模擬電子電路第6章

第一節(jié)集成運算放的組成及基本特性第二節(jié)運放的線性應用及理想運放模型第三節(jié)基本運算電路第四節(jié)電壓比較器第五節(jié)波形發(fā)生器第6章集成運算放大器的分析與應用第一節(jié)集成運算放大器的組成及基本特性模擬集成電路分成：通用集成電路：模擬信號處理電路。專用集成電路：1）控制系統(tǒng)專用集成電路（如電機控制電路、可控硅控制電路等）；2）通信系統(tǒng)專用集成電路（如電話電路、無線通信電路、交換專用電路等）。3）測試系統(tǒng)專用集成電路（ATE電路、信號變換和處理電路等）、儀器專用電路等。一．概述1．模擬集成電路的基本結構二．集成電路的基本結構2．

數(shù)字集成電路的基本結構運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它的組成框圖如圖所示。集成運放電路由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四大主要部分構成。運放組成及符號差放輸入級中間放大級低阻輸出級恒流源偏置U-U+Uo三．模擬集成運算放大器的基本結構1.輸入級：高性能的差動放大電路。運放有兩個輸入端，一個稱為同相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相同，用符號U＋

表示；一個稱為反相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相反，用符號U－表示。

4.恒流源偏置：可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點，一般采用電流源電路。

3.低阻輸出級：由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流，常采用互補對稱電路的形式，具體電路參閱功率放大器。2.中間放大級：提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。多為差動電路和帶有源負載的高增益放大器（共射電路）。集成運放F007的電路原理2．單極型集成運放第一級以P溝道管T3和T4為放大管、以N溝道管T5和T6管構成的電流源為有源負載。第二級是共源放大電路，以N溝道管T8為放大管，漏極帶有源負載。

集成運放的應用多種多樣，在不同的應用電路中處于不同的工作狀態(tài)，集成運放的應用可劃分為兩大類：線性應用：閉環(huán)應用，集成運放可用理想模型來代替。非線性應用：開環(huán)應用，如：比較器。第三節(jié)線性應用及理想運放模型運放模型分類：1.按精度分類：理想模型非理想模型運放宏模型2.按功能分類：直流模型交流小信號模型大信號模型噪聲模型1、集成運算放大器的轉(zhuǎn)移特性:uou-

-

u+0線性工作范圍正飽和負飽和輸入差模電壓的線性工作范圍很?。ㄒ话銉H十幾毫伏），所以常將特性理想化。2、運放線性工作的保障:兩輸入端的電壓必須非常接近，才能保障運放工作在線性范圍內(nèi)，否則，運放將進入飽和狀態(tài)。運放應用電路中：負反饋是判斷是否線性應用的主要電路標志。一、集成運算放大器的線性應用運放的輸出幅度有限（比電源低2V左右）;運放的開環(huán)電壓增益一般>10000;u-u+uo二、理想運放模型理想運放具有如下性能：1、開環(huán)電壓增益——AUd;2、輸入電阻——Rid;3、輸出電阻——Ro=0;4、頻帶寬度——BW

;5、共模抑制比——KCMR

;6、失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零

;運放的主要特點根據(jù)以上特點推出理想運放線性應用時的重要特性。三、線性應用情況下理想運算放大器具有如下特征：1、u+=u-(虛短)2、i+=i-=0(虛斷)同相和反向輸入端電流近似為零；兩輸入端電壓近似相等；Ui=U+-U-=Uo/AU0理想運放的開環(huán)電壓增益Ui=Uo/AU0;Ui=IiRi0;Ii0;3、輸出端呈電壓源特性：1)同相端與反相端呈開路狀態(tài)。2)輸出回路為一受控電壓源AU(U+-U-)，由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-)。-U-I-+U+I+Uo+-AU(U+-U-)反相比例運算同相比例運算一、比例運算電路三、積分微分電路四、對數(shù)指數(shù)電路基本反相積分基本反相微分對數(shù)電路二、加、減法運算電路反相加法運算同相加法運算減法運算第四節(jié)基本運算電路指數(shù)電路1．反相比例運算電路(1)實際電路分析法:1)電壓增益由理想運放“虛短”和“虛斷”

的概念可知：UP=UN=0IP=IN=0

其中UN被稱為“虛地點”。也因此有：If=I1將相應變量代入后得：

為了保證集成運放輸入的對稱性，要求

Rp=R1//Rf。一、比例運算電路2)輸入電阻和輸出電阻根據(jù)輸入電阻的定義：反相比例電路的輸出電阻為：Ro=Rf//0

0上述結果表明：雖然理想運放的輸入電阻為無窮大，但是反相比例運算電路的輸入電阻卻不大。為了提高輸入電阻，必須適當增大R1。反相比例運算電路的輸出電阻近似為0，表明其帶負載能力較強。(2)小信號模型分析法可把上述反相比例運算電路改畫成小信號模型等效電路：由于：U+=U-

=0故有：If=I1即：則電壓增益為：

上式表明：采用兩種分析方法所得結論一致，但模型分析法分析過程更直觀、更簡單。在實際應用中，采用那種分析方法可自主選擇。2．同相比例運算電路為了保證集成運放輸入的對稱性，要求

R2=R1//Rf。1)電壓增益由理想運放的“虛短”和“虛斷”的概念可知，集成運放的凈輸入信號為零，即：

UP=UN=Ui

If=I1

將相應變量代入后得：電壓增益為2)輸入電阻與輸出電阻

Ri=∞Ro=Rf//0

0結論：Auf的大小決定于Rf和R1的比值，Auf為正值，說明輸出電壓與輸入信號電壓是同相的。在極限情況下:有AUf=1，Ui=Uo；Ri→∞和Ro=0。R1→∞Rf→0的極限狀態(tài)稱為電壓跟隨器。作用：阻抗變換。

輸出電阻為Ro=Rf//0

0輸入電阻為電壓增益為輸入電阻為電壓增益為輸出電阻為Ro=Rf//0

0Ri=∞此處不加電阻是否可以？為什么？二、加減運算電路1．加法電路（反相）由于I1=U1/R1

I2=U2/R2

I3=U3/R3又由“虛斷”可得：

If=I1+I2+I3因而輸出電壓：結論：(1)反相加法器的輸出電壓與輸入電壓之和成正比。

(2)比例系數(shù)由各輸入電阻比值決定與運放參數(shù)無關。

(3)輸入電壓與輸出電壓的極性成反比。同理對于有n個輸入端的加法電路有：Rp=R1//R2////Rn//Rf構成要求：即：（R+=R-）由反相放大器組成的加法電路（簡稱反相加法電路或反相求和電路）改變某一路信號的輸入電阻Rn，不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關系，因而調(diào)節(jié)方便?！纠?-1】試用疊加原理，計算圖6—21所示由同相放大器組成的加法電路的輸出電壓Uo表達式。解：而UP可用疊加原理求出。令U2=0，則由U1產(chǎn)生的UP’為：令U1=0，則由U2產(chǎn)生的UP”為：因此：故同相加法電路共模輸入較高，調(diào)節(jié)不便，運用較少。2.有n個輸入端的同相加法電路在同相比例運算電路的基礎上，增加一個輸入支路，就構成了同相輸入求和電路，如圖所示。同相加法電路

運放具有虛斷的特性；同相輸入端的電位可用疊加原理。求得：結論：(1).同相加法器的輸出電壓與輸入電壓U1Un之和成正比。

(2).缺點：調(diào)節(jié)某一支路的Rn會影響比例放大倍數(shù)。

(3).優(yōu)點：輸入阻抗高。3.減法電路減法器為同、反相放大器的組合，利用疊加原理求解：減法電路

1)只考慮U1作用時：2)只考慮U2作用時：同相端輸入電壓為：3)總輸出電壓為：結論：(1)減法器的輸出電壓與輸入電壓之差成正比。(2)減法器又稱差分放大器。(3)為減小運放失調(diào)誤差影響設計時應保持：R1//Rf=R2//R3。實例：雙端輸入求和電路雙端輸入也稱差動輸入，雙端輸入求和運算電路如圖：其輸出電壓表達式的推導方法與同相加法電路相似。雙端輸入求和運算電路當Ui1=Ui2=0時，用疊加原理分別求出:Ui3和Ui4時作用時的輸出電壓Uop。當Ui3=Ui4=0時，用疊加原

理分別求出:Ui1和Ui2作用時的Uon。先求式中Rp=R3//R4//R,Rn=R1//R2//Rf再求【例6-2】圖6-23所示電路是一個具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的測量放大器，其增益可通過改變R4值進行調(diào)節(jié)。假設運放是理想的，試證明：解：直接應用虛短和虛斷的概念求解。由虛短的概念可知：

U2=UN2、U1=UN1，則又由虛短的概念可知：

I1=I4=I2由此可導出：對于A3與R1、R1

構成差動式減法電路,因此有：例題

求圖所示數(shù)據(jù)放大器的輸出表達式，并分析R1的作用。解：vs1和vs2為差模輸入信號，為此vo1

和vo2也是差模信號，R1的中點為交流零電位。對

A3是雙端輸入放大電路。所以：顯然調(diào)節(jié)R1可以改變放大器的增益。積分運算電路的分析方法與反相比例電路類似，反相積分運算電路如圖所示：積分運算電路i1(t)=if

(t)i1(t)=ui

(t)/R1.利用虛地的概念：3.電容兩端的電壓：Rf可抑制直流漂移限制低頻增益2.利用虛斷的概念：三、積分電路當輸入信號是階躍直流電壓E時:輸出電壓：反映了輸入輸出的積分關系。若輸入信號電壓是直流電壓E：則輸出電壓uo(t)隨時間t按負斜率下降，如圖所示。積分器除了進行數(shù)學運算外，在電子技術中常用于波形變換。若輸入信號是幅值為5V頻率為1kHz的方波電壓信號，電路元件

R=10k，C=0.1F，輸出信號變成如圖的三角波。三角波的幅值為：由于Uim=5V，T=1/1kHz=10-3s，可求得：結論:1.現(xiàn)精確積分的關鍵是確保運放反響端為“虛地”。（這樣能保證C的充電電流正比與輸入電壓）2.若反饋回路接入大阻值電阻Rf可抑制直流漂移、直流增益。3.設計時應滿足：且輸出電壓的幅值要小于等于Uom，由此可知，輸出電壓可表示為：

Uo=(Ui/RC)(T/2)Uom【例題】如圖6-24所示積分器，已知輸入矩形波電壓幅值

U1=1V，T=10ms，見圖6-25（b），運放最大輸出電壓Uom=10V，求電路元件R和C的值。解：由于即：UiT

2Uom

RC由上式可求出RC乘積為RCUiT/

2Uom=0.5×10×lo-3/10=0.5ms可取電阻：R5k；電容：C0.1F

微分運算電路如圖所示:反映了輸入輸出的微分關系。四、微分電路實用微分電路R1的作用是:適當減小放大器高頻增益以抑制高頻噪聲。微分器除了可作數(shù)學運算外，在電子技術中也可用作波形變換。若在微分器輸入端加入一個頻率為1kHz幅值為2.5V的三角波信號，不計R1的影響，則變化率：微分器輸出電壓是一方波信號，它的幅值電壓為：在設計微分器時，元件RfC的乘積受運放最大輸出電壓的限制，即最大輸出電壓Uom滿足：對數(shù)運算電路見圖:1.輸入電壓與輸出電壓的對數(shù)成正比。2.由于結論中包含有反向飽和電流IS，IS是溫度的函數(shù)，故溫度穩(wěn)定性差。結論五、對數(shù)電路

指數(shù)運算電路如圖所示：指數(shù)運算電路相當反對數(shù)運算電路。六、指數(shù)電路第五節(jié)電壓比較器1.比較器的功能:

是將一個模擬電壓信號與一個參考電壓相比較的電路。2.比較器的應用:

波形變換、過零檢測、越線報警、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。3.比較器的種類很多如:

單門限比較器、遲滯比較器、單片集成電壓比較器和*窗口比較器等。一、單門限比較器

(1)單門限電壓比較器由于集成運放的開環(huán)電壓增益AU很大：當輸入信號Ui小于參考電壓UREF，即Uid=（Ui－UREF）＜0時，運放輸出Uo為低電平VOL；當輸入信號Ui大于參考電壓UREF

，當Ui升高到略大于UREF，即Uid=（Ui－UREF）＞0時，Uo為高電平VOH。【舉例】電路如圖6-31(a)所示，當Ui如圖6-32(a)所示時，試畫出Uo及Uo‘

的波形。（2）過零比較器二、遲滯比較器由輸出引一電阻分壓支路到同相端，電路如圖所示。當輸入電壓Ui從零逐漸增大：此時觸發(fā)電平變?yōu)閁2

，U2稱為

下限閾值(觸發(fā))電平。滯回比較器電路圖此時觸發(fā)電平變?yōu)閁1，U1稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當Ui逐漸減小，且Ui=

U2

以前，始終等于Uom-

；當Ui逐漸增大，且Ui=U1以前，始終等于Uom+

，因此出現(xiàn)如圖所示的遲滯特性曲線。門限寬度U

：*三、比較器的應用比較器一個重要作用是：用來對輸入波形進行整形：可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波比較器的基本特點：工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)；開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)；非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關系。一、方波、三角波發(fā)生器1.vo1輸出為方波。2.vo2輸出為三角波（C的沖放電時間相同）。第五節(jié)波形發(fā)生電路二、脈沖波、鋸齒波振蕩在方波—三角波振蕩電路中:

積分電路兩個積分方向采用不同的時間常數(shù),可改變上升沿和下降沿的斜率，形成鋸齒波,對應的方波也成了脈沖波。第七節(jié)集成運放的其他應用一電流-電壓變換器二RC有源濾波器三測量放大器四增益可調(diào)放大器五交流耦合放大器六穩(wěn)壓電源

一、電流-電壓變換器由圖可知:可見輸出電壓與輸入電流成比例。電流-電壓變換電路(a)負載接地可解得：負載接地的情況：

R1和R2構成電流并聯(lián)負反饋；

R3

、R4和RL構成電壓串聯(lián)正反饋。由圖可得：二、電壓-電流變換器由圖（b）可知：所以輸出電流與輸入電壓成比例。(b)負載不接地負載不接地的情況：結論：

電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。1.一階低通有源濾波器:根據(jù)反相比例運算電路的分析頻率特性:截止頻率：濾波增益：|A|=R2/R1三、RC有源濾波器特性曲線：2.一階高通有源濾波器：據(jù)反相比例運算電路的分析:頻率特性:截止頻率：濾波增益：|A|=R2/R1特性曲線:RfRRR

RX=R+RURUo-+四、測量放大器如圖所示電路為典型的測量電路：常用于非電量測量。如溫度，壓力等。RX的阻值隨被測量變化而變：RX產(chǎn)生R變化時：輸出電壓將變化Uo。RX=R時：電橋平衡；Ui=0；Uo=0。=R/R<<1時，輸出電壓為：

Uo≈URRf/(2R)五、單電源供電放大電路

集成運放通常采用雙電源供電，其中負電源主要提供差分放大級的發(fā)射極電源（靜態(tài)工作點）。當使用單電源供電時，為保證電路有合適的靜態(tài)點，運放的輸入級由外電路提供偏置電壓。R1UiUoRf-+EcRRRf-+Ec/2Ec