集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

1、第 5 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路，稱為集成電路。集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點(diǎn)少，壽命長(zhǎng)，可靠性高，性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，因此其發(fā)展速度極為驚人。目前集成電路的應(yīng)用幾乎遍及所有產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)品中。在軍事設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器等中都采用了集成電路。集成電路按其功能來(lái)分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類(lèi)繁多，有運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模 / 數(shù)和數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等

2、。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放）是應(yīng)用極為廣泛的一種，也是其他各類(lèi)模擬集成電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此這里首先給予介紹。5.1集成電路與運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)放是模擬集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種，它實(shí)際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大器。之所以被稱為運(yùn)算放大器，是因?yàn)樵撈骷畛踔饕糜谀M計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算的緣故。實(shí)際上，目前集成運(yùn)放的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了模擬運(yùn)算的圍，但仍沿用了運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放）的名稱。集成運(yùn)放的發(fā)展十分迅速。通用型產(chǎn)品經(jīng)歷了四代更替，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷改進(jìn)。同時(shí)，發(fā)展了適應(yīng)特殊需要的各種專用型集成運(yùn)放。第一代集成運(yùn)放以 A

3、709（我國(guó)的 FC3）為代表，特點(diǎn)是采用了微電流的恒流源、共模負(fù)反饋等電路，它的性能指標(biāo)比一般的分立元件要提高。主要缺點(diǎn)是部缺乏過(guò)電流保護(hù)，輸出短路容易損壞。第二代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)六十年代的 A741 型高增益運(yùn)放為代表， 它的特點(diǎn)是普遍采用了有源負(fù)載，因而在不增加放大級(jí)的情況下可獲得很高的開(kāi)環(huán)增益。電路中還有過(guò)流保護(hù)措施。但是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比指標(biāo)不理想。第三代集成運(yùn)放代以二十世紀(jì)七十年代的 AD508 為代表，其特點(diǎn)使輸入級(jí)采用了“超 管”，且工作電流很低。從而使輸入失調(diào)電流和溫漂等項(xiàng)參數(shù)值大大下降。第四代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)八十年代的HA2900 為代表，它的特點(diǎn)是制造工藝達(dá)到大

4、規(guī)模集成電路的水平。 將場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型管兼容在同一塊硅片上， 輸入級(jí)采用 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管，輸入電阻達(dá) 100M 以上，而且采取調(diào)制和解調(diào)措施， 成為自穩(wěn)零運(yùn)算放大器， 使失調(diào)電壓和溫漂進(jìn)一步降低，一般無(wú)須調(diào)零即可使用。目前，集成運(yùn)放和其他模擬集成電路正向高速、高壓、低功耗、低零漂、低噪聲、大功率、大規(guī)模集成、專業(yè)化等方向發(fā)展。除了通用型集成運(yùn)放外，有些特殊需要的場(chǎng)合要求使用某一特定指標(biāo)相對(duì)比較突出的運(yùn)放，即專用型運(yùn)放。常見(jiàn)的專用型運(yùn)放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高壓型、大功率型、高精度型、跨導(dǎo)型、低噪聲型等。模擬集成電路的特點(diǎn)由于受制造工藝的限制，模擬集成電路與分立元件電路相比具

5、有如下特點(diǎn)：1.采用有源器件由于制造工藝的原因，在集成電路中制造有源器件比制造大電阻容易實(shí)現(xiàn)。因此大電阻多用有源器件構(gòu)成的恒流源電路代替， 以獲得穩(wěn)定的偏置電流。 BJT比二極管更易制作， 一般用集 - 基短路的 BJT代替二極管。2.采用直接耦合作為級(jí)間耦合方式由于集成工藝不易制造大電容，集成電路中電容量一般不超過(guò) 100pF ，至于電感，只能限于極小的數(shù)值（ 1 H 以下）。因此，在集成電路中，級(jí)間不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管復(fù)合或組合電路集成電路制造工藝的特點(diǎn)是晶體管特別是BJT 或 FET 最容易制作，而復(fù)合和組合結(jié)構(gòu)的電路性能較好，因此，在集成電路中多采用復(fù)

6、合管（一般為兩管復(fù)合）和組合（共射- 共基、共集 - 共基組合等）電路。集成運(yùn)放的基本組成圖 5-1集成運(yùn)放的組成框圖集成運(yùn)放的類(lèi)型很多，電路也不盡相同，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，其一般的部組成原理框圖如圖 5-1 所示，它主要由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。輸入級(jí)主要由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，以減小運(yùn)放的零漂和其他方面的性能，它的兩個(gè)輸入端分別構(gòu)成整個(gè)電路的同相輸入端和反相輸入端。中間級(jí)的主要作用是獲得高的電壓增益，一般由一級(jí)或多級(jí)放大器構(gòu)成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器（電壓緩沖放大器）或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高運(yùn)放的帶負(fù)載能力和輸出功率。偏置電路則是為各級(jí)提供合適的工作

7、點(diǎn)及能源的。此外，為獲得電路性能的優(yōu)化，集成運(yùn)放部還增加了一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過(guò)載保護(hù)電路和頻率補(bǔ)償電路等。圖5-2集成運(yùn)放的電路符號(hào)a）國(guó)際符號(hào)b）慣用符號(hào)集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖5-2 所示（省略了電源端、調(diào)零端等）。集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端分別稱為同相輸入端uP 和反相輸入端u N；一個(gè)輸出端uo 。其中的“- ”、+“”分別表示反相輸入端 u N 和同相輸入端uP。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 需要了解集成運(yùn)放外部各引出端的功能及相應(yīng)的接法，但一般不需要畫(huà)出其部電路。集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的參數(shù)是否正確、合理選擇是使用運(yùn)放的基本依據(jù)，因此了解其各性能參數(shù)及其意義是十分必要的。集成運(yùn)放的主要參

8、數(shù)有以下幾種。1.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod是指運(yùn)放在開(kāi)環(huán)、線性放大區(qū)并在規(guī)定的測(cè)試負(fù)載和輸出電壓幅度的條件下的直流差模電壓增益（絕對(duì)值） 。一般運(yùn)放的Aod 為 60 120dB ，性能較好的運(yùn)放Aod 140dB 。值得注意的是，一般希望Aod 越大越好，實(shí)際的Aod 與工作頻率有關(guān)，當(dāng)頻率大于一定值后， Aod 隨頻率升高而迅速下降。2.溫度漂移放大器的零點(diǎn)漂移的主要來(lái)源是溫度漂移，而溫度漂移對(duì)輸出的影響可以折合為等效輸入失調(diào)電壓 UIO 和輸入失調(diào)電流 IIO，因此可以用以下指標(biāo)來(lái)表示放大器的溫度穩(wěn)定性即溫漂指標(biāo)。在規(guī)定的溫度圍，輸入失調(diào)電壓的變化量UIO 與引起 UIO 變化的溫度變化量

9、T 之比，稱為輸入失調(diào)電壓 / 溫度系數(shù)U/。U/T越小越好，一般為 ±(10 20) V/ 。IOIO3.最大差模輸入電壓Uid,max這是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間所允許的最大輸入電壓值。若輸入電壓超過(guò)該值，則可能使運(yùn)放輸入級(jí) BJT 的其中一個(gè)發(fā)射結(jié)產(chǎn)生反向擊穿。顯然這是不允許的。 U大一些好，id,max一般為幾到幾十伏。4.最大共模輸入電壓Uic,max這是指運(yùn)放輸入端所允許的最大共模輸入電壓。若共模輸入電壓超過(guò)該值，則可能造成運(yùn)放工作不正常，其共模抑制比KCMR 將明顯下降。顯然，Uic,ma x 大一些好，高質(zhì)量運(yùn)放最大共模輸入電壓可達(dá)十幾伏。5.單位增益帶寬 fTfT

10、 是指使運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod 下降到 0dB（即 Aod =1 ）時(shí)的信號(hào)頻率，它與三極管的特征頻率fT 相類(lèi)似，是集成運(yùn)放的重要參數(shù)。6.開(kāi)環(huán)帶寬fHfH 是指使運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod 下降為直流增益的12 倍（相當(dāng)于3dB）時(shí)的信號(hào)頻率。由于運(yùn)放的增益很高，因此 fH 一般較低，約幾赫茲至幾百赫茲左右（寬帶高速運(yùn)放除外）。7.轉(zhuǎn)換速率SR這是指運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（如矩形波信號(hào)等）時(shí)，其輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即SRduo (t)dtmax轉(zhuǎn)換速率 SR反映運(yùn)放對(duì)高速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)情況，主要與補(bǔ)償電容、運(yùn)放部各管的極間電容、雜散電容等因素有關(guān)。SR 大一些好

11、， SR 越大，則說(shuō)明運(yùn)放的高頻性能越好。一般運(yùn)放 SR 小于 1V/ s，高速運(yùn)放可達(dá)65 V/ s 以上。需要指出的是，轉(zhuǎn)換速率SR是由運(yùn)放瞬態(tài)響應(yīng)情況得到的參數(shù)，而單位增益帶寬fT 和開(kāi)環(huán)帶寬 fH 是由運(yùn)放頻率響應(yīng)（即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）情況得到的參數(shù)，它們均反映了運(yùn)放的高頻性能，從這一點(diǎn)來(lái)看，它們的本質(zhì)是一致的。但它們分別是在大信號(hào)和小信號(hào)的條件下得到的，從結(jié)果看，它們之間有較大的差別。8.最大輸出電壓Uo,max最大輸出電壓Uo,max 是指在一定的電源電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。除上述指標(biāo)外，集成運(yùn)放的參數(shù)還有共模抑制比KCMR、差模輸入電阻Rid、共模輸入電阻Ric、輸

12、出電阻Ro 、電源參數(shù)、靜態(tài)功耗PC 等，其含義可查閱相關(guān)手冊(cè)，這里不再贅述。5.2差動(dòng)放大電路零點(diǎn)漂移集成運(yùn)放電路各級(jí)之間由于均采用直接耦合方式，直接耦合放大電路具有良好的低頻頻率特性，可以放大緩慢變化甚至接近于零頻（直流）的信號(hào)（如溫度、濕度等緩慢變化的傳感信號(hào)），但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即當(dāng)溫度變化或電路參數(shù)等因素稍有變化時(shí)，電路工作點(diǎn)將隨之變化， 輸出端電壓偏離靜態(tài)值 （相當(dāng)于交流信號(hào)零點(diǎn)） 而上下漂動(dòng)， 這種現(xiàn)象稱為“ “零點(diǎn)漂移”，簡(jiǎn)稱“零漂”。由于存在零漂，即使輸入信號(hào)為零，也會(huì)在輸出端產(chǎn)生電壓變化從而造成電路誤動(dòng)作，顯然這是不允許的。當(dāng)然，如果漂移電壓與輸入電壓相比很小，則影響不

13、大，但如果輸入端等效漂移電壓與輸入電壓相比很接近或很大，即漂移嚴(yán)重時(shí)，則有用信號(hào)就會(huì)被漂移信號(hào)嚴(yán)重干擾，結(jié)果使電路無(wú)常工作。容易理解，多級(jí)放大器中第一級(jí)放大器零漂的影響最為嚴(yán)重。如放大器第一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)由于溫度的變化，使電壓稍有偏移時(shí)，第一級(jí)的輸出電壓就將發(fā)生微小的變化，這種緩慢微小的變化經(jīng)過(guò)多級(jí)放大器逐步放大后，輸出端就會(huì)產(chǎn)生較大的漂移電壓。顯然，直流放大器的級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越高，輸出的漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，直接耦合放大電路必須采取措施來(lái)抑制零漂。抑制零點(diǎn)漂移的措施通常采用以下幾種：第一是采用質(zhì)量好的硅管。硅管受溫度的影響比鍺管小得多，所以目前要求較高的直流放大器的前置放大級(jí)幾乎都采用硅

14、管。第二是采用熱敏元件進(jìn)行補(bǔ)償。就是利用溫度對(duì)非線性元件（晶體管二極管、熱敏電阻等）的影響，來(lái)抵消溫度對(duì)放大電路中三極管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的漂移。第三是采用差動(dòng)式放大電路。這是一種廣泛應(yīng)用的電路，它是利用特性相同的晶體管進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)抑制零點(diǎn)漂移的，將在下面介紹。簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路又稱為差分放大器。這種電路能有效的減少三極管的參數(shù)隨溫度變化所引起的漂移，較好地解決在直流放大器中放大倍數(shù)和零點(diǎn)漂移的矛盾，因而在分立元件和集成電路中獲得十分廣泛的應(yīng)用。1.電路組成和工作原理簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路如圖端和兩個(gè)輸出端。其中三極管5-3 所示，它由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大電路構(gòu)成，有兩個(gè)輸入VT1, V

15、T2 的參數(shù)和特性完全相同（如1 =2 =等）， RB1= RB2= RB，RC1= RC2= RC。顯然，兩個(gè)單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓增益等均相同。當(dāng)然，實(shí)際電路總存在一定的差異，不可能完全對(duì)稱，但在集成電路中，這種差異很小。圖 5-3簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路由于兩管電路完全對(duì)稱，因此，靜態(tài)（ui =0 ）時(shí)，直流工作點(diǎn)UC1= UC2 ，此時(shí)電路的輸出 uo= U C1 UC2 = 0（這種情況稱為零輸入時(shí)零輸出）。當(dāng)溫度變化引起管子參數(shù)變化時(shí)，每一單管放大器的工作點(diǎn)必然隨之改變（存在零漂）減小，并保持 UC1 = UC2，即始終有輸出電壓，但由于電路的對(duì)稱性， UC1 和 UC2 同時(shí)增大

16、或 uo =0 ，或者說(shuō)零漂被抑制了。這就是差動(dòng)放大電路抑制零漂的原理。設(shè)每個(gè)單管放大電路的放大倍數(shù)為Au 1，在電路完全對(duì)稱的情況下，有uo1uo2Rc（ 5.1）Au1ui2rbeui1顯然 uo1 = Au1ui1，uo2= Au1 ui2 ，而差動(dòng)放大電路的輸出取自兩個(gè)對(duì)稱單管放大電路的兩個(gè)輸出端之間（稱為平衡輸出或雙端輸出） ，其輸出電壓uo =uo1 uo2=Au1 (ui1- ui2)（5.2）由式（ 5.2）可知，差動(dòng)放大電路輸出電壓與兩單管放大電路的輸入電壓之差成正比，“差動(dòng) ”的概念由此而來(lái)。實(shí)際的輸入信號(hào)（即有用信號(hào)）電壓通常加到兩個(gè)輸入端之間（稱為平衡輸入或雙端輸入），

17、由于電路對(duì)稱，因此兩管的發(fā)射結(jié)電流大小相等、方向相反，此時(shí)若一管的輸出電壓升高，另一管則降低，且有u=uo2，所以 u = u- u=2 u，因此輸出電壓不但不會(huì)為0，反而o1oo1o2o1比單管輸出大一倍。這就是差動(dòng)放大電路可以有效放大有用輸入信號(hào)的原理。u設(shè)有用信號(hào)輸入時(shí)，兩管各自的輸入電壓（參考方向均為b 極指向 e 極）分別用uid1 和id2表示，則有， uid1= u/2 ， u=u/2 ， u = - uid2。iid2iid1顯然， uid1與 uid2 大小相等、極性相反，通常稱它們?yōu)橐粚?duì)差模輸入信號(hào)或差模信號(hào)。而電路的差動(dòng)輸入信號(hào)則為兩管差模輸入信號(hào)之差，即uid = ui

18、d1 - uid2 =2 uid1 = ui 。在只有差模輸入電壓 uid 作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是差動(dòng)輸出電壓uod 。通常把輸入差模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱為差模增益，用Aud 表示，即u od（ 5.3）Auduid顯然，差模增益就是通常的放大器的電壓增益，對(duì)于簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路，有Au dAu Au1Rc（ 5.4）rbe差模增益u d 表示電路放大有用信號(hào)的能力。一般情況下要求| ud| 盡可能大。AA以上討論的是差動(dòng)放大電路如何放大有用信號(hào)的。下面介紹它是如何抑制零漂信號(hào)（即共模信號(hào)）的原理，設(shè)在一定的溫度變化值T 的情況下， 兩個(gè)單管放大器的輸出漂移電壓分別為uoc1 和 u

19、oc2 ，uoc1 和 uoc2 折合到各自輸入端的等效輸入漂移電壓分別為uic1 和 uic2，顯然有uoc1 = uoc2， uic1 = uic2將 uic1 與 uic2 分別加到差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端，它們大小相等，極性相同，通常稱它們?yōu)橐粚?duì)共模輸入信號(hào)或共模信號(hào)。共模信號(hào)可以表示為uic1 = uic2 = uic。顯然，共模信號(hào)并不是實(shí)際的有用信號(hào)，而是溫度等因素變化所產(chǎn)生的漂移或干擾信號(hào)，因此需要進(jìn)行抑制。u當(dāng)只有共模輸入電壓u作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是共模輸出電壓，通常icoc把輸入共模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱為共模增益，用Auc 表示，則Aucu oc（ 5.5）u

20、ic在電路完全對(duì)稱情況下，差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)的uoc=0 ，則 Auc =0共模增益 Au c 表示電路抑制共模信號(hào)的能力。|Auc |越小，電路抑制共模信號(hào)的能力也越強(qiáng)。當(dāng)然，實(shí)際差動(dòng)放大電路的兩個(gè)單管放大器不可能做到完全對(duì)稱，因此Auc 不可能完全等于 0。需要指出的是，差動(dòng)放大電路實(shí)際工作時(shí)，總是既存在差模信號(hào)，也存在共模信號(hào)，因此，實(shí)際的 ui1 和 ui2 可表示為uui1= uic+ uid1u=u + u = uicid1i2icid2由上述二式容易得到：uic =( ui1+ ui2)/2（ 5.6）uid1= - uid2 =( ui1- ui2)/2電路的差模輸入電壓u

21、id=2 uid1 = ui1- ui2 = ui（ 5.7）2.共模抑制比在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，若電路基本對(duì)稱，則對(duì)輸出起主要作用的是差模信號(hào)，而共模信號(hào)對(duì)輸出的作用要盡可能被抑制。為定量反映放大器放大有用的差模信號(hào)和抑制有害的共模信號(hào)的能力，通常引入?yún)?shù)共模抑制比，用KCMR 表示。它定義為AudK CMR（ 5.8a）Auc共模抑制比用分貝表示則為K CMR 20lgAud（ dB）（ 5.8b ）Auc顯然， K越大，輸出信號(hào)中的共模成分相對(duì)越少，電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力就越強(qiáng)。CMR5.2.3射極耦合差動(dòng)放大電路前面所討論的簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路在實(shí)際應(yīng)用中存在以下不足。

22、即使電路完全對(duì)稱， 每一單管放大電路仍存在較大的零漂，在單端輸出 （非對(duì)稱輸出，即輸出取自任一單管放大電路的輸出）的情況下，該電路和普通放大電路一樣，沒(méi)有任何抑制零漂的能力。電路不完全對(duì)稱時(shí)，抑制零漂的作用明顯變差。 每一單管放大電路存在的零漂（即工作點(diǎn)的漂移）可能使它們均工作于飽和區(qū)，從而使整個(gè)放大器無(wú)常工作。采用射極耦合差動(dòng)放大電路可以較好地克服簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的不足，一種實(shí)用的射極耦合差動(dòng)放大電路如圖5-4a 所示，電路中接入- VEE的目的是為了保證輸入端在未接信號(hào)時(shí)基本為零輸入 （ IB, RB 均很小），同時(shí)又給 BJT發(fā)射結(jié)提供了正偏。其中， RC1= RC2= RC，RB1=

23、RB2= RB。由圖 5-4a 可以看出， 射極耦合差動(dòng)放大電路與簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的關(guān)鍵不同之處在于兩管的發(fā)射極串聯(lián)了一個(gè)公共電阻RE（因此也稱為電阻長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路），而正是RE 的接入使得電路的性能發(fā)生了明顯變化。當(dāng)輸入信號(hào)為差模信號(hào)時(shí)，則 ui1= - ui2 = uid 2，因此兩管的發(fā)射極電流iE1 和 iE2 將一個(gè)增大、另一個(gè)同量減小，即流過(guò)RE 的電流 iE = iE1+ iE2 保持不變， RE 兩端的電壓也保持不變（相當(dāng)于交流 iE =0,uE =0 ），也就是說(shuō)，RE 對(duì)差模信號(hào)可視為短路，由此可得該電路的差模交流通路如圖5-4b所示。顯然， RE的接入對(duì)差模信號(hào)的放大

24、沒(méi)有任何影響。當(dāng)輸入（等效輸入）信號(hào)為共模信號(hào)時(shí)，則uic1= uic2 = uic ，因此兩管的發(fā)射極電流iE1 和 iE2將同時(shí)同量增大或減小，相當(dāng)于交流iE1=iE2，即iE= iE1+ iE2=2 iE1， uE=iERE=2 iE1RE。容易看出，此時(shí) RE對(duì)每一單管放大電路所呈現(xiàn)的等效電阻為2RE，由此可得該電路的共模交流通路如圖所示。顯然， RE 的接入對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生了明顯影響，這個(gè)影響就是每一單管放大電路相當(dāng)于引入了反饋電阻為2RE的電流串聯(lián)負(fù)反饋。當(dāng)RE較大時(shí)，單端輸出的共模增益也很低，有效5-4c地抑制了零漂，并穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。由圖 5-4c 可以看出， RE 越大，共模

25、負(fù)反饋越深，可以有效地提高差動(dòng)放大電路的共模抑制比。但由于集成電路制造工藝的限制， RE 不可能很大；另外， RE 太大，則要求負(fù)電源電壓也很高（以產(chǎn)生一定的直流偏置電流） ，這一點(diǎn)對(duì)電路的實(shí)現(xiàn)是不利的。針對(duì)上述問(wèn)題，可以考慮將 RE用直流恒流源來(lái)代替。圖 5-4射極耦合差動(dòng)放大電路a）基本電路b) 差模交流通路d) 共模交流通路5.3 集成運(yùn)放的應(yīng)用集成運(yùn)放應(yīng)用十分廣泛，電路的接法不同，集成運(yùn)放電路所處的工作狀態(tài)也不同，電路也就呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。因此可以把集成運(yùn)放的應(yīng)用分為兩類(lèi)：線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。集成運(yùn)放的線性應(yīng)用在集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路中，集成運(yùn)放與外部電阻、電容和半導(dǎo)體器件等一起構(gòu)成

26、深度負(fù)反饋電路或兼有正反饋而以負(fù)反饋為主。此時(shí)，集成運(yùn)放本身處于線性工作狀態(tài)，即其輸出量和凈輸入量成線性關(guān)系，但整個(gè)應(yīng)用電路的輸出和輸入也可能是非線性關(guān)系。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)或分析過(guò)程中常常把集成運(yùn)放理想化。理想運(yùn)放具有以下理想?yún)?shù)。開(kāi)環(huán)電壓增益 Aod 。差模輸入電阻 rid 。輸出電阻 rod =0 。共模抑制比 K ，即沒(méi)有溫度漂移。CMR開(kāi)環(huán)帶寬H。f轉(zhuǎn)換速率R。S輸入端的偏置電流BN= BP=0 。I I干擾和噪聲均不存在。在一定的工作參數(shù)和運(yùn)算精度要求圍，采用理想運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)或分析的結(jié)果與實(shí)際情況相差很小，誤差可以忽略，但卻大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)或分析過(guò)程。集成運(yùn)放實(shí)際是一種高

27、增益的電壓放大器，其電壓增益可達(dá)4610 10以上。另外其輸入阻抗很高， BJT 型運(yùn)放達(dá)幾百千歐以上， MOS 型運(yùn)放則更高；而輸出電阻較小，一般在幾十歐左右，并具有一定的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，最大可達(dá)幾十到幾百毫安。由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益很高，且通頻帶很低（幾到幾百Hz ，寬帶高速運(yùn)放除外） ，因此當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)時(shí)，均引入外部負(fù)反饋，而且通常為深度負(fù)反饋。由前面關(guān)于深度負(fù)反饋放大器計(jì)算的討論可知，運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的實(shí)際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為 0，相當(dāng)于短路，即u = uN（ 5.9）P但由于兩輸入端之間不是真正的短路，故稱為“虛短”。另外，由于集成運(yùn)放的輸入電阻很高，

28、而凈輸入電壓又近似為0，因此，流經(jīng)運(yùn)放兩輸入端的電流可以近似看成為0，即iIN= iIP=0（ 5.10 ）（以后 iIN 和 iIP 都用 iI 表示， iI=0 ），相當(dāng)于開(kāi)路。但由于兩輸入端間不是真正的開(kāi)路，故稱為“虛斷”。利用“虛短”和“虛斷”的概念可，以十分方便地對(duì)集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路進(jìn)行快速簡(jiǎn)捷地分析。集成運(yùn)放的線性應(yīng)用主要有模擬信號(hào)的產(chǎn)生、運(yùn)算、放大、濾波等。下面首先從基本運(yùn)算電路開(kāi)始討論。1.比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路是運(yùn)算電路中最簡(jiǎn)單的電路，其輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。比例運(yùn)算電路有反相輸入和同相輸入兩種。（ 1）反相輸入比例運(yùn)算電路圖 5-5 所示為反相輸入比例運(yùn)算電路

29、，該電路輸入信號(hào)加在反相輸入端上，輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故得名。在實(shí)際電路中，為減小溫漂提高運(yùn)算精度，同相端必須加接平衡電阻 RP 接地， RP的作用是保持運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路具有良好的對(duì)稱性，減小溫漂提高運(yùn)算精度， 。其阻值應(yīng)為 RP= R1 Rf 。后面電路同理。由于運(yùn)放工作在線性區(qū)，凈輸入電壓和凈輸入電流都為零。圖 5-5反相輸入比例運(yùn)算電路由“虛短”的概念可知，在 P 端接地時(shí)， uP= uN =0 ，稱 N 端為“虛地”。由“虛斷”的概念可知ii= if有uiu oR1Rf該電路的電壓增益AufuoRfuiR1即uoRf u i（ 5.11）R1輸出電壓 uo 與輸入電壓

30、ui 之間成比例（負(fù)值）關(guān)系。該電路引入了電壓并聯(lián)深度負(fù)反饋，電路輸入阻抗（為R1）較小，但由于出現(xiàn)虛地，放大電路不存在共模信號(hào)，對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求也不高，因此該電路應(yīng)用場(chǎng)合較多。值得注意的是，雖然電壓增益只和R 和 R 的比值有關(guān)，但是電路中電阻R 、 RP、R 的取f11f值應(yīng)有一定的圍。若R1 、RP、 Rf的取值太小，由于一般運(yùn)算放大器的輸出電流一般為幾十毫安，若 R1、 RP、 Rf的取值為幾歐姆的話，輸出電壓最大只有幾百毫伏。若R1、 RP、 Rf 的取值太大，雖然能滿足輸出電壓的要求，但同時(shí)又會(huì)帶來(lái)飽和失真和電阻熱噪聲的問(wèn)題。通常取R 的值為幾百歐姆至幾千歐姆。取R 的值為幾

31、千至幾百千歐姆。后面電路同理。1f（ 2）同相輸入比例運(yùn)算電路圖 5-6同相輸入比例運(yùn)算電路圖 5-6 所示為同相輸入比例運(yùn)算電路，由于輸入信號(hào)加在同相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相同，因此將它稱為同相放大器。由“虛斷”的概念可知iP= iN=0 ，由“虛短”的概念可知ui= up = uN 其電壓增益uouoRfAu fuf1uiR1即u o 1Rfui（ 5.12）R1同相輸入電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其輸入阻抗極高，但由于兩個(gè)輸入端均不能接地，放大電路中存在共模信號(hào)，不允許輸入信號(hào)中包含有較大的共模電壓，且對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求較高，否則很難保證運(yùn)算精度。圖 5-6 所示為同相輸入比

32、例運(yùn)算電路中， 若 R1 不接，或 Rf 短路，組成如圖 5-7 所示電路。此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況 ,此時(shí)的同相比例運(yùn)算電路稱為電壓跟隨器。電路的輸出完全跟隨輸入變化。 ui= uP= uN= uo, Au=1 ，具有輸入阻抗大，輸出阻抗小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)和輸出級(jí)。圖 5-7電壓跟隨器2.加法電路電路測(cè)試35：加法電路的測(cè)試（見(jiàn) 9.5）若多個(gè)輸入電壓同時(shí)作用于運(yùn)放的反相輸入端或同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算；若多個(gè)輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。圖 5-8 所示為加法電路，該電路可實(shí)

33、現(xiàn)兩個(gè)電壓uS1 與 uS2 相加。輸入信號(hào)從反相端輸入，同相端虛地。則有：uP= uN =0 ；又有“虛斷”的概念可知 iI=0 ，圖 5-8加法電路因此，在反相輸入節(jié)點(diǎn)N 可得節(jié)點(diǎn)電流方程：uS1uN uS2 uNuN uOR1R2Rf即uS1uS2uOR1R2Rf整理可得uO( Rf uS1Rf uS2 )R1R2若 R1= R2 = Rf ，則上式變?yōu)閡OuS1uS 2（ 5.13 ）實(shí)現(xiàn)了真正意義的反相求和。圖 5-8 所示的加法電路也可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入電壓相加的電路。利用同相放大電路也可以組成加法電路。3.減法電路電路測(cè)試36減法電路（一）的測(cè)試（見(jiàn)9.5）（ 1）減法電路（一

34、）圖 5-9 所示電路第一級(jí)為反相比例放大電路，設(shè) Rf 1= R1，則 uO1 = uS1。第二級(jí)為反相加法電路，圖 5-9減法電路（一）可導(dǎo)出uORf 2 (uO1uS2 )R2（ 5.14 ）Rf 2 (uS1uOuS2 )R2若 R2= Rf 2 ，則式（ 5.14 ）變?yōu)閡OuS1uS2（ 5.15）即實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào) uS1 與 uS2的相減。此電路優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)比較靈活方便。由于反相輸入端與同相輸入端 “虛地 ”，因此在選用集成運(yùn)放時(shí)，對(duì)其最大共模輸入電壓的指標(biāo)要求不高，此電路應(yīng)用比較廣泛。（ 2）減法電路（二）電路測(cè)試37 減法電路（二）的測(cè)試（見(jiàn)9.5）電路如圖5-10 所示。該電路

35、是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。圖 5-10減法電路（二）根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知uP= uN， uI=0 ， iI=0并可得下列方程式：uS1uNuNuO（ 5.16 ）RRfuS2uPuP（ 5.17 ）R2R3利用 uN = uP，并聯(lián)解式（5.16）和式（ 5.17）可得uOR RfR2R3uS2Rf uS1RR3Rf32在上式中，若滿足 R/ R= R / R，則該式可簡(jiǎn)化為uORf ( uS2uS1 )（ 5.18 ）R當(dāng) Rf= R，有uO= uS2- uS1（ 5.19 ）式（ 5.19）表明，輸出電壓u與兩輸入電壓之差（ u- u ）成比例，實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào) u與

36、u的相OS2S1S2S1減。從原理上說(shuō) ,求和電路也可以采用雙端輸入 (或稱差動(dòng)輸入 )方式、此時(shí)只用一個(gè)集成運(yùn)放，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)加法和減法運(yùn)算。但由于電路系數(shù)的調(diào)整非常麻煩，所以實(shí)際上很少采用。如需同時(shí)進(jìn)行加法、通常寧可多用一個(gè)集成運(yùn)放，而仍采用反相求和電路的結(jié)構(gòu)形式。4.積分電路電路測(cè)試38積分電路的測(cè)試（見(jiàn)9.5）圖 5-11積分電路在電子電路中，常用積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，此外，積分運(yùn)算電路還用于延時(shí)、定時(shí)和非正弦波發(fā)生電路中。積分電路有簡(jiǎn)單積分電路、同相積分電路、求和積分電路等。下面重點(diǎn)介紹一下簡(jiǎn)單積分電路。簡(jiǎn)單積分電路如圖 5-11 所示。反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻

37、由電容阻所取代， 便構(gòu)成了積分電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念有：uI=0 ， iI=0 ， i1= i2= uS/ R電流 i2 對(duì) C 進(jìn)行充電， 且為恒流充電 （充電電流與電容C 及電容上電壓無(wú)關(guān)） 。假設(shè)電容C 初始電壓為 0，則uO11i2 dti1 dtCC1u S1（ 5.20）u ORuSdtCRC式（ 5.20）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足積分運(yùn)算要求，負(fù)號(hào)表示它們?cè)谙辔簧鲜窍喾吹摹?RC 稱為積分時(shí)間常數(shù)，記為。實(shí)際的積分器因集成運(yùn)算放大器不是理想特性和電容有漏電等原因而產(chǎn)生積分誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至使積分電路不能正常工作。最簡(jiǎn)便的解決措施是，在電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻Rf，引

38、入直流負(fù)反饋來(lái)抑制上述各種原因引起的積分漂移現(xiàn)象，但RC 的數(shù)值應(yīng)遠(yuǎn)大于積分時(shí)間。f通常在精度要求不高、信號(hào)變化速度適中的情況下，只要積分電路功能正常，對(duì)積分誤差可不加考慮。若要提高精度，則可采用高性能集成運(yùn)放和高質(zhì)量積分電容器。利用積分運(yùn)算電路能夠?qū)⑤斎氲恼译妷?，變換為輸出的余弦電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的移相；將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的變換；對(duì)低頻信號(hào)增益大，對(duì)高頻信號(hào)增益小，當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)增益為零，實(shí)現(xiàn)了濾波功能。5.微分電路電路測(cè)試39微分電路的測(cè)試（見(jiàn)9.5）微分是積分的逆運(yùn)算。將圖 5-12 所示積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構(gòu)成微分電路，微分電路如

39、圖5-12 所示。微分電路選取相對(duì)較小的時(shí)間常數(shù)RC 。圖 5-12微分電路同樣根據(jù)“虛地”和“虛斷”的概念有：uI=0 ， iI=0 ， i1= i2設(shè) t=0 時(shí)，電容 C 上的初始電壓為0，則接入信號(hào)電壓uS 時(shí)有：i1C d u Sd tu Oi 2 RRCdu S（ 5.21 ）d t式（ 5.21）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足微分運(yùn)算的要求。因此微分電路對(duì)高頻噪聲和突然出現(xiàn)的干擾（如雷電）等非常敏感，故它的抗干擾能力較差，限制了其應(yīng)用。6.有源濾波器允許某一部分頻率的信號(hào)順利通過(guò)，而使另一部分頻率的信號(hào)被急劇衰減（即被濾掉）的電子器件稱為濾波器。濾波器可分為按照其功能，又可以

40、分為低通、帶通、高通、帶阻濾波器。圖5-13所示為四種濾波器的幅頻特性。圖中fH 為上限截止頻;fL 為下限截止頻率；f0 為中心頻率， 即通帶和阻帶的中點(diǎn)。圖 5-13四種濾波器的幅頻特性a）低通b)高通a）帶通b) 帶阻濾波器具有“選頻”的功能。在電子通信、 電子測(cè)試及自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常利用濾波器具有“選頻”的功能來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)的處理（用于數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等）。此外，濾波器在無(wú)線電通信、 信號(hào)檢測(cè)和自動(dòng)控制中對(duì)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面也獲得了廣泛應(yīng)用。濾波器可分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩種。一般主要采用無(wú)源元件R, L 和 C 組成的模擬濾波器稱為無(wú)源濾波器；由集成運(yùn)放和R,

41、 C 組成的濾波器稱為有源濾波器。有源濾波器具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又很低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。不過(guò)，有源濾波器的工作頻率不高，一般在幾千赫以下。在頻率較高的場(chǎng)合，常采用LC 無(wú)源濾波器或固態(tài)濾波器。無(wú)源濾波器一般不存在噪聲問(wèn)題，而有源濾波器由于使用了放大器濾波器的噪聲性能就比較突出，信噪比很差的有源濾波器也很常見(jiàn)。因此，使用有源濾波器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：一是濾波器的電阻盡可能小一些，電容則要大一些；二是反饋量盡可能大一些，以減小增益；三是放大器的開(kāi)環(huán)頻率特性應(yīng)該比濾波器的通頻帶要寬。圖 5-14

42、一階 RC 有源低通濾波電路如圖 5-14 所示為一簡(jiǎn)單的一階RC 有源低通濾波電路。該電路在一級(jí)無(wú)源RC 低通濾波電路的輸出端再加上一個(gè)同相比例放大器，使之與負(fù)載很好地隔離開(kāi)來(lái)，由于同相比例放大器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，其帶負(fù)載能力很強(qiáng)，同時(shí)該電路還具有電壓放大作用。集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用在集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路中，運(yùn)放一般工作在開(kāi)環(huán)或僅正反饋狀態(tài)，而運(yùn)放的增益很高，在非負(fù)反饋狀態(tài)下，其線性區(qū)的工作狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，因此主要工作在非線性區(qū)，實(shí)際上這正是非線性應(yīng)用電路所需要的工作區(qū)。電壓比較電路是用來(lái)比較兩個(gè)電壓大小的電路。在自動(dòng)控制、越限報(bào)警、波形變換等電路中得到應(yīng)用。由集成運(yùn)放

43、所構(gòu)成的比較電路，其重要特點(diǎn)是運(yùn)放工作于非線性狀態(tài)。開(kāi)環(huán)工作時(shí)，由于其開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，因此，在兩個(gè)輸入端之間有微小的電壓差異時(shí)，其輸出電壓就偏向于飽和值；當(dāng)運(yùn)放電路引入適時(shí)的正反饋時(shí)，更加速了輸出狀態(tài)的變化，即輸出電壓不是處于正飽和狀態(tài)（接近正電源電壓+ VCC），就是處于負(fù)飽和狀態(tài)（接近負(fù)電源電壓- V ）。處于運(yùn)放電壓傳輸特性的非線性區(qū)。由此可見(jiàn)，分析比較電路時(shí)應(yīng)注意： 比較器中的運(yùn)放，“虛短”的概念不再成立，而“虛斷”的概念依然成立。 應(yīng)著重抓住輸出發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值來(lái)分析其輸入輸出關(guān)系，畫(huà)出電壓傳輸特性。電壓比較器簡(jiǎn)稱比較器，它常用來(lái)比較兩個(gè)電壓的大小，比較的結(jié)果（大或?。┩?/p>

44、常由輸出的高電平 U或低電平 UOL來(lái)表示。OH1.簡(jiǎn)單電壓比較器電路測(cè)試 40簡(jiǎn)單電壓比較器的測(cè)試（見(jiàn)9.5）簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路如圖5-15a所示，它將一個(gè)模擬量的電壓信號(hào)uI和一個(gè)參考電壓 UREF相比較。模擬量信號(hào)可以從同相端輸入，也可從反相端輸入。圖5-15a 所示的信號(hào)為反相端輸入，參考電壓接于同相端。圖 5-15簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路a）電路b)傳輸特性當(dāng)輸入信號(hào) uIUREF，輸出即為高電平uO= UOH （+ VCC）當(dāng)輸入信號(hào) u U，輸出即為高電平u = U （ - V）IREFOOL顯然，當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，表示輸入電壓uI 比參考電壓UREF ??；反之當(dāng)輸出為低電平時(shí)，則表示輸入電壓uI 比參考電壓 UREF大。根據(jù)上述分析，可得到該比較器的傳輸特性如圖5-15b中實(shí)線所示?？梢钥闯?，傳輸特性中的線性放大區(qū)（MN 段）輸入電壓變化圍極小，因此可近似認(rèn)為MN 與橫軸垂直。通常把比較器的輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)對(duì)應(yīng)