第06章-集成运算放大器及其应用电路(已修改)

1、第六章第六章 根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。q 线性应用电路线性应用电路 Z Z1 1或或Z Zf f采用非线性器件（如三极管），则可构成对采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。数、反对数、乘法、除法等运算电路。 Z Z1 1或或Z Zf f采用线性器件采用线性器件( (R R、C C) )，则可构成加、减、积，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。分、微分等运算电路。组成组成：集成运放外加深度负反馈。集成运放外加深度负反馈

2、。 因负反馈作用，使运放小信号因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。工作，故运放处于线性状态。 -+AZ1Zfvovs1vs2iq 非线性应用电路非线性应用电路 组成特点组成特点：运放开环工作。运放开环工作。 由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压就可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。就可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。理理想想运运放放 dvAdiR0doRCMRKBW失调和漂移0 推论推论d iR0dovAvvv因因则则 vv因因则则0i-+AvovIVREF vv0i相当于运放两输入端相当于运放两输入端“

3、虚短路虚短路”。 虚短路不能理解为两输入端短接，只是虚短路不能理解为两输入端短接，只是( (v v- -v v+ +) )的值的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。个极其微小的差值进行电压放大的。 同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。电流小到了可以忽略不计的程度。相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚断路虚断路”。 实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚短、虚断虚

4、断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。q 集成运放基本应用电路集成运放基本应用电路 -+AR1Rf+-vsvoifi1 vv因因则则0v反相输入端反相输入端“虚地虚地”。0i因因则则f1ii 1s1s1RvRvvifoffRvRvvio由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：svRRv1fo输入电阻：输入电阻：1iRR输出电阻输出电阻0oR因因0v因深度电压负反馈因深度电压负反馈 ， 同相放大器同相放大器 类型：电压串联负反馈类型：电压串联负反馈 vv因

5、因则则svv 注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虚地虚地”。0i因因1s110RvRvifosffRvvRvvio由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：vRRvRRvs)1 ()1 (1f1fo输入电阻输入电阻iR输出电阻输出电阻0oR因深度电压负反馈因深度电压负反馈 ，0i因因则则f1ii -+AR1Rf+-vsvoifi1 同相跟随器同相跟随器 -+A+-vsvo由图得由图得sovvv vv因因由于由于1fvAiR0oR所以，同相跟随器性能所以，同相跟随器性能优于优于射随器。射随器。q 归纳与推广归纳与推广 当当R1 、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：为线性电抗元件时，在复频域

6、内：)()()()(s1fosvsZsZsv反相放大器反相放大器)()()(1 )(s1fosvsZsZsv同相放大器同相放大器拉氏反变换拉氏反变换 ) t (ov得得注：拉氏反变换时注：拉氏反变换时 tdsd1t ds 反相加法器反相加法器 -+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1 vv因因则则0v0i因因则则f21iiifo2s21s1RvRvRv即即整理得整理得22f11fossvRRvRRv说明：说明：线性电路除可以采用线性电路除可以采用“虚短、虚断虚短、虚断”概念外，还可概念外，还可采采 用叠加原理进行分析。用叠加原理进行分析。 令令vs2=0则则11fo1svRRv令

7、令vs1=0则则22fo2svRRv2o1oovvv例如例如 同相加法器同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：利用叠加原理：212s1211s2RRvRRRvRv则则vRRv)1 (3fo)(1 (212s1211s23fRRvRRRvRRR 减法器减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令vs2=0，则则11fo1svRRv令令vs1=0，32231fo2)1 (RRvRRRvs2o1oovvv11fsvRR32231f)1 (RRvRRRst)(osdvdCRv 有源积分器有源积分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则方法一：利用运算法则则

8、则o1( )tsovtv dR C 方法二：利用方法二：利用拉氏变换拉氏变换)()(Z)()(s1fosvssZsv)(1ssvsRC)()/(1ssvRsC拉氏反变换得：拉氏反变换得：o1( )tsov tv dRC 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏变换：拉氏变换：)()(Z)()(s1fosvssZsv)(sssRCv)()/(1ssvsCR拉氏反变换得拉氏反变换得o( )sdvv tRCdt -+ARC+-vsvo 波形变换波形变换 tvs0输入方波输入方波积分输出三角波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲微分输出尖脉冲tvo0 对数变换器对数变换器 -+A AR R+-vsv vo

9、oTBEeSsVvIRv利用运算法得：利用运算法得：由于由于oBEvv整理得整理得RIvVvSsToln缺点：缺点：vo受温度影响大、动态范围小受温度影响大、动态范围小。vs必须大于必须大于0 0。 反对数变换器反对数变换器 RvIVvoSTBEe利用运算法则得利用运算法则得由于由于sBEvv整理得整理得TsSoVveRIv缺点：缺点：vo受温度影响大受温度影响大。vs必须小于必须小于0 0。-+AR+-vsvoTvo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性

10、环构成跨导线性环，则则OZYXiiii分析方法一分析方法一：由图由图整理得整理得XXX/ RviYYY/ RviZZZ/ Rvi 4OO/ RviZYXYXZ4OvvvRRRRv（实现乘、除运算（实现乘、除运算）分析方法二：分析方法二：vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZXSXTBE1o1lnRIvVvvZYXYXZ4vvvRRRRBE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvvZSZTBE3o3lnRIvVvvA1、A2、A3对数放大器对数放大器A4反对数放大器反对数放大器To3o2e

11、4SOVvvRIv仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 特点：特点：KCMR很高很高、 Ri 很大很大， Av 在很大范围内可调。在很大范围内可调。q 三运放仪器放大器三运放仪器放大器 vv由由G2I1IGRvvi得得0i由由)(G21G2o1oRRRivv得得由减法器由减法器A3得：得：2o656341o34o)1 (vRRRRRvRRv若若R1 = R2 =R、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得整理得)21 (G342I1IofRRRRvvvAvvI1+ -A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6

12、iGvo2vo-+AvIR1vo R2RL+- -D1D2 vI =0 vO =0 D1 、D2 vO=0 vI 0 vO 0 D1 、D2 vO=0 vI 0 D1 、D2 vO= -(-(R2 / R1) )vI：vOvI- -R2 / R1vItvOtvIR2R1- -精密转折点电路精密转折点电路 vo-+AVRR1vo R2RL+- -D1D2R3vI3R1 II1313RVRvvRRRR vO 0 D1 、D2 vOvI- -R2 / R3VRR3R1- -vO -(-(R3 / R1) )VR ：即即 vI v- 时，时， vo=Vomax（正饱和值）（正饱和值） v+ v- 时，

13、时， vo=Vomin （负饱和值）（负饱和值） v+ = v- 时，逻辑状态转换时，逻辑状态转换 因此因此 理想比较特性理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 时，时， vo=VominvI = VREF 时，时，逻辑状态转换逻辑状态转换 理想特性理想特性vIvoVREFVomaxVomin0 实际比较特性实际比较特性实际特性实际特性vI VREF - -Vomin / /Avd 时，时， vo=Vomin注：注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性，越大，比较特性越接近理想特性， VREF作为门限值作为门限值的比较精度越高。的比较精度越高。q

14、 单限电压比较器单限电压比较器 特点：运放开环工作。特点：运放开环工作。 过零比较器过零比较器 -+AvovI+- -R1D1D2RR（VREF =0） R1限流电阻，与限流电阻，与D1、D2共同构成电共同构成电平变换电路。平变换电路。VOH = VZ + VD(on) VOL= - -( VZ + VD(on) ) vIvoVOHVOL0比较特性比较特性tvO0tvI0 单限比较器单限比较器 -+AvovI+- -R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1）令令v- -= v+ +求出的输入电压求出的输入电压vI I 即门限电平即门限电平。2 2）分别分析）分别分析

15、vI I大于门限大于门限、小于门限时的输出小于门限时的输出vO O电平。电平。0REF212I211VRRRvRRR令令得门限电平得门限电平REF12IVRRv即即v+ v-若若REF12IVRRv则则vO = VOH比较特性比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1- - 单限比较器优、缺点：单限比较器优、缺点： 优点优点：电路结构简单，可不计有限：电路结构简单，可不计有限KCMR的影响。的影响。缺点缺点：电路抗干扰能力：电路抗干扰能力差。差。 例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。信号时，输出会出现误操作。 tvO0vI

16、t0q 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器）-+AvovI+- -R3D1D2RVREFR1R2REF211O212IVRRRvRRRv令令得门限电平：得门限电平：REF211OH212IHVRRRVRRRvREF211OL212ILVRRRVRRRv 反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器 )(OLOH212ILIHVVRRRVVV迟滞宽度：迟滞宽度： vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH 同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器 -+AvovI+- -R3D1D2RVREFR1R2I211O212REFvRRRvRRRV令令得门限电平：得门限电平：迟滞宽度：迟滞宽度

17、： vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH 将反相迟滞比较器中的将反相迟滞比较器中的vI与与VREF交换，即得同相输入迟滞交换，即得同相输入迟滞比较器。比较器。OL12REF12IH)1 (VRRVRRVOH12REF12IL)1 (VRRVRRV)(OLOH12ILIHVVRRVVVq 迟滞比较器优点：迟滞比较器优点： 电路抗干扰能力电路抗干扰能力强。强。 例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。在已知输入信号时，试画输出信号波形。vI (V)vo(V)0比较特性比较特性7- -7- -66vI (V)t010- -106- - 6tvO (V)07- -7q 窗孔比较器窗孔比较器 -+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R- -VREF1RRvORv O1具有两个基准电源，可以判断位于两具有两个基准电源，可以判断位于两个指定门限之间的输入信号。个指定门限之间的输入信号。 特点：特点：组成：组成：A1精密整流电路，精密整流电路，A2单限比较器单限比较器0REF2REF1IRVRVRv对对A2令令