第4講 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用

第4講

集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

4.1集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的基本組成部分

1、集成運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)低漂移，高共模抑制比，高輸入阻抗及低偏置電流。一般采用差分放大電路。電壓放大級(jí)又稱中間級(jí)，完成電壓放大。為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復(fù)合管做放大管，用恒流源做有源負(fù)載。

輸出級(jí)有一定的帶負(fù)載能力（即輸出電阻小）和一定的輸出電壓及電流動(dòng)態(tài)范圍。因此輸出級(jí)多采用射極輸出器、互補(bǔ)對(duì)稱電路。偏置電路設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般采用鏡像電流源。2、集成運(yùn)算放大器符號(hào)國(guó)內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)電壓增益高輸出電阻小輸入電阻大反相輸入端同相輸入端輸出端國(guó)際符號(hào)：＋－u-u+uo反相輸入端同相輸入端輸出端“反相”是指輸出電壓與輸入電壓相位相反；“同相”是指輸出電壓與輸入電壓相位相同。AB3、通用型集成運(yùn)放F007AB分析：偏置電路T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過(guò)T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置。

輸入級(jí)其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。T1

、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路中間級(jí)

T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。

T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。

輸出級(jí)

相位分析用“瞬時(shí)極性法”判定，3號(hào)腿為同相端；2號(hào)腿為反相端。4、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)(1)

開環(huán)差模增益Aod用分貝（dB）表示，其分貝數(shù)為。(2)差模輸入電阻輸入差模信號(hào)時(shí)，集成運(yùn)放的輸入電阻。(3)共模抑制比

差模電壓增益與共模電壓增益之比，(4)輸入失調(diào)電壓輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。(5)輸入失調(diào)電壓溫漂(6)輸入失調(diào)電流在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，(7)輸入失調(diào)電流的溫漂(8)輸入偏置電流輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值(9)最大差模輸入電壓

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。(10)最大共模輸入電壓

(11)帶寬和單位增益帶寬是在高頻段下降時(shí)的帶寬。是下降到零分貝時(shí)的信號(hào)頻率。(12)轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。5、特殊集成運(yùn)算放大器差模輸入電阻往往大于，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級(jí)。如5G28、LF356、AD515、LF0052等。高輸入阻抗型高精度、低漂移型一般要求，，如LH0044、AD707、OP-77、OPA177、ICL7650、AD508、OP-27等。高速型轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏∕微秒，單位增益帶寬BW>10MHZ。如uA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。低功耗型功耗為微瓦數(shù)量級(jí)。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。如CA3078、uPC253、ICL7641等。

大功率型電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。如LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。6、理想運(yùn)算放大器技術(shù)指標(biāo)輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流以及它們的溫漂為零；輸入偏置電流為零等。開環(huán)差模增益；差模輸入電阻；共模抑制比；輸出電阻；-3dB帶寬；線性工作區(qū)的特點(diǎn)u+=u-

“虛短路”：“虛斷路”：i+=i-=0

非線性工作區(qū)的特點(diǎn)非線性工作區(qū)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：（1）輸出電壓uo的值只有兩種可能：當(dāng)u+>u-時(shí)，uo=UoH；當(dāng)u+<u-時(shí)，uo=UoL（2）理想運(yùn)放的輸入電流等于零，即i+=i-=0。

4.2集成運(yùn)放的基本應(yīng)用1、比例運(yùn)算電路

反相比例運(yùn)算電路

反相比例運(yùn)算電路

根據(jù)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：“虛短路”“虛斷路”由，可知，所以又，故根據(jù)定義，可得輸入電阻輸出電阻深度電壓反饋，且特點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)為共模輸入電壓等于零，即；輸入電阻小，；常用于信號(hào)的相位倒相或極性轉(zhuǎn)換電路。同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路

由“虛短”和“虛斷”的概念知，而“虛斷”的特點(diǎn)有，，因此電路中引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，則輸入阻抗很高（接近理想運(yùn)放的共模輸入阻抗）特點(diǎn)：，輸出阻抗很低，共模輸入電壓不等于零，即

；常用于前置放大電路。若（短路），

（開路），則電路圖如下構(gòu)成了電壓跟隨器，其跟隨特性比射極輸出器好。電壓跟隨器

2、加法電路反相加法器反相加法器實(shí)際應(yīng)用：伴音電路混合前置放大器同相加法器其中，輸出電壓uo與輸入電壓之和成正比例，可完成同相加法功能。同相加法器減法電路減法器為保證運(yùn)放的兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，并消除共模信號(hào)，通常要求兩輸入端電阻嚴(yán)格匹配，即滿足則輸出電壓為

當(dāng)

時(shí)，有電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；存在兩個(gè)缺點(diǎn)：②對(duì)于每個(gè)信號(hào)源來(lái)說(shuō)，輸入電阻較小；①電阻的選取和調(diào)整不方便；在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用兩級(jí)電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算，該電路具有很高的輸入阻抗，如圖所示。高輸入阻抗的減法器推導(dǎo)得當(dāng)時(shí)，則

對(duì)每個(gè)信號(hào)源，輸入阻抗近似為同相輸入端對(duì)地的共模輸入電阻，即全加器全加器電路如圖所示，若則根據(jù)運(yùn)放的特性可以得到:全加器3、積分電路基本積分器波形變換電路功能：波形變換正弦波余弦波方波三角波兩種常用積分波形變換同相輸入積分電路4、微分電路微分器波形變換電路功能：波形變換5、恒流源電路根據(jù)運(yùn)放的工作特點(diǎn)知:當(dāng)參考電源為恒定值時(shí)，不隨而變化，常用于光—電轉(zhuǎn)換電路。恒流源電路6、窗口比較器窗口比較器是由兩個(gè)比較器組成，通過(guò)設(shè)定窗口電壓的值，判斷輸入電壓是否介于窗口內(nèi)。電壓比較器電壓比較器時(shí)，；時(shí)，電壓比較器的電壓傳輸特性窗口比較器窗口比較器窗口比較器的電壓傳輸特性當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；7、遲滯比較器運(yùn)放構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其傳輸特性電路結(jié)構(gòu)傳輸特性遲滯比較器又稱施密特觸發(fā)器，圖中R1、R2構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)，輸出只有兩個(gè)狀態(tài)：UOH和UOL。(1)設(shè)，則經(jīng)R1、R2分壓后，反饋電壓

稱為上門限電壓;當(dāng)時(shí)，輸出端就始終保持在高電平狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，輸出端由高電平

跳變到低電平;(2)設(shè)，則經(jīng)R1、R2分壓后，反饋電壓

稱為下門限電壓;當(dāng)時(shí)，輸出端就始終保持在低電平狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，輸出端由低電平

跳變到高電平;圖(b)示電路的傳輸特性曲線。常將上門限電壓與下門限電壓之差稱為回差。單門限電壓比較器抗干擾模型遲滯比較器抗干擾模型

作業(yè)1、已知直流電壓Vi1=-0.2伏，Vi2=-0.4伏，設(shè)計(jì)一個(gè)求解二元一次方程組的運(yùn)算電路：2、第4版教材P74：4.4.4題（寫出分析過(guò)程，重點(diǎn)解釋“精密”二字）y=2x+42y=2-x8、非正弦波發(fā)生器(a)方波、(b)矩形波、(c)三角波、(d)鋸齒波波形示意圖

方波發(fā)生器電路組成與工作原理方波產(chǎn)生電路(a)電路結(jié)構(gòu)(b)波形變換電路結(jié)構(gòu)：反相型施密特觸發(fā)器和RC支路；工作原理由施密特觸發(fā)器可知，本例中其上、下門限電壓為

輸出電壓時(shí)，電容C開始充電。當(dāng)時(shí)，輸出電壓發(fā)生躍變，即

輸出電壓時(shí)，電容C開始放電。當(dāng)時(shí)，輸出電壓發(fā)生躍變，即

電容C又開始充電過(guò)程，這樣周而復(fù)始形成自激振蕩，輸出方波。主要參數(shù)方波的周期T：如果，則方波的周期T為

放電時(shí)間：充電時(shí)間：矩形波發(fā)生器電路組成與工作原理圖2.48

矩形波產(chǎn)生電路(a)電路結(jié)構(gòu)(b)波形變換電路結(jié)構(gòu)：二極管VD1和VD2隔離了RC充放電回路；工作原理電容C的充電回路：二極管、電阻、、主要參數(shù)方波的周期T：電容C的放電回路：二極管、電阻、電容；充電時(shí)間：放電時(shí)間：如果，則占空系數(shù)為三角波與鋸齒波發(fā)生器圖2.49三角波與鋸齒波(a)三角波(b)鋸齒波，鋸齒波：基本原理：用恒定的電流給電容器充電或放電?；镜碾娐方Y(jié)構(gòu)圖2.50恒定電流充放電構(gòu)成三角波發(fā)生器三角波：三角波發(fā)生器圖2.51三角波發(fā)生器及其波形A1：同相型施密特觸發(fā)器，輸出電壓；A2：構(gòu)成反相積分器，輸出電壓為三角波；A1和A2構(gòu)成閉環(huán)正反饋電路，產(chǎn)生自激振蕩。同相型施密特觸發(fā)器A1的上、下門限電壓分別為工作原理：，UD和UZ分別為穩(wěn)壓管的正向?qū)妷号c反向擊穿電壓。根據(jù)施密特觸發(fā)器的特性知當(dāng)時(shí)，就會(huì)突跳到高電平；當(dāng)時(shí)，就會(huì)突跳到低電平；主要參數(shù)：三角波的峰-峰值三角波的周期為低電位時(shí)的時(shí)間T1:為高電位時(shí)的時(shí)間T2:a：的分壓系數(shù)；結(jié)論：改變分壓系數(shù)a和積分時(shí)間常數(shù)RC可以調(diào)節(jié)振蕩周期（或頻率），卻不改變輸出的幅值。通常用RC作頻率量程切換，RW作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。改變電阻比，可以調(diào)節(jié)三角波的峰-峰值，但會(huì)影響振蕩周期；鋸齒波發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)圖2.52鋸齒波發(fā)生器及其波形

三角波與鋸齒波比較：占空比不同；電路特點(diǎn)：積分器的充放電回路不同，改變充放電時(shí)間常數(shù)，可調(diào)節(jié)占空比；工作原理A1：同相型施密特觸發(fā)器，功能與性能與三角波發(fā)

生電路完全相同。

A1輸出為正時(shí)，即積分器的輸入為正，積分時(shí)間

常數(shù)為；

A1輸出為負(fù)時(shí)，即積分器的輸入為負(fù)，積分時(shí)間常數(shù)為；主要參數(shù)鋸齒波的周期T：鋸齒波發(fā)生器的積分時(shí)間分別為占空系數(shù)q為

結(jié)論：改變電位器的分壓系數(shù)a或積分電容C，可以調(diào)節(jié)振蕩周期T；改變比值可調(diào)節(jié)占空系數(shù)q，但同時(shí)也會(huì)影響振蕩周期T。9、正弦波發(fā)生器電路框圖圖2.53正弦波發(fā)生器電路框圖

：正反饋和選頻；：起振和幅度放大；根據(jù)起振條件，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足，即，為整數(shù)；文氏橋正弦波發(fā)生器圖2.54文氏橋正弦波發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)

放大電路：構(gòu)成主通道放大器；正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)：并聯(lián)支路和串聯(lián)支路相串聯(lián)構(gòu)成；工作原理選頻網(wǎng)絡(luò)放大電路根據(jù)自激振蕩的條件，則要求相位條件幅度條件由相位條件求出振蕩頻率為由幅度條件求出兩個(gè)通道各元件之間的關(guān)系為通常選取，則其頻率為而。注意事項(xiàng)起振：要求，即；穩(wěn)幅措施：熱敏電阻穩(wěn)幅、場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅等；2.3集成功率放大器及應(yīng)用1、LM386集成功率放大器

LM386的特點(diǎn)

輸入阻抗為50k，頻帶寬度300kHz；電壓增益可在20～200范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；電源電壓范圍為4～15V，適宜電池供電；

8腳DIP封裝；

8W負(fù)載時(shí)最大輸出功率為325mW；

LM386的典型應(yīng)用

方案1：最小增