第五章 集成運算放大器及其應(yīng)用

1、第五章 集成運算放大器及其應(yīng)用5.1 基本差動放大電路5.2 集成運算放大器5.3 集成運放的運算電路5.4 集成運放的應(yīng)用電路5.5 集成運算放大器組成的電壓比較器5.6 集成運放的選擇原則和使用5.1 5.1 基本差動放大電路基本差動放大電路1 1、直接耦合放大電路需要解決的問題 各級靜態(tài)工作點之間互相影響、互相牽制 零點漂移問題零點漂移問題 輸入端短接（輸入端短接（uI =0） ，其輸出端電壓有忽，其輸出端電壓有忽大忽小緩慢地、無規(guī)則地變化的輸出電壓大忽小緩慢地、無規(guī)則地變化的輸出電壓這種現(xiàn)象就稱為零點漂移。這種現(xiàn)象就稱為零點漂移。 產(chǎn)生零點漂移的因素產(chǎn)生零點漂移的因素：溫度變化、任何元

2、器件參數(shù)的變化，溫度變化、任何元器件參數(shù)的變化，電源的波動。電源的波動。 在多級直接耦合放大電路中，又以第一級漂移的影響最為在多級直接耦合放大電路中，又以第一級漂移的影響最為嚴重。嚴重。 抑制零點漂移的具體措施：抑制零點漂移的具體措施：（1）選用溫漂小的元器件；）選用溫漂小的元器件；（2）電路元件在安裝前要經(jīng)過認真篩選和）電路元件在安裝前要經(jīng)過認真篩選和“老老 化化”處理，以確保質(zhì)量和參數(shù)的穩(wěn)定性。處理，以確保質(zhì)量和參數(shù)的穩(wěn)定性。（3）為了減小電源電壓波動引起的漂移，要采）為了減小電源電壓波動引起的漂移，要采 用穩(wěn)定度高的穩(wěn)壓電源。用穩(wěn)定度高的穩(wěn)壓電源。（4）采用溫度補償電路。）采用溫度補償電

3、路。（5）采用調(diào)制型直流放大器。）采用調(diào)制型直流放大器。（6）采用差動放大電路。）采用差動放大電路。2 2、差動放大電路、差動放大電路1) 基本差動放大電路基本差動放大電路 雙端輸入雙端輸入 雙端輸出雙端輸出 基本差動電路利用電路的對稱性，具有抑制零基本差動電路利用電路的對稱性，具有抑制零點漂移的能力。點漂移的能力。 溫度溫度TUo=( Uc1 - Uc2 )不變不變 （UBE )2) 射極耦合差動放大電路 R R E E的主要作用是穩(wěn)定電路的工作點，進一步減小的主要作用是穩(wěn)定電路的工作點，進一步減小零點漂移。零點漂移。 溫度溫度T（UBE )IC1IC2IEUBEUBEUo=( Uc1 -

4、Uc2 )不變不變 長尾長尾在差動電路中，這種左右兩邊輸入端所獲得的對地大小相等，在差動電路中，這種左右兩邊輸入端所獲得的對地大小相等，極性相反的信號電壓就稱為極性相反的信號電壓就稱為差模信號差模信號 差模信號 調(diào)零電位器 RE的存在并不影響對差模信號的放大 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 減小減小增大增大靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點分析：分析： 在忽略在忽略R RP P時，靜態(tài)時時，靜態(tài)時U UI1I1=U UI2I2=0=0，輸入回路方程：，輸入回路方程： V VEEEE= =I IBQBQR RB B+U+UBEQBEQ+2I+2IEQEQR RE E 可得可得Q Q點為（忽略點為（忽略I

5、 IBQBQ時）時） BEQCCQCCCEQEQBQCQEBEQEEEQ)1 (2URIVUIIIRUVI電路的差模電壓放大倍數(shù)電路的差模電壓放大倍數(shù)AuD uD1UUUUUUUUuDAAI1O1I2I1O2O1IDO22beBCbeBBCBRRRRRIRIuD2uD1AA)(RB RP時時 差動電路雙端輸入雙端輸出結(jié)構(gòu)的電壓放大倍數(shù)和單差動電路雙端輸入雙端輸出結(jié)構(gòu)的電壓放大倍數(shù)和單管共射電路的放大倍數(shù)相同。采用差動放大電路只是管共射電路的放大倍數(shù)相同。采用差動放大電路只是為了抑制零點漂移。為了抑制零點漂移。 當(dāng)在兩個集電極之間接有負載電阻當(dāng)在兩個集電極之間接有負載電阻RL時：時： beBLu

6、DRRRA差模輸入電阻差模輸入電阻 ：RiD 2(RB +Rbe ) 差模輸出電阻差模輸出電阻 ：RO=2RC 2LCLRRR/差模地端差模地端兩個大小相等，極性相同的信號稱為共模輸入信號。兩個大小相等，極性相同的信號稱為共模輸入信號。 共模信號是反映溫漂干擾或噪聲等無用的信號。共模信號是反映溫漂干擾或噪聲等無用的信號。如果電路完全對稱，則在共模信號作用下，兩管電如果電路完全對稱，則在共模信號作用下，兩管電流同時等量增大，結(jié)果輸出電壓流同時等量增大，結(jié)果輸出電壓U UO OC C =0=0 若電路完全對稱，則若電路完全對稱，則AuC=0, KCMR 共模信號 KCMR =AuD/AuC晶體管電

7、路設(shè)計(上) P212 差動放大電路差動放大電路2 2、 其它形式的輸入，輸出方式其它形式的輸入，輸出方式 雙端輸入、單端輸出圖差動放大電路 beBCLRRRRuDA)/(21 單端輸入、雙端輸出差動放大電路 反相輸出反相輸出 單端輸入、單端輸出 beBCI1O1IORRRUUUUuDA21 同相輸出同相輸出 單端輸入、單端輸出 beBcI2OIORRRUUUUuDA213 3、 提高共模抑制比的電路提高共模抑制比的電路 具有恒流源的差動放大電路具有恒流源的差動放大電路 a a）電路）電路 b b）用恒流源表示）用恒流源表示3 3的電路的電路IC3 的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。的恒流

8、特性，大大提高了抑制零漂的效果。 晶體管電路設(shè)計(上) P212 差動放大電路差動放大電路5.2 5.2 集成運算放大器集成運算放大器 集成電路是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個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。 特點:體積小、高可靠性和靈活性等。 分類：模擬集成電路又可分為集成運算放大器，分類：模擬集成電路又可分為集成運算放大器，集成寬頻帶放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成寬頻帶放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比較器、集成鎖相環(huán)、集成穩(wěn)壓電源、集成模數(shù)集成比較器、集成鎖相環(huán)、集成穩(wěn)壓電源、集成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。在模擬集成電路中，和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。在模

9、擬集成電路中，集成運算放集成運算放大器（簡稱集成運放）大器（簡稱集成運放）是應(yīng)用極為廣泛的一種。是應(yīng)用極為廣泛的一種。集成電路（集成電路（integrated circuit integrated circuit ，ICIC） 什么是集成運算放大電路？什么是集成運算放大電路？ 高增益（高放大倍數(shù)）的直接耦合放高增益（高放大倍數(shù)）的直接耦合放大電路問世最早，應(yīng)用最廣泛。大電路問世最早，應(yīng)用最廣泛。 最初多用于各種模擬信號的運算最初多用于各種模擬信號的運算故稱：集成運算放大電路，簡稱集成運放故稱：集成運算放大電路，簡稱集成運放 (Operational Amplifier)(Operational

10、 Amplifier) 。1、集成運放的電路結(jié)構(gòu)及符號、集成運放的電路結(jié)構(gòu)及符號 集成運放組成框圖 舉例：型號為F007（比較老的運放）的通用型集成運放（A741 代替） 對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。雙雙電電源源 集成運算放大器外形及符號集成運算放大器外形及符號運算放大器的符號a)舊國標 b)新國標圖圖5-9 5-9 理想運放的圖形符號理想運放的圖形符號a) a) 符號符號 b)b)標有雙電源的運放符號標有雙電源的運放符號 LM32

11、4是四運放集成電路，它采用是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。2、 集成電路的特點集成電路的特點（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有）

12、不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。源負載。（4）只能制作幾十）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。）不能制造電感，如需電感，也只能外接。1.集成運放的理想化條件 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 AoD 105 （很高）（很高） 輸入電阻輸入電阻 RiD 106（很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 Ro 100 （很?。ê苄。?3、集成運放的電壓傳輸特性和主要參數(shù) 共模抑制比共模抑制比 KCMR （很高）（很高） 由

13、于由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：u uO OA Aodod( (u uP Pu uN N) ) A Aodod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。是開環(huán)差模放大倍數(shù)。 (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。，即集成運放工作在非線性區(qū)。通用型運放 工作電源為雙電源雙電源2.集成運放的傳輸特性非非線線性性區(qū)區(qū)理想理想運放工作在線性區(qū)的特點運放

14、工作在線性區(qū)的特點因為因為 uo = Aod( (uP uN )所以所以(1) 差模輸入電壓約等于差模輸入電壓約等于 0 即即 uP= uN ,稱稱“虛短虛短” (2) 輸入電流約等于輸入電流約等于 0 即即 iP= iN 0 ,稱稱“虛斷虛斷” 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Aod越大，運放的線性范越大，運放的線性范圍越小，必須加圍越小，必須加負反饋負反饋才能才能使其工作于線性區(qū)。使其工作于線性區(qū)。( () ) uP uN uo線性區(qū)線性區(qū)UOM+UOM) OiPiN當(dāng)當(dāng) uP uN 時，時， uO = + UOM uPuP時，輸出是反向飽和電壓-UO(sat)； 當(dāng)uPuN時，輸出是正向飽和電

15、壓+UO(sat)。 工作在非線性區(qū)的運放只有兩種輸出狀態(tài)，分別將這兩種狀態(tài)稱為輸出高電平與輸出低電平。 uPuNuNuP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1 5.5.1 單值電壓比較器 單值電壓比較器的基本功能是比較兩個電壓的大小，并由輸出的高電平或低電平來反映比較結(jié)果。 單值電壓比較電路單值電壓比較電路a a）U UR R接同相端的電路接同相端的電路 b b）U UR R接同相端的電壓傳輸特性曲線接同相端的電壓傳輸特性曲線c c）U UR R接反相端的電路接反相端的電路 d d）U UR R接反相端的電壓傳輸特性曲線接反相端的電壓傳輸特性曲線e) e) 過零電壓比較器過零電壓比較器

16、f) f) 過零電壓比較器的電壓傳輸特性曲線過零電壓比較器的電壓傳輸特性曲線5.5.2 5.5.2 遲滯電壓比較器外界干擾對輸出波形的影響a)正弦波方波變換電路 b)輸入波形 c)輸出波形輸出信號翻轉(zhuǎn)多次輸出信號翻轉(zhuǎn)多次 具有遲滯特性的電壓比較器具有遲滯特性的電壓比較器 a a）基本電路）基本電路 b b）c c） d d）電壓傳輸特性曲線）電壓傳輸特性曲線上限門限電平UTH1 FsatoFFRTHRRRURRRUU2221)(下限門限電平UTH2FsatOFFRTHRRRURRRUU2222)(UTH1UTH2 uIUTH1時，uo=UO(sat) uIUTH2時，uo=UO(sat) 兩個

17、門限電壓的差值稱為回差電壓兩個門限電壓的差值稱為回差電壓 U UTHTH ；FsatoTHTHTHRRRUUUU22212)(例5-3 根據(jù)圖所示的電壓比較器電路。根據(jù)圖所示的電壓比較器電路。(1)(1)求出回差電壓求出回差電壓 U UTHTH，并畫出傳輸特性。，并畫出傳輸特性。(2)(2)已知輸入電壓波形圖，畫出輸出電壓波形。已知輸入電壓波形圖，畫出輸出電壓波形。 , 022O2IPNFFFRRRuRRRuuu0, 022O2INpFFFRRRuRRRuuuVUUU:THTHTH63321回差電壓例6-3 根據(jù)圖所示的電壓比較器電路。根據(jù)圖所示的電壓比較器電路。(1)(1)求出回差電壓求出回

18、差電壓 U UTHTH，并畫出傳輸特性。，并畫出傳輸特性。(2)(2)已知輸入電壓波形圖，畫出輸出電壓波形。已知輸入電壓波形圖，畫出輸出電壓波形。VUUU:THTHTH63321回差電壓5.5.3 5.5.3 窗口比較器窗口比較器a) 基本電路 b) 電壓傳輸特性曲線檢測uI是否在U1和U2兩個電平之間，則可采用窗口比較器。 圖圖5-38 5-38 集成運放集成運放LM324LM324的應(yīng)用電路的應(yīng)用電路5.5.4 5.5.4 集成電壓集成電壓比較器的基本應(yīng)用比較器的基本應(yīng)用 圖圖5-39 LM3395-39 LM339電壓比較器引腳圖電壓比較器引腳圖圖圖 5-40 LM3395-40 LM339基本單限比較器基本單限比較器a) LM339a) LM339基本單限比較器電