电子技术基础课件 第二章 集成运放及其应用电路

主讲：赵宏安2011.9.18电子技术基础

第二章集成运放及其应用电路物联网专业主要内容放大电路的原理模型、性能指标集成运算特性；线性及非线性工作状态；“虚地”、“虚断”及“虚短”概念典型集成运算应用电路的电路特点及用途；电路分析、计算、设计方法；基本要求了解放大电路的原理模型、性能指标掌握典型集成运算应用电路的电路特点及用途；掌握集成运放电路的分析、计算、设计方法；本章内容及要求放大电路的基本知识

放大是最基本的模拟信号运算处理，通过放大电路实现将微弱的电信号放大到符合要求的幅度。放大电路至少应满足：能将微弱的电信号增强到人们所需要的数值信号放大前后的波形基本相同，即信号随时间变化的规律不变，也即不产生信号波形失真。放大电路的原理框图

放大电路的原理模型放大电路在其输入端对外等效为一个输入电阻Ri，输出端对外可以等效为一个信号源加一个内阻RO放大倍数（亦称增益）A—反映放大器对输入和输出量的放大能力。由于人们对信号放大需求伤的差别，随放大电路输入信号和输出信号的不同，放大电路被分为：电压、电流、互阻和互导四种放大器。（1）电压放大倍数定义为:AU=uo/ui（2）电流放大倍数定义为:AI=io/ii

（3）互阻放大倍数定义为:Ar=uo/ii（4）互导放大倍数定义为:Ag=io/ui放大电路的性能指标—放大倍数放大器与信号源相连，放大电路就成为信号源的负载，该负载的大小就由放大电路输入端对外电路所表现的等效电阻Ri的大小来衡量。放大电路的性能指标—输入电阻图中的Ri被定义为放大器的等效输入电阻Ri=Ui/Ii当信号源电压确定时，若意在获取较大的输入电压，则Ri愈大愈好，反之若意在获取更大的输入电流，则Ri愈小愈好。Ii放大器与外电阻RL相连时，RL就成放大电路负载，相对于外电阻RL，放大电路就是RL的信号源，其中RO就相当于该信号源的内阻，也被称作放大电路的输出电阻。放大电路对外驱动能力与输出电阻的关系：若放大电路的输出电阻RO越小，

则由负载电阻RL变化导致的输出电压变化越小，表明放大器带负载的能力越大。放大电路的性能指标—输出电阻注：当断开负载电阻RL时，即可测得放大器的空载电压，此值就是放大器对外的所表现的电压源的电压值。思考：为什么空载时，在输出端可测得电压源的电压值IiUO’UOUsUi放大器件存在极间电容，放大电路中也可能会有电感、电容等元件，这些器件对不同的频率信号影响不同，从而导致放大器仅在特定频率范围内有较高的放大倍率fAAm0.7AmfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fbw=fH–fL放大倍数随频率变化曲线--幅频特性曲线带宽BW放大电路的性能指标—通频带指放大器在不失真时最大的输出电压，即可以用平均值UOM也可以用峰峰值UOPP表示UOM=2√2UOPP放大电路的性能指标—最大输出电压放大器在不失真时最大的输出功率POM效率用于反映放大电路对供电电源提供的能量的利用率，设电源消耗的功率为PV则效率η=POM

/

PV放大电路的性能指标—最大输出功率与效率2.2集成运算放大电路采用大规模集成电路技术，在一平方厘米的晶片上制作几十万甚至上百万个晶体管，由它们构造出各种功能单元电路连接而成的电子电路系统被称之为集成电路。＋－u－u+uo－＋＋∞反相输入端u－同相输入端u+输出端uo国际符号：国内符号：集成运算放大器符号2.2.1差动运算放大电路一、差模信号和共模信号的概念：差模信

共模信号差模电压增益：共模电压增益：总输出电：

共模抑制比

：

共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移及共模噪声能力的重要指标。理想的集成运算放大器的差模增益应为无穷大，而共模增益为0

运算放大器输入端按差动连接，有助于消除或降低共模干扰信号。差分放大当输入限定在规定范围内，放大器工作在线性放大区。当输入差动电压超过一定范围，即发生正向饱和(输出趋于+VCC)或发生反向饱和(输出趋于-VEE)。2.2.2

运算放大器电压传输特性线性放大区＋－u－u+uo-+AvovIVREF集成运放理想的特点

理想运放失调和漂移0

推论因则因则运算放大器的理想化处理虚短虚断注：牢记虚短和虚断的概念，它是分析运放应用电路的基础集成运放应用电路的工作状态运放应用电路的工作状态分线性和非线性,其对应的应用电路也分为线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路-+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或Zf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。Z1或Zf采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。组成：集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。-+AvovIVREF组成特点：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，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。非线性应用电路Vcc2.3基本运算电路集成运放加上适当的反馈网络，可以实现模拟信号的数学运算，运放也因此而得名。在分析这类电路时，集成运放通常是作为理想放大器来处理的。比例运算是指输出电压与输入电压成比例关系。根据输入接法不同分为：反相输入、同相输入和差分输入比例电路。2.3.1

比例运算电路概念-+AR1Rf+-vsvoifi1因则即反相输入端处于“虚地”状态因则由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因因深度电压负反馈为使电路具有良好的共模抑制，须在运放的同相输入端接一电阻R’=R1//Rf到地。2.3.1.1反相比例运算放大器R’i“虚断”“虚地”因“虚断”V-V+由于反向比例电路存在“虚地”，因此它的共模输入电压为零。即它对集成运放的共模抑制比要求低（相对于同相而言）。输入电阻低:Ri=R1，因此对输入信号的负载能力有一定的要求。反向比例电路的特点例1：要求设计一个电路具有如下特性：放大比例=-10输入电阻Ri=50KΩUO+VCCVssR1A+-R2RfR3Ui+反相比例放大电路“虚断”i+=i-=0“虚地”i-i+

为提高输入电阻，反馈采用了T型网络。

在基本电路中，如果电压放大倍数不变，增加输入电阻，反馈电阻将以放大倍数成倍增加，反馈采用T型网络，将降低对反馈电阻的数值。

根据“虚地”的概念例2采用T型反馈网络的反相比例电路于是得T型网络等效为一个反馈电阻例2采用T型反馈网络的反相比例电路—续1

显然，改变R3将改变RF的大小。改变R3即改变反馈深度，这就是说通过牺牲反馈深度来换取输入电阻的提高。此时同相输入端的补偿电阻例2采用T型反馈网络的反相比例电路—续2u-=u+=ui(虚地)i1=if(虚断)平衡电阻Rp=Rf//R1特点：输入电阻高(

Ri=∞)缺点：共模输入电压≠0(u－=u+=ui)2.3.1.2同相输入比例运算电路电压放大倍数:例3：要求设计一个电路具有如下特性：最大不失真输出电压UO=±14V输入输出同相能将Ui=1V的输入信号放大至11VUO+VCCVssR1RfR2Ui+同相比例放大电路A+-问：若Ui=2V，输出电压UO=？“虚短”U+=U-

此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。2.3.1.3电压跟随器+-vsvo由图得因特点A+-2.3.1.4加运算电路运算电路

反相加法器-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因则因则即整理得说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采用叠加原理进行分析。令vs2=0则令vs1=0则例如反相求和电路可十分方便地改变某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。2.3.1.5同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：则参照同相比例放大器若：Rn=R1//R2=Rp=R3//Rf则问：输入阻抗:

Ri=?它的共模输入信号大，因此它的应用不如反相加法器应用广泛。2.3.1.6

减法器令vs2=0，则令vs1=0，Rf-+AR3vs1voR2vs2R1差模输入电阻：Rif=2R1若：Rn=R1//Rf=Rp=R2//R3，且R1=R2则仪表放大器优点：输入阻抗大，共模抑制比高

仪表放大器共模抑制比的分析去掉R1之间的地，可提高共模抑制比，同时R1可调节差模电压增益。

积分和微分电路

有源积分器-+ARC+-vsvo则-+ARC+-vsvovoff当t→∞时,Vo→-∞（－VEE）当Vs=0,t→∞时,Vo→-∞（－VEE）例题:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。tui0212345tuo0-2-4-6

有源微分器-+ARC+-vsvo

波形变换tvs0输入方波微分输出尖脉冲tvo0微分电路存在问题1）抗干扰能力较差由于微分电路对ui的变化速率非常敏感，而干扰又是迅速变化的高频信号，所以它的抗干扰性能较差。2）会引起自激振荡由于微分电路对ui将产生相位滞后，若此滞后效应与运放内部的相位滞后作用结合起来，就会带来自激振荡。实际微分电路iiRuouiRPRC改进措施：限流限制uo相位补偿6.10.4电压比较器功能:将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一个状态（高、低电平）。构成:利用运放电路工作于非线性状态所具有的特性:输出与输入关系uo=f(ui)是非线性函数。uoui0+UOM-UOM运放工作在非线性状态基本分析方法:1.运放工作在非线性状态的判定： 电路开环或引入正反馈2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

，则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM虚断(运放输入端电流=0)注意:此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM电压比较器可分为单门限比较器、滞回比较器和窗口比较器三大类。6.10.4.1单限电压比较特点：运放开环工作。-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvoVOHVOL0比较特性tvO0tvI0比较器输出电压由+Uomax(或-Uomax)跳变到-Uomax(或+Uomax)时对应的输入电压称为阈值电压。单门限比较器仅具有一个阈值电压。

过零比较器

-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的输入电压vI

即门限电平。2）分别分析vI大于、小于门限时的输出vO电平。令得门限电平即v+<v-若则vO=VOL即v+>v-若则vO=VOH比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-

单限比较器

单限比较器优点：电路结构简单，可不计有限KCMRR的影响。

单限比较器缺点：电路抗干扰能力差。

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。tvO0vIt06.10.4.2滞回比较器(施密特触发器)-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2特点正反馈电路。具有双门限。令得门限电平：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性VOLVILVIH上门限电压下门限电压反相输入迟滞比较器-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2令得门限电平：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性VOLVILVIH

将反相迟滞比较器中的vI与VREF交换，即得同相输入迟滞比较器。

同相输入迟滞比较器

迟滞比较器优点：电路抗干扰能力强。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。vI(V)vo(V)0比较特性7-7-66vI(V)t010-106-6tvO(V)07-7

迟滞比较器应用——方波发生器

-+Avo+-R3D1D2RR1R2C门限电平设t=0时，vO=VOH，初始vC