Rf小結(jié)：當R1=R2，R3=Rf時，減法器的輸出電壓為兩個輸入信號之差乘以放大系數(shù)Rf/R1,故又稱它為差分放大器。2)為減小失調(diào)誤差，需R1//Rf=R2//R3。三、減法器（續(xù)）第三十頁，共93頁。四、積分器Rui(t)

uo(t)-+i

(t)if(t)∵I+=I-≈0→i1(t)=if(t)U+=0可得Ctui(t)Etuo(t)-Uo(sat)積分器的輸出電壓與輸入電壓呈積分關系，積分時間常數(shù)為RC。當ui(t)=E時,uo(t)~t按負斜率下降，最終達到負飽和值?！?/p>

U+=U-，∴

U-=0第三十一頁，共93頁。積分器應用數(shù)學運算波形變換。如將一方波變換成三角波Rui(t)

uo(t)-+i

(t)if(t)C第三十二頁，共93頁。ui(t)tuo(t)t實現(xiàn)波形變換，將一方波變換成三角波積分器應用（續(xù)）第三十三頁，共93頁。Rui(t)

uo(t)-+CRf加入直流反饋Rf的作用：抑制直流漂移，提高控制精度，防止低頻、直流增益過大。積分器應用（續(xù)）Rui(t)

uo(t)-+i

(t)if(t)C第三十四頁，共93頁。五、微分器Rfui(t)

uo(t)-+Cic

(t)∵I+=I-≈0,ic(t)=if(t)∵U+=U-=0if(t)第三十五頁，共93頁。R1的作用是:適當減小放大器高頻增益;抑制高頻噪聲。微分器實用電路微分器應用數(shù)學運算波形變換第三十六頁，共93頁。微分器應用注意：在設計微分器時，元件RfC的乘積受運放最大輸出電壓的限制，即最大輸出電壓Uom滿足第三十七頁，共93頁。六、對數(shù)放大器RUi

Uo(t)-+IiIc原理:利用PN結(jié)結(jié)電壓與電流之間的對數(shù)關系而構成的?！逫+=I-≈0→Ii=Ic∵U+=U-U+=0U-=0由電路可看出：輸出電壓與輸入電壓的關系呈對數(shù)關系；Uo的最大輸出電壓不會超過Ube；溫度穩(wěn)定性差。第三十八頁，共93頁。七、指數(shù)放大器Rui(t)uo(t)-+CRfRfUi

Uo-+IiIf輸出電壓與輸入電壓的關系呈指數(shù)關系;溫度的穩(wěn)定性差.原理:利用PN結(jié)結(jié)電流與電壓之間的指數(shù)關系而構成的。第三十九頁，共93頁。八、乘、除法器（了解內(nèi)容）乘法原理:利用對數(shù)和指數(shù)運算電路可以實現(xiàn)乘法運算電路。對數(shù)運算電路1對數(shù)運算電路2求和運算電路指數(shù)運算電路u11u12uo1uo2uo3uo第四十頁，共93頁。八、乘、除法器（續(xù)，了解）除法原理:利用對數(shù)和指數(shù)運算電路可以實現(xiàn)除法運算電路。對數(shù)運算電路1對數(shù)運算電路2減法運算電路指數(shù)運算電路u11u12uo1uo2uo3uo第四十一頁，共93頁。要求輸出電壓的幅值要小于等于Uom，由此可知，輸出電壓可表示為例:如圖所示積分器，已知輸入矩形波電壓幅值E=1V，T=10ms，運放最大輸出電壓Uom=10V，求電路元件R和C的值。解:可取電阻：R10k；電容：C0.1F

Rui(t)

uo(t)-+CRfui(t)tuo(t)t-EEUomT第四十二頁，共93頁。求圖所示數(shù)據(jù)放大器的輸出表達式，并分析R1的作用。解1：顯然調(diào)節(jié)R1可以改變放大器的增益。例:第四十三頁，共93頁。所以：

顯然調(diào)節(jié)R1可以改變放大器的增益。如放大器AD624等，R1有引線連出，同時有一組R1接成分壓器形式，可選擇連接成多種的R1數(shù)值。解2：vs1和vs2為差模輸入信號，為此vo1和vo2也是差模信號，R1的中點為交流零電位。對A3是雙端輸入放大電路。第四十四頁，共93頁。例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。積分器的輸入和輸出波形第四十五頁，共93頁。6.5電壓比較器一、單門限比較器二、遲滯比較器三、比較器的特點及應用第四十六頁，共93頁。

對兩個輸入電壓進行比較，比較兩個電壓的大小，將比較結(jié)果以高低電平的形式輸出。此功能的運放通常工作在飽和區(qū)。通常將一個輸入電壓固定UR作為參考電壓，另一個輸入電壓Ui與UR比較，結(jié)果由Uo反映。一、單門限比較器單門限比較器：比較器的功能是指只有一個門限電壓的比較器.-+R1UiR2URUoRoDz第四十七頁，共93頁。一、單門限比較器（續(xù)）-+R1UiR2UR當Ui>UR時，輸出應為負飽和值，Uo為低電平-VOL。UoRoDz當Ui≤UR時，輸出為正飽和值，Uo為高電平VOM。-UOLURUoUiUOM輸出電壓被限定在（UZ+UD)原理第四十八頁，共93頁。例:電路如圖(a)所示，當Ui如圖(b)所示時，試畫出Uo及Uo'的波形。圖（a)電路圖(b)波形圖電路一、單門限比較器（續(xù)）第四十九頁，共93頁。二、遲滯比較器-+R1UiR2URUoRf引入正反饋起加速輸出電壓變化UoUiUomUonU2U1原理:當輸出Uo為高電平Uo=Uom時，同相端受到Uom和UR同時作用當Ui≥U1時，輸出將由高電平Uom跳變到低電平Uon。U1稱為上門限電壓，也稱正向閾值電壓。遲滯比較器：具有遲滯回環(huán)特性，輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。第五十頁，共93頁。二、遲滯比較器（續(xù)）-+R1UiR2URUoRfUoUiUomUonU2U1原理:當輸出Uo為低電平Uo=Uon時，同相端受到Uon和UR同時作用當Ui≤U2時，輸出將由低電平Uon跳變到高電平Uom

。U2稱為下門限電壓，也稱負向閾值電壓?！躑1第五十一頁，共93頁。遲滯比較器上門限電壓：下門限電壓：門限寬度：小結(jié)：1.改變基準電壓UR可改變上、下門限電壓U1、

U2

，但不影響門限寬度U。2.改變正反饋系數(shù)R2/(R2+Rf),將影響U和

U1、

U2

。3.Uom、Uon運放的正負飽和電壓，可通過加限幅電路限制其值。UoUiUomUonU2U1第五十二頁，共93頁。三、比較器的特點及應用1.工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。2.開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。3.非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關系。特點：第五十三頁，共93頁。應用：比較器主要用來對輸入波形進行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。正弦波變換為矩形波三、比較器的特點及應用（續(xù)）有干擾正弦波變換為方波第五十四頁，共93頁。6.6波形發(fā)生器一、矩形波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路三、脈沖和鋸齒波發(fā)生電路第五十五頁，共93頁。1.基本組成部分

1)開關電路：輸出只有高電平和低電平兩種情況，稱為兩種狀態(tài)；因而采用電壓比較器。

2)反饋網(wǎng)絡：自控，在輸出為某一狀態(tài)時孕育翻轉(zhuǎn)成另一狀態(tài)的條件。應引入反饋。

3)延遲環(huán)節(jié)：使得兩個狀態(tài)均維持一定的時間，決定振蕩頻率。利用RC電路實現(xiàn)。一、矩形波發(fā)生電路

輸出特點：輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。第五十六頁，共93頁。2.電路組成正向充電：

uO（+UZ）→R→C→地反向充電：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滯回比較器一、矩形波發(fā)生電路（續(xù)）

第五十七頁，共93頁。3.工作原理分析方法：（1）初始態(tài)：

設合閘通電時電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程：

uO↑→up↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，第一暫態(tài)。一、矩形波發(fā)生電路（續(xù)）

up第五十八頁，共93頁。3.工作原理（續(xù)）原理：電容正向充電，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但當uN＝+UT時，再增大uN，uO從+UZ躍變?yōu)?UZ，uP＝-UT，電路進入第二暫態(tài)。原理：電容反向充電，t↑→uN↓，t→∞，uN→-UZ；但當uN＝-UT時，再減小uN

，uO從-UZ躍變?yōu)?UZ，uP＝+UT，電路返回第一暫態(tài)。（2）第一暫態(tài)：uO＝UZ，uP＝+UT。up（3）第二暫態(tài)：uO＝-UZ，uP＝-UT。upuN第五十九頁，共93頁。4.波形分析一、矩形波發(fā)生電路（續(xù)）

第六十頁，共93頁。推導過程（了解）：利用一階RC電路的三要素法列出方程如下：T1第六十一頁，共93頁。推導過程（續(xù)）：T2第六十二頁，共93頁。5.占空比可調(diào)電路

思考題:為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應如何取值？

正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。一、矩形波發(fā)生電路（續(xù)）

T1T2第六十三頁，共93頁。T1占空比可調(diào)電路分析過程：第六十四頁，共93頁。1.電路組成

用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個RC環(huán)節(jié)實際電路將兩個RC環(huán)節(jié)合二而一為什么采用同相輸入的滯回比較器？uO要取代uC，必須改變輸入端。集成運放應用電路的分析方法：化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算。二、三角波發(fā)生電路uC第六十五頁，共93頁。滯回比較器積分運算電路求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素uOH

、uOL

，UT

。二、三角波發(fā)生電路(續(xù)）2.工作原理up1第六十六頁，共93頁。三角波發(fā)生電路的振蕩原理初始態(tài)：合閘通電，通常C上電壓為0。設uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暫態(tài)）；第一暫態(tài)：積分電路反向積分，t↑→uO↓，一旦uO過-UT，uO1從+UZ躍變?yōu)?UZ（第二暫態(tài)）

。第二暫態(tài)：積分電路正向積分，t↑→uO↑，一旦uO過+UT，uO1從-UZ躍變?yōu)?UZ，返回第一暫態(tài)。重復上述過程，產(chǎn)生周期性的變化，即振蕩。

電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，uP1=?up1第六十七頁，共93頁。3.波形分析思考題：如何調(diào)整三角波的幅值和頻率？振蕩中間過程第六十八頁，共93頁。三、鋸齒波發(fā)生電路第六十九頁，共93頁。1.RW的滑動端在最上端和最下端時的波形？2.R3短路時的波形？三、鋸齒波發(fā)生電路（續(xù)）思考題：第七十頁，共93頁。6.7集成運放的其他應用電路一、電壓—電流變換電路二、RC有源濾波器三、測量放大電路四、單電源供電放大電路五、線性穩(wěn)壓電路第七十一頁，共93頁。一、電壓—電流變換電路電流—電壓變換電路IsUo=-IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL電壓—電流變換電路IL=Us/R1第七十二頁，共93頁。1.一階低通有源濾波根據(jù)反相比例運算電路的分析頻率特性截止頻率濾波增益|A|=R2/R1二、RC有源濾波器第七十三頁，共93頁。特性曲線：第七十四頁，共93頁。2.一階高通有源濾波據(jù)反相比例運算電路的分析:頻率特性截止頻率：濾波增益：|A|=R2/R1二、RC有源濾波器（續(xù)）第七十五頁，共93頁。特性曲線:第七十六頁，共93頁。1.

一階低通有源濾波和積分器(有直流負反饋）電路形式相同，工作原理有區(qū)別嗎？思考題目截止頻率濾波增益|A|=R2/R1作為低通源濾波器時：作為積分器時：濾波器強調(diào)頻域特性。積分器強調(diào)時域特性。第七十七頁，共93頁。分析：當信號頻率較低時，信號積分過程可以忽略，輸出失真可忽略。ui(t)tuo(t)t第七十八頁，共93頁。分析：高頻時，輸出嚴重失真，輸出是輸出的積分。ui(t)tuo(t)t第七十九頁，共93頁。2.一階高通有源濾波和微分器實用電路形式相同，工作原理有區(qū)別嗎？思考題目截止頻率：濾波增益：|A|=R2/R1做為高通源濾波器時：做為微分器時：第八十頁，共93頁。分析：高頻時，輸出失真可以忽略。第八十一頁，共93頁。分析：低頻時，輸出嚴重失真，輸出是輸入信號的微分。第八十二頁，共93頁。三、測量放大電路電橋放大器RfRRR

RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非電量測量如壓力，溫度，應變等。RX的阻值隨被測量物體的變化而變，RX=R+R。當RX=R時電橋平衡，Ui=0,Uo=0。當RX產(chǎn)生R變化時，輸出電壓將變化Uo，Uo正比于R。當電阻Rf>>R,且相對變化=R/R<<1時，輸出電壓為：第八十三頁，共93頁。RfRRR

RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R電橋放大器輸出推導：利用疊加原理，第八十四頁，共93頁。四、單電源供電放大電路

集成運放通常采用雙電源供電，其中負電源主要提供差分放大級的發(fā)射極電源（靜態(tài)工作點）。當使用單電源供電時，為保證電路有合適的靜態(tài)點，運放的輸入級由外電路提供偏置電壓。R1UiUoRf-+EcRf-+Ec/2Ec/2Ec/21.直流偏置：兩個偏置電阻分壓，在同相端得到Ec/2的直流偏壓，Uo=Ec/2。2.當Ui輸入交流時，注：Uo中包含有Ec/2的直流電壓，外接負載時，可加隔直電容。RR第八十五頁，共93頁。五、線性穩(wěn)壓電路正電壓可調(diào)電源Uo-+WR2EcR3DZR1調(diào)節(jié)W，可調(diào)節(jié)R2部分的阻值比，改變輸出電壓。第八十六頁，共93頁。