第6章電子系南昌大學(xué)低頻課件

1、第第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 集成運(yùn)算放大器是將多個(gè)晶體管集成在一小塊硅片集成運(yùn)算放大器是將多個(gè)晶體管集成在一小塊硅片上實(shí)現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。上實(shí)現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。 實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)放的工藝主要有雙極性工藝、實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)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(yùn)放：雙極性集成運(yùn)放：轉(zhuǎn)換速率快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、失調(diào)轉(zhuǎn)換速率快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、失調(diào)和溫漂小和溫漂小 MOSMOS集成運(yùn)放：集成運(yùn)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(yùn)放：集成運(yùn)放：兼有兩者

2、優(yōu)點(diǎn)兼有兩者優(yōu)點(diǎn) 集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，應(yīng)用電路分為：線根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，應(yīng)用電路分為：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。q 線性應(yīng)用電路線性應(yīng)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(gòu)成，則可構(gòu)成對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法對(duì)數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。等運(yùn)算電路。Z1 或或 Zf 采用線性器件采用線性器件( (R、C) )，則可構(gòu)成加、減、積分、，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。微分等運(yùn)算電路

3、。組成：組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信號(hào)工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。號(hào)工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。 q 非線性應(yīng)用電路非線性應(yīng)用電路 -+AvOvIVREF組成特點(diǎn)：組成特點(diǎn)：運(yùn)放運(yùn)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(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，由于開環(huán)工作時(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運(yùn)放輸出進(jìn)入非線區(qū)工作。例即可使運(yùn)放輸出進(jìn)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(yùn)放理想化條件下兩條重要法則集成運(yùn)放理想化條件下兩條重要法則 理理想想運(yùn)運(yùn)放放 d

4、vA idR0odR CMRK BW失調(diào)和漂移失調(diào)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(wú)窮大電源電壓抑制能力無(wú)窮大 vv說(shuō)明：說(shuō)明：0i相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端相當(dāng)于運(yùn)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(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放正是利用這小到了可以忽略不計(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放正是利用這個(gè)極其微小的差值進(jìn)行電壓放大的。個(gè)極其微小的差值進(jìn)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(jì)的程度。小到了可以忽略不計(jì)的程度。相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路虛斷路”。實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷虛短、虛斷”運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部電路。電路。q 集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路 反相放大器反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)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(dá)式：輸出電壓表達(dá)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(fù)反饋因深度電壓負(fù)反饋 同相放大器同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)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(dá)式：輸出電壓表達(dá)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(fù)反饋因深度電壓負(fù)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(dāng)當(dāng) R1 、Rf 為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：)()()()(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(shí)拉氏反變換時(shí)tsdd tsd1q 加、減運(yùn)算電路加、減運(yùn)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(shuō)明：說(shuō)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(jìn)行分析。疊加原理進(jìn)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(yùn)放應(yīng)用電路集成運(yùn)放應(yīng)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(yùn)算法則方法一：利用運(yùn)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(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換器對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換器 對(duì)數(shù)變換器對(duì)數(shù)變換器 -+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv 利用運(yùn)算法得：利用運(yùn)算法得：由于由于oBEvv 整理得整理得RIvVvSsToln 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：vo 受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。vs

11、 必須大于必須大于 0。 改進(jìn)型對(duì)數(shù)變換器改進(jìn)型對(duì)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(bǔ)補(bǔ)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(shí)，變化

12、時(shí)， vO 變化很小。變化很小。 反對(duì)數(shù)變換器反對(duì)數(shù)變換器 RvIVvoSTBEe 利用運(yùn)算法則得利用運(yùn)算法則得由于由于sBEvv 整理得整理得TseSoVvRIv 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：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(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，構(gòu)成跨導(dǎo)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(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算) )vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：分析方法二：XSXTBE1o1lnRIvVvv ZYXYXZ4vvvRRRR BE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvv ZSZTBE3o3lnRIvVvv A1、A2、A3 對(duì)數(shù)放大器對(duì)數(shù)放大器A4 反對(duì)數(shù)放大器反對(duì)數(shù)放大器To3o2e4SOVvvRIv 儀器放大器儀器放大器 儀器放大器是用來(lái)放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器。儀器放

14、大器是用來(lái)放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：KCMR 很高、很高、 Ri 很大，很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。在很大范圍內(nèi)可調(diào)。q 三運(yùn)放儀器放大器三運(yùn)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(yán)格配對(duì)的低噪聲對(duì)管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、采用嚴(yán)格配對(duì)的低噪聲對(duì)管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。q 儀器放大器的應(yīng)用儀器放大器的應(yīng)用 例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時(shí)溫度為規(guī)定值時(shí) RT =R 路橋平衡路橋平衡 vo = 0 。溫

16、度變化時(shí)溫度變化時(shí) 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(yīng)用）集成電壓比較器（開環(huán)應(yīng)用） 電壓比較器的作用電壓比較器的作用比較兩輸入信號(hào)大小，并以輸出高、低電平來(lái)指示。比較兩輸入信號(hào)大小，并以輸出高、低電平來(lái)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(yùn)間的微小差值，即可使運(yùn)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(shí)，時(shí)， vO = Vomax( (正飽和值正飽和值) )

17、 v+ v- - 時(shí)，時(shí)， vO = Vomin ( (負(fù)飽和值負(fù)飽和值) ) v+ = v- - 時(shí)，時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 因此因此 理想比較特性理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 時(shí)，時(shí)， vO = VominvI = VREF 時(shí)，時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 理想特性理想特性vIvOVREFVomaxVominO 實(shí)際比較特性實(shí)際比較特性實(shí)際特性實(shí)際特性vI VREF Vomin / /Avd 時(shí)，時(shí)， 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(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。 過(guò)零比較器過(guò)零比較器 -+AvOvI+- -R1D1D2RR( (VREF = 0) )R1 限流電阻，與限流電阻，與 D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。共同構(gòu)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(shí)的輸出大于門限、小于門限時(shí)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(diǎn)：?jiǎn)蜗薇容^器優(yōu)點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不計(jì)有限電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不計(jì)有限 KCMR 的影響。的影響。 單限比較器缺點(diǎn)：?jiǎn)蜗薇容^器缺點(diǎn)： 電路抗干擾能力差。電路抗干擾能力差

20、。例如：過(guò)零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信號(hào)例如：過(guò)零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)誤操作。時(shí)，輸出會(huì)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(diǎn)特點(diǎn)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(diǎn)：遲滯比較器優(yōu)點(diǎn)：電路抗干擾能力電路抗干擾能力強(qiáng)。強(qiáng)。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(hào)時(shí)，試畫輸出信號(hào)波形。輸入信號(hào)時(shí)，試畫輸出信號(hào)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(yīng)用遲滯比較器應(yīng)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(shè)設(shè) t = 0 時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng) vC VIH 時(shí)時(shí) vO 跳變?yōu)樘優(yōu)?VOL此時(shí)此時(shí) 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(dāng)當(dāng) vC VIL 時(shí)時(shí) 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