第8章_集成运算放大器原理及其应用

1、5142绪论绪论一一.集成电路（集成电路（Integrated Circuit简称简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。成具有特定电路功能的单元电路。3绪论绪论各类型号集成芯片各类型号集成芯片5154绪论绪论 二二.集成电路的特点集成电路的特点（同分立器件电路相比）（同分立器件电路相比）1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用电路那样任意选用集

2、成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放集成运放电路多采用直接耦合的形式电路多采用直接耦合的形式。5165绪论绪论2.两者的设计思想正好相反两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路均一性较好，很容易制造对称性较高的电路分立

3、元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。有源器件所取代。6三、三、 电路的组成电路的组成输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路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，都采用带恒流源的差分放大器扰信号，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。常采用带恒流源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

4、成。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成 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，一般由互补对称电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。绪论绪论7目目 录录8.1 零点漂移零点漂移 8.2 差动放大电路差动放大电路 8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础8.7 运算电路运算电路 8.8 有源滤波器有源滤波器 8.9 电压比较器电压比较器 51788.1 差分放大器差分放大器 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 1. 直流信号的放大直流信号的

5、放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的变化十分缓慢的信号信号进行放大。进行放大。工业控制中大多数的参数，比如温度，流量，工业控制中大多数的参数，比如温度，流量，压力等，当用传感器把它们转换成电信号的时压力等，当用传感器把它们转换成电信号的时候都是变化非常缓慢的信号候都是变化非常缓慢的信号 。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为认为频率等于零）称为直流信号直流信号。直流放大器直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大是放大直流信号的一种放大器（当然

6、也可以放大交流信号）。交流信号）。直流信号不同于直流电。直流信号不同于直流电。5189 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 2. 直流放大器面临的问题直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。变信号。直流放大器常常采用直流放大器常常采用直接耦合直接耦合方式。方式。两个问题：两个问题：（1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响（2）零点漂移）零点漂移51910 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ （1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级

7、与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。设计和调整带来很多不便。b1RCQ1I、CEQ1UB2ICQ2I、CEQ2U52011 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 现象：输入现象：输入电压电压为零，输出端电为零，输出端电压压表指表指针偏离针偏离零点或起始值零点或起始值，出现忽大忽小的，出现忽大忽小的不规则摆动。不规则摆动。（2）零点漂移）零点漂移定义：定义： 输入输入电压电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输

8、出电压偏为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零零点漂移简称零漂。漂。引起零漂的外界因素：引起零漂的外界因素：时间漂移：时间漂移：由于晶体管和其他由于晶体管和其他元件的参数本身老化元件的参数本身老化作用引起的作用引起的温度漂移：由于由于晶体管的参数晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。随着环境温度的变化而变化所造成的。（主要因素）（主要因素）电源电压变化引起的漂移：电源电压变化引起的漂移：当当电源电压变化电源电压变化时，电路的直流电平配制时，电路的直流电平配制 受到某种破

9、坏而导致输出零点的变动。受到某种破坏而导致输出零点的变动。12l衡量零点漂移衡量零点漂移输出电压漂移的程度输出电压漂移的程度放大器的电压增益放大器的电压增益10mVuu5,A50,Ai2i1u2u1设mVumVuoo50,50021mVuuosooso10021设输出漂移电压大小相等设输出漂移电压大小相等uosoosiAuu显然，放大器2的输入信号被漂移电压淹没了。采用折算到输入端的漂移电压衡量放大器性能：采用折算到输入端的漂移电压衡量放大器性能： 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 138.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析一、基本型差分放大电路分析一、基本型差分

10、放大电路分析1、电路工作原理分析、电路工作原理分析对称性结构消除零漂对称性结构消除零漂 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。对应电阻元件的参数值都相等。差分放大原理电路差分放大原理电路 +UCui1uoRCRB2T1RB1+RCui2RB2RB1+T2148.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2、差分放大器输入信号的种类、差分放大器输入信号的种类（1）差模（）差模（Differential Mode）输入信号）输入信号 ：I1I2uu 即两管输入信号大小相等、相位相反，称为即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差

11、模输入信号差模输入信号，记为，记为Idu I1Id/2uu I2Id/2uu IdI1I2uuu I1I2uu 即两管输入信号大小相等、相位相同，称为即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号共模输入信号，记为，记为IcI1I2uuu 零漂引起的就是共模信号，为有害信号。零漂引起的就是共模信号，为有害信号。（2）共模（）共模（Common Mode）输入信号）输入信号 ：15问题：问题：差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般号，一般 ，即，非差模也非共模，该怎样，即，非差模也非共模，该怎样分析分析 ？I1I2uu 解决方法：

12、解决方法： 对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为共模信号和差模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。8.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析527168.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析I1I2I1I2I122uuuuu I1I2I1I2I222uuuuu I1I2Ic2uuu 令令IdI1I2uuu 具体分解方法：具体分解方法：IdI1Ic2uuu IdI2Ic2uuu 52417双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出 差分式放大电路基于不

13、同的应用场合，有双单端差分式放大电路基于不同的应用场合，有双单端输入和双单端输出四种情况。输入和双单端输出四种情况。3、输入输出端电路形式、输入输出端电路形式8.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析522188.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析二、典型的差分放大电路形式二、典型的差分放大电路形式 （长尾电路）（长尾电路）如何消除零漂？如何消除零漂？输入信号为零，电路对称输入信号为零，电路对称c1c2UUoc1c20UUU某种因素产生零漂，如温度升高，某种因素产生零漂，如温度升高，c1c2II、c1c2UU、电路对称，晶体管参数相同，电路对称，晶体管参数相同，c1c2uu

14、oc1c20uuu靠电路对称消除零漂！靠电路对称消除零漂！如何放大信号？如何放大信号？它由两个性能参数完全同的共射放大电路组成，通过两管射极连接并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大器。52919 工作原理工作原理电阻电阻 的分析的分析eR 差模信号作用下：差模信号作用下：B1C1E1iii 、 、B2C2E2iii 、 、相同相同VT1：VT2：流过流过 的信号电流彼此抵消，在的信号电流彼此抵消，在 上无信号电压上无信号电压eReR两管均为共射放大器，完两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。成放大差模信号的作用。反之亦然。反之亦然。两管各极电流的变化正好相反，当两

15、管各极电流的变化正好相反，当I10u 8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析53020 工作原理工作原理 共模信号作用下：共模信号作用下：两管相应电流始终相等，两管相应电流始终相等，流过流过 的信号电流为的信号电流为 ，产生的电压为，产生的电压为eRE2iEe2i REe(2)iR引入了电流串联负反馈，使得从每个管子引入了电流串联负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。集电极输出时的共模电压大大减小了。8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析53121工作原理工作原理共模等效共模等效差模等效差模等效（2）结论）结论I1I22uu I1I22uu

16、 I1I22uu I1I22uu 8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析22u结论：上结论：上图所示的差分放大器对差模信号具有放大作用，图所示的差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。而对共模信号具有抑制作用。u差模输入信号正是要放大的有用输入信号差模输入信号正是要放大的有用输入信号u共模输入信号则是有害的输入信号。共模输入信号则是有害的输入信号。 例如，当环境温度升高时，会引起两管集电极电流的增加，导致输出电压的变化，将这一变化的电压折合到输入端，就是大小相等相位相同的共模信号。I1I22uu I1I22uu I1I22uu I1I22uu 53923（

17、6） 共模抑制比共模抑制比定义：定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。 dCMRcuuAKACommon Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection Ratio20CMRCMR(dB)lgKK越大越大 ，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。衡量差分放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力。衡量差分放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力。4、性能指标分析、性能指标分析8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析540246.共模抑制比共模

18、抑制比双端输出时，使电路尽可能对称；双端输出时，使电路尽可能对称； 增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一 种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常 大的阻值；大的阻值；cc1c2e2uuRAAR 减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：单端输出时，单端输出时，恒流源电路恒流源电路引入共模负反馈。引入共模负反馈。 8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析54125（6）共模抑制比）共模抑制比恒流源电路恒流源电路fe3eooe312

19、ie3e11h Rr()hR / RhR or提高方法，电路举例提高方法，电路举例8.1.2 长尾式差分放大器的分析长尾式差分放大器的分析26图8.26 集成运放低频等效电路 8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础 1、 低频等效电路低频等效电路27 2 2、运算放大器的符号和型号、运算放大器的符号和型号(1)(1)集成放大器的符号集成放大器的符号 按照国家标准符号如图所示。按照国家标准符号如图所示。 (a) (b) 模拟集成放大器的符号模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号国家标准符号 (b)原符号原符号8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础28 (2)(2)集成运算放大器的型号命名

20、集成运算放大器的型号命名 数字序号数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如其它例如:集成功率放大器的型号命名集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的型号命名集成稳压器的型号命名CW8.6 8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础595293、 理想集成运算放大器理想集成运算放大器特点：特点：输入失调电压输入失调电压 AidR o0R IO0U IO0I CMRK 开环电压放大倍数开环电压放大倍数差模输入电阻差模输入电阻输出电阻输出电阻频带无限宽频带无限宽输入失调电流输入失调电流共模抑制比共模抑制比干扰和噪声都不存在干扰和噪声都不存在0

21、 i0 iIdOsatIduuUu Id0u satOsatUuU Id0u 8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础596300 i0 iIdOsatIduuUu Id0u satOsatUuU Id0u 理想运放模型理想运放模型比电源电压小比电源电压小12V符号符号传输特性传输特性线性放大区等效电路线性放大区等效电路正向饱和区等效电路正向饱和区等效电路负向饱和区等效电路负向饱和区等效电路8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础59731分析方法：分析方法：（1 1）线性放大区）线性放大区两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端两个输入端“虚短路

22、虚短路”。 I0i 理想运放特性（线性区）理想运放特性（线性区）Id0uuu uu8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础59832分析方法：分析方法：（2 2）饱和区）饱和区两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端无电流，两个输入端之间开路；比较两个输入端电压大小。比较两个输入端电压大小。I0i uuuu OOmaxuU OOminuU 高电平输出高电平输出低电平输出低电平输出理想运放特性（饱和区）理想运放特性（饱和区）8.6 集成运放应用基础集成运放应用基础338.6 集成运放应用基础集成运放应用基础599348.7 运算电路运算电路1. 反相放大组态反相放大组态I0i F1ii

23、uu 1I1/iuR FOfiuR 存在负反馈，运放工作在线性区存在负反馈，运放工作在线性区 0OfufI1uRAuR 11satIsatffRRUuURR 输入电压在一定范围内时，输出输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压相位相反，大小电压和输入电压相位相反，大小仅取决于反馈回路电阻比。仅取决于反馈回路电阻比。 虚地：反相输入端虚地：反相输入端没有真正接地，而没有真正接地，而具有地电位具有地电位虚地虚地600358.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态1. 反相放大组态反相放大组态传输特性传输特性OI1uu f1RR 反相跟随器反相跟随器 输入电阻：输入电阻：i1RR 反相放大组

24、态的实质是反相放大组态的实质是电压并联负反电压并联负反馈馈，具有低的输入阻抗和输出阻抗。，具有低的输入阻抗和输出阻抗。602366.4.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态例题分析例题分析例例 求输出的表达式。求输出的表达式。解：解：I20u 利用叠加原理利用叠加原理O1f1I()uRR u I10u O2f2I()uRRu ffOO1O2I1I212RRuuuuuRR 603378.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态2. 同同相放大组态相放大组态存在负反馈，运放工作在线性区存在负反馈，运放工作在线性区输入电压在一定范围内时，输出输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压同相，大

25、小仅取电压和输入电压同相，大小仅取决于反馈回路电阻比。决于反馈回路电阻比。 uuI0i 11OfRuuRR u Iu OffI11uuRAuR 11satIsat1f1fRRUuURRRR 604388.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态2. 同同相放大组态相放大组态f0R 1ROI1uu 同相跟随器同相跟随器 同相放大组态的实质是同相放大组态的实质是电压电压串联负反馈串联负反馈，输入电阻很大，输入电阻很大，理想运放为无穷大。理想运放为无穷大。605398.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态例题分析例题分析例例8-3 求求 。解：解：OI/uuu u Iu 无电流。无电流。

26、21RR、4OI34RuuRR O3I41uRuR 606408.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态3. 差分差分放大组态放大组态反相放大组态和同相放大组态二者结合反相放大组态和同相放大组态二者结合IuI1I2()uu I1I2uu、O1uO2u输入信号输入信号 可以认为是可以认为是 ，利用叠加原理，分别计算利用叠加原理，分别计算 对对输出的贡献输出的贡献 和和 ，然后合成，然后合成，即即 O1uO2u2I11RuR 24I21341RRuRRR 211RuR 607418.6.2 集成运放的基本组态集成运放的基本组态3. 差分差分放大组态放大组态421O2I2343() 1() 1

27、RRRuuRR R 1234RRRR OO1O2uuu O2fI1uRAuR 11satIsat22 RRUuURR 2I1I21()RuuR 2I1RuR 结论：运放特性理想且外接元件结论：运放特性理想且外接元件 参数满足特定条件差分运算放大参数满足特定条件差分运算放大器只对差模输入信号实现运算，器只对差模输入信号实现运算，输出无共模分量，且闭环增益仅输出无共模分量，且闭环增益仅取决于外接电阻比。取决于外接电阻比。作用：抑制共模成分作用：抑制共模成分619428.7 运算电路运算电路1. 全加器全加器fOI11RuuR 3ffI1I21123(1)RRRuuRRRR f1(1)RuR 利用线

28、性叠加原理，得到利用线性叠加原理，得到1f23/RRRR ffOI1I211RRuuuRR 结论：结论： 对输出的贡献对输出的贡献只决定于只决定于 而与而与 无关，或者说无关，或者说 不不参与运算。参与运算。 f2RRI2u31RR、31RR、能进行加法和减法运算的电路。能进行加法和减法运算的电路。620431. 1. 全加器全加器将电路加以推广，可以得到进行加法运算和减法运算的全加器。将电路加以推广，可以得到进行加法运算和减法运算的全加器。如果所有输入网络与反馈网络的元件都如果所有输入网络与反馈网络的元件都是纯电阻，且满足是纯电阻，且满足2122D/mRRR1111Df/nRRRR fffO

29、I11I12I111121nnRRRuuuuRRR 则则fffI21I22I221222mmRRRuuuRRR fI111njjjRuR fI212mRuR 8.7 运算电路运算电路448.7 运算电路运算电路458.7 运算电路运算电路20510401 Iu2IuOu468.7 运算电路运算电路622472. 积分器和微分器积分器和微分器（1 1）积分器）积分器I0i 1iu 1iFiIuROuFi u 0 IuR OdduCt OdduCt I1du tRC 结论：结论：输出电压与输入输出电压与输入电压的积分成正比。电压的积分成正比。8.7 运算电路运算电路625482. 积分器和微分器积

30、分器和微分器（2 2）微分器）微分器将积分器电路中电容和电阻的将积分器电路中电容和电阻的位置调换，就构成微分器。位置调换，就构成微分器。 OuIdduRCt 输出电压与输入电压的微分成正比。输出电压与输入电压的微分成正比。8.7 运算电路运算电路49图8.43 无源滤波器及其幅频特性 8.8 有源滤波器有源滤波器无源滤波电路无源滤波电路652508.8 有源滤波器有源滤波器有源滤波电路有源滤波电路（1）低通滤波器低通滤波器功能：使低于某一频率功能：使低于某一频率( (如如f0) )的信号能通过，而高于的信号能通过，而高于f0 信号不能通过。信号不能通过。 一阶有源低通滤波器（反相型）一阶有源低通滤波器（反相型） fZ21/jRC 221Rj R C (j )uA oiUU f1ZR 21211 jRRRC 65351（1）低通滤波器低通滤波器of2i1121j1 juUZRA()URRRC 0f01jA 0f01jAf f 0f21ARR 021 ()R C 021 (2)fR C 归一化的幅频特性归一化的幅频特性 8.