電工電子學(xué)_09集成運(yùn)算放大器

1、電工電子學(xué)1 集成電路是相對(duì)于分立元件而言的，就是把整個(gè)電路中的元器件以及各元件之間的聯(lián)結(jié)制作在一塊半導(dǎo)體基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。集成電路按其功能可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放，是模擬集成電路中應(yīng)用極為廣泛的一種。 本章主要介紹集成運(yùn)放的組成、性能指標(biāo)、反饋方式以及集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理和信號(hào)產(chǎn)生等方面的應(yīng)用。29.1 集成運(yùn)算放大器概述 運(yùn)算放大器是一種具有很高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。隨著半導(dǎo)體集成工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了集成運(yùn)算放大器。由于采用集成工藝，和分立元件組成的具有同樣功能的電路相比，集成運(yùn)放具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而

2、且實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的統(tǒng)一，大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。目前集成運(yùn)放的品種除了通用型外，還出現(xiàn)了各種專(zhuān)用型，使得運(yùn)算放大器的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)學(xué)運(yùn)算范圍，在信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)、波形轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。39.1.1 集成運(yùn)放的基本組成 集成運(yùn)算放大器有很多種類(lèi)型，不同類(lèi)型的集成運(yùn)放用途不同，其內(nèi)部電路也不一樣。但不管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何，集成運(yùn)放都是由四個(gè)基本部分組成：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路。如圖9.1.1所示。4u輸入級(jí)是集成運(yùn)放的關(guān)鍵部分，要求具有較高的輸入電阻，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，常采用差動(dòng)式放大電路。u中間級(jí)的主要作用是使集成運(yùn)放獲得高的電壓

3、放大倍數(shù)，因此又稱(chēng)電壓放大級(jí)。中間級(jí)常采用一級(jí)或多級(jí)共射放大電路。u輸出級(jí)與負(fù)載相接，要求具有較低的輸出電阻以提高帶負(fù)載能力，一般由射級(jí)輸出器或互補(bǔ)射級(jí)輸出器(功放電路)組成。u偏置電路的作用是為各級(jí)提供合適的工作電流（偏置電流）。5 9.1.2 差動(dòng)放大電路1. 電路組成圖9.1.2所示是一個(gè)基本的差動(dòng)放大電路，又稱(chēng)射極耦合差動(dòng)放大電路（長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路），圖中兩管通過(guò)射極電阻RE和UEE耦合。該電路由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的單管共射放大電路組成，晶體管T1和T2的特性相同，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，電路的參數(shù)也對(duì)稱(chēng)，即RB1=RB2 =RB，RC1=RC2=RC。6 2. 信號(hào)輸入輸入信號(hào)有兩種類(lèi)型：共模信號(hào)和差

4、模信號(hào)。（1）共模輸入當(dāng)差放電路的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入信號(hào)ui1和ui2大小相等，極性相同時(shí)，即ui1 = ui2，稱(chēng)為共模輸入。（2）差模輸入當(dāng)差放電路的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入信號(hào)ui1和ui2大小相等，極性相反時(shí)，即 ，稱(chēng)為差模輸入。通常兩個(gè)輸入端之間加入的信號(hào)之差稱(chēng)為差模輸入信號(hào)。（3）比較輸入如果兩個(gè)輸入端信號(hào)既非共模，又非差模時(shí)，稱(chēng)為比較輸入。7 2. 抑制零點(diǎn)漂移的原理 在圖9.1.2所示電路中，無(wú)論溫度變化還是電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化，且變化趨勢(shì)是相同的，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)uic。 8 在實(shí)際工作中，常常需要對(duì)地輸出，即從c1或c2對(duì)地輸出（這種輸出稱(chēng)

5、為單端輸出），而這時(shí)漂移依然存在。實(shí)際上由于每管的零點(diǎn)漂移依然存在，電路不可能完全對(duì)稱(chēng)，即使采用雙端輸出方式，兩個(gè)單管放大電路輸出漂移不可能完全抵消，因此在差放電路中引入射極電阻RE以減小每個(gè)單管放大電路的輸出漂移。它抑制零漂的原理如下。93. 輸入和輸出方式 差放電路有雙端輸入和單端輸入兩種輸入方式。同樣也有雙端輸出和單端輸出兩種輸出方式。因此，差動(dòng)放大電路共有四種輸入輸出方式。（1）雙端輸入雙端輸出（2）雙端輸入單端輸出 （3）單端輸入雙端輸出（4）單端輸入單端輸出 10 4. 共模抑制比 差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)和共模信號(hào)都有放大作用，但對(duì)差動(dòng)放大電路來(lái)說(shuō)，差模信號(hào)是有用信號(hào)，共模信號(hào)則是

6、需要抑制的。因此要求差放電路的差模放大倍數(shù)盡可能大，而共模放大倍數(shù)盡可能小。為了衡量差放電路放大差模信號(hào)和抑制共模干擾的能力，引入共模抑制比作為技術(shù)指標(biāo)，用KCMR表示。其定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，即 （9.1.11） 或用對(duì)數(shù)形式（單位為分貝，dB）表示： （9.1.12） 顯然，KCMR值越大越好。KCMR值越大，表明差放電路分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，受共模信號(hào)的影響越小。 11ucudAAKCMRucuducudAlgAlgAAlgK202020CMR9.1.3 集成運(yùn)放的工作原理 1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理圖9.1.8所示電路是一個(gè)三級(jí)直接耦合放大電路。122. 外形和

7、符號(hào) 集成運(yùn)算放大器是一種集成器件，它的外形通常有三種形式：圓殼式、扁平式、雙列直插式，如圖9.1.9所示。目前常用的是第三、第四代的中大規(guī)模集成電路，外形為雙列直插式。雙列直插式有8、10、12、14、16管腳等種類(lèi)，使用時(shí)可查閱有關(guān)手冊(cè)，辨認(rèn)管腳，以便正確連線。13 (a) 圓金屬殼式 (b) 雙列直插式 (c) 扁平式 圖9.1.9 集成運(yùn)放外形圖9.1.4 集成運(yùn)放的特性 在實(shí)際應(yīng)用中，集成運(yùn)放可視為高電壓放大倍數(shù)、低漂移的放大器。為了合理使用集成運(yùn)放，必須了解它的特性。下面介紹集成運(yùn)放的主要參數(shù)、電壓傳輸特性和理想特性。 1. 集成運(yùn)放的主要參數(shù)（1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo（2）最大

8、輸出電壓UOM（3）輸入失調(diào)電壓UIO（4）輸入失調(diào)電流IIO（5）輸入偏置電流IIB（6）共模抑制比KCMR（7）最大差模輸入電壓Uidmax（8）最大共模輸入電壓Uicmax14 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性是指開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線。集成運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖9.1.12所示。從運(yùn)放的電壓傳輸特性可以看出，集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)：線性區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間滿足線性關(guān)系：uo= Auo（u+ -u-） （9.1.14） 3. 集成運(yùn)放的理想特性159.2 放大電路中的負(fù)反饋 在電子電路中，反饋技術(shù)得到了極為廣泛的應(yīng)用。在放大電路中采用負(fù)反饋，可以改

9、善放大電路性能。因而實(shí)用的放大電路幾乎都采用負(fù)反饋，故通常將實(shí)用的放大電路稱(chēng)作負(fù)反饋放大電路。本節(jié)將討論負(fù)反饋的概念，負(fù)反饋放大電路的類(lèi)型，負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響，以及負(fù)反饋的分析方法。 9.2.1 反饋的基本概念1. 反饋的定義 圖9.2.1 反饋放大電路框圖電路中的反饋是指將電路的輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部通過(guò)一定的電路（反饋電路）送回到輸入回路，與輸入信號(hào)一同控制電路的輸出?？捎脠D9.2.1所示的方框圖來(lái)表示。162. 反饋的分類(lèi) （1）正反饋和負(fù)反饋根據(jù)反饋極性的不同，可以分為正反饋和負(fù)反饋。（2）直流反饋和交流反饋根據(jù)反饋信號(hào)的交直流性質(zhì)，可以將反饋分為直流反饋和交流反

10、饋。（3）電壓反饋和電流反饋根據(jù)輸出端反饋采樣信息的不同，可以將反饋分為電壓反饋和電流反饋。（4）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在放大電路輸入端聯(lián)結(jié)方式的不同，可以將反饋分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。17 3. 負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式負(fù)反饋放大電路可用如圖9.2.2所示的方框圖表示。184. 放大電路中為何引入不同類(lèi)型的負(fù)反饋放大電路工作時(shí)，由于多種因素影響，會(huì)使輸出信號(hào)變化，為使輸出信號(hào)保持穩(wěn)定，放大電路都要引入某種類(lèi)型的負(fù)反饋。負(fù)反饋放大電路的輸入端要和信號(hào)源相聯(lián)接，輸出端要和負(fù)載相聯(lián)接，因此放大電路引入負(fù)反饋時(shí)必須和信號(hào)源及負(fù)載匹配。9.2.2 負(fù)反饋放大電路的分析很多情況下，放

11、大電路中交、直流反饋同時(shí)存在。放大電路中引入負(fù)反饋是為了改善其動(dòng)態(tài)性能，直流負(fù)反饋多為穩(wěn)定工作點(diǎn)而設(shè)置，因此，這里主要討論的是交流負(fù)反饋。（1）反饋極性的判別（2）反饋方式的判別19 1. 串聯(lián)電壓負(fù)反饋 圖9.2.3（a）所示是一個(gè)由理想運(yùn)放組成的放大電路，輸入信號(hào)加在同相輸入端。分析步驟如下： 圖9.2.3 串聯(lián)電壓負(fù)反饋202. 串聯(lián)電流負(fù)反饋 由理想運(yùn)放組成的同相輸入放大電路如圖9.2.4（a）所示。 圖9.2.4 串聯(lián)電流負(fù)反饋213. 并聯(lián)電壓負(fù)反饋 由理想運(yùn)放組成的反相輸入放大電路如圖9.2.6（a）所示，同相端經(jīng)電阻R2接地。 圖9.2.6 并聯(lián)電壓負(fù)反饋224并聯(lián)電流負(fù)反饋

12、電路如圖9.2.8（a）所示。輸入信號(hào)由運(yùn)放的反相端輸入，同相端經(jīng)電阻R2接地。 圖9.2.8 并聯(lián)電流負(fù)反饋23 9.2.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響放大電路中引入負(fù)反饋后，反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，使得凈輸入信號(hào)減小，導(dǎo)致輸出信號(hào)減小而使閉環(huán)放大倍數(shù)下降， 。但是放大電路的各種性能指標(biāo)卻得以改善，故它的應(yīng)用十分廣泛。 1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 2. 擴(kuò)展通頻帶通頻帶是放大電路的技術(shù)指標(biāo)，某些放大電路要求有較寬的通頻帶。引入負(fù)反饋是展寬頻帶的有效措施之一。 3. 減小非線性失真 由于放大電路中含有非線性器件，會(huì)使輸出波形產(chǎn)生非線性失真。 4. 對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響放大電路引入負(fù)反饋后，由

13、于反饋電路的接入，勢(shì)必對(duì)放大電路的輸入、輸出電阻產(chǎn)生影響。反饋類(lèi)型和反饋深度不同，影響程度也不相同。24ofAA9.3 集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用 由于開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo很高，集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作時(shí)線性區(qū)很窄。因此，為了保證運(yùn)放處于線性工作區(qū)，通常都要引入深度負(fù)反饋。集成運(yùn)放引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，可以使輸出和輸入之間滿足某種特定的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)特定的模擬運(yùn)算。當(dāng)反饋電路為線性電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等運(yùn)算。 1反相輸入比例運(yùn)算 反相輸入比例運(yùn)算電路如圖9.3.1所示。輸入信號(hào)經(jīng)R1加到反相輸入端，同相輸入端通過(guò)R2接地。R2為平衡電阻，其作用是保持運(yùn)放輸入級(jí)電路的對(duì)稱(chēng)性，一般

14、取R2=R1/Rf。反饋電阻Rf跨接在輸出端與反相輸入端之間，形成深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋。25 圖9.3.1 反相比例運(yùn)算電路 2同相輸入比例運(yùn)算同相輸入比例運(yùn)算電路如圖9.3.2所示。輸入信號(hào)經(jīng)R2加到同相輸入端，反相輸入端通過(guò)R1接地。反饋電阻Rf仍然接在輸出端與反相輸入端之間，形成深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋。與圖9.3.1電路一樣，R2為平衡電阻， 取R2=R1/Rf。269.3.3 減法運(yùn)算在基本運(yùn)算電路中，如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，為差動(dòng)輸入，電路實(shí)現(xiàn)差動(dòng)運(yùn)算。差動(dòng)運(yùn)算被廣泛地應(yīng)用在測(cè)量和控制系統(tǒng)中。圖9.3.7所示的是采用差動(dòng)輸入方式的減法運(yùn)算電路。兩輸入信號(hào)ui1和ui2分別加到運(yùn)放的反相

15、端和同相端，輸出電壓仍然由Rf送回到反相端。為了使兩輸入端平衡以提高共模抑制比，一般取R1=R2，Rf=R3。采用疊加原理進(jìn)行分析。279.3.4 積分運(yùn)算 圖9.3.11所示為積分運(yùn)算電路。與反相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)相似，只是用電容C代替電阻Rf作為反饋元件。28299.3.5 微分運(yùn)算如果將積分電路中電容C與電阻R1位置對(duì)調(diào)，則得到如圖9.3.14所示的微分運(yùn)算電路。9.4 集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用 在電路系統(tǒng)中，常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，如濾波、電壓比較、采樣保持等。本節(jié)介紹集成運(yùn)放作為有源濾波器和電壓比較器的應(yīng)用。 9.4.1 有源濾波器濾波器是一種選頻電路，它能使頻率在選定范圍內(nèi)的信

16、號(hào)順利通過(guò)，而超出此范圍的信號(hào)則衰減很大，從而選出有用信號(hào)，抑制無(wú)用信號(hào)。在無(wú)線電通信、自動(dòng)控制和各種測(cè)量系統(tǒng)中都有著重要的應(yīng)用。301. 低通濾波器圖9.4.1（a）是一個(gè)低通濾波電路。它由一階RC低通濾波電路和同相輸入的集成運(yùn)放組成。設(shè)輸入信號(hào)ui是頻率為 的正弦電壓，可用向量 表示。31Ui2. 高通濾波器將低通濾波電路中R和C的位置對(duì)調(diào)就變?yōu)楦咄V波電路。圖9.4.3（a）是一個(gè)一階RC高通濾波電路。329.4.2 電壓比較器 電壓比較器的主要功能是對(duì)兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，并可判斷出其大小。由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)極高，兩個(gè)輸入端之間只要有微小電壓，運(yùn)放便進(jìn)入非線性區(qū)，輸出為飽和值。

17、當(dāng)運(yùn)放工作在飽和區(qū)時(shí)，當(dāng)u+ u-時(shí)，輸出電壓uo為正飽和Uo+；當(dāng)u+ u- 時(shí)，輸出電壓uo為負(fù)飽和Uo- 。因此，若將運(yùn)放的兩個(gè)輸入端分別接輸入電壓和參考電壓，并使其工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，便構(gòu)成電壓比較器。電壓比較器在測(cè)量、通信和波形變換等方面應(yīng)用廣泛。1基本電壓比較器2過(guò)零比較器3有限幅的比較器339.5 集成運(yùn)放在信號(hào)產(chǎn)生方面的應(yīng)用 實(shí)際應(yīng)用中有各種類(lèi)型的信號(hào)產(chǎn)生電路，其中正弦波振蕩器是應(yīng)用十分廣泛的一種信號(hào)產(chǎn)生電路。正弦波振蕩電路是無(wú)需外加輸入信號(hào)便能自動(dòng)產(chǎn)生正弦交流信號(hào)的電路，通過(guò)調(diào)整振蕩電路的參數(shù)，可改變正弦波信號(hào)的頻率和幅值。它是無(wú)線電通信、廣播系統(tǒng)的重要組成部分，也廣泛應(yīng)用在測(cè)量、遙控和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。 利用集成運(yùn)放可以構(gòu)成正弦波振蕩器，其實(shí)質(zhì)是放大器引入了正反饋。34 9.5.1 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件1. 自激振蕩及其產(chǎn)生的條件所謂自激振蕩是指在不外加信號(hào)的條件下，內(nèi)部電路能