第3章集成運算放大器

第3章集成運算放大器3.1集成運算放大器簡介3.2集成運算放大器的線性應(yīng)用3.3集成運算放大器的非線性應(yīng)用3.1集成運算放大器簡介集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。3.1.1集成運算放大器的組成及其特點集成運算放大器組成框圖如圖所示，包含輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4個基本組成部分。圖集成運算放大器組成框圖1．集成運算放大器的組成輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器

。中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。

偏置電路:由鏡像恒流源等電路組成輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。3.1.1集成運算放大器的組成及其特點1．集成運算放大器的組成2．集成運算放大器的特點（1）由于在集成電路工藝中還難以制造大容量電容，所以集成運算放大器各級之間均采用直接耦合方式。（2）集成電路中各個晶體管是通過同一工藝過程制作在同一硅片上的，容易獲得特性相似的差分對管。又由于管子在同一硅片上，溫度性能基本保持一致。因此，集成運算放大器中大量采用差動放大電路和恒流源電路，用以抑制漂移和穩(wěn)定工作點。（3）集成電路中，比較適合的阻值為100Ω~30kΩ，制作高阻值電阻成本高，占用面積大且阻值偏差大(10%~20%)，因此，集成運算放大器中常用有源元件（晶體管、場效應(yīng)晶體管或恒流源）代替大阻值的電阻。（4）常用復合晶體管代替單個晶體管，用以提高集成運算放大器的性能。3．集成運算放大器的符號a)國際常用符號b)國家標準符號c)具有電源引腳的國際常用符號3.1.2集成運算放大器的主要技術(shù)指標愈小愈好1.輸入失調(diào)電壓UIO2.輸入偏置電流IIB

3.輸入失調(diào)電流IIO4.開環(huán)差模電壓增益Auo5．最大差模輸入電壓Uidmax6．差模輸入電阻Rid

7．共模抑制比KCMR

8．最大共模輸入電壓Uicmax

3.1.3集成運算放大器的電壓傳輸特性當Auo(uP－uN)U＋時

uO＝

U＋

當Auo(uP－uN)

U-時

uO＝

U-電壓傳輸特性

uO＝

f

(uP－uN)線性范圍內(nèi)uO＝Auo(uP－uN)Auo——斜率3.1.4集成運算放大器的理想化模型1．理想集成運算放大器的技術(shù)指標（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo；（2）輸入電阻Rid；（3）輸出電阻Ro0；（4）共模抑制比KCMR；（5）輸入偏置電流IBN=IBP=0；（6）失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO及它們的溫漂均為零。2．理想集成運算放大器的工作特性3.1.4集成運算放大器的理想化模型（1）工作于線性區(qū)的理想集成運算放大器的工作特性根據(jù)集成運放的理想化條件，可以導出兩個結(jié)論，作為集成運放在線性區(qū)工作的重要分析依據(jù)：（1）虛斷：由ri=∞，得ip＝in＝0，即兩個輸入端的電流恒為零。電流為零相當于斷路，但實際上兩個輸入端并未真正斷開，因此稱為虛斷；（2）虛短：由Auo=∞，得up＝un，即理想運放兩個輸入端的電位相等。兩點等電位相當于短路，實際上兩個輸入端并未真正短接，因此稱為虛短。理想運算放大器的電壓傳輸特性（2）工作于非線性區(qū)的理想集成運算放大器的工作特性工作于非線性區(qū)的理想運算放大器仍然有輸入電阻Rid，因此iP=iN=0；但由于uOAuo(uPuN)，不存在uP=uN，由電壓傳輸特性可知其特點為：當uP>uN時，uO=+UOM；當uP<uN時，uO=-UOM；uP=uN為+UOM與-UOM的轉(zhuǎn)折點。理想運算放大器的電壓傳輸特性3.2.1比例運算電路1.反相比例運算(1)電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+所以i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–(5)電壓并聯(lián)負反饋，輸入、輸出電阻低，

ri=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：(1)Auf為負值，即uo與ui

極性相反。因為ui加在反相輸入端。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。2.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–(5)電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：(1)Auf為正值，即uo與ui

極性相同。因為ui加在同相輸入端。(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當R1=且RF

=0時，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：3.2.2加法運算電路因虛短,u–=u+=0因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

ii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RF3.2.3減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––3.2.4積分運算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–UOMuotO+UOMui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui3.2.5微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–3.3集成運算放大器的非線性應(yīng)用3.3.1電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。1．過零電壓比較器當同相端接uI，反相端uN=0時，輸入電壓是和零電壓進行比較。當uI>0時，uO=+UOM當uI<0時，uO=-UOM

tuiOtuo+UOM–UOMO2．任意電壓比較器ui>UR，uo=–

UOMui

<UR，uo=+UOMURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–UOM

+UOMuiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–UOM+UOMuiuoOUR電壓傳輸特性ui>UR，uo=+UOMui

<UR，uo=–UOMURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+UOM–UOMuo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+UOM–UOMt1t23．遲滯比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當uo=+UOM，則當uo

=–UOM，則R2－－uoui++–R1+–+–uiuoO

–UOM+UOM電壓傳輸特性uitOuoOt+UOM–UOM兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFuoui++–R1+–+–3.3.2方波發(fā)生器矩形波產(chǎn)生電路

uc+–UR+–1.電路結(jié)構(gòu)

由滯回比較器、RC充放電電路組成。電容電壓uc

即是比較器的輸入