模擬電子技術(shù) 第五章

1、第第5章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 5.1 集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器簡介 5.2 理想集成運(yùn)放及其分析特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及其分析特點(diǎn) 5.3 集成運(yùn)放大器的線性應(yīng)用集成運(yùn)放大器的線性應(yīng)用 5.4 有源濾波電路有源濾波電路 5.5 電壓比較器電壓比較器5.1 集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器簡介 集成電路是相對分立電路而言的。由所需各單個(gè)元器件連接而成集成電路是相對分立電路而言的。由所需各單個(gè)元器件連接而成的電子電路，稱為分立電路。一個(gè)電路的元器件及其有關(guān)的連接線的電子電路，稱為分立電路。一個(gè)電路的元器件及其有關(guān)的連接線制作在同一塊半導(dǎo)體硅片上，并能完成特定功能的電子電路則稱為制作在

2、同一塊半導(dǎo)體硅片上，并能完成特定功能的電子電路則稱為集成電路。集成電路在體積，重量以及功耗等方面均比前者更小，集成電路。集成電路在體積，重量以及功耗等方面均比前者更小，更輕，更低，而且由于縮短了元器件相互之間的連接距離，免去了更輕，更低，而且由于縮短了元器件相互之間的連接距離，免去了焊接點(diǎn)，從而提高了工作可靠性，降低了成本。這些突出優(yōu)點(diǎn)，決焊接點(diǎn)，從而提高了工作可靠性，降低了成本。這些突出優(yōu)點(diǎn)，決定了分立電路將逐漸被集成電路所取代。定了分立電路將逐漸被集成電路所取代。按集成電路的集成度可分小規(guī)模，中規(guī)模，大規(guī)模和超大規(guī)模集按集成電路的集成度可分小規(guī)模，中規(guī)模，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路；按電路功

3、能可分模擬集成電路和數(shù)字集成電路，模擬集成成電路；按電路功能可分模擬集成電路和數(shù)字集成電路，模擬集成電路又有集成運(yùn)算放大器，集成功率放大器集成穩(wěn)壓電源等多種。電路又有集成運(yùn)算放大器，集成功率放大器集成穩(wěn)壓電源等多種。5.1 集成運(yùn)放的電路構(gòu)成及特點(diǎn)集成運(yùn)放的電路構(gòu)成及特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器從電路結(jié)構(gòu)而言，是一個(gè)具有高開環(huán)電壓集成運(yùn)算放大器從電路結(jié)構(gòu)而言，是一個(gè)具有高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。集成運(yùn)放的內(nèi)部電路一放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。集成運(yùn)放的內(nèi)部電路一般是由輸入極，中間極，輸出級和偏置電路四個(gè)基本環(huán)節(jié)組般是由輸入極，中間極，輸出級和偏置電路四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。圖成。圖5-為電

4、路結(jié)構(gòu)框圖。為電路結(jié)構(gòu)框圖。為使運(yùn)放有較高的輸入電阻及很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力為使運(yùn)放有較高的輸入電阻及很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力，輸入級都采用差動(dòng)放大電路，有晶體管或場效應(yīng)管（輸入，輸入級都采用差動(dòng)放大電路，有晶體管或場效應(yīng)管（輸入電阻極高）組成。同相端輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)電阻極高）組成。同相端輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相（同極性），反相端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與其反相（極性同相（同極性），反相端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與其反相（極性相反）。相反）。運(yùn)放的高開環(huán)電壓放大倍數(shù)（運(yùn)放的高開環(huán)電壓放大倍數(shù)（Au103-107）主要有中間放大）主要有中間放大級提供，一般由共發(fā)射極組成多級直接耦合放大

5、電路。級提供，一般由共發(fā)射極組成多級直接耦合放大電路。要求輸出級有較低的輸出電阻，較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，能提供要求輸出級有較低的輸出電阻，較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，能提供足夠大的輸出電壓和輸出電流。一般由互補(bǔ)對稱的射極輸出器足夠大的輸出電壓和輸出電流。一般由互補(bǔ)對稱的射極輸出器組成輸出極（工作原理在功放一章討論）。組成輸出極（工作原理在功放一章討論）。偏置電路為上述各級放大電路提供合適而又穩(wěn)定的偏置電流偏置電路為上述各級放大電路提供合適而又穩(wěn)定的偏置電流，一般都由各種晶體管恒流源電路構(gòu)成。，一般都由各種晶體管恒流源電路構(gòu)成。下面我們以下面我們以F007（F741）為例來介紹運(yùn)放的各個(gè)組成部分。）為例來介紹

6、運(yùn)放的各個(gè)組成部分。F007是通用型運(yùn)算放大器，具有高增益（是通用型運(yùn)算放大器，具有高增益（105）和較寬的共模輸）和較寬的共模輸入電壓范圍，又因內(nèi)部電路合理，使用時(shí)不必外接補(bǔ)償電容來消入電壓范圍，又因內(nèi)部電路合理，使用時(shí)不必外接補(bǔ)償電容來消除本身引起的寄生震蕩，因此，被廣泛應(yīng)用于加法器，積分電路除本身引起的寄生震蕩，因此，被廣泛應(yīng)用于加法器，積分電路和一般的反饋放大器中。其電原理圖如圖和一般的反饋放大器中。其電原理圖如圖5-2所示。所示。圖圖5-1集成運(yùn)放結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)放結(jié)構(gòu)框圖 15 VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5I

7、R30 pFR7R8V15V18V19V14VD 1VD 2R9R10 15 V8uiIC1 k50 k Rw3 k39 k C4.5 k 7.5 k 50 k 25 k uo外接調(diào)零電位器輸入級偏置電路中間級輸出級9IC1 01 k圖圖5-2 F007電原理圖電原理圖 F007輸入級由輸入級由V1V9組成，如圖組成，如圖5-3a所示，所示，V1、V2和和V3、T4分別組成共集電極組態(tài)雙端輸出的差動(dòng)放大電路和共基極分別組成共集電極組態(tài)雙端輸出的差動(dòng)放大電路和共基極組態(tài)單端輸出的差動(dòng)放大電路。組態(tài)單端輸出的差動(dòng)放大電路。V5、V6和和T7組成源電路，作組成源電路，作為為V3、V4差動(dòng)放大電路的集

8、電級有源負(fù)載。差動(dòng)放大電路的集電級有源負(fù)載。V8、V9組成鏡組成鏡像電流源，給像電流源，給V V1 1、V V2 2提供偏置電流。中間級如圖提供偏置電流。中間級如圖5-3b5-3b所示，它所示，它是由是由V V1616、V V1717組成的復(fù)合管及由組成的復(fù)合管及由V V1212、V V1313組成的鏡像電流源作為組成的鏡像電流源作為有源負(fù)載的共射放大電路。其放大倍數(shù)可達(dá)有源負(fù)載的共射放大電路。其放大倍數(shù)可達(dá)10001000多倍。多倍。輸出級如圖輸出級如圖5-3c5-3c所示，所示，圖圖5-3a F007輸入級電路圖輸入級電路圖 F007輸入級由輸入級由V1V9組成，如圖組成，如圖5-3a所示

9、，所示，V1、V2和和V3、V4分別組分別組成共集電極組態(tài)雙端輸成共集電極組態(tài)雙端輸出的差動(dòng)放大電路和共出的差動(dòng)放大電路和共基極組態(tài)單端輸出的差基極組態(tài)單端輸出的差動(dòng)放大電路。動(dòng)放大電路。V5、V6和和V7組成源電路，作為組成源電路，作為V3、V4差動(dòng)放大電路的集電差動(dòng)放大電路的集電級有源負(fù)載。級有源負(fù)載。V8、V9組組成鏡成鏡像電流源，給像電流源，給V V1 1、V V2 2提供偏置電流。提供偏置電流。7.5 kR84.5 kR7R539 kIR30 pFV16V11V17V12V13IC133 kV10Ui 15 V至輸出級 15 VV15圖圖5-3b F007中間級電路圖中間級電路圖 中

10、間級如圖中間級如圖5-3b5-3b所示，所示，它是由它是由V V1616、V V1717組成組成的復(fù)合管及由的復(fù)合管及由V V1212、V V1313組成的鏡像電流組成的鏡像電流源作為有源負(fù)載的共源作為有源負(fù)載的共射放大電路。其放大射放大電路。其放大倍數(shù)可達(dá)倍數(shù)可達(dá)10001000多倍。多倍。V15VD1VD2R7R8V16V17V18V19R10R9V14V13Ui 15 V 15 VUo 圖圖5-3c F007輸出級電路圖輸出級電路圖 輸出級如圖輸出級如圖5-3c5-3c所示，所示，由由V V1818、V V1919復(fù)合管組成復(fù)合管組成PNPPNP三極管與三極管與V V1414組成準(zhǔn)互補(bǔ)推

11、挽功率放大電路。組成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大電路。 F007可采用可采用Y8金屬園外殼和金屬園外殼和C8線、線、C-14線陶瓷雙列直線陶瓷雙列直插式封裝，通過各引腳和外電路相接。辨認(rèn)雙列直插式元件插式封裝，通過各引腳和外電路相接。辨認(rèn)雙列直插式元件的引腳時(shí)，應(yīng)將元件正面放置，將引腳朝下，正面的半圓記的引腳時(shí)，應(yīng)將元件正面放置，將引腳朝下，正面的半圓記號(hào)應(yīng)在左側(cè)，從左下角開始，各引腳按逆時(shí)針方向排列。運(yùn)號(hào)應(yīng)在左側(cè)，從左下角開始，各引腳按逆時(shí)針方向排列。運(yùn)放各引腳的作用可查閱有關(guān)手冊，使用時(shí)必須正確聯(lián)接。放各引腳的作用可查閱有關(guān)手冊，使用時(shí)必須正確聯(lián)接。近年來，隨著近年來，隨著MOS工藝的發(fā)展，使得具有

12、高輸入阻抗，低工藝的發(fā)展，使得具有高輸入阻抗，低功耗，低價(jià)格，集成密度高的大規(guī)模功耗，低價(jià)格，集成密度高的大規(guī)模CMOS集成電路被廣泛集成電路被廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路與模擬電路兼容的大規(guī)模集成電路中的子系應(yīng)用于數(shù)字電路與模擬電路兼容的大規(guī)模集成電路中的子系統(tǒng)。統(tǒng)。5.1.2 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 和分立元件一樣，運(yùn)放的性能也用一些技術(shù)參數(shù)表示。合和分立元件一樣，運(yùn)放的性能也用一些技術(shù)參數(shù)表示。合理選用和正確使用運(yùn)算放大器，必須了解各主要技術(shù)參數(shù)的理選用和正確使用運(yùn)算放大器，必須了解各主要技術(shù)參數(shù)的意義意義 。1輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uio（或稱輸入補(bǔ)償電壓）（或稱輸入補(bǔ)償電壓）理想的運(yùn)算放大

13、器，當(dāng)輸入為零時(shí)（指同相和反相輸入端理想的運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入為零時(shí)（指同相和反相輸入端同時(shí)接地，即）同時(shí)接地，即）U+ =U- =0輸出電壓應(yīng)該為零。由于工藝等原輸出電壓應(yīng)該為零。由于工藝等原因造成元件參數(shù)不對稱，輸出并不為零。通常用失調(diào)電壓來因造成元件參數(shù)不對稱，輸出并不為零。通常用失調(diào)電壓來反映這種不對稱程度。當(dāng)輸入端加入補(bǔ)償電壓，輸出為零，反映這種不對稱程度。當(dāng)輸入端加入補(bǔ)償電壓，輸出為零，這個(gè)補(bǔ)償電壓就是失調(diào)電壓，一般為幾個(gè)這個(gè)補(bǔ)償電壓就是失調(diào)電壓，一般為幾個(gè)mV。顯然愈小愈。顯然愈小愈好。好。2輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流Iio（或稱輸入補(bǔ)償電流）（或稱輸入補(bǔ)償電流）輸入為零時(shí)，放大器兩

14、個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差，稱為輸入為零時(shí)，放大器兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差，稱為輸入失調(diào)電流，即輸入失調(diào)電流，即 由于信號(hào)源有內(nèi)阻，破壞放大由于信號(hào)源有內(nèi)阻，破壞放大器的平衡。希望輸入失調(diào)電流器的平衡。希望輸入失調(diào)電流Iio愈小愈好，一般是幾十納安愈小愈好，一般是幾十納安(na)。iobbIII+-=-3輸入偏置電流輸入偏置電流IiB和失調(diào)電流和失調(diào)電流Iio輸入為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值稱為輸入偏置電輸入為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值稱為輸入偏置電流。流。 ，它相當(dāng)于輸入電流的共模成分，而，它相當(dāng)于輸入電流的共模成分，而I+、I- 之差的絕對值稱為輸入失調(diào)電流。之差的絕對值稱

15、為輸入失調(diào)電流。 ，它相當(dāng)于輸，它相當(dāng)于輸入電流的差模成分，當(dāng)它們流過信號(hào)源內(nèi)阻入電流的差模成分，當(dāng)它們流過信號(hào)源內(nèi)阻Rs時(shí)，其上的直時(shí)，其上的直流壓降就相當(dāng)于在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端上引入了直流共模流壓降就相當(dāng)于在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端上引入了直流共模和差模電壓，從而使輸出電壓偏離零值。它們的值愈小，由和差模電壓，從而使輸出電壓偏離零值。它們的值愈小，由信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的輸出電壓的變化也愈小。信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的輸出電壓的變化也愈小。)(21IIIiBIIIio 4開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 當(dāng)運(yùn)放未接反饋電路時(shí)本身的差模電壓放大倍數(shù)當(dāng)運(yùn)放未接反饋電路時(shí)本身的差模電壓放

16、大倍數(shù)Aod，即，即Aod=Uo /Uid ，Aod愈高，所構(gòu)成的運(yùn)放電路愈穩(wěn)定，運(yùn)放精度愈高，所構(gòu)成的運(yùn)放電路愈穩(wěn)定，運(yùn)放精度也愈高。也愈高。 5最大輸出電壓最大輸出電壓U0PP（或稱輸出峰（或稱輸出峰峰電壓）峰電壓） 最大輸出電壓最大輸出電壓U0PP是指在額定電壓下，集成運(yùn)放最大不失是指在額定電壓下，集成運(yùn)放最大不失真輸出電壓的峰峰值。即輸出不失真時(shí)的最大輸出電壓值。真輸出電壓的峰峰值。即輸出不失真時(shí)的最大輸出電壓值。 6最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Uicmax一般情況下，差動(dòng)式運(yùn)放允許加入共模輸入電壓。由于差動(dòng)一般情況下，差動(dòng)式運(yùn)放允許加入共模輸入電壓。由于差動(dòng)輸入級對共模信號(hào)有抑制

17、作用，因此運(yùn)放的輸出基本上不受輸入級對共模信號(hào)有抑制作用，因此運(yùn)放的輸出基本上不受其影響。但是抑制共模信號(hào)的作用是在一定的共模電壓范圍其影響。但是抑制共模信號(hào)的作用是在一定的共模電壓范圍內(nèi)才有效，如超出此范圍，將使運(yùn)放內(nèi)部管子工作在不正常內(nèi)才有效，如超出此范圍，將使運(yùn)放內(nèi)部管子工作在不正常狀態(tài)（處于飽和或截至），抑制能力顯著下降，甚至造成器狀態(tài)（處于飽和或截至），抑制能力顯著下降，甚至造成器件損壞。件損壞。7共模抑制比共模抑制比CMRR集成運(yùn)放開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之集成運(yùn)放開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比就是集成運(yùn)放的共模抑制比，常用分貝表示。比就是集成運(yùn)放

18、的共模抑制比，常用分貝表示。8差模輸入電阻差模輸入電阻ridrid的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模信號(hào)源索取電流的大小的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模信號(hào)源索取電流的大小。要求。要求rid愈大愈好。愈大愈好。F007的的rid約為約為2M。理想運(yùn)放的。理想運(yùn)放的rid為無窮為無窮大。大。9輸出電阻輸出電阻ro輸出電阻輸出電阻ro的大小反映了集成運(yùn)放帶負(fù)載能力。理想運(yùn)放的的大小反映了集成運(yùn)放帶負(fù)載能力。理想運(yùn)放的ro為為零。零。10轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR它是輸出電壓對時(shí)間的變化率。它是輸出電壓對時(shí)間的變化率。SR大的集成運(yùn)放才可能在較高大的集成運(yùn)放才可能在較高的工作頻率下輸出較大的電壓幅度。的工作

19、頻率下輸出較大的電壓幅度。集成運(yùn)放指標(biāo)的含義只有結(jié)合具體應(yīng)用才能正確領(lǐng)會(huì)。集成運(yùn)放指標(biāo)的含義只有結(jié)合具體應(yīng)用才能正確領(lǐng)會(huì)。5.2. 理想集成運(yùn)放及其分析特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及其分析特點(diǎn) 521集成運(yùn)放的理想化集成運(yùn)放的理想化 所謂理想集成運(yùn)放是將實(shí)際運(yùn)放理想化，這是由于實(shí)際所謂理想集成運(yùn)放是將實(shí)際運(yùn)放理想化，這是由于實(shí)際運(yùn)放的一些主要技術(shù)參數(shù)接近理想化的緣故。用理想運(yùn)放代運(yùn)放的一些主要技術(shù)參數(shù)接近理想化的緣故。用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放進(jìn)行分析，使分析過程大為簡化，而這種近似分替實(shí)際運(yùn)放進(jìn)行分析，使分析過程大為簡化，而這種近似分析所引入的誤差又在工程允許范圍之內(nèi)，這就是運(yùn)放理想化析所引入的誤差又在工程

20、允許范圍之內(nèi)，這就是運(yùn)放理想化的目的。的目的。集成運(yùn)放理想化條件集成運(yùn)放理想化條件（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=；（2）輸入電阻）輸入電阻rid= ric=；（3）輸出電阻）輸出電阻rod=0；（4）共模抑制比）共模抑制比CMRR=；（5）輸入偏置電流）輸入偏置電流I+=I=0；（6）失調(diào)電壓）失調(diào)電壓Uio、失調(diào)電流、失調(diào)電流Iio以及它們的溫度系數(shù)均為以及它們的溫度系數(shù)均為零。零。（7）-3dB帶寬帶寬f-3dB =（8）無干擾、無噪聲。）無干擾、無噪聲。實(shí)際運(yùn)放的上述技術(shù)指標(biāo)可近似認(rèn)為符合理想運(yùn)放的條件，實(shí)際運(yùn)放的上述技術(shù)指標(biāo)可近似認(rèn)為符合理想運(yùn)放的條件，尤其是

21、高精度，低漂移的集成運(yùn)放。尤其是高精度，低漂移的集成運(yùn)放。圖圖5-4是理想運(yùn)放在電路中的圖形符號(hào)及簡化等效電路。兩是理想運(yùn)放在電路中的圖形符號(hào)及簡化等效電路。兩個(gè)輸入端用個(gè)輸入端用“+”和和“-”分別表示同相和反相輸入端，相應(yīng)的分別表示同相和反相輸入端，相應(yīng)的輸入用輸入用U+ 、U- 表示（對地電位）。輸出端用表示（對地電位）。輸出端用“+”表示。表表示。表明輸出電壓明輸出電壓Uo與同相輸入端的電壓與同相輸入端的電壓U+同相（同極性）。方同相（同極性）。方框內(nèi)右上方的框內(nèi)右上方的表示開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為理想化條件。表示開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為理想化條件。圖形上一般不標(biāo)正向和負(fù)向電源，但在實(shí)際使

22、用中必須正確圖形上一般不標(biāo)正向和負(fù)向電源，但在實(shí)際使用中必須正確施加電源電壓。施加電源電壓。圖圖5-4 理想運(yùn)放圖形符號(hào)及簡化等效電路理想運(yùn)放圖形符號(hào)及簡化等效電路ridAodUidroUidUo(a) 簡化等效電路UUUoUi(b) 運(yùn)放符號(hào)理想集成運(yùn)放有如下兩個(gè)重要特性：理想集成運(yùn)放有如下兩個(gè)重要特性：（1）理想集成運(yùn)放作為電路中的元件而言，它是一個(gè)兩）理想集成運(yùn)放作為電路中的元件而言，它是一個(gè)兩輸入的電壓控制電壓源。輸出電壓輸入的電壓控制電壓源。輸出電壓Uo受控于兩個(gè)輸入端的受控于兩個(gè)輸入端的電位差即電位差即Uo=Aod（U +-U-），），當(dāng)運(yùn)算放大器工作電源電，當(dāng)運(yùn)算放大器工作電源電

23、壓為一定值時(shí)，輸出電壓必為有限值，又由于壓為一定值時(shí)，輸出電壓必為有限值，又由于Aod=，則，則有有U+=U- 稱其為虛短，即：兩個(gè)輸入端相當(dāng)于短路。若稱其為虛短，即：兩個(gè)輸入端相當(dāng)于短路。若同相輸入接地，則反相端電位也相當(dāng)于接地。稱此為虛地同相輸入接地，則反相端電位也相當(dāng)于接地。稱此為虛地。即雖為地電位，但又不真正接地。即雖為地電位，但又不真正接地。（2）由于輸入電阻）由于輸入電阻rid=，ric=，則，則I+=I-=0 稱此為虛斷。稱此為虛斷。運(yùn)用這兩個(gè)特性，將大大地簡化集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析。運(yùn)用這兩個(gè)特性，將大大地簡化集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析。縱上所述分析理想運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)時(shí)的特

24、點(diǎn)可歸納縱上所述分析理想運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)時(shí)的特點(diǎn)可歸納為：為：U+=U- 虛短虛短 ; I+=I-=0 虛斷虛斷 。適合所有線性工作電路。適合所有線性工作電路。U+=U-=0 虛地，虛地，適合反相輸入（適合反相輸入（+端無輸入）。端無輸入）。 522集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性 集成運(yùn)算放大器輸出和輸入間的特性，稱為集成運(yùn)放的集成運(yùn)算放大器輸出和輸入間的特性，稱為集成運(yùn)放的傳輸特性如圖傳輸特性如圖5-5所示。所示。圖圖5-5 集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性 0.1 0.2 0.3 0.4Uid / m V 0.1 0.2 0.3 0.410 10線 性 區(qū) Uo / V0U

25、UAUd00但在開環(huán)狀態(tài)下工作的運(yùn)放，由于極高的開環(huán)電壓放大倍但在開環(huán)狀態(tài)下工作的運(yùn)放，由于極高的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，即使、只有毫伏級以下的電壓加在輸入端，就足以使數(shù)，即使、只有毫伏級以下的電壓加在輸入端，就足以使輸出電壓輸出電壓Uo達(dá)到飽和，如達(dá)到飽和，如F007輸入信號(hào)變化范圍僅為輸入信號(hào)變化范圍僅為0.1mV，大于此值，運(yùn)放進(jìn)入非線性工作區(qū)，輸出為，大于此值，運(yùn)放進(jìn)入非線性工作區(qū)，輸出為UoH或或UoL兩值兩值，UoH、UoL分別表示正向和負(fù)向飽和電壓值。分別表示正向和負(fù)向飽和電壓值。如圖如圖5-6所示。所示。 （5-1）一、集成運(yùn)放工作在線性區(qū)一、集成運(yùn)放工作在線性區(qū)工作在線性區(qū)的運(yùn)放作

26、為一個(gè)線性放大器件，輸出和輸入工作在線性區(qū)的運(yùn)放作為一個(gè)線性放大器件，輸出和輸入的關(guān)系應(yīng)滿足如下關(guān)系的關(guān)系應(yīng)滿足如下關(guān)系正向飽合區(qū)UOHUOL負(fù)向飽合區(qū)UoOU為此，必須要擴(kuò)大運(yùn)放線性區(qū)工作范圍，作為運(yùn)放才有為此，必須要擴(kuò)大運(yùn)放線性區(qū)工作范圍，作為運(yùn)放才有實(shí)用意義。因此，必須引入深度負(fù)反饋，使運(yùn)放在閉環(huán)實(shí)用意義。因此，必須引入深度負(fù)反饋，使運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下工作，其輸出電壓狀態(tài)下工作，其輸出電壓Uo才由（才由（ ）的凈輸入）的凈輸入加以控制。加以控制。UU圖圖5-6 理想運(yùn)放開環(huán)傳輸特性理想運(yùn)放開環(huán)傳輸特性例如例如F007開環(huán)時(shí)開環(huán)時(shí)Aod=105，輸入信號(hào)的變化范圍僅有，輸入信號(hào)的變化范圍僅有

27、0.1mV，引入負(fù)反饋后其閉環(huán)增益引入負(fù)反饋后其閉環(huán)增益Auf=100，則反饋深度為，則反饋深度為3101AufAFAodod 則得則得SoufidoodUU，AUUAididodSUF）A（U3101考慮考慮即將輸入信號(hào)的變化范圍擴(kuò)大了即將輸入信號(hào)的變化范圍擴(kuò)大了103倍，可在倍，可在0.1V-0.1V范圍內(nèi)均工作在線性區(qū)，上述關(guān)系用傳輸特性表范圍內(nèi)均工作在線性區(qū)，上述關(guān)系用傳輸特性表示，如圖示，如圖5-7所示。所示。圖圖5-7 利用負(fù)反饋擴(kuò)大線性區(qū)利用負(fù)反饋擴(kuò)大線性區(qū)Uid/mV10-10Uo/V0二、集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)二、集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)為了使集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)，集成運(yùn)放均

28、開環(huán)運(yùn)用或?yàn)榱耸辜蛇\(yùn)放工作在非線性區(qū)，集成運(yùn)放均開環(huán)運(yùn)用或者加正反饋。非線性工作時(shí)，放大關(guān)系不再存在，即：者加正反饋。非線性工作時(shí)，放大關(guān)系不再存在，即：Uo Aod (U+U-)由于由于Aod=，所以輸入端有微小變化量，輸出電壓就會(huì)，所以輸入端有微小變化量，輸出電壓就會(huì)是正向或負(fù)向飽和電壓，其值接近正負(fù)電源電壓。所以：是正向或負(fù)向飽和電壓，其值接近正負(fù)電源電壓。所以：U+ U- 時(shí)，時(shí)，Uo =UoHU+ UT 則則uOiFuIRRVDiDTiUuSDeIi，RiufoDfii圖圖5-22 指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路而而所以所以TiUuSoeIu（5-11）同樣，指數(shù)運(yùn)算電路也存在對數(shù)運(yùn)算電

29、路問題。同樣，指數(shù)運(yùn)算電路也存在對數(shù)運(yùn)算電路問題。54 有源濾波電路有源濾波電路濾波器的作用是允許規(guī)定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而規(guī)定頻率濾波器的作用是允許規(guī)定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而規(guī)定頻率范圍之外的信號(hào)不能通過。即受到很大衰減。范圍之外的信號(hào)不能通過。即受到很大衰減。按其工作頻率的不同，濾波器可分為按其工作頻率的不同，濾波器可分為1、低通濾波器：允許低頻信號(hào)通過，而阻止高頻信號(hào)通過；、低通濾波器：允許低頻信號(hào)通過，而阻止高頻信號(hào)通過；2、高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過，而阻止低頻信號(hào)通過；、高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過，而阻止低頻信號(hào)通過；3、帶通濾波器：允許某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止此頻

30、、帶通濾波器：允許某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而阻止此頻帶外的信號(hào)通過；帶外的信號(hào)通過；4、帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而允許此頻、帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而允許此頻帶外的信號(hào)通過；帶外的信號(hào)通過；在電路分析課程中，利用電阻、電容等無源器件，可以構(gòu)成簡在電路分析課程中，利用電阻、電容等無源器件，可以構(gòu)成簡單的濾波電路，稱為無源濾波器，單的濾波電路，稱為無源濾波器，如圖如圖5-24（a）、（）、（b）所示分別為低通濾波器和高通濾波）所示分別為低通濾波器和高通濾波器，圖器，圖5-24（c）（）（d）分別是它們的幅頻特性。）分別是它們的幅頻特性。圖圖5-24低通濾波器和

31、高通濾波器及它們的幅頻特性低通濾波器和高通濾波器及它們的幅頻特性RLUo.Ui.RCRLUo.Ui.CR10.7070Au.10.7070Au.o(a) 低通濾波電路(b) 高通濾波電路(c) 低通幅頻特性(d ) 高通幅頻特性由電路可求得它們的傳逓函數(shù)：由電路可求得它們的傳逓函數(shù)：圖圖5-24（a）中）中 00111111jCRjCjRCjUUAiu（5-12）圖圖5-24（b）中）中 0011111jCRjCjRRUUAiu（5-13）它們的截止角頻率均為它們的截止角頻率均為RC10它們的幅頻特性根據(jù)式（它們的幅頻特性根據(jù)式（5-12）（）（5-13）可作出。由其幅頻）可作出。由其幅頻特性

32、可看出，它們分別具有低通濾波和高通濾波特性。特性可看出，它們分別具有低通濾波和高通濾波特性。無源濾波器主要存在如下問題：無源濾波器主要存在如下問題：（1）電路增益小，最大僅為）電路增益小，最大僅為1。（2）帶負(fù)載能力差，如在濾波器的輸出端接一負(fù)載電阻）帶負(fù)載能力差，如在濾波器的輸出端接一負(fù)載電阻RL，如圖，如圖5-24（a）、（）、（b）虛線所示，則其截止頻率和增益）虛線所示，則其截止頻率和增益均隨均隨RL變化。以低通濾波器為例。接入變化。以低通濾波器為例。接入RL后，傳遞函數(shù)將后，傳遞函數(shù)將變?yōu)樽優(yōu)?111111/1/1uLLLLLLLLLLLLuACRjRRRRRCRjRCRjRCRjRR

33、CjRRCjA（式中（式中RRRLL/RRRALLuCRL01；）可見增益可見增益1RRRALLuRCCRL110為了克服上述缺點(diǎn)，可將無源網(wǎng)絡(luò)接至集成運(yùn)放的輸入為了克服上述缺點(diǎn)，可將無源網(wǎng)絡(luò)接至集成運(yùn)放的輸入端，組成有源濾波電路。端，組成有源濾波電路。而截止頻率而截止頻率在有源濾波電路中，集成運(yùn)放起著放大的作用，提高了電在有源濾波電路中，集成運(yùn)放起著放大的作用，提高了電路的增益，而且因集成運(yùn)放輸入阻抗很高，故對路的增益，而且因集成運(yùn)放輸入阻抗很高，故對RC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的影響小，同時(shí)又因其輸出電阻低，帶負(fù)載能力就強(qiáng)。在的影響小，同時(shí)又因其輸出電阻低，帶負(fù)載能力就強(qiáng)。在有源濾波電路中，集成運(yùn)放起著放

34、大的作用，集成運(yùn)放工有源濾波電路中，集成運(yùn)放起著放大的作用，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。分析有源濾波電路，可按理想化運(yùn)放對待。作在線性區(qū)。分析有源濾波電路，可按理想化運(yùn)放對待。5.4.1低通濾波電路低通濾波電路電路如圖電路如圖5-25所示，圖所示，圖5-25（a）為無源濾波網(wǎng)絡(luò)）為無源濾波網(wǎng)絡(luò)RC接至集接至集成運(yùn)放的同相輸入端，圖成運(yùn)放的同相輸入端，圖5-25（b）RC接至反相輸入端，接至反相輸入端，現(xiàn)以（現(xiàn)以（a）圖為例分析。）圖為例分析。圖圖5-25 低通有源濾波電路低通有源濾波電路RfCRfRR1(a) RC接同相輸入端R1RUi.Uo.CUi.Uo.(b) RfC接反相輸入端輸出電壓為輸出電

35、壓為 URRUf101而而 iiURCjCjRUCjU1111所以傳遞函數(shù)為所以傳遞函數(shù)為011111jARCjRRAupf（5-14）式中式中Aup為通帶電壓放大倍數(shù)為通帶電壓放大倍數(shù) 11RRAfup通帶截止角頻率通帶截止角頻率RC10其幅頻特性如圖其幅頻特性如圖5-26所示。所示。101010.707 20 dB/10倍頻程0(a) 理想特性(b) 一階實(shí)際低通幅頻特性AAup20 lg.01AAup20 lg.圖圖5-26 幅頻特性幅頻特性以同樣方法可得圖以同樣方法可得圖5-25（b）的特性：）的特性： 00111jAjRRAupf（5-15）1RRAfupCRf10由上述公式可見，通

36、過改變電阻由上述公式可見，通過改變電阻Rf和和R1的阻值可調(diào)節(jié)通帶電壓的阻值可調(diào)節(jié)通帶電壓放大倍數(shù)，改變截止頻率，應(yīng)調(diào)整放大倍數(shù)，改變截止頻率，應(yīng)調(diào)整RC（圖（圖5-25（a）或）或RfC（圖（圖5-25（b）。）。一階濾波電路的缺點(diǎn)是當(dāng)一階濾波電路的缺點(diǎn)是當(dāng)o時(shí)，幅頻特性衰減太慢，時(shí)，幅頻特性衰減太慢，以以20dB/十倍程的速率下降，與理想的幅頻特性相差甚遠(yuǎn)，十倍程的速率下降，與理想的幅頻特性相差甚遠(yuǎn)，如圖如圖5-26所示。為此可在一階濾波電路的基礎(chǔ)上，再增加所示。為此可在一階濾波電路的基礎(chǔ)上，再增加一級一級RC，組成二階濾波電路，它的幅頻特性在，組成二階濾波電路，它的幅頻特性在o時(shí)，時(shí)，以

37、以40dB/十倍頻程的速率下降，衰減速度快，其幅頻特性十倍頻程的速率下降，衰減速度快，其幅頻特性更接近理想特性。為了進(jìn)一步改善濾波特性，常將第一級更接近理想特性。為了進(jìn)一步改善濾波特性，常將第一級的電容的電容C接到輸出端，引入一個(gè)反饋，這種電路又稱為賽倫接到輸出端，引入一個(gè)反饋，這種電路又稱為賽倫凱電路，實(shí)際工作更為常用。二階低通濾波電路如圖凱電路，實(shí)際工作更為常用。二階低通濾波電路如圖5-27所示。所示。RfC(a) 二階低通濾波電路R1RUo.Ui.RfCR1RUo.Ui.RCR(b) 改進(jìn)型二階低通濾波電路C圖圖5-27 二階低通濾波電路圖二階低通濾波電路圖5.4.2高通濾波電路高通濾波

38、電路 高通濾波電路如圖高通濾波電路如圖5-28所示。圖所示。圖5-28（a）為同相輸入式，）為同相輸入式，圖圖5-28（b）為反相輸入式。）為反相輸入式。RfCRRfCRR1(a) 同相輸入(b) 反相輸入R1Ui.Uo.Ui.Uo.圖圖5-28 高通濾波電路高通濾波電路以圖以圖5-28（a）為例）為例輸出電壓為輸出電壓為 URRUf101而而 iiURCjCjRURU11111輸出電壓為輸出電壓為ifURCjRRU11110 001jAUUAupi（5-16）Aup為通帶電壓放大倍數(shù)為通帶電壓放大倍數(shù)11RRAfup通帶截止角頻率通帶截止角頻率CR10其幅頻特性如圖其幅頻特性如圖5-29所示

39、。所示。 10AAup20 lg10(a) 理想幅頻特性AAup20 lg.10.707 20 dB/10倍頻程0(b) 實(shí)際高通幅頻特性01.圖圖5-29 高通濾波電路幅頻特性高通濾波電路幅頻特性 同樣方法可以得圖同樣方法可以得圖5-28（b）的特性）的特性 00111jAjRRAupf（5-17）1RRAfupCRf10由上可見通過改變電阻由上可見通過改變電阻Rf和和R1的阻值可調(diào)節(jié)通帶電壓放大倍的阻值可調(diào)節(jié)通帶電壓放大倍數(shù)，改變截止頻率，應(yīng)調(diào)整數(shù)，改變截止頻率，應(yīng)調(diào)整RC（圖（圖5-28（a）或）或RfC（圖（圖5-28（b）。）。與低通有源濾波電路相似，增加一級與低通有源濾波電路相似，增加一級RC，組成二階濾波電，組成二階濾波電路，其幅頻特性更接近理想特性。為了進(jìn)一步改善濾波特路，其幅頻特性更接近理想特性。為了進(jìn)一步改善濾波特性，將第一級的電阻性，將第一級的電阻R接到輸出端，引入一個(gè)反饋。二階接到輸出端，引入一個(gè)反饋。二階高通濾波電路如圖高通濾波電路如圖5-30所示。所示。Rf(a) 二階高通濾波電路R1RUo.Ui.(b) 改進(jìn)型二階高通濾波電路CCRRfR1RUo.Ui.C