第十六章 集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路, 是是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上间的连接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双

2、、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成运算放大器各类型号集成运算放大器 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用晶体管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用晶体管恒流源代替，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电感、电容不易集成，常采用外接方式；电感、电容不易集成，常采用外接方式； 4. 二极管多用晶体管的发射结代替。二极管多用晶体管的发射结代替。电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽

3、可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。偏置电路可提供稳定的偏置电流，以偏置电路可提供稳定的偏置电流，以稳定各部分的工作点。稳定各部分的工作点。 集成运算放大器是模拟集成电路集成运算放大器是模拟集成电路, ,基本组成部分如图：基本组成部分如图：16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，扰信号，都采用带恒流源的差分放大器

4、都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 一般由各种恒流源等电路组成。一般由各种恒流源等电路组成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。输入级输入级输出级输出级中间级中间级集成运放的基本结构集成运放的基本结构运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端信号传信号传输方向输

5、方向输出端输出端实际运算放大器实际运算放大器开环电压放大倍数开环电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚16.1.3 主要参数主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOM 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。定，运算精度也越高。 6. 最大共模输入电压最大共模输入电压 UICM 运放所能承受的共模输

6、入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB u u+ uo Auo集成运放的符号集成运放的符号u ：反相输入端反相输入端；该端输入信号的变化极性与输出端相反；该端输入信号的变化极性与输出端相反u+ ：同相输入端同相输入端；该端输入信号的变化极性与输出端相同；该端输入信号的变化极性与输出端相同uo ：输出端输出端。A u o ：开环电压放大倍数开环电压放大倍数)(ouu

7、Auuo表示理想运算放大器Aud实际运算放大器开环电压放大倍数运放的特点和符号运放的特点和符号 rid 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放： rid KCMRR很大很大KCMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 A uo 很很大大:104以上以上 107Auo 运放符号：运放符号： u u+ uo Auo u u+ uo u u+ uo (1) 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 (2) 差模输入电阻差模输入电阻(3) 开环输出电阻开环输出电阻(4) 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接

8、近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。 ouA idr0or CMRRK 在分析运算放大器时，一般将它看成是理想的在分析运算放大器时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条运算放大器。理想化的主要条件：件：3 个”，1 个”0” u+ u uO线性区：线性区：uO = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区： u+ u 时，时，uO = +UO(sat) u+ u 时，时， uO = + UO(sat) u+ 0 uI

9、= UI 0 输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间F1IO(sat)0CRUUt tUCRud1IF1OtCRUF1I 采用集成运算放大器组成的积分电路采用集成运算放大器组成的积分电路, 由于电路的由于电路的uO = uC，而电容的充电，而电容的充电电流电流 基本上是恒定的，故基本上是恒定的，故 uO 是时间是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。的一次函数，从而提高了它的线性度。11fRUiiI 电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(IF1I1F tuCRuRR)(FFOCuiRu 上式表明：输出电压是对

10、输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例积分。积分。 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。iFi1 uOtOFI1OddRutuC tuCRuddI1FO iFi1由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iFuItO 由于微分电路的输出电压与输入电压的变化率成比例，而电路中的干扰信号由于微分电路的输出电压与输入电压的变化率

11、成比例，而电路中的干扰信号都是迅速变化的高频信号都是迅速变化的高频信号,因此微分器抗干扰能力差。因此微分器抗干扰能力差。 工业中，信号的频率较低，干扰和噪声的频率较高。由于微分电容在高频时容抗很小，工业中，信号的频率较低，干扰和噪声的频率较高。由于微分电容在高频时容抗很小，电路对高频信号的放大倍数很大，所以纯微分电路电路对高频信号的放大倍数很大，所以纯微分电路对噪声和干扰敏感而不稳定对噪声和干扰敏感而不稳定，实际电，实际电路往往在输入回路中加串电阻路往往在输入回路中加串电阻R1R1，使输出，使输出/ /输入信号的输入信号的放大比例受放大比例受RfRf和和R R的限制而不会的限制而不会太大太大。

12、iFiRiC上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例微分。微分。 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。度和工作稳定性。FFOiRu CRiii FtuCRuddI11I )dd(I1FI1FOtuCRuRRu 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用16.3.1 有源滤波器有源滤波器 滤波器是在无线电通信、测量和控制系统中常用到的一种选频电路。如传感器滤波器是在无线电通信、测量和控制系统中常用到的一种选频电路。如传感器输

13、出的电量信号，一般都需要经过滤波和放大再送给后续电路。输出的电量信号，一般都需要经过滤波和放大再送给后续电路。 无源滤波器：无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。由电阻、电容和电感组成的滤波器。 有源滤波器：有源滤波器：含有有源器件含有有源器件(运算放大器运算放大器)。 缺点：缺点：低频时体积大，很难做到小型化。低频时体积大，很难做到小型化。 优点：优点：体积小、效率高、频率特性好。体积小、效率高、频率特性好。 滤波器按工作频率范围滤波器按工作频率范围, 可分为低通、高通、带通和带阻等。可分为低通、高通、带通和带阻等。 滤波器的功能是使指定频段的信号通过，而抑制其他频段的信号。滤波器的功

14、能是使指定频段的信号通过，而抑制其他频段的信号。用于信号处理、数据传输、抑制干扰等用于信号处理、数据传输、抑制干扰等滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器滤波器 一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的 电子装置。电子装置。 有源滤波器有源滤波器 由由R、C 和有源器件构成的滤波器。和有源器件构成的滤波器。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路 滤波电路一般结构滤波电路一般结构有有对对于于实实际际频频率率 ,js )(je)j ()j ( AA其中其中)j (

15、A)( 模模, 相位角相位角 时延时延d ( )( ) ()ds 单位通常用通常用 幅频响应幅频响应 来表征滤波电路的特性，来表征滤波电路的特性， 欲使信号通过滤波器的失真小，则要求具有欲使信号通过滤波器的失真小，则要求具有线性的线性的 相频响应相频响应 ，复频域电压传递函数复频域电压传递函数有时也要考虑有时也要考虑相频响应相频响应相频响应曲线的斜率相频响应曲线的斜率Vi(t)t0基波基波二次谐波二次谐波Vo(t)t0基波基波二次谐波二次谐波Vo(t)t0基波基波二次谐波二次谐波t0此时时延此时时延()为一常数，即不同频率的信号具有相同的时延，这是输出信号才可能避免失真为一常数，即不同频率的信

16、号具有相同的时延，这是输出信号才可能避免失真（）02. 滤波器的滤波器的分类分类 低通（低通（LPF: Low Pass Filter） 高通（高通（HPF: High Pass Filter） 带通（带通（BPF: Band Pass Filter ） 带阻（带阻（BEF: Band Elimination Filter） 全通（全通（APF: All Pass Filter ） 基本概念及初步定义基本概念及初步定义 按所处理的信号的模拟或离散性质分：按所处理的信号的模拟或离散性质分： 按是否采用有源元件分：按是否采用有源元件分： 按能通过的信号频率范围分：按能通过的信号频率范围分： ( 本

17、书只讨论本书只讨论有源滤波器有源滤波器) 思考题：思考题：模拟滤波电路和数字滤波电路模拟滤波电路和数字滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路高通带阻带通低通 理想滤波器：理想滤波器：在通带内具有等幅的幅频响应和线性在通带内具有等幅的幅频响应和线性的相频响应，而在阻带外具有无限大的幅度衰减。的相频响应，而在阻带外具有无限大的幅度衰减。v设计者的任务是力求向理想特性逼近设计者的任务是力求向理想特性逼近阻带：阻带：阻止或衰减的信号频率范围阻止或衰减的信号频率范围A0A0H通带通带阻带阻带(a) 低通滤波器低通滤波器(b) 高通滤波器高通滤波器BW带带 宽宽截止角频率截止角频率通

18、带电压增益通带电压增益实际实际AA00L通带通带阻带阻带下限截止角频率下限截止角频率实际实际理想理想滤滤 波波 器器 的的 幅幅 频频 特性特性 (c) 带通滤波器带通滤波器(d)带阻滤波器带阻滤波器A000通带通带通带通带阻带阻带HLA实实 际际阻带中心角频率阻带中心角频率通带：通带：能够通过的信号频率范围能够通过的信号频率范围理理 想想理想理想A00LH实实 际际A0理理 想想通带中心角频率通带中心角频率低边截止角频率低边截止角频率BW带带 宽宽通带通带阻带阻带 阻带阻带高边截止角频率高边截止角频率 思考题：思考题：下列情况属哪种类型的滤波电路？下列情况属哪种类型的滤波电路？(d)带阻滤波

19、器带阻滤波器A000通带通带通带通带阻带阻带HLA阻带中心角频率阻带中心角频率理理 想想A00通带通带A理想理想 1.1.直流电压增益就是它的通带电压增益。直流电压增益就是它的通带电压增益。 2.2.理想情况下，理想情况下， 当当f=0 f=0 和和ff时的电压增时的电压增益相等，且不为零。益相等，且不为零。(e) 全通滤波器全通滤波器带阻滤波电路低通滤波电路(1) 电路电路输出信号电压输出信号电压Uj2Uj1输入信号电压输入信号电压均为频率的函数均为频率的函数C+U j1+Uj2RCRCRCUUTj11j1j1jjj12RC1o 设设:C+U j1+U j2R TT2 jarctan11j1

20、1jooo 则则:幅频特性幅频特性： 0221111jCRT相频特性：相频特性： 0arctanarctanCR)(3) 特性曲线特性曲线 0 0 1 0.707 0T j 045-90- 0arctan11j11j020T 0 0 当当 0时时, ,|T(j )| 明显下降明显下降, ,信号衰减较大。信号衰减较大。0.707 jT 0 01一阶一阶RC低通滤波器具有低通滤波器具有低通低通滤波滤波特性特性,使低频信号较易通过而抑制使低频信号较易通过而抑制较高频率信号。较高频率信号。 0 0 1 0.707 0T j 045-90-C+U j1+Uj2R45-90-通频带：通频带： 把把 0 0

21、的的频率范围称为低通滤波电路的频率范围称为低通滤波电路的通通频带频带。 0称为称为截止频率截止频率( (或半功率点频率、或半功率点频率、3dB频率频率) )。 通频带：通频带： 0 0 0 截止频率截止频率: : 0=1/RCC+U j1+Uj2R 0 00.707 jT 0 0145-90-011jCRCRRUUT1j11j1jjj12CR+U j1+U j2幅频特性幅频特性： CT01111221jR相频特性：相频特性： RC0arctan1arctan 10.707 0 000 jT 一阶一阶RC高通滤波器具有高通滤波器具有高通高通滤波滤波特性特性 通频带：通频带： 0 0时，时，| T

22、(j )| 衰减很快。衰减很快。 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的信号顺利通的信号顺利通过过, 衰减很小衰减很小, 而使高于而使高于 0 的信号不易通的信号不易通过过, 衰减很大衰减很大, 称一称一 阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信时信号衰减得更快些，常将两节号衰减得更快些，常将两节RC滤波环滤波环节串接起来，节串接起来，组成二阶有源低通滤波组成二阶有源低通滤波器。器。一阶一阶二阶二阶2. 有源高通滤波器有源高通滤波器 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo设输入为正弦波信号，则有设

23、输入为正弦波信号，则有故故RC10 式中式中称为截止角频率称为截止角频率 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通有源高通滤波器滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT若频率若频率 为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 把一个低通滤波器和一个高通滤波器串联把一

24、个低通滤波器和一个高通滤波器串联 ( 低通滤波器的截止频率应高于高通低通滤波器的截止频率应高于高通滤波器的截止频率滤波器的截止频率 ) 就构成就构成带通滤波器带通滤波器。低通滤波器与高通滤波器的截止频率之低通滤波器与高通滤波器的截止频率之差就是带通滤波器通频带。差就是带通滤波器通频带。二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器 采样保持电路是数据采集系统的基本部件之一采样保持电路是数据采集系统的基本部件之一,多用于模数转换电路多用于模数转换电路 (A/D ) 之前。之前。A/D转换需要一定时间转换需要一定时间, , 在转换过程中在转换过程中, , 如果送给如果送给A/D转换转换的模拟量发生的模拟量发

25、生变化，则不能保证精度。为此，在变化，则不能保证精度。为此，在A/D转换转换前加入采样保持电路前加入采样保持电路, , 在进行在进行A/D转转换前对模拟量进行瞬间采样换前对模拟量进行瞬间采样, 并把采样值保存一段时间并把采样值保存一段时间,只有保持采样点的数值不只有保持采样点的数值不变变, 才能保证转换的精度才能保证转换的精度, 以解决快速变化的模拟信号与较低的以解决快速变化的模拟信号与较低的 A/D 转换速度之转换速度之间的矛盾间的矛盾 (即满足即满足A/D转换电路的需要转换电路的需要)。 用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。应用：应用： 采样保持电路是一个具有信号输入、信号输出采样保持电路是一个具有信号输入、信号输出以及由外部信号控制的模拟门电路。在控制信号作用下，采