第6章電子系南昌大學低頻課件

1、第第 6 章集成運算放大器及其應用電路章集成運算放大器及其應用電路 集成運算放大器是將多個晶體管集成在一小塊硅片集成運算放大器是將多個晶體管集成在一小塊硅片上實現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。上實現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。 實現(xiàn)集成運放的工藝主要有雙極性工藝、實現(xiàn)集成運放的工藝主要有雙極性工藝、MOSMOS工藝工藝和和BiCMOSBiCMOS工藝。工藝。 雙極性集成運放：雙極性集成運放：轉換速率快、驅動能力強、失調轉換速率快、驅動能力強、失調和溫漂小和溫漂小 MOSMOS集成運放：集成運放：具有輸入阻抗高、功耗低具有輸入阻抗高、功耗低 BiCMOSBiCMOS集成運放：集成運放：兼有兩者

2、優(yōu)點兼有兩者優(yōu)點 集成運放應用電路的組成原理集成運放應用電路的組成原理根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，應用電路分為：線根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，應用電路分為：線性應用電路和非線性應用電路兩大類。性應用電路和非線性應用電路兩大類。q 線性應用電路線性應用電路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1 或或 Zf 采用非線性器件采用非線性器件( (如三極管如三極管) )，則可構成，則可構成對數(shù)、反對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法對數(shù)、乘法、除法等運算電路。等運算電路。Z1 或或 Zf 采用線性器件采用線性器件( (R、C) )，則可構成加、減、積分、，則可構成加、減、積分、微分等運算電路。微分等運算電路

3、。組成：組成：集成運放外加深度負反饋。集成運放外加深度負反饋。因負反饋作用，使運放小信因負反饋作用，使運放小信號工作，故運放處于線性狀態(tài)。號工作，故運放處于線性狀態(tài)。 q 非線性應用電路非線性應用電路 -+AvOvIVREF組成特點：組成特點：運放運放開環(huán)工作（包括開環(huán)工作（包括正反饋）。正反饋）。 由于開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，由于開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。例即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。例如：電壓比較器、振蕩如：電壓比較器、振蕩器等。器等。集成運放理想化條件下兩條重要法則集成運放理想化條件下兩條重要法則 理理想想運運放放 d

4、vA idR0odR CMRK BW失調和漂移失調和漂移0 推論推論 idR0do vAvvv因因則則 vv因因則則0i電源電壓抑制能力無窮大電源電壓抑制能力無窮大 vv說明：說明：0i相當于運放兩輸入端相當于運放兩輸入端“虛短路虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是 (v v+) 的值的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。個極其微小的差值進行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不

5、計的程度。小到了可以忽略不計的程度。相當于運放兩輸入端相當于運放兩輸入端“虛斷路虛斷路”。實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷虛短、虛斷”運算法則分析運放應用電路。此時，電運算法則分析運放應用電路。此時，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡參數(shù)有關，而不涉及運放內部路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡參數(shù)有關，而不涉及運放內部電路。電路。q 集成運放基本應用電路集成運放基本應用電路 反相放大器反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負反饋類型：電壓并聯(lián)負反饋 vv因因則則0 v反相輸入端反相輸入端“虛地虛地”。0i因因則則f1ii 1s1

6、s1RvRvvi fofofRvRvvi 由圖由圖輸出電壓表達式：輸出電壓表達式：s1fovRRv 輸入電阻輸入電阻1iRR 輸出電阻輸出電阻0oR因因0 v因深度電壓負反饋因深度電壓負反饋 同相放大器同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負反饋類型：電壓串聯(lián)負反饋 vv因因則則svv 注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虛地虛地”。0i因因1s110RvRvi fosfofRvvRvvi 由圖由圖輸出電壓表達式：輸出電壓表達式： vRRvRRv)1()1(1fs1fo輸入電阻輸入電阻 iR輸出電阻輸出電阻0oR因深度電壓負反饋因深度電壓負反饋0i因因則則f1ii

7、同相跟隨器同相跟隨器 -+A+-vsvo由圖得由圖得sovvv vv因因由于由于1f vA iR0oR所以，同相跟隨器性能所以，同相跟隨器性能優(yōu)于優(yōu)于射隨器。射隨器。q 歸納與推廣歸納與推廣 當當 R1 、Rf 為線性電抗元件時，在復頻域內：為線性電抗元件時，在復頻域內：)()()()(s1fosvsZsZsv 反相放大器反相放大器)()()(1 )(s1fosvsZsZsv 同相放大器同相放大器拉氏反變換拉氏反變換 )(otv得得注：注：拉氏反變換時拉氏反變換時tsdd tsd1q 加、減運算電路加、減運算電路 反相加法器反相加法器 -+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1 v

8、v因因則則0 v因因 i 0則則f21iii fo2s21s1RvRvRv 即即整理得整理得s22fs11fovRRvRRv 說明：說明：線性電路除可以采用線性電路除可以采用“虛短、虛斷虛短、虛斷”概念外，還可采概念外，還可采用用 疊加原理進行分析。疊加原理進行分析。 2o1oovvv 令令 vs2 = 0則則s11fo1vRRv 令令 vs1 = 0則則s22fo2vRRv 例如例如 集成運放應用電路集成運放應用電路 同相加法器同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：利用疊加原理：212s1211s2RRvRRRvRv 則則 vRRv)1(3fo)(1(212

9、s1211s23fRRvRRRvRRR 減法器減法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令 vs2 = 0，則則s11fo1vRRv 令令 vs1 = 0，32s231fo2)1(RRvRRRv 2o1oovvv s11fvRR 32s231f)1 (RRvRRRq 積分和微分電路積分和微分電路 tvCRvd)(dos 有源積分器有源積分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用運算法則方法一：利用運算法則則則 tstvRCv0od1方法二：利用方法二：利用拉氏變換拉氏變換)()(Z)()(s1fosvssZsv )(1ssvsRC )()/(1ssvRsC 拉氏反變換得拉氏反變換得 tst

10、vRCv0od1 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏變換：拉氏變換：)()(Z)()(s1fosvssZsv )(sssRCv )()/(1ssvsCR 拉氏反變換得拉氏反變換得tvRCvddso -+ARC+-vsvo 波形變換波形變換tvsO輸入方波輸入方波積分輸出三角波積分輸出三角波votO微分輸出尖脈沖微分輸出尖脈沖tvoOq 對數(shù)、反對數(shù)變換器對數(shù)、反對數(shù)變換器 對數(shù)變換器對數(shù)變換器 -+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv 利用運算法得：利用運算法得：由于由于oBEvv 整理得整理得RIvVvSsToln 缺點：缺點：vo 受溫度影響大、動態(tài)范圍小。受溫度影響大、動態(tài)范圍小。vs

11、 必須大于必須大于 0。 改進型對數(shù)變換器改進型對數(shù)變換器VCC-+A1+-vsvo+-A2+-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由圖1CC2T1CC2TBE1BE2B2lg3 . 2lniiViiVvvv 由于由于1sC1/ Rvi 2CC22BCCC2/ )(RVRvVi ( (很小很小) )則則)lg(3 . 2lg3 . 2sCC12T2CC1TB2vVRRViiVv )lg()1(3 . 2)1(sT432B43oKvVRRvRRv ( (T1、T2特性相同特性相同) )利用利用 R4 補補償償 VT，改善，改善溫度特性。溫度特性。vS 大范圍大范圍變化時，變化

12、時， vO 變化很小。變化很小。 反對數(shù)變換器反對數(shù)變換器 RvIVvoSTBEe 利用運算法則得利用運算法則得由于由于sBEvv 整理得整理得TseSoVvRIv 缺點：缺點：vo 受溫度影響大。受溫度影響大。vs 必須小于必須小于 0 ,-+AR+-vsvoTq 乘、除法器乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因因 T1、T2、T3、T4 構成跨導線性環(huán)，構成跨導線性環(huán)，則則OZYXiiii 分析方法一：分析方法一：由圖由圖整理得整理得XXX/ Rvi YYY/ Rvi ZZZ

13、/ Rvi 4OO/ Rvi ZYXYXZ4OvvvRRRRv ( (實現(xiàn)乘、除運算實現(xiàn)乘、除運算) )vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：分析方法二：XSXTBE1o1lnRIvVvv ZYXYXZ4vvvRRRR BE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvv ZSZTBE3o3lnRIvVvv A1、A2、A3 對數(shù)放大器對數(shù)放大器A4 反對數(shù)放大器反對數(shù)放大器To3o2e4SOVvvRIv 儀器放大器儀器放大器 儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。儀器放

14、大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。 特點：特點：KCMR 很高、很高、 Ri 很大，很大， Av 在很大范圍內可調。在很大范圍內可調。q 三運放儀器放大器三運放儀器放大器 vv由由G2I1IGRvvi 得得0i由由)(G21G2OO1RRRivv 得得由減法器由減法器 A3 得：得：2O656341O34O)1(vRRRRRvRRv 若若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得整理得)21(G342I1IOfRRRRvvvAv vI1+ -A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2q 有源反饋儀器放大器有源反饋儀器放大器 可證明可

15、證明GS4432I1IofRRRRRvvvAv vI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2 差放差放T3、T4 差放差放A3 跟隨器跟隨器A2 跟隨器跟隨器A1 放大器放大器 采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、高精度、增益可調的儀器放大器。高精度、增益可調的儀器放大器。q 儀器放大器的應用儀器放大器的應用 例：儀器放大器構成的橋路放大器例：儀器放大器構成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時溫度為規(guī)定值時 RT =R 路橋平衡路橋平衡 vo = 0 。溫

16、度變化時溫度變化時 RT R 路橋不平衡路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。產(chǎn)生變化。儀器儀器放大器放大器RGRTRRRt oVREFvo集成電壓比較器（開環(huán)應用）集成電壓比較器（開環(huán)應用） 電壓比較器的作用電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理可知，只要開環(huán)可知，只要開環(huán) Avd 很大，則很大，則 v+、v- 間的微小差值，即可使運間的微小差值，即可使運放輸出工作在飽和狀態(tài)。放輸出工作在飽和狀態(tài)。由由)(dO vvAvvv+ v- - 時，時， vO = Vomax( (正飽和值正飽和值) )

17、 v+ v- - 時，時， vO = Vomin ( (負飽和值負飽和值) ) v+ = v- - 時，時，邏輯狀態(tài)轉換邏輯狀態(tài)轉換 因此因此 理想比較特性理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 時，時， vO = VominvI = VREF 時，時，邏輯狀態(tài)轉換邏輯狀態(tài)轉換 理想特性理想特性vIvOVREFVomaxVominO 實際比較特性實際比較特性實際特性實際特性vI VREF Vomin / /Avd 時，時， vO = Vomin注：注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性，越大，比較特性越接近理想特性， VREF 作為門限值的作為

18、門限值的 比較精度越高。比較精度越高。具有不同比較特性的電壓比較器具有不同比較特性的電壓比較器q 單限電壓比較器單限電壓比較器 特點：運放開環(huán)工作。特點：運放開環(huán)工作。 過零比較器過零比較器 -+AvOvI+- -R1D1D2RR( (VREF = 0) )R1 限流電阻，與限流電阻，與 D1、D2共同構成電平變換電路。共同構成電平變換電路。VOH = VZ + VD(on) VOL = - -( VZ + VD(on) ) vIvOVOHVOLO比較特性比較特性tvOOtvIO 單限比較器單限比較器 -+AvOvI+- -R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1)

19、 )令令 v = v+ +， 求出的輸入電壓求出的輸入電壓 vI I 即門限電平。即門限電平。2) )分別分析分別分析 vI I 大于門限、小于門限時的輸出大于門限、小于門限時的輸出 vO 電平。電平。0REF212I211 VRRRvRRR令令得門限電平得門限電平REF12IVRRv 即即 v+ + v- -若若REF12IVRRv 則則 vO = VOH比較特性比較特性vIvOVOHVOLVREFR2R1- - 單限比較器優(yōu)點：單限比較器優(yōu)點： 電路結構簡單，可不計有限電路結構簡單，可不計有限 KCMR 的影響。的影響。 單限比較器缺點：單限比較器缺點： 電路抗干擾能力差。電路抗干擾能力差

20、。例如：過零比較器，當門限電平附近出現(xiàn)干擾信號例如：過零比較器，當門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。時，輸出會出現(xiàn)誤操作。 tvOOvItOq 遲滯比較器遲滯比較器( (施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器) )-+AvOvI+- -R3D1D2RVREFR1R2特點特點正反饋電路正反饋電路具有雙門限具有雙門限REF211O212IVRRRvRRRv 令令得門限電平：得門限電平：REF211OH212IHVRRRVRRRv REF211OL212ILVRRRVRRRv 反相輸入遲滯比較器反相輸入遲滯比較器 )(OLOH212ILIHVVRRRVVV 遲滯寬度：遲滯寬度： vIvOVOHO比較特

21、性比較特性VOLVILVIH-+AvOvI+- -R3D1D2RVREFR1R2I211O212REFvRRRvRRRV 令令得門限電平：得門限電平： 同相輸入遲滯比較器同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度：遲滯寬度： vIvOVOHO比較特性比較特性VOLVILVIH將反相遲滯比較器中的將反相遲滯比較器中的vI 與與 VREF 交換，即得同相輸交換，即得同相輸入遲滯比較器。入遲滯比較器。OL12REF12IH)1(VRRVRRV OH12REF12IL)1(VRRVRRV )(OLOH12ILIHVVRRVVV 遲滯比較器優(yōu)點：遲滯比較器優(yōu)點：電路抗干擾能力電路抗干擾能力強。強。例：反相輸入遲滯比較

22、器的比較特性如圖示，在已知例：反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已知輸入信號時，試畫輸出信號波形。輸入信號時，試畫輸出信號波形。vI (V)vO/VO比較特性比較特性7- -7- -66vI /VtO10- -106- - 6tvO/VO7- -7 遲滯比較器應用遲滯比較器應用方波發(fā)生器方波發(fā)生器-+AvO+- -R3D1D2R1R2RC門限電平門限電平OH212IHVRRRv OL212ILVRRRv 設設 t = 0 時，時，vO = VOH ，初始，初始 vC = 0則則 VOH 經(jīng)經(jīng) R 向向 C 充電充電 vC 按指數(shù)規(guī)律按指數(shù)規(guī)律 當當 vC VIH 時時 vO 跳變?yōu)樘優(yōu)?VOL此時此時 C 經(jīng)經(jīng) R 放電放電 vC 按指數(shù)規(guī)律按指數(shù)規(guī)律 當當 vC VIL 時時 vO 又上跳到又上跳到 VOH可證振蕩周期：可證振蕩周期：)21ln(212RRRCT tvOOvC