低频电子线路第6章

第6章集成运算放大器及其应用电路集成运算放大器是将多个晶体管集成在一小块硅片上实现高增益放大功能的一种集成器件。实现集成运放的工艺主要有双极性工艺、MOS工艺和BiCMOS工艺。

双极性集成运放：转换速率快、驱动能力强、失调和温漂小

MOS集成运放：具有输入阻抗高、功耗低

BiCMOS集成运放：兼有两者优点

集成运放应用电路的组成原理根据集成运放自身所处的工作状态，应用电路分为：线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路-+AZ1Zfvovs1vs2i

Z1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。

非线性应用电路-+AvOvIVREF组成特点：运放开环工作（包括正反馈）。

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、振荡器等。集成运放理想化条件下两条重要法则理想运放

失调和漂移0

推论因则因则电源电压抑制能力无穷大

说明：相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v–-

v+)的值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。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。相当于运放两输入端“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”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。集成运放基本应用电路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压并联负反馈

因则反相输入端“虚地”。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同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈

因则注：同相放大器不存在“虚地”。因由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因深度电压负反馈因则同相跟随器-+A+-vsvo由图得因由于所以，同相跟随器性能优于射随器。归纳与推广当R1

、Rf

为线性电抗元件时，在复频域内：反相放大器同相放大器拉氏反变换

得注：拉氏反变换时加、减运算电路反相加法器-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因则因i

0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

集成运放应用电路同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：则减法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，则令vs1=0，积分和微分电路有源积分器-+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则则方法二：利用拉氏变换拉氏反变换得有源微分器利用拉氏变换：拉氏反变换得-+ARC+-vsvo波形变换tvsO输入方波积分输出三角波votO微分输出尖脉冲tvoO对数、反对数变换器对数变换器-+AR+-vsvo利用运算法得：由于整理得缺点：vo

受温度影响大、动态范围小。vs

必须大于0。改进型对数变换器VCC-+A1+-vsvo+-A2+-RLR3R4tvB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图由于(很小)则(T1、T2特性相同)利用R4补偿

VT，改善温度特性。vS

大范围变化时，vO

变化很小。反对数变换器利用运算法则得由于整理得缺点：vo

受温度影响大。vs

必须小于0,-+AR+-vsvoT乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4构成跨导线性环，则分析方法一：由图整理得(实现乘、除运算)vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3

对数放大器A4

反对数放大器仪器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：KCMR

很高、Ri

很大，Av

在很大范围内可调。三运放仪器放大器

由得由得由减法器A3

得：若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得vI1+-A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2

有源反馈仪器放大器

可证明vI1+-A3R1-+A1RGvOIO+-A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2

差放T3、T4

差放A3

跟随器A2

跟随器A1

放大器采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。仪器放大器的应用

例：仪器放大器构成的桥路放大器温度为规定值时RT=R路桥平衡vo=0

。温度变化时RTR路桥不平衡vo

产生变化。仪器放大器RGRTRRRtoVREFvo集成电压比较器（开环应用）

电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压比较器工作原理可知，只要开环Avd

很大，则v+、v-

间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。由v+

>v-

时，

vO=Vomax(正饱和值)

v+

<v-

时，

vO=Vomin

(负饱和值)

v+

=v-

时，逻辑状态转换

因此理想比较特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI

<VREF时，

vO=VomaxvI

>VREF时，

vO=VominvI

=VREF时，逻辑状态转换

理想特性vIvOVREFVomaxVominO实际比较特性实际特性vI

<VREF

-

Vomax/Avd

时，

vO=VomaxvI

>VREF

-

Vomin

/Avd

时，

vO=Vomin注：Avd

越大，比较特性越接近理想特性，VREF

作为门限值的比较精度越高。具有不同比较特性的电压比较器单限电压比较器特点：运放开环工作。过零比较器-+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))vIvOVOHVOLO比较特性tvOOtvIO单限比较器-+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

大于门限、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-单限比较器优点：电路结构简单，可不计有限KCMR

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。tvOOvItO迟滞比较器(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：反相输入迟滞比较器迟滞宽度：

vIvOVOHO比较特性VOLVILVIH-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得门限电平：同相输入迟滞比较器迟滞宽度：

vIvOVOHO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。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/VO比较特性7-7-66vI

/VtO10-106-6tvO/VO7-7

迟滞比较器应用——方波发生器-+AvO+-R3D1D2R1R2RC门限电平设t=0时，vO=VOH，初始

vC=0则VOH

经R向C充电vC

按指数规律当vC

VIH

时vO

跳变为VOL此时C经R放电vC

按指数规律当vC

VIL

时vO

又上跳到VOH可证振荡周期：tvOOvCtOVIHVILVOHVOL窗孔比较器-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1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。

特点：组成：A1

精密整流电路，A2

单限比较器由A2-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1当0<vI

<VREF1时：vO1

=0D1、D2

得下门限由A2当vI

>0，且vI

>VREF1时：vO1

<0D1、D2得上门限此时-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1迟滞宽度比较特性vIvOVOHOVOLVILVIH集成运放的混合应用精密整流电路vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2

vI

=0时vO

=0D1、D2vO

=0

vI

>0时vO

<0D1、D2v