運放電路解析及設計

1、第四章第四章集成運算放大器集成運算放大器及信號處理電路及信號處理電路2對輸入電阻的影響對輸入電阻的影響r串聯(lián)負反饋可以提高輸入電阻；串聯(lián)負反饋可以提高輸入電阻；r并聯(lián)負反饋可以降低輸入電阻。并聯(lián)負反饋可以降低輸入電阻。3對輸出電阻的影響對輸出電阻的影響r電壓負反饋可使輸出電阻降低；電壓負反饋可使輸出電阻降低；r電流負反饋可使輸出電阻提高。電流負反饋可使輸出電阻提高。 r電阻減小和提高的倍數(shù)都是（電阻減小和提高的倍數(shù)都是（1+AF）。）。1穩(wěn)定放大倍數(shù)穩(wěn)定放大倍數(shù)v在分析集成運放的各種應用電路時，常常將其中在分析集成運放的各種應用電路時，常常將其中的集成運放看成是一個理想運算放大器。所謂理的集成

2、運放看成是一個理想運算放大器。所謂理想運放就是將集成運算放大器的各項技術指標理想運放就是將集成運算放大器的各項技術指標理想化，即具有如下想化，即具有如下參數(shù)參數(shù)： 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益Aod； 差模輸入電阻差模輸入電阻rid； 輸出電阻輸出電阻ro0； 共模抑制比共模抑制比KCMR； -3dB帶寬帶寬fH； 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流、失調(diào)電流IIO、輸入偏置電流、輸入偏置電流IIB以以及他們的溫漂均為零等等。及他們的溫漂均為零等等。 當工作在線性區(qū)時，集成運放的輸出電壓與兩當工作在線性區(qū)時，集成運放的輸出電壓與兩個輸入端的電壓之間存在著線性放大關系，即個輸入端的電壓

3、之間存在著線性放大關系，即 （4.1.14.1.1）式中：式中： uo是集成運放的輸出端電壓；是集成運放的輸出端電壓； u+和和u-分別是其同相輸入端和反相輸入端的電壓；分別是其同相輸入端和反相輸入端的電壓； Aod是其開環(huán)差模電壓增益。是其開環(huán)差模電壓增益。()ooduAuu1）理想集成運放的差模輸入電壓等于零）理想集成運放的差模輸入電壓等于零 由于集成運放工作在線性區(qū)，故輸出、輸入之間由于集成運放工作在線性區(qū)，故輸出、輸入之間符合式符合式(4.1.1)所示的關系式。而且，因理想運放的所示的關系式。而且，因理想運放的Aod，所以由式，所以由式(4.1.1)可得可得即即 (4.1.2) 上式表

4、示運放同相輸入端與反相輸入端兩點的電壓相等，上式表示運放同相輸入端與反相輸入端兩點的電壓相等，如同將該兩點短路一樣。但是該兩點實際上并未真正被短路，如同將該兩點短路一樣。但是該兩點實際上并未真正被短路，只是表面上似乎短路了，因而是虛假的短路，所以將這種現(xiàn)只是表面上似乎短路了，因而是虛假的短路，所以將這種現(xiàn)象稱為象稱為“虛短虛短”。- -A Ao od d+ +u u+ +i i+ +i i- -u u- -u uO O0odoAuuu0ooduuuA2 2）理想集成運放的輸入電流等于零）理想集成運放的輸入電流等于零 由于理想集成運放的差模輸入電阻由于理想集成運放的差模輸入電阻r ridid，因

5、此，因此在其兩個輸入端均沒有電流，在其兩個輸入端均沒有電流，即即 (4.1.3)(4.1.3)此時，運放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如此時，運放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如同該兩點被斷開了一樣，這種現(xiàn)象稱為同該兩點被斷開了一樣，這種現(xiàn)象稱為“虛斷虛斷”。 “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是理想運放工作在線性區(qū)是理想運放工作在線性區(qū)時的兩個重要結論。這兩個重要結論常常作為今后時的兩個重要結論。這兩個重要結論常常作為今后分析許多運放應用電路的出發(fā)點，因此必須牢牢記分析許多運放應用電路的出發(fā)點，因此必須牢牢記住并掌握。住并掌握。 0ii 如果運放的工作信號超出了線性放大的范圍，

6、如果運放的工作信號超出了線性放大的范圍，則輸出電壓不會再隨著輸入電壓的增長線性增長，則輸出電壓不會再隨著輸入電壓的增長線性增長，而將進入飽和狀態(tài)，集成運放的傳輸特性如圖而將進入飽和狀態(tài)，集成運放的傳輸特性如圖4.1.3所示。所示。理想特性實際特性uOO OOPP+ +UOPP- -Uu+ +-u u-非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)運放輸出分別等于運放的正向最大輸出運放輸出分別等于運放的正向最大輸出電壓電壓UOPP，或等于其負向最大輸出電，或等于其負向最大輸出電壓壓UOPP，如圖，如圖4.1.3中的粗線所示。中的粗線所示。當當u+u時時, uO+UOPP當當u+ UZ。當當uI0，則右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿

7、，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)?，則右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)?，通，uO- UZ。比較電路的傳輸特性如圖比較電路的傳輸特性如圖(c)所示。所示。v也可以在集成運放的輸出端接一個電阻和兩個也可以在集成運放的輸出端接一個電阻和兩個穩(wěn)壓管來實現(xiàn)限幅，如圖穩(wěn)壓管來實現(xiàn)限幅，如圖4.4.2(b)所示所示 。v不難看出，此時過零比較電路的傳輸特性仍如不難看出，此時過零比較電路的傳輸特性仍如圖圖4.4.2(c)所示。所示。v這兩個電路的不同之處在于，圖這兩個電路的不同之處在于，圖4.4.2(a)電路中電路中的集成運放，由于當穩(wěn)壓管反向擊穿時引入一的集成運放，由于當穩(wěn)壓管反向擊穿時引入一個深度負反饋，所以

8、此時工作在線性區(qū)；而圖個深度負反饋，所以此時工作在線性區(qū)；而圖4.4.2(b)電路中的集成運放處于開環(huán)狀態(tài)，所以電路中的集成運放處于開環(huán)狀態(tài)，所以工作在非線性區(qū)。工作在非線性區(qū)。 v所謂單限比較電路是指只有一個門限電平的比所謂單限比較電路是指只有一個門限電平的比較電路，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出較電路，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 v實現(xiàn)單限比較的電路可有多種，其中一種如圖實現(xiàn)單限比較的電路可有多種，其中一種如圖4.4.3(a)所示，可以看出，此電路是在圖所示，可以看出，此電路是在圖4.4.2(a)所示過零比較電路的基礎上，將參考電壓所示過

9、零比較電路的基礎上，將參考電壓UREF通過電阻通過電阻R2，也接在集成運放的反相輸入端而，也接在集成運放的反相輸入端而得到的，目的是引入一個用于比較的門限電平。得到的，目的是引入一個用于比較的門限電平。由圖由圖4.4.3(a)可見，集成運放的同相輸入端通可見，集成運放的同相輸入端通過電阻接地，因此，當輸入電壓過電阻接地，因此，當輸入電壓uI變化時，若反相變化時，若反相輸入端的電位輸入端的電位u-0，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”的特點，并利用疊加原理，求得此時的特點，并利用疊加原理，求得此時反相輸入端的電位為反相輸入端的電位為 （4.4.1）2112

10、120IREFRRuuURRRRu uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R, ,由上式可解得門限電平為由上式可解得門限電平為此單限比較電路的傳輸特性見圖此單限比較電路的傳輸特性見圖4.4.3(b)。對比。對比4.4.3(b)和和4.4.2(b)中的傳輸特性可知，前面介紹的過中的傳輸特性可知，前面介紹的過零比較電路，實際上也是一個門限電平等于零的單零比較電路，實際上也是一個門限電平等于零的單限比較電路，也屬于單限比較電路的范圍。限

11、比較電路，也屬于單限比較電路的范圍。 12TIREFRUuUR u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R, ,如果輸入電壓受到干如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動，門限電平上下波動，見圖見圖 (a)，則輸出電，則輸出電壓將在高、低兩個電壓將在高、低兩個電平之間反復地跳變，平之間反復地跳變，見圖見圖 (b)，如在控制，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對執(zhí)行機構產(chǎn)生不將對執(zhí)行機

12、構產(chǎn)生不利的影響。利的影響。單限比較電路具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點，但單限比較電路具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點，但存在的主要問題是抗干擾能力差。存在的主要問題是抗干擾能力差。圖圖4.4.4 存在干擾時，單限比較電路波形圖存在干擾時，單限比較電路波形圖 為了解決以上問題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較為了解決以上問題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較電路。滯回比較電路又名施密特觸發(fā)器，這種比較電路有兩電路。滯回比較電路又名施密特觸發(fā)器，這種比較電路有兩個可變的比較門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，其電路見個可變的比較門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，其電路見圖圖4.4.5(a)。輸入電壓。輸入電壓

13、uI 經(jīng)電阻經(jīng)電阻 R1 加在集成運放的反相輸入加在集成運放的反相輸入端，參考電壓端，參考電壓 UREF 經(jīng)電阻經(jīng)電阻 R2 接在同相輸入端，此外從輸出接在同相輸入端，此外從輸出端通過電阻端通過電阻 RF 引回到同相輸入端。電阻引回到同相輸入端。電阻R和背靠背串連的穩(wěn)和背靠背串連的穩(wěn)壓管壓管 VDz 的作用只是限幅，將輸出電壓的幅度限制在的作用只是限幅，將輸出電壓的幅度限制在UZ。 u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO OU UREFREFA A+ +u uI Iu uO OR RVDVDZ ZR RF FR R2 2R R1 1+ +u uT T- -u uT+T+- -圖

14、圖4.4.5 滯加比較電路（滯加比較電路（a）電路圖和（）電路圖和（b）傳輸特性）傳輸特性 電路中，當集成運放反相與同相輸入端的電位電路中，當集成運放反相與同相輸入端的電位相等，即相等，即 u u- -=u=u+ + 時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。 其中其中Iuu u+ 則有參考電壓則有參考電壓 UREF 和輸出電壓和輸出電壓 uO 兩者共同決定，而兩者共同決定，而 uO 有兩種不同的狀態(tài)：有兩種不同的狀態(tài)：- UZ 和和 + UZ ，由此可見，使輸出，由此可見，使輸出電壓由電壓由 - UZ跳變到跳變到 + UZ 和輸出電壓由和輸出電壓由 + UZ 跳變到跳變到 UZ

15、 所需要的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個不同的門所需要的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，見圖限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，見圖4.4.5(b)。 圖圖4.4.4(c)為存在干擾時，滯回比較電路的輸出特性，可為存在干擾時，滯回比較電路的輸出特性，可見其性能得到大大改善。見其性能得到大大改善。圖圖4.4.4 存在干擾時，單限比較電路存在干擾時，單限比較電路和滯回比較電路波形圖和滯回比較電路波形圖比較電路的兩個門限電平值，可用疊加定理求出：比較電路的兩個門限電平值，可用疊加定理求出：v若原來輸出電壓為若原來輸出電壓為 UZ ，當逐漸減小，當逐漸減小 uI

16、時，時，uO從從 UZ 跳變到跳變到 +UZ 所需的門限電平用表示，則所需的門限電平用表示，則 v若原來輸出電壓為若原來輸出電壓為 +UZ ，當逐漸增大，當逐漸增大 uI 時，時，uO從從 +UZ 跳變到跳變到 UZ 所需的門限電平用表示，則所需的門限電平用表示，則 222FTREFZFFRRuUURRRR222FTREFZFFRRuUURRRR上述兩個門限電平的差稱為回差或門限寬度，用符上述兩個門限電平的差稱為回差或門限寬度，用符號表示是：號表示是： 由上式可見：門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)由上式可見：門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓定電壓 UZ 以及電阻以及電阻 R2 和和 RF 的值。

17、但與參考電壓的值。但與參考電壓 UREF 無關。改變無關。改變 UREF 的大小可以調(diào)節(jié)兩個門限電的大小可以調(diào)節(jié)兩個門限電平和的大小，但兩者之差不變。即當平和的大小，但兩者之差不變。即當 UREF 增大或增大或減小時，傳輸特性將平行的左移或右移。減小時，傳輸特性將平行的左移或右移。 222TTTZFRuuuURRv在實際工作中，有時需要檢測輸入模擬信號的電在實際工作中，有時需要檢測輸入模擬信號的電平是否處在兩個給定的門限電平之間，這就要求平是否處在兩個給定的門限電平之間，這就要求比較電路有兩個門限電平，這種比較電路稱為雙比較電路有兩個門限電平，這種比較電路稱為雙限比較電路。限比較電路。v雙限比

18、較電路的一種電路如圖雙限比較電路的一種電路如圖4.4.6(a)所示。電路所示。電路由兩個集成運放組成，輸入電壓由兩個集成運放組成，輸入電壓 uI 各通過一個電各通過一個電阻阻 R 分別接到分別接到 A1 的同相輸入端和的同相輸入端和 A2 的反相輸入的反相輸入端，參考電壓端，參考電壓 UREF1 和和 UREF2 分別加在分別加在 A1 的反相的反相輸入端和輸入端和 A2 的同相輸入端，其中的同相輸入端，其中 UREF1 UREF2 ，兩個集成運放的輸出端各通過一個二極管后并聯(lián)兩個集成運放的輸出端各通過一個二極管后并聯(lián)在一起，作為雙限比較電路的輸出端。在一起，作為雙限比較電路的輸出端。- -A

19、 A1 1+ +u uR RU UR RE EF F1 1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UR RE EF F2 2V VD D1 1V VD D2 2R RL Lu uO O+ +U UT TH HU UT TL Lu uI Iu uO OO O 若若 uI 低于低于 UREF2 (當然更低于當然更低于 UREF1 )，此時運放，此時運放 A1 輸輸出低電平，出低電平， A2 輸出高電平，于是二極管輸出高電平，于是二極管 VD1 截止，截止， VD2 導通，則輸出電壓導通，則輸出電壓 uO 為高電平。為高電平。 若若 uI 高于高于 UREF1 (當然更高于當然更高于 U

20、REF2 )，此時，此時 A1 輸出高輸出高電平，電平， A2 輸出低電平，則輸出低電平，則 VDl 導通，導通， VD2 截止，輸截止，輸出電壓出電壓 uo 也為高電平。也為高電平。圖圖4.4.6 雙限比較電路（雙限比較電路（a）電路圖（）電路圖（b）傳輸特性）傳輸特性- -A A1 1+ +u uR RU UR RE EF F1 1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UR RE EF F2 2V VD D1 1V VD D2 2R RL Lu uO O+ +U UT TH HU UT TL Lu uI Iu uO OO O只有當只有當 uI 高于高于 UREF2 而低于而低

21、于 UREF1 時，運放時，運放 A1 、 A2 均輸出低電平，二極管均輸出低電平，二極管 VDl 、 VD2 均截止，則輸出電均截止，則輸出電壓壓 uO 為低電平。比較電路的傳輸特性如圖為低電平。比較電路的傳輸特性如圖4.4.6(b)所示。所示。由圖可見，這種比較電路有兩個門限電平：上門限電平由圖可見，這種比較電路有兩個門限電平：上門限電平 UTH 和下門限電平和下門限電平 UTL 。在本電路中，。在本電路中， UTH UREF1 ， UTLUREF2 。由于這種比較電路的傳輸特性形狀像一個。由于這種比較電路的傳輸特性形狀像一個窗孔，所以又稱為窗孔比較電路。窗孔，所以又稱為窗孔比較電路。 圖

22、圖4.4.6 雙限比較電路（雙限比較電路（a）電路圖（）電路圖（b）傳輸特性）傳輸特性選用時需要考慮以下兩個因素：選用時需要考慮以下兩個因素：v首先，由于通用集成運放主要是根據(jù)線性放大的首先，由于通用集成運放主要是根據(jù)線性放大的要求而設計的，因此相對來說工作速度比較慢。要求而設計的，因此相對來說工作速度比較慢。而專用的集成電壓比較器，總是將縮短響應時間、而專用的集成電壓比較器，總是將縮短響應時間、提高工作速度作為設計的主要目標之一。如果要提高工作速度作為設計的主要目標之一。如果要求得到同樣的響應時間，一般情況下專用集成電求得到同樣的響應時間，一般情況下專用集成電壓比較器的價格比較低。壓比較器的價格比較低。v其次，專用集成電壓比較器的輸出電平一般可直其次，專用集成電壓比較器的輸出電平一般可直接與接與TTL等數(shù)字電路兼容，而通用集成運放的輸?shù)葦?shù)字電路兼容，而通用