第7章集成运算放大器及其应用(修改1)

1、电子电路中放大电子电路中放大, ,本质上讲是一种本质上讲是一种能量的转换能量的转换, ,即在输即在输入小信号控制下入小信号控制下, ,通过放大器将通过放大器将直流电源的能量转换成负载直流电源的能量转换成负载所需的所需的, ,比输入信号源所提供的大得多的能量比输入信号源所提供的大得多的能量. .注意：放大注意：放大是指是指不失真不失真前提下，使交流信号前提下，使交流信号由小变大、由弱变强由小变大、由弱变强。电压放大电路可以用一个有输入端口和输出端口的四电压放大电路可以用一个有输入端口和输出端口的四端网络表示，如下图：端网络表示，如下图：uiuoAu电压放大倍数电压放大倍数电流放大倍数电流放大倍数

2、互导放大倍数互导放大倍数互阻放大倍数互阻放大倍数iuUUA0=iiIIA0=igUIA0=irIUA0=uiuoAuiii02. 输入电阻输入电阻Ri 输入电阻输入电阻( (由放大器输入端看进去呈现的电阻由放大器输入端看进去呈现的电阻) )是衡量是衡量放大电路从信号源放大电路从信号源( (或从其前级放大器输出端或从其前级放大器输出端) )采集信号大采集信号大小的参数。小的参数。定义为放大器的输入电压定义为放大器的输入电压Ui与其输入电流与其输入电流I i 的的比值比值（对交流信号，为有效值之比）。（对交流信号，为有效值之比）。AuIiUSUiiiiIUR =RsSSSiiiUURRRU=3.

3、输出电阻输出电阻RoRo=LSRUTTIUR000URLAu USU0i0UTiTAuUSfbw=fHfL用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力fAu0.7AumfL下限截止下限截止频率频率fH上限截止上限截止频率频率Aum低频段低频段高频段高频段中频段（通频带）中频段（通频带）由半导体器件非线性特性引起的失真由半导体器件非线性特性引起的失真=213212AAAAD 当输入电压增大到使输出电压非线性失真系数达到额定当输入电压增大到使输出电压非线性失真系数达到额定值值(通常定为通常定为10%)时的输出电压定义为最大不失真输出电压。时的输出电压定义为最大不

4、失真输出电压。一般以有效值一般以有效值Uom表示。表示。 发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 RB+VCCRCC1C2TT 是是NPN 型型三极管，起三极管，起放大的作用放大的作用直流电源直流电源VCC一方面提一方面提供静态偏置以保证发射供静态偏置以保证发射结正偏、集电结反偏，结正偏、集电结反偏，另一方面也为输出放大另一方面也为输出放大了的信号提供能量。了的信号提供能量。基级电阻基级电阻RB可设置合适可设置合适的静态基极偏置电流。的静态基极偏置电流。集电极电阻集电极电阻RC用于用于将电流的变化转换将电流的变化转换为电压的变化，以为电压的变化，以实现电压放大。实现电压放大。隔直耦合电容

5、隔直耦合电容C1和和C2用来隔断直流、耦合用来隔断直流、耦合交流，通常要求大电交流，通常要求大电容，以保证一定频率容，以保证一定频率范围内，电容对交流范围内，电容对交流而言视为短路。而言视为短路。 ui=0ui=0时时IBQICQRB+VCCRCC1C2TBCCBBEQCCBQRVRUVI=ICQ=IBQUCEQ=VCC-RCIBQRB+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCEtuotuiiCuCEuoiB微弱的信号电压微弱的信号电压ui 叠加叠加在在UBEQ上，上，改变三极管的基改变三极管的基极电流极电流iB在基极电流在基极电流iB 控制下，得到控制下，得到放大了的集电放大了的集电极变化电

6、流极变化电流iCRC 将将iC的的变变化转变成电化转变成电压压uCE变化变化C2 将将uCE的直流成的直流成分隔离，得到放大分隔离，得到放大的交流输出的交流输出电压电压uo 集成电路集成电路是把整个电路中的元器件制作在一块半导体硅基是把整个电路中的元器件制作在一块半导体硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。片上，构成具有特定功能的电子电路。集成电路的优点：集成电路的优点：集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 具有体积小、重量轻、耗电省、工作稳定、性能优良、使用具有体积小、重量轻、耗电

7、省、工作稳定、性能优良、使用方便等。方便等。 集成运放集成运放是一种是一种直接耦合的多级放大电路直接耦合的多级放大电路，性能理想的运，性能理想的运算放大电路具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作算放大电路具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。点漂移小等特点。按制作工艺分为双极型、按制作工艺分为双极型、CMOS 型和型和BiFET 型三种。型三种。 按照工作原理分为电压放大型、电流放大型、跨导型和互按照工作原理分为电压放大型、电流放大型、跨导型和互阻型四种。阻型四种。 按照性能指标分为通用型、低噪声型、高速型、低功耗型、按照性能指标分为通用型、低噪声型、高速型、低功耗

8、型、精密型和程控高输入阻抗型等。精密型和程控高输入阻抗型等。 集成运放虽种类繁多、形式多样，但电路结构一般由四部集成运放虽种类繁多、形式多样，但电路结构一般由四部分组成分组成：(1)(1)输入级输入级：输入电阻高、噪声低、静态电流小、零漂小：输入电阻高、噪声低、静态电流小、零漂小。(2)(2)中间级中间级( (电压放大级电压放大级) )：具有较高的电压放大倍数。：具有较高的电压放大倍数。(3)(3)输出输出级：级：动态范围大、带负载能力强，非线性失真小。动态范围大、带负载能力强，非线性失真小。(4)(4)偏置电路偏置电路：为以上电路提供合适的直流工作电流，通常由电流源组成。为以上电路提供合适的

9、直流工作电流，通常由电流源组成。反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列集成运放的电路符号及典型芯片的引脚排列集成运放的信号输入方式集成运放的信号输入方式1、共模输入方式、共模输入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 当运放的两个输入端输入当运放的两个输入端输入大大小相同，极性也相同小相同，极性也相同的信号时，的信号时，称为共模输入方式。称为共模输入方式。ui 在集成运放内部电路的设在集成运放内部电路的设计中，为了有效的控制零

10、点漂计中，为了有效的控制零点漂移，已通过采用差分输入级电移，已通过采用差分输入级电路，使得共模输入时放大电路路，使得共模输入时放大电路的输出接近于的输出接近于0。 因此，理想的情况下集成运放在共模输入时的放因此，理想的情况下集成运放在共模输入时的放大倍数为大倍数为0，即，即0iouc=uuA集成运放的信号输入方式集成运放的信号输入方式2、差模输入方式、差模输入方式+UCCUEEuo+uu +Auo 当运放的两个输入端输入当运放的两个输入端输入大大小相同，极性相反小相同，极性相反的信号时，称的信号时，称为差模输入方式。为差模输入方式。ui 当集成运放两个输入端的当集成运放两个输入端的内部电路完全

11、对称时，信号内部电路完全对称时，信号ui接于同相端和反向端之间就满接于同相端和反向端之间就满足差模输入条件。即足差模输入条件。即 差模输入方式下的电压放大倍数用差模输入方式下的电压放大倍数用Aud表示，即表示，即=uuuuuAoioud=uuui（1）反馈的概念）反馈的概念 将放大电路的输出量（电压或电流），通过一定的电路将放大电路的输出量（电压或电流），通过一定的电路(反馈电路反馈电路)，部分或全部回送到输入端，部分或全部回送到输入端(或输入回路或输入回路)，用以改善，用以改善或改变电路某些特性的控制过程，称之为或改变电路某些特性的控制过程，称之为反馈反馈。通过反馈电路。通过反馈电路回送到输

12、入回路电压或电流信号称为回送到输入回路电压或电流信号称为反馈信号反馈信号。 如果反馈信号使放大器的净输入加强，从而也使输出加如果反馈信号使放大器的净输入加强，从而也使输出加强，这种反馈称为强，这种反馈称为正反馈正反馈。 如果反馈信号使放大器的净输入减弱，从而也使输出减如果反馈信号使放大器的净输入减弱，从而也使输出减弱，这种反馈称为弱，这种反馈称为负反馈负反馈。（2）开环闭环的概念）开环闭环的概念 如果放大器的输出与输入之间没有反馈，放大器的这种如果放大器的输出与输入之间没有反馈，放大器的这种连接状态称为连接状态称为开环开环状态状态。 如果放大器的输出与输入之间连有反馈，放大器的这种如果放大器的

13、输出与输入之间连有反馈，放大器的这种连接状态称为连接状态称为闭环闭环状态状态。开环开环闭环闭环引入负反馈引入负反馈闭环闭环引入正反馈引入正反馈 指运放在无外加反馈情况下，输出电压与输入差模电压指运放在无外加反馈情况下，输出电压与输入差模电压之比。即之比。即idooduuA= 指运放无外加反馈时，开环差模电压放大倍数与开环共模指运放无外加反馈时，开环差模电压放大倍数与开环共模放大倍数之比。即放大倍数之比。即|ocodCMRRAAK=差模输入电阻差模输入电阻rid 指运放在无外加反馈情况指运放在无外加反馈情况下，从两个输入端口看进去的下，从两个输入端口看进去的等效电阻。等效电阻。uou+u-rid

14、输出电阻输出电阻ro 指运放在无外加反馈情指运放在无外加反馈情况下，从输入端口看进去的况下，从输入端口看进去的戴维南等效电阻。戴维南等效电阻。uou+u-+-uocro（5）其他参数）其他参数 包含有失调电压、失调电流、温包含有失调电压、失调电流、温漂及开环带宽等，详细定义参看教程。漂及开环带宽等，详细定义参看教程。 实际运放的理想化模型就是理想运放。其理想化参数为：实际运放的理想化模型就是理想运放。其理想化参数为：;odA;idr; 0=or;CMRK;Hf线性区：线性区：uo = Aud( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时，

15、uo = + Uo(sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1+ uiuoOURuiUR输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+ Uo(sat) +Uo(sat)uoO例例7.9 图图 7.39 所示电路中，所示电路中，R1 = R2 = 5k ，参考电压，参考电压 U R = 2V ，稳压二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压 U Z = 5V，输入电压为图，输入电压为图 (a)所示的三角波。所示的三角波。试画输出电压波形。试画输出电压波形。RDZuouiR2+ R1URRURRR

16、uRRRu2121211-=根据理想运放的虚断根据理想运放的虚断i = i + = 0则则R1 和和 R 2串联，根据叠加定理得串联，根据叠加定理得VURRUuuRT2 012=，可得阈值电压令例例7.9 图图 7.39 所示电路中，所示电路中，R1 = R2 = 5k ，参考电压，参考电压 U R = 2V ，稳压二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压 U Z = 5V，输入电压为图，输入电压为图 (a)所示的三角波。所示的三角波。试画输出电压波形。试画输出电压波形。RDZuouiR2+ R1UR当当ui-2V时，时，uo= - Uz= - 5VuitOUROt +Uz Uzuo单限电压比较器

17、具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的主要问题是输出电压主要问题是输出电压波形不够陡波形不够陡，抗干扰能力差抗干扰能力差。0tui阈值电压阈值电压0tuO错误的输出错误的输出+ +UZ- -UZ0ut干扰干扰输出波形输出波形不够陡不够陡实际运放的开环增益不实际运放的开环增益不是是 ，所以状态的跃变，所以状态的跃变必须经过线性区，并需必须经过线性区，并需要经过一定的时间。要经过一定的时间。7.5.2 滞回比较电路滞回比较电路R2引入正反馈，引入正反馈，-+uiuOR1UZRURR2if反相迟滞比较器反相迟滞比较器运放工作在非线性区。运放工作在非线性

18、区。引入正反馈有两个作用：引入正反馈有两个作用：1、正反馈加快了、正反馈加快了uO的转换速度，的转换速度， 输出电压波形很陡。输出电压波形很陡。2、电路有两个阈值电压。、电路有两个阈值电压。,iuu = = ，0= = = ii+UZ- -UZRURRRu222=OuRRR211+ +说明说明U有两种取值有两种取值由叠加原理，由叠加原理，反相迟滞比较器反相迟滞比较器令令u+=u-，可得两个不同的阈值电压。，可得两个不同的阈值电压。-+uiuOR1RURR2if+UZ- -UZRURRRu212=OURRR211+ +ui 很小时，输出很小时，输出;ZOUU = =ui 很大时，输出很大时，输出

19、;ZOUU = =当当u+=u-时，时，电路状态发生跳变，电路状态发生跳变，ui由小增大由小增大，使，使uO从从+UZ跳变为跳变为- -UZ所需的阈值电压为所需的阈值电压为UTH+：ui由大变小由大变小，使，使uO从从- -UZ 跳变为跳变为+ +UZ所需的阈值电压为所需的阈值电压为UTH- -： ;211212ZRTHURRRURRRU=;211212ZRTHURRRURRRU=上阈值电压、下阈值电压和回差电压：上阈值电压、下阈值电压和回差电压：ZTHTHTURRRUUU2112=下阈值下阈值电压电压上阈值上阈值电压电压回差回差电压电压-+uiuOR1RURR2if电压传输特性：电压传输特性

20、：uoui0UTH+UTH-传输特性传输特性+UZ-UZ若若u o =U Z ，阈值电压为，阈值电压为 UTH+ 当当 u i 不断增大，且不断增大，且u i U TH+时，时，输出输出 u o 由高到低翻转。由高到低翻转。当当 u i 不断减少，且不断减少，且u i U TH-时时,输出输出 u o 才由低到高翻转。才由低到高翻转。翻转后，阈值电压变为翻转后，阈值电压变为UTH- 。比较器的传输特性呈现比较器的传输特性呈现滞回滞回形状，因而称之为形状，因而称之为滞回比较滞回比较电路。电路。7.5.3 双限比较电路双限比较电路 单限比较器和滞回比较器有一共同特点：输入电单限比较器和滞回比较器有一共同特点：输入电压在单一方向变化时，输出电压只单方向跳变一次。压在单一方向变化时，输出电压只单方向跳变一次。