電子線路(高教第四版)電子課件

1、6.2集成運(yùn)放性能參數(shù)及對(duì)應(yīng)用電路的影響6.4集成電壓比較器*6.3高精度和高速寬帶集成運(yùn)放6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理 第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.1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)，運(yùn)放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。 線性應(yīng)用電路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1 或 Zf 采用非線性器件(如三極管)，則可構(gòu)成對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。Z1 或 Zf 采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信號(hào)工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。 第 6 章集成運(yùn)算放大

2、器及其應(yīng)用電路 非線性應(yīng)用電路 -+AvOvIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。 由于開(kāi)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。例如電壓比較器。6.1.1集成運(yùn)放理想化條件下兩條重要法則 理想運(yùn)放 失調(diào)和漂移0 推論因則因則第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 說(shuō)明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是 (v - v+) 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(kāi)路，只是輸入電流小到了可以忽略不計(jì)的程度。相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路”。實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化

3、，因此可利用“虛短、虛斷”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)部電路。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路 反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋 因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負(fù)反饋第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋 因則注：同相放大器不存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負(fù)反饋因則第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 同相跟隨器 -+A+-vsvo由圖得因由于

4、所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。 歸納與推廣 當(dāng) R1 、Rf 為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：反相放大器同相放大器拉氏反變換 得注：拉氏反變換時(shí)第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 加、減運(yùn)算電路 反相加法器 6.1.2運(yùn)算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因 i 0則即整理得說(shuō)明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采用 疊加原理進(jìn)行分析。 令 vs2 = 0則令 vs1 = 0則例如第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則 減法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令 vs2 =

5、 0，則令 vs1 = 0，第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 積分和微分電路 有源積分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用運(yùn)算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 有源微分器 利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo 波形變換tvsO輸入方波積分輸出三角波votO微分輸出尖脈沖tvoO第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換器 對(duì)數(shù)變換器 -+AR+-vsvo利用運(yùn)算法得：由于整理得缺點(diǎn)：vo 受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。vs 必須大于 0。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 改進(jìn)型對(duì)數(shù)變換器VCC-+A1+-vsvo+-A2+

6、-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由于(很小)則(T1、T2特性相同)利用 R4 補(bǔ)償 VT，改善溫度特性。vS 大范圍變化時(shí)， vO 變化很小。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 反對(duì)數(shù)變換器 利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo 受溫度影響大。vs 必須小于 0。-+AR+-vsvoT第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因 T1、T2、T3、T4 構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，則分析方法一：由圖整理得(實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算)第 6 章

7、集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3 對(duì)數(shù)放大器A4 反對(duì)數(shù)放大器第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.1.3精密整流電路 精密半波整流電路 利用集成運(yùn)放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，?gòu)成對(duì)微小幅值電壓進(jìn)行整流的電路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2 vI = 0 時(shí) vO = 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 時(shí) vO 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 D1、D2 vO = -(R2 / R1)vI工

8、作原理：vOvI-R2 / R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路 當(dāng) v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時(shí)： 當(dāng) v- 0，即 vI 0 D1、D2 傳輸特性vOvI-R2 / R3VRR3R1-vO 0 D1 、D2 則vO = 0 則第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路實(shí)現(xiàn)非線性的函數(shù) R/R1vO1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvO2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3RvO3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特性第 6

9、 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.1.3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。 特點(diǎn)：KCMR 很高、 Ri 很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。 三運(yùn)放儀器放大器 由得由得由減法器 A3 得：若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得vI1+ -A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 有源反饋儀器放大器 可證明vI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2 差放T3、T4 差放A3 跟隨器A2

10、跟隨器A1 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、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 儀器放大器的應(yīng)用 儀器放大器單片集成產(chǎn)品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524 等。例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時(shí) RT =R 路橋平衡 vo = 0 。溫度變化時(shí) RT R 路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。儀器放大器RGRTRRRt oVREFvo第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.1.5電流傳輸器 電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號(hào)處理電路中。 電流傳輸器電路符號(hào)及特點(diǎn)YXZCCvXvYvZiY = 0

11、iXiZY 輸入端： iY = 0，即 RY ；X 輸入端： vX = vY ，且 vX 與 iX 大小無(wú)關(guān)，RX 0 ；Z 輸出端： iZ = iX ，且 iZ 與 vZ 大小無(wú)關(guān)。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號(hào)處理電路 YXZCCviRLiXiOR+- 互導(dǎo)放大器 互阻放大器 電流放大器 YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 負(fù)阻變換器 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.2集成運(yùn)放性能參數(shù)及對(duì)應(yīng)用電路影響6.

12、2.1集成運(yùn)放性能參數(shù)Avd 高(80 140 dB)，Rid 高(M)，Rod低 ( 100 M) 共模特性 輸入直流誤差特性IIB(10 100 A)，VIO (mV)，IIO(為 IIB 的 5% 10%) 大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)換速率 SR，全功率帶寬 BWP第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 vidRidvO+-v+v-Avd vid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+ -VIO+-Avd vicKCMR集成運(yùn)放電路模型6.2.2直流和低頻參數(shù)對(duì)性能的影響 Avd、Rid、Rod 為有限值的影響運(yùn)放應(yīng)用場(chǎng)合不同，各項(xiàng)性能參數(shù)影響也不同。因此工程估算時(shí)，可針對(duì)不同場(chǎng)合，

13、有選擇地分析運(yùn)算誤差。可證明其中Avd 對(duì)精度影響最大。Avd 越大，運(yùn)算誤差越小。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 vidRidvO+-v-Avd vid- +Rod+-R1Rfvs+-RL-+AR1Rf+-vsvoRL KCMR、Ric 為有限值的影響可證明其中Avd、KCMR 越大，同相放大器運(yùn)算精度越高。 由于同相放大器輸入端引入了共模信號(hào)，因此必須考慮KCMR的影響。RicvO+-v-Avd vidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-Avd vicKCMR第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 +-+AR1RfvsvoRL 輸入偏置電流 IIB 對(duì)性能的影響-+AR1Rf

14、+-vsvoR+= R1/ Rf則 IIB 在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓：則 IIB 在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓：設(shè) R-、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。輸入偏置電流若則輸出無(wú)失調(diào)例：注：平衡電阻 R+ 的接入對(duì)性能指標(biāo)計(jì)算沒(méi)有影響，但運(yùn)算精度得到明顯改善。 因此，為減小 IIB 對(duì)運(yùn)算精度的影響，要求外接在集成運(yùn)放兩輸入端的直流電阻相等。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 失調(diào)電流 IIO 與失調(diào)電壓 VIO 的影響 可證明為減小失調(diào)的影響：在 R+ 較小時(shí)，應(yīng)選擇 VIO 小的運(yùn)放；在 R+ 較大時(shí)，應(yīng)選擇 IIO 小的運(yùn)放。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 v

15、O+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+ -VIOR+6.2.3高頻參數(shù)對(duì)性能的影響 小信號(hào)頻率參數(shù) 開(kāi)環(huán)帶寬 BW內(nèi)補(bǔ)償?shù)募蛇\(yùn)放可近似看成是單極點(diǎn)系統(tǒng)，該運(yùn)放的上限截止頻率即開(kāi)環(huán)帶寬 BW(或稱 3 dB 帶寬)。 單位增益帶寬 BWG 指增益下降到 1(0 dB)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。小信號(hào)工作時(shí)，其值為常數(shù)，且 BWG = AvdI BW 。當(dāng)運(yùn)放閉環(huán)工作時(shí)，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。反饋越深，Avf 越小，閉環(huán)帶寬 BWf 越寬。即BWG = Avf BWf第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 大信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù) 指集成運(yùn)放輸出電壓隨時(shí)間最大可能的變化速率。其值越大，運(yùn)放高頻性能越

16、好。影響 SR 主要原因：運(yùn)放內(nèi)部存在寄生電容和相位補(bǔ)償電容。 轉(zhuǎn)換速率(又稱壓擺率)指集成運(yùn)放輸出最大不失真峰值電壓時(shí)，允許的最高工作頻率。 全功率帶寬當(dāng) SR 一定時(shí)，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的 Vom 就越小。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.4集成電壓比較器 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。 電壓比較器的特點(diǎn)輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。6.4.1電壓比較器的作用 電壓比較器工作原理可知，只要開(kāi)環(huán) Avd 很大，則 v+、v- 間的微小差值，即可使運(yùn)放輸出工作在飽和狀態(tài)。由v+ v- 時(shí)，

17、vO = Vomax(正飽和值) v+ v- 時(shí)， vO = Vomin (負(fù)飽和值) v+ = v- 時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 因此第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 時(shí)， vO = VominvI = VREF 時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 理想特性vIvOVREFVomaxVominO 實(shí)際比較特性實(shí)際特性vI VREF - Vomin /Avd 時(shí)， vO = Vomin注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性， VREF 作為門限值的 比較精度越高。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 6.4.1具有不同比較特性的

18、電壓比較器 單限電壓比較器 特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。 過(guò)零比較器 -+AvOvI+-R1D1D2RR(VREF = 0)R1 限流電阻，與 D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。VOH = VZ + VD(on) VOL = -( VZ + VD(on) ) vIvOVOHVOLO比較特性tvOOtvIO第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 單限比較器 -+AvOvI+-R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：1)令 v- = v+， 求出的輸入電壓 vI 即門限電平。2)分別分析 vI 大于門限、小于門限時(shí)的輸出 vO 電平。令得門限電平即 v+ v-若則 vO = VOH比較特性vI

19、vOVOHVOLVREFR2R1-第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 單限比較器優(yōu)點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不計(jì)有限 KCMR 的影響。 單限比較器缺點(diǎn)： 電路抗干擾能力差。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。 tvOOvItO第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 遲滯比較器(施密特觸發(fā)器)-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2特點(diǎn)正反饋電路具有雙門限令得門限電平： 反相輸入遲滯比較器 遲滯寬度： vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 -+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得門限電平： 同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度： vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH將反相遲滯比較器中的vI 與 VREF 交換，即得同相輸入遲滯比較器。第 6 章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路 遲滯比較器優(yōu)點(diǎn)