直接耦合放大電路與集成運算放大器

1、 第第 9 章章 直接耦合放大電路和集成運算放大器直接耦合放大電路和集成運算放大器 9.1 直接耦合放大電路直接耦合放大電路 9.2 集成電路基本知識集成電路基本知識 9.3 集成運算放大器的結(jié)構(gòu)和指標集成運算放大器的結(jié)構(gòu)和指標 9.4 集成運放的應(yīng)用基礎(chǔ)集成運放的應(yīng)用基礎(chǔ) 9.5 集成運放在信號運算方面的應(yīng)用集成運放在信號運算方面的應(yīng)用 9.6 信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路 9.7 集成運放的非線性應(yīng)用集成運放的非線性應(yīng)用電壓比較器電壓比較器 9.8 專用集成電路專用集成電路返回主目錄第第 9 章章 直接耦合放大電路和直接耦合放大電路和 集成運集成運算放大器算放大器 9.1 直接耦合放大電路直接

2、耦合放大電路 在測量儀表和自動控制系統(tǒng)中，常常遇到一些變化緩慢的低頻信號（頻率為幾赫茲至幾十赫茲，甚至接近于零）。采用阻容耦合或變壓器耦合的放大電路是不能放大這種信號的。 因為在阻容耦合電路中，電容對這些信號呈現(xiàn)的阻抗極大， 信號被電容隔斷，無法傳輸?shù)较乱患?。而在變壓器耦合的電路? 信號將被變壓器原邊線圈的低阻所短路，也無法耦合到副邊去。因此，放大這類變化緩慢的信號，只能用直接耦合放大電路。 一、直接耦合放大電路的零點漂移問題一、直接耦合放大電路的零點漂移問題 與阻容耦合的放大電路相比，直接耦合放大電路突出的問題就是零點漂移問題。 從實驗中可以發(fā)現(xiàn)，對于兩級以上的耦合放大電路，即使在輸入端不

3、加信號（即輸入端短路），輸出端也會出現(xiàn)大小變化的電壓，如圖 9-1 所示。這種現(xiàn)象稱作零點漂移，簡稱零漂。 級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零漂現(xiàn)象越嚴重。 嚴重的零點漂移將使放大電路不能工作。 以圖 9 -1 電路為例，放大電路的總放大倍數(shù)為300。當輸入端短路時，觀察其輸出電壓， 在半小時內(nèi)出現(xiàn)了0.5V的漂移。 圖 9 1 零點漂移現(xiàn)象V1ui0V2uo1Ouo2Ottuo2 若用這個放大電路放大一個2mV的信號，則應(yīng)有Uo=210-3300 =0.6V的輸出。但是，由于零漂的存在，輸出端實際輸出可達1.1V，而不是0.6 V。因此無法區(qū)分信號電壓與漂移電壓。 引起零漂的原因很多，如電源電壓波動

4、、溫度變化等， 其中以溫度變化的影響最為嚴重。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時， 晶體管的、ICBO 、UBE隨溫度而變。這些參數(shù)變化造成的影響，相當于在輸入端加入信號，使輸出電壓發(fā)生變化。 在阻容耦合電路中，各級的零漂被限制在本級內(nèi)，所以影響較小。而在直接耦合電路中，前一級的零漂電壓將毫無阻攔地傳遞到下一級，并逐級放大，所以第一級的零漂影響最為嚴重。抑制零漂，應(yīng)著重在第一級解決。 減小零漂常用的一種方法，是利用兩只特性相同的三極管， 接成差動式電路。這種電路在模擬集成電路中作為基本單元而被廣泛采用。 二、差動放大電路二、差動放大電路 差動放大電路又稱差動電路，它能比較完善地抑制零點漂移，常用于要求較高的

5、直流放大電路中。差動電路又是當今集成電路的主要單元結(jié)構(gòu)。 1. 電路組成和抑制零漂原理電路組成和抑制零漂原理 圖 9 -2 所示電路為典型的差動放大電路。兩側(cè)的三極管電路完全對稱。即：Rc1= Rc2，Rb1=Rb2，三極管V1和V2的參數(shù)相同， 兩管的射極相連并接有公共的射極電阻Re，由兩組電源 +UCC和 -UEE供電。 圖 9 2 差動放大電路Rc1Rc2uodRb1Rb2 UCCRe UEEuo1uo2V1V2ui1ui2uid 由于三極管V1和三極管V2參數(shù)完全相同且電路對稱，因而在靜態(tài)時，Ui=0，三極管集電極電壓 Uc1 = Uc2，Uo=Uc1-Uc2=0，實現(xiàn)了零輸入、零輸出

6、的要求。 如果溫度升高，Ic1和Ic2同時增大，Uc1和Uc2同時下降， 兩管集電極電壓變化量相等。所以Uo=Uc1-Uc2=0，輸出電壓仍然為零，這就說明，零點漂移因為電路對稱而抵消了。 2. 差模信號和差模放大倍數(shù)差模信號和差模放大倍數(shù) 在圖9- 2中，輸入信號uid分成幅度相同的兩個部分：ui1和ui2，它們分別加到兩只三極管的基極。由圖看出：ui1和ui2極性（或相位）相反。 這種對地大小相等、極性（或相位）相反的電壓信號叫差模信號， 用uid表示為 uid=ui1-ui2 (9 -1)差模信號就是待放大的有用信號。在它的作用下，一只三極管內(nèi)電流上升，另一只管內(nèi)電流下降，于是輸出端將有

7、電壓輸出。所以差動放大電路對差模信號能進行放大。 設(shè)差動放大電路單側(cè)的放大倍數(shù)為A1，由于電路對稱， idOidOUAUUAU)21(,211211所以輸出電壓 Uod=Uo1-Uo2=A1Uid差動放大電路的電壓放大倍數(shù)為bebCiidOddrRRAUUA（注意：Uo1、Uo2、Uid、Uo均為電壓有效值。 ） 式（9 -2）說明：差動式放大電路（兩管）的電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的放大倍數(shù)相同。差動電路的特點是多用一個放大管來換取對零漂的抑制。 3. 共模信號和共模抑制比共模信號和共模抑制比KCMRR 在差動電路中，如果兩輸入端同時加一對對地大小相等、 極性（或相位）相同的信號電壓，這種信

8、號叫共模信號，用uic表示，uic=uic1=uic2。 共模信號是無用的干擾或噪聲信號。零漂信號便是一種共模信號。 差動放大電路由于電路對稱，當輸入共模信號時，uic1=uic2，三極管V1和三極管V2各電量同時等量變化，輸出端uoc1=uoc2，所以共模輸出uoc=uoc1-uoc2=0，表明差動電路對共模信號無放大能力，這反映了差動電路抑制共模信號的能力。 為了表示一個電路放大有用的差模信號和抑制無用的共模信號的能力，引用了一個叫抑制比的指標KCMRR，它定義為 KCMRR= (9 -3)其中, Ad為差模信號放大倍數(shù)，Ac為共模信號放大倍數(shù)KCMRR對理想的差動放大電路為無窮大, 對實

9、際差動電路， KCMRR愈大愈好。 cdAA9.2 集成電路基本知識集成電路基本知識 1959年美國德克薩斯儀器公司的仙童半導(dǎo)體公司成功地制造了世界上第一塊集成電路。40余年來，集成電路的制造技術(shù)飛速發(fā)展。集成電路的發(fā)明，是電子技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。 一、什么是集成電路一、什么是集成電路 前面講述的放大電路均是由彼此相互分開的三極管、二極管、電阻、電容等元件，借助導(dǎo)線或印刷電路連接成的一個完整的電路系統(tǒng)，稱之為分立元件電路。 利用半導(dǎo)體三極管常用的硅平面工藝技術(shù)，把組成電路的電阻、電容、二極管、三極管及連接導(dǎo)線同時制造在一小塊硅片上，便成為一塊集成電路，其對外部完成某一電路的功能。 集

10、成電路出現(xiàn)后， 以其體積小、重量輕、可靠性高、組裝和調(diào)試工作量小等一系列優(yōu)異性能，在科學技術(shù)各個部門得到了普遍的推廣使用。目前，各類集成電路已在計算機、國防科技及儀器儀表、通訊、廣播電視等領(lǐng)域廣泛使用。 二、集成電路的結(jié)構(gòu)特點二、集成電路的結(jié)構(gòu)特點 圖 9 -3 是半導(dǎo)體硅片集成電路放大了的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 集成電路把小硅片電路及其引線封裝在金屬或塑料外殼內(nèi)， 只露出外引線。 集成電路看上去是個器件，實際上又是個電路系統(tǒng)，它把元器件和電路一體化了，單片計算機系統(tǒng)就是一個典型例子。 因此，集成電路又叫固體電路。 從圖 9 -3 集成電路剖面結(jié)構(gòu)圖來看， 集成電路在結(jié)構(gòu)上有以下三個特點。 (1)

11、使用電容較少， 不用電感和高阻值電阻。 在硅片上制成一個元件的成本與它在硅片上占據(jù)的面積成正比。電感元件、較大阻值的電阻和高值電容都會占用較大面積的硅片，因此，在集成電路中盡量較少使用電容元件，不用電感和高阻值電阻。 (2) 大量使用三極管作為有源單元。 三極管占據(jù)單元面積小且成本低廉，所以在集成電路內(nèi)部用量最多。三極管單元除用作放大以外，還大量用作恒流源或作為二極管、穩(wěn)壓管使用，如圖 9- 3 中的二極管V1和V2 。 圖 9 3 集成電路剖面結(jié)構(gòu)示意圖 (3) 電路元件間的絕緣采用反偏的PN結(jié)隔離槽或二氧化硅絕緣層。 在圖 9 -3 中，P型襯底往往接在電路的最低電位，元件間的P型隔離槽也

12、接向這個低電位。這樣無形中構(gòu)成了許多反偏的PN結(jié)，呈現(xiàn)出高達幾十兆歐姆的電阻，巧妙地把各元件隔離起來。此外，也可用二氧化硅薄層作為絕緣層。 三三 、集成電路的外形封裝、集成電路的外形封裝 圖 9 -4 中為半導(dǎo)體集成電路的幾種封裝形式。 圖(a)為金屬圓殼式封裝，采用金屬圓筒外殼，類似于一個多管腳的普通晶體管，但引線較多，有8、12、14根引出線。 圖（b）是扁平式塑料封裝，用于要求尺寸微小的場合，一般有14、18、24根引出線。 圖（c）是雙列直插式封裝，它的用途最廣。 圖9-4 半導(dǎo)體集成電路外形圖 其外殼用陶瓷或塑料，通常設(shè)計成2.5 mm的引線間距， 以便與印刷電路板上的標準件插孔配合

13、。 對于集成功率放大器和集成穩(wěn)壓電源等，還帶有金屬散熱片及安裝孔。封裝引線有14、18、24根等。 圖（d）為超大規(guī)模集成電路的一種封裝形式，外殼多為塑料，四面都有引出線。 五、集成電路的分類五、集成電路的分類 集成電路的品種很多， 按其產(chǎn)品大致可分為：TTL， HTL，ECL，PMOS， NMOS， CMOS，集成運算放大器，集成穩(wěn)壓電源，時基電路，功放、寬帶放大、射頻放大等其它線性電路，接口電路，電視機、音響、收錄機等專用電路以及敏感型集成電路等13種。 集成電路按其功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。數(shù)字集成電路用于產(chǎn)生、變換和處理各種數(shù)字信號（所謂數(shù)字信號，是指幅度隨時間作不連

14、續(xù)變化，只有高、 低兩種電位的信號）。模擬集成電路用于放大變換和處理模擬信號（所謂模擬信號，是指幅度隨時間作連續(xù)變化的信號）。 模擬集成電路又稱線性集成電路。 集成電路還可按單片上能集成的元器件數(shù)目（即集成度）分成小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、大規(guī)模（LSI）和超大規(guī)模（VLSI）集成電路。 這里應(yīng)當指出，在模擬集成電路中，由于內(nèi)部有源器件工作狀態(tài)復(fù)雜，制造難度大，所以一般能在單片上集成100個以上的元器件，就稱為大規(guī)模集成電路了。這點是與數(shù)字電路的集成度數(shù)量有很大差別的。 9.3 集成運算放大器的結(jié)構(gòu)和指標集成運算放大器的結(jié)構(gòu)和指標 集成運算放大器（簡稱集成運放）是模擬集成電路中品種最

15、多、應(yīng)用最廣泛的一類組件，它幾乎可以實現(xiàn)以往各種由分立元器件組成的模擬電子電路的功能。集成運放在發(fā)展初期主要用來實現(xiàn)模擬運算功能，后來成為像三極管一樣的通用器件， 因其高增益（高放大倍數(shù)）、高可靠性、低成本和小尺寸等優(yōu)越的性能而被廣泛地應(yīng)用在電路與系統(tǒng)的各個領(lǐng)域中，被稱為“萬用器件”、 “萬能放大器件”等。 一、集成運放的結(jié)構(gòu)特點一、集成運放的結(jié)構(gòu)特點 1. 集成運放的特點集成運放的特點 作為一個電路元件，集成運放是一種理想的增益器件，它的放大倍數(shù)可達104107。集成運放的輸入電阻從幾十千歐到幾十兆歐，而輸出電阻很小，僅為幾十歐姆，而且在靜態(tài)工作時有零輸入、零輸出的特點。 2. 集成運放內(nèi)部

16、的電路組成集成運放內(nèi)部的電路組成 集成運放品種很多，但它們內(nèi)部都是一個直接耦合的多級放大電路。和分立電路相似，集成運放內(nèi)部電路可分為輸入級、 中間級、輸出級和偏置電路四部分，如圖 9 -5 所示。 圖 9 5 集成運放結(jié)構(gòu)方框圖 信號中間級輸出級輸出偏置電路輸入級 輸入級是具有恒流源的差動放大電路， 用于消除零漂。 中間級一般由一級共射極放大電路（或共源極放大電路）或組合放大電路組成， 用以提供高的電壓放大倍數(shù)。 輸出級大多為互補推挽電路， 并附有安全保護電路。 偏置電路采用恒流源電路， 為各級電路設(shè)置穩(wěn)定的直流偏置。 3. 集成運放的外部引出端子集成運放的外部引出端子 集成運放的外部引出端子

17、有輸入端子、輸出端子、連接正負電源的電源端子、失調(diào)調(diào)整端子、相位校正用的相位補償端子、公共接地端子和其他附加端子。圖 9- 6 給出了集成運放F007 的外引線圖，圖中包括輸入端子、輸出端子、電源端子和失調(diào)調(diào)整端子。對于不同的產(chǎn)品，其外部引出端子的排列可以從產(chǎn)品說明書上查閱。 本書的附錄示出了常用的一些國產(chǎn)集成運放的引線排列圖，供使用時參考。 二、集成運放的主要性能指標二、集成運放的主要性能指標 集成運放的性能指標比較多，具體使用時要查閱有關(guān)的產(chǎn)品說明書或資料。下面簡單介紹幾項主要的性能指標。 圖 9 6 集成運放F007 的外引線圖 1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UOS 當輸入電壓為零時，為

18、了使輸出電壓也為零，兩輸入端之間所加的補償電壓稱輸入失調(diào)電壓UOS。它反映了差放輸入級不對稱的程度。UOS值越小，說明運放的性能越好。通用型運放的UOS為毫伏數(shù)量級，好的可小于1mV，差的達10mV左右。 2. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IOS 當集成運放輸出電壓uo =0 時，流入兩輸入端的電流之差： IOS=IB1-IB2|就是輸入失調(diào)電流, 如圖 9- 7 所示。IOS反映了輸入級電流參數(shù)（如）的不對稱程度, IOS越小越好。通用型運放的IOS為納安(nA) 數(shù)量級，好的可小于1nA，差的可大到5A。 圖 9- 7 輸入失調(diào)電流uo0IB1IB2 3. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大

19、倍數(shù)Aod 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)指運放未外接反饋電路時的空載電壓放大倍數(shù)。Aod是決定運放精度的重要因素，其值越大越好。 通用型運放的Aod一般在103107范圍。 4. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid 差模信號輸入時，運放開環(huán)（無反饋）輸入電阻一般在幾十千歐到幾十兆歐范圍。理想運放 rid=。 5. 差模輸出電阻差模輸出電阻ro 差模輸出電阻是運放輸入端短路、負載開路時，運放輸出端的等效電阻，一般為20200 左右。 6. 最大輸出電壓最大輸出電壓Upp 在額定電源電壓（15V）和額定輸出電流時，運放不失真最大輸出電壓的峰峰值可達13V左右。 9.4 集成運放的應(yīng)用基礎(chǔ)集成運放的應(yīng)用基礎(chǔ) 由

20、于結(jié)構(gòu)及制造工藝上的許多特點，集成運放的性能非常優(yōu)異。通常在電路分析中把集成運放作為一個理想化器件來處理，從而使集成運放的電路分析大為簡化。 一、集成運放的理想化條件一、集成運放的理想化條件 1. 理想集成運放的技術(shù)指標理想集成運放的技術(shù)指標 理想狀態(tài)下的集成運放的主要技術(shù)指標有 3 個： (1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=； (2) 開環(huán)輸入電阻 rid=； (3) 輸出電阻ro=0。 2. 理想集成運放的電路符號理想集成運放的電路符號 圖9 -8 所示為理想集成運放的電路符號，它有兩個輸入端， 一個輸出端。在兩個輸入端中，一個是反相輸入端，標有“-”號, 它表示輸出端的電壓uo與該輸入端的

21、電壓 u-相位相反； 另一個輸入端是同相輸入端，標有“”號，表示輸出端的電壓uo與輸入端的電壓 u+相位相同。理想運放內(nèi)部差動簡化等效電路如圖 9 -9 所示。 在應(yīng)用原理電路中，集成運放的其他引出端對分析電路信號沒有作用，因此在應(yīng)用原理電路中可以不畫出來。 二、集成運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點二、集成運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點 分析應(yīng)用電路的工作原理時，首先要分析集成運放工作在線性區(qū)還是在非線性區(qū)。 圖 9 8 理想運放的電路符號uouu圖 9 9 理想運放內(nèi)部差動簡化等效電路uouuridiiroAud uid 1） 運放同相輸入端與反相輸入端對地電壓相等（“虛短”特點）。 當集

22、成運放工作在線性區(qū)時，作為一個線性放大元件， 它的輸出信號和輸入信號應(yīng)滿足以下關(guān)系: Uo=Aod(UA-UA) UA-UA= (9- 4) 因為理想運放 Aod=，當 Uo等于某一有限電壓值時，由式（9 - 4）得 UA-UA=0即 UA=UA (9 -5) （2）理想運放兩個輸入端的電流都等于零（ “虛斷”特點）。 因為理想運放的 rid=，所以在輸入端的A點或A點沒有電流流入運放，即 IA=IA=0 (9- 6) 式（9- 5）和式（9 -6）表達了理想運放工作在線性區(qū)的“虛短”或“虛斷”特點，大大簡化了運放應(yīng)用電路的分析過程。 2. 非線性區(qū)非線性區(qū) 若集成運放處于開環(huán)工作狀態(tài)（即沒有

23、外接深度負反饋電路），情況又如何呢？ 我們知道，集成運放的 Aod很大，以集成運放F007為例，Aod=105 ， 最大輸出電壓: Upp =Uom=10 V； 當該運放在線性區(qū)工作時，其允許的差模輸入電壓 Uid=UA-UA=集成運放F007的輸入電阻 rid = 2M，此時輸入電流 IA= =0.0510-9A=0.05nA 若輸入端的電壓變化量超過0.1mV，運放的輸出電壓立即超出線性放大范圍，到正向飽和電壓 +Uom或負向飽和電壓-Uom。 由上例可知，當集成運放的工作范圍超出線性區(qū)時，輸出電壓Uo和輸入電壓UAUA之間將不再滿足式（9- 4）表示的關(guān)系，即63102101 . 0id

24、ANrUUmvAUodom1 . 010105 UoAod(UA-UA) 根據(jù)以上分析，理想運放工作在非線性區(qū)時，有如下特點： （1）輸出電壓Uo只有兩種可能狀態(tài)，即正飽和電壓 +Uom或負飽和電壓 -Uom，而且兩輸入端對地電壓不一定相等，即UAUA。 當輸入電壓 UAUA時， Uo=+Uom (9 -7) 當輸入電壓 UAUA時，Uo=-Uom (9 -8) 而且，UA=UA的點是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換點。 （2） 運放的輸入電流等于零。 由于理想運放的 rid=，因而雖然UAUA，但輸入電流仍然為零。圖 9 11 運放工作在非線性區(qū)時的輸入輸出特性 集成運放工作在非線性區(qū)時的輸入輸出特性如圖 9

25、 -11 所示。 總之，分析運放的應(yīng)用電路時，首先將集成運放當成理想運放，以便簡化分析過程。然后判斷集成運放是否工作在線性區(qū)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)以上運放的線性或非線性特點，分析電路的工作過程。 Uo UomO UomUA UA非線性線性9.5 集成運放在信號運算方面的應(yīng)用集成運放在信號運算方面的應(yīng)用 用集成運放對模擬信號進行運算，就是要求輸出信號反映出輸入信號的某種運算結(jié)果。由此可以想到，輸出電壓將在一定范圍內(nèi)變化，而不能只有 -Uom和 Uom兩種狀態(tài)。因此， 集成運放必須工作在線性區(qū)。 為了保證集成運放工作在線性區(qū)而不進入非線性區(qū)，在隨后將要介紹的電路中，都引入了深度負反饋。將放大器的輸出量(

26、電壓或電流)的部分或全部反方向送回到放大器的輸入端， 這種反方向傳輸信號的過程叫反饋。 若引入的反饋信號使輸入信號減小，這種反饋叫負反饋。 用集成運放對模擬信號實現(xiàn)的基本運算有比例、求和、 積分、微分、對數(shù)、乘法等等，我們只簡單介紹其中幾種。 圖 9- 12 反相比例運算電路 一、比例運算電路一、比例運算電路 1. 反相輸入比例運算反相輸入比例運算 圖 9- 12 中，輸入信號 ui經(jīng)過外接電阻R1接到集成運放的反相輸入端A，同相輸入端接地。因為從點A流入集成運放的電流I= 0，所以 uoAuiR1RAII1IfRf UA=UA=0，I1 = If由可知， 輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為電壓放大倍

27、數(shù)(比例系數(shù))101RUURUUAAiiffiURRURURU1001或1RRUUAfiOf 式（9 -9）表明： 圖 9- 12 的運放， 其輸出電壓和輸入電壓的幅值成正比，但相位相反。也就是說，電路實現(xiàn)了反相比例運算。比例系數(shù)Af由電阻Rf和R1決定，而與集成運放內(nèi)部各項參數(shù)無關(guān)。只要R1和Rf的阻值足夠精確且穩(wěn)定， 就可以得到準確的比例運算關(guān)系。 在反相輸入的比例運算電路中，若取Rf=R1，則比例系數(shù)為 -1， 此反相輸入比例運算電路就稱為變號運算電路或倒相電路， 其輸出電壓uo=-ui。 在上述電路中，A點的電位等于地電位，但是卻沒有電流流入該點（因為I= 0），這種現(xiàn)象稱為“虛地”。

28、虛地是反相輸入集成運放電路的一個重要特點。 2. 同相輸入比例運算同相輸入比例運算 同相輸入時，信號ui 接到同相輸入端A(圖 9 -13)。為了保證集成運放工作在線性區(qū)，輸出電壓uo通過反饋電阻Rf仍接在反相輸入端A上。 在如圖 9- 13 所示的電路中，同相輸入時，uo與ui同相位。 uo通過Rf反饋到A點，使UA為某一值，也與uo同相位。由于 UA 0，故同相輸入時，A端已不再是“虛地”。 根據(jù)式（9 -5），得UA=UA=Ui，又因為fARRRUU10圖 9- 13 同相輸入比例運算電路uoAuiR1ARffRRRUU1101所以電路的放大倍數(shù)101RRUUAfif或ifuRRU)1

29、(10 式（9- 10）表示：同相輸入比例運算電路，比例系數(shù)大于1， 且 uo與ui同相位。 總結(jié)以上分析過程，同相輸入運算電路的特點是：集成運放兩輸入端A、A對地電壓相等，只存在虛短現(xiàn)象，不存在虛地現(xiàn)象。 在同相輸入比例運算電路中，若R1=（開路），或R= 0（短路），該電路比例系數(shù)Af=+1，則此電路稱為電壓跟隨器電路（圖 9 -14）， 輸出電壓uo=ui。電壓跟隨器電路廣泛作為阻抗變換器或作為輸入級使用。 二、加法運算二、加法運算 要求輸出信號反映多個模擬輸入量相加的結(jié)果時， 用加法運算電路，加法運算電路如圖 9- 15所示。 圖 9 14 電壓跟隨器uoui圖 9- 15 加法運算電

30、路uoAIfRfui1IAui2ui3R1R2R3I1I2I3R (R R1R2R3Rf) I= 0， UA=UA=0 332211321RuRuRuiiiiiiif因為 所以ffRui0uo= - ifRf 332211(ifififuRRuRRuRR)當R1=R2=R3時，)(32110iiifuuuRRu 以上分析說明： 反相輸入求和電路的實質(zhì)是利用A點的“虛地”和輸入電流 I= 0 的特點，通過電流相加的方法來實現(xiàn)電壓相加。 三、減法運算三、減法運算 圖 9 -16是減法運算電路，它是一個雙端輸入的運放電路。 考慮到直流平衡和降低共模，取R1=R2, Rf=Rf。 當ui1=0 時，電

31、路為同相輸入， fiARRRuu22輸出端21221112)()1 (ififffAfouRRuRRRRRRuRRu圖 9 16 減法運算電路uoAui2R2AIfRfui1R1R f 當ui2=0 時，電流為反相輸入運放。 同相輸入端雖然沒有直接接地，而是通過R2Rf接地，但仍對點A為虛地沒有影響。所以輸出端 uo1= 根據(jù)疊加原理， 輸出電壓11ifuRR)(121210iifoouuRRuuu或1210RRuuuAfiif必須注意，圖 9 -16電路中的電阻對稱，即 R1=R2，Rf=Rf。 四、積分運算四、積分運算 圖 9- 17所示為積分運算電路，根據(jù)集成運放反相輸入線性應(yīng)用的特點：

32、uA=0（虛地）， 因為又因為所以111RuRuuiiiAicdtduciccdtuCRdticdticuicc11111ooAcuuuudtuCRuuico11圖 9 17 積分運算電路uoAiCCuiR1i1uC9.6 信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路 屬于信號轉(zhuǎn)換的電路種類很多，主要有電源變換電路和非電量轉(zhuǎn)換成電信號的電路。這些電路均系9.5節(jié)中運算電路的直接或間接應(yīng)用。 在電源變換電路中，有電壓-電壓變換，電壓-電流變換，電流-電壓變換，電流-電流變換。 在非電量轉(zhuǎn)換成電信號的電路中，有光-電轉(zhuǎn)換電路，時間-電壓轉(zhuǎn)換電路，還有將機械變形、壓力、溫度等物理量變換成電信號的電路。下面舉例說明集成運

33、放在這些方面的應(yīng)用。 一、電源變換電路一、電源變換電路 1. 電壓電壓-電壓變換電路電壓變換電路 在一些基準電壓源的應(yīng)用中，如標準穩(wěn)壓管2CW7C，它的輸出電壓都是固定的，其值與實際要求的基準電壓常常不符。 這時便可用集成運放進行變換，以滿足實際要求的基準電壓值。 圖 9 -18 便是這種電壓-電壓變換功能的電路，其中（a）圖是將穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓6.3V變換成3V基準電壓輸出的例子；（b）圖是將 2.5V電壓變換成 +5 V基準電壓輸出的例子。這里應(yīng)用了比例運放電路。 圖 9- 18 電壓-電壓變換電路實例 Uo3 VR1Rf68 k100 k12 V600 6.3 V2DW7C(a)(b)U

34、o5 V20 k20 k5G237.5 V2.5 V 2. 電流電流-電壓變換電路電壓變換電路 在很多電流測量系統(tǒng)中，常采用通過電壓測量來指示電流大小的方法。這就要用到電流-電壓變換電路。圖 9- 19 所示電路便是這樣的一個電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。該電路用高阻輸入的集成運放5G28來測量三極管反向飽和電流ICEO。 該電路利用反相輸入端的虛地特性，能方便地設(shè)置三極管的集-射極電壓UCE。由于5G28的實際輸入偏流小于1nA，因而當待測三極管的反相飽和電流 ICEO在大于0.1A時，輸入偏流的影響完全可以忽略。此時運放的輸出電壓 Uo將正比于ICEO的大小，即 Uo=-ICEOR 在給定R值的條件

35、下，Uo的大小就準確地反映了ICEO的大小。 圖 9- 19 ICEO測量電路（電流-電壓轉(zhuǎn)換）Uo ICEO RR10 M UCE5G28 二、電量轉(zhuǎn)換為電信號的應(yīng)用電路二、電量轉(zhuǎn)換為電信號的應(yīng)用電路 1. 把光信號變換成電信號把光信號變換成電信號 隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，把光信號變換成電信號是實際中經(jīng)常遇到的問題。圖 9-20 便是最簡單的光-電轉(zhuǎn)換電路。 圖中二極管是一只光敏二極管V，當V反偏時，反向電流與光照強度成正比。光照強度越大，反向電流就越大。根據(jù)我們在9.5.3節(jié)中的減法運算，可得輸出電壓為 Uo=-2IsRp圖 9 20 光-電轉(zhuǎn)換器UoRpRpAAIs 2. 檢測物理量變化的

36、運放電路檢測物理量變化的運放電路 圖 9 -21 的運放電路也稱電橋放大器，是用來測溫度、 壓力、 流量等物理量變化的。當物理量無變化時，電橋平衡，電路輸出電壓Uo=0；當物理量發(fā)生變化，傳感元件阻值改變，破壞了電橋的平衡，于是有一個信號送到放大器的輸入端。電路的輸出電壓反映了這個變化。 由于該電路是利用電橋的不平衡輸出信號的大小來實現(xiàn)對物理量的檢測的，故該電路稱為電橋放大器。 圖 9- 21 電橋放大器UoG2UGG GG1G1 G29.7 集成運放的非線性應(yīng)用集成運放的非線性應(yīng)用電壓比較電壓比較器器 當集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)時，由于它的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，即使在兩輸入端之間輸入一個微小的

37、信號，也能使運放飽和而進入非線性狀態(tài)。 電壓比較器便是根據(jù)這一原理工作的。 電壓比較器就是將一個模擬量的電壓信號去和一個參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變。 所以，通常電壓比較器輸入的是連續(xù)變化的模擬信號，輸出的是以高、低電平為特征的數(shù)字信號或脈沖信號。 電壓比較器廣泛地用于越限報警、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、波形變換及信號測量等方面。 一、電壓比較器的工作原理一、電壓比較器的工作原理 圖 9 -22 為電壓比較器電路。 其中，（a）圖為反相型電壓比較器，（b）圖為同相型電壓比較器。以圖 9- 23 的電壓比較器為例，輸入信號ui加于集成運放的反相輸入端，UR為參考電壓，接在同相輸入端

38、。 根據(jù)9.4.2節(jié)中關(guān)于集成運放在非線性區(qū)工作特點的分析， 我們可對圖 9- 23中的反相型電壓比較器的工作原理說明如下 當 uiUR 時，差動輸入信號UA-UA0, uo=+Uom 當 uiUR時， 差動輸入信號UA-UA0，uo=-Uom圖 9 22 簡單的電壓比較器電路 UouiUR(b)AAUoAAuiUR(a)圖 9-23 反相電壓比較器及傳輸特性 (a)uo Uom UomOuiUR(b)UoAAuiUR 也就是說，當輸入電壓uiUR時，電路反轉(zhuǎn)，輸出負飽和電壓-Uom；當輸入電壓uiUR時，電路反轉(zhuǎn)，輸出正飽和電壓 +Uom。 二、傳輸特性二、傳輸特性 傳輸特性就是輸出電壓和輸

39、入電壓的關(guān)系特性。根據(jù)9.7.1節(jié)中比較器的工作原理分析，反相電壓比較器的傳輸特性如圖 9- 23（b）所示。 三、過零比較器三、過零比較器 在圖 9- 23 的反相電壓比較器中，當參考電壓UR=0時， 該電路就變?yōu)橐粋€過零比較器。其關(guān)系是： 當ui0， UA0時, Uo=-Uom 當ui0， UA0時， Uo=+Uom 過零比較器的電路和傳輸特性如圖 9- 24 所示。 利用這個特性，可以進行波形變換。例如，將輸入的正弦波變換成矩形波電壓輸出。 圖 9 -25就是將圖（a）中的正弦波輸入到過零比較器， 然后在t1、t2、 t3等時刻反轉(zhuǎn)成圖（b）的矩形波輸出。 圖 9 24 過零比較器及其傳

40、輸特性Uoui(a)(b)uo Uom UomOui圖 9 25 過零比較器的波形轉(zhuǎn)換uiOt1t2t3tuoOt1t2t3tUom 四、專用集成比較器四、專用集成比較器 集成比較器是為了適應(yīng)模/數(shù)電壓信號之間轉(zhuǎn)換的需要而制造的。專用集成比較器的結(jié)構(gòu)特點是： (1) 專用集成比較器輸出電壓的高低電平能與數(shù)字電路相匹配。 (2) 為了提供較大的上升速率，集成比較器輸入級工作電流比一般的集成運放要大，故輸入電阻較低。 (3) 由于集成比較器都工作在非線性狀態(tài)， 因此沒有相位補償問題。 表 9.1 介紹了幾種典型的國產(chǎn)集成電壓比較器的主要性能。 表表 9.1 幾種典型國產(chǎn)集成電壓比較器主要性能幾種典

41、型國產(chǎn)集成電壓比較器主要性能型號名稱 電源電壓/vAodIos/uAUos/mV相容電路CJ0710高速電壓比較器+12,-61.510355TTLDTLCJ0514雙高速電壓比較器+12, 6 1.5103 54TTLDTLCJ0311單電壓比較器15 +5 2103 0.062TTLDTLCJ0734精密電壓比較器15 25103 255TTLDTL9.8 專用集成電路專用集成電路 模擬集成電路品種很多，專用功能的集成電路越來越受到人們的重視。下面簡單介紹幾種常用的專用功能集成電路。 一、集成穩(wěn)壓器一、集成穩(wěn)壓器 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。 按輸出電壓是否可調(diào)，集成穩(wěn)壓

42、器可分為固定式穩(wěn)壓電路和可調(diào)式穩(wěn)壓電路。 1. 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器三端固定輸出集成穩(wěn)壓器 這類穩(wěn)壓器只有三個外部輸出端子：輸入端、輸出端和公共端。由于穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)置了各種保護電路，因而它具有使用方便、安全、可靠、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，目前得到了廣泛應(yīng)用， 基本上已代替了由分立元件組成的穩(wěn)壓電路。 （1） 型號規(guī)格。 根據(jù)輸出電壓的極性，三端固定式穩(wěn)壓器分為固定正輸出集成穩(wěn)壓器CW78系列和固定負輸出集成穩(wěn)壓器CW79系列，其封裝形式及外部引腳如圖 9 -26 所示。 不同型號的芯片， 可提供不同的輸出電壓和輸出電流。 固定正輸出集成穩(wěn)壓器各型號的最大輸出電流指標如下： CW78P 10

43、 A CW78H 5 A CW78 1.5 A CW78M 0.5 A CW78L 0.1 A 圖 9 -26CW78(CW79)系列的封裝形式及外部引腳 (a) 金屬封裝型； (b) 塑料封裝型頂視12123(a)(b)CW78系列管腳功能：1 輸入端；2 輸出端；3 公共端CW79系列管腳功能：1 公共端；2 輸出端；3 輸入端3 型號后面的數(shù)值， 表示輸出電壓的數(shù)值，一般為5 V、 6 V、 9 V、 12 V、 15 V、18 V、 24 V，共 7 個檔次。例如, CW7805表示固定正輸出集成穩(wěn)壓器，輸出電壓5 V，最大輸出電流1.5 A。 對于固定負輸出集成穩(wěn)壓器系列CW79，其

44、型號規(guī)格表示與CW78系列相同。 （2） 應(yīng)用電路。三端固定式集成穩(wěn)壓器根據(jù)需要可以接成不同的形式， 如圖 9 -27 所示。 圖 9 -27三端固定穩(wěn)壓器的一般應(yīng)用電路 (a) 輸出正電壓； (b) 輸出電壓可調(diào)； (c) 擴大輸出電流的電路； (d) 輸出正、負電壓(a)CW7800123C1C2 Ui UoR2R1(b)(c)(d )UiUoCW78XXV1V2RR0CW7800Ci1Co1 UoCW7900Ci2UiCo2 UoCW7800123C1C2 Ui Uo 在圖 9- 27 電路中，圖（a）是固定正電壓輸出的基本應(yīng)用電路連接。 C1是濾波電容，C2 的作用是改善負載的瞬態(tài)特性。 二極管V用于電路保護，即當輸入端與輸出端接反時，保護芯片免受損壞。該電路輸入電壓的選擇原則是： imiOiUUUUUmin0)( 其中， Uo為芯片固定輸出電壓的大?。籙im為芯片規(guī)定的最大允許輸入電壓；(Ui-Uo)m