电工电子技术-8

８.１集成运放的基本组成８.１.１概述集成运算放大电路,简称集成运放,采用集成工艺,将各种元器件和连线集成在一片硅片上从而实现“管”和“路”的紧密结合.因集成运放具有密度高、引线短、外部接线少的特点,大大提高了电子设备的可靠性和灵活性且降低了成本,在大多数情况下已经取代分立元件放大电路,为电子技术的应用开辟了一个新的时代.本章主要介绍集成运算放大电路.与分立元件组成的电路相比,它具有以下几方面的特点:(１)由集成电路工艺制造出来的元器件,虽然其参数的精度不是很高,受温度的影响也较大,但由于各有关元器件都同处在一个硅片上,距离又非常接近,因此对称性较好,适用于构成差分放大电路,以抑制温漂.下一页返回８.１集成运放的基本组成(２)在集成电路中,制造三极管,特别是NPN三极管往往比制造电阻、电容等无源器件更加方便,占用更少的芯片面积,因而成本更低廉.所以在集成放大电路中,常常用三极管代替电阻.由集成电路工艺制造出来的电阻,其阻值范围有一定的局限性,一般在几十欧到几十千欧之间,因此在需要很高阻值的电阻时,往往用三极管恒流源替代.若必须用直流高电阻就要采用外接方式.(３)集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器,至于电感器就更困难.因此放大级之间通常都采用直接耦合方式.必须使用电容器的场合,采用外接的方式.(４)集成电路工艺多采用三极管的复杂电路实现高性能的放大电路,因为制作不同形式的集成电路,只是所用掩膜不同,增加元器件并不增加制造工序.(５)集成三极管和场效应管因制作工艺不同,性能上有较大差异,所以在集成运放中常采用复合形式,以得到各方面性能俱佳的效果.上一页下一页返回８.１集成运放的基本组成８.１.２集成运放的基本组成集成运放电路的组成如图８-１所示.集成运放的内部电路可分为输入级、中间级、输出级及偏置电路４个部分.输入级为前置级,它是决定整个集成运放性能的最关键一级,不仅要求其零漂小,静态电流小,还要求其输入电阻高,输入电压范围大,并有较高的增益等.输入级由差动放大器组成,具有同相和反相两个输入端.中间级为主放大级,主要是提供足够的电压放大倍数,多采用以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路.输出级为功率级,主要要求是输出电阻小,带负载的能力强,最大不失真输出电压高,功率放大,并起到将放大级与负载隔离的作用.常用的输出级采用互补对称式射极跟随器.偏置电路用来向各放大级提供合适的静态工作电流,决定各级静态工作点.在集成电路中,广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置电路.上一页返回８.２集成运放的基本特性８.２.１集成运放的主要参数考察集成运放的性能时,常用下列指标描述.１.开环放大倍数Aod集成运放无外加反馈回路的差模放大倍数称为开环放大倍数,记作Aod.Aod＝Δuo/Δ(uP－uN)(８-１)一般取值在１０５~１０７,理想运放的为∞.２.共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模开环增益除以共模开环增益,即KCMR＝|Aod/Aoc|(８-２)用于衡量运算放大器对共模信号的抑制能力.下一页返回８.２集成运放的基本特性３.差模输入电阻ridrid表示输入为差模信号量的输入电阻,rid越大,从信号源索取的电流越小,电路性能越好.其值越大越好,一般取值为几兆欧以上.４.开环输出电阻roro

是指集成运放开环,工作在线性区时,从输出端内部看的等效电阻.其值越小越好,一般取值为几百欧.５.输入失调电压UIO输入失调电压是指使集成运放的输出直流电压为零时,两输入端之间的补偿电压.其值越小表明电路的对称性越好,一般为几毫伏.６.输入失调电流IIO输入失调电流是指当输入信号为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差,即IIO

＝IB１－IB２

(８-３)其值越小表明电路的质量越好,一般为零点零几微安到零点几微安.上一页下一页返回８.２集成运放的基本特性７.输入偏置电流IIB输入偏置电流是指运放两个输入端偏置电流的平均值,即其值越小表明信号源内阻对静态工作点的影响越小,该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流,一般为零点几微安.８.开环带宽和单位增益带宽开环带宽又称－３dB带宽,指在正弦小信号激励下,运放开环电压增益随频率升高从直流增益下降３dB(即下降约０.７０７)对应的信号频率;而增益下降至０dB(即Aod＝１)时的频率定义为单位增益带宽.上一页下一页返回８.２集成运放的基本特性９.转换速率SR转换速率是指运放在额定负载及输入阶跃大信号时运放输出电压的最大变化率.反映了运放对快速输入信号的瞬态响应.为了合理地选用和正确地使用集成运放,必须了解各主要参数的意义,除以上介绍了几个主要的参数,还有温漂、最大输出电压、功耗等参数,具体意义请读者参阅手册.随着新型集成运放的不断出现,性能指标越来越接近理想.在近似分析中,常把集成运放的参数理想化,即认为开环放大倍数Aod、共模抑制比KCMR、差模输入rid趋于无穷大,而开环输出电阻ro、输入失调电压UIO、输入失调电流IIO及它们的温漂均趋于无穷小.这种近似分析所引起的误差并不严重,而且这样使得分析过程大大简化.后面对集成运算的分析都视为理想的集成运放.上一页下一页返回８.２集成运放的基本特性８.２.２集成运放的电路模型和电压传输特性集成运放的图形符号如图８-２所示,Aod表示开环差模电压放大倍数.它有两个输入端和一个输出端.同相输入端标“＋”(或P),表示输出端信号与该端输入信号同相.反相输入端“－”(或N),表示输出端信号与该端输入信号反相.集成运放的输出电压与输入电压(即同相输入端与反相输入端之间的差值电压)之间的关系曲线称为电压传输特性.对于正、负两路电源供电的集成运放,其电压传输特性如图８-２(b)所示.电压传输特性分线性区(图中斜线部分)和非线性区(图中斜线以外的部分).集成运放可以工作在线性区也可工作在非线性区,不同的工作区间特点不同,分析方法也不一样.上一页下一页返回８.２集成运放的基本特性集成运放工作在线性区时,输出电压随输入电压(uP－uN)的变化而变化,即uO＝Aod(uP－uN)(８-５)由于理想集成运放的开环放大倍数Aod非常高,输出电压为有效值,因此差模输入电压uP－uN≈０,即uP≈uN(８-６)称为“虚短”现象.又由于理想集成运放输入电阻为无穷大,所以两个输入端的电流均为零,即

iP≈iN(８-７)称为“虚断”现象.“虚短”现象与“虚断”现象是集成运放工作在线性区的基本出发点.上一页下一页返回８.２集成运放的基本特性为了使集成运放工作在线性区,电路必须引入深度负反馈.从另一角度考虑,可以通过电路是否引入负反馈判断集成运放是否工作在线性区.集成运放在非线性区时,输出电压与输入电压的关系有两种可能:当uP＞uN

时,uO

＝＋UOM;当uP＜uN

时,uO＝－UOM.此时不满足“虚短”现象,但仍满足“虚断”现象.８.３.１比例运算电路１.反相比例运算电路图８-３所示为反相比例运算电路,由于输出电压与输入电压反相,故称之为反相比例运算电路.uI

通过电阻R作用于集成运放的反相输入端,同相输入端通过补偿电阻R′接地,R′的作用是使保持运放输入级差分放大电路有良好的对称性,从而提高运算精度.其阻值等于反相输入端所接的等效电阻,即R′＝R∥Rf上一页返回８.３运算放大电路由于理想运放工作在线性区,净输入电压和净输入电流均为零,R′上电压为０,因而反相输入端和同相输入端电位均为“地”电位,即uP＝uN

＝０.称为“虚地”,这是“虚短”的特例.输入电流等于电阻上的电流iR,也等于电阻Rf

上的电流iF,即iR

＝iF.将uN

＝０代入,可得闭环电压放大倍数为下一页返回８.３运算放大电路式(８-１２)表明,输出电压和输入电压是反相比例运算关系,比例系数为－Rf/R.式中负号表示uO

与uI

反相,比例系数的数值可以是大于、等于或小于１的任意数.因为电压放大倍数只与比例系数有关,从而保证了比例运算的精度和稳定性.２同相比例运算电路若将反相比例运算电路的输入端和“地”互换,则可得同相比例运算电路,如图８-４所示.集成运放的反相输入端通过电阻R接“地”,同相输入端则通过补偿电阻R′接输入信号,R′＝R∥Rf.由于集成运放的净输入电压和净输入电流均为０,电阻R′上的电压为０,所以上一页下一页返回８.３运算放大电路即整理可得闭环电压放大倍数为式(８-１７)表明,比例系数(１＋Rf/R)≥１,输出电压和输入电压同相.同样因为电压放大倍数只与比例系数有关,从而保证了比例运算的精度和稳定性.当R＝∞或Rf＝０时,Auf＝１,这就是电压跟随器,见图８-５.上一页下一页返回８.３运算放大电路８.３.２加减运算电路多个输入电压有的作用于反相输入端,而有的作用于同相输入端,则实现加减运算.１.反相求和运算电路若多个输入电压同时作用于集成运放的反相输入端,则实现反相求和运算,如图８-６所示电路为反相求和运算电路.利用节点电流法列出N点的电流方程为即上一页下一页返回８.３运算放大电路因为uN＝uP＝０,为虚地,所以整理可得uO

中含有不同比例的输入信号,因此本电路可称为反相比例求和电路.若式中R１＝R２＝R３＝Rf,则uO＝－(uI１＋uI２＋uI３

)(８-２２)实现真正的反相求和电路.上一页下一页返回８.３运算放大电路２加减运算电路图８-７所示为加减运算电路,外接电路参数具有对称性,则RN＝RP＝R∥Rf(８２３)利用叠加原理可以求出该电路的运算关系.令uI２＝０,uI１单独作用,成为反相比例运算电路,输出电压令uI１＝０,uI２单独作用,成为同相比例运算电路,输出电压上一页下一页返回８.３运算放大电路所以,电路的运算关系为可见,电路对uI２和uI１的差值实现比例运算,比例系数为Rf/R.在使用单个集成运放构成加减运算电路时,对于每个信号源的输入电阻均较小且电路存在共模干扰.因此必要时可采用两级电路.上一页下一页返回８.３运算放大电路８.３.３积分运算电路和微分运算电路１.反相积分运算电路在自动控制系统中,常用积分运算电路和微分运算电路作为调节环节.此外,积分运算还用于延时、定时和非正弦波发生电路之中.图８-９所示为积分运算电路,根据“虚短”和“虚地”的概念可知,uN

＝uP＝０,为虚地.流过电容C的电流iC

等于流过电阻R的电流iR,即输出电压与电容两端电压的关系为uO＝－uC(８-２８)上一页下一页返回８.３运算放大电路而电容电压uC

等于电容上电流iC

的积分,因此若求解某一段时间t１

~t２内的积分,则应考虑到uO

的初始值uO(t１),所以输出电压为若UI为一常量UI,则上一页下一页返回８.３运算放大电路表明输出电压是输入电压的线性积分.利用积分运算电路能够将输入的正弦电压,变换为输出的余弦电压,实现了波形的移相,也可以说实现了函数的变换;将输入的方波电压变换为输出三角波电压,实现了波形的变换;对低频信号增益大,对高频信号增益小,当信号频率趋于无穷大时增益为零,实现了滤波功能.可见,利用积分运算电路的运算关系可以实现多方面的功能.２.反相微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算,将积分运算电路中的R和C的位置互换,就得到微分运算电路,如图８-１１所示.根据“虚短”和“虚断”的原则,uN＝uP＝０,为虚地.电容两端电压uC

＝uI,其电流是端电压的微分.电阻R的电流iR

等于电容C中的电流iC,所以上一页下一页返回８.３运算放大电路可见,输出电压是输入电压对时间的微分.在微分运算电路输入端,若加正弦电压uI＝Umsinωt,则输出端为负的余弦波,实现了函数的变换,或者说实现了对输入电压的移相;若加矩形波,则输出为尖脉冲,如图８-１２所示.上一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用８.４.１有源滤波器对于信号频率具有选择性的电路称为滤波电路,其作用是允许一定频率范围内的信号顺利通过,而阻止或削弱(即滤除)其他频率范围的信号.由无源元件(电阻、电容、电感)和有源元件(三极管、场效应管、集成运放)共同组成的滤波电路称为有源滤波器.与无源滤波器相比,有源滤波器具有体积小、效率高、频率特性好、带负载能力较强、具有一定的电压放大作用等一系列优点,因而有源滤波器广泛应用于信号的处理.由于集成运放所限,有源滤波电路不适于高电压大电流负载.根据工作信号的频率范围,滤波器可以分成下面四大类:通过低频信号,阻止高频信号的称为低通滤波器(LPF);通过高频信号,阻止低频信号的称为高通滤波器(HPF);通过某一频率范围的信号,阻止频率低于此范围的和高于此范围的信号通过的称为带通滤波器(BPF);阻止某一频率范围的信号,通过频率低于此范围信号及高于此范围信号的称为带阻滤波器(BEF).下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用四种滤波器的理想幅频特性如图８-１３所示,每个特性曲线均为通带和阻带两部分,通带中的电压放大倍数称为通带放大倍数１.低通滤波器将RC无源低通滤波器的输出接同相比例运算电路的输入端就构成一阶有源低通滤波器,如图８-１４(a)所示.当信号频率趋于零时,集成运放同相输入端的电位,故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路的比例系数,即上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用电路的电压放大倍数为:其中当f＝fP

时,故fP

为通带截止频率.当f≫fP

时,按－２０dB/十倍频下降.因此的对数幅频特性如图８-１４(b)所示.上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用为了使低通滤波器高频段的下降速率加大,可利用多个RC环节构成多阶低通滤波器.２.高通滤波器高通滤波器和低通滤波器具有对偶关系,将图６-１４(a)所示电路中的R、C元件位置对调,就构成一阶高通滤波器,如图８-１５所示.利用上节同样的分析方法,在图８-１５

所示电路中可得因而其对数幅频特性与低通滤波器的对数幅频特性为“镜像关系”.上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用８.４.２电压比较器电压比较器是集成运放的基本应用电路之一,是将输入的模拟电压信号和基准电压(称为阈值电压)相比较的电路,输出只有两种可能的状态,不是高电平就是低电平.输出的高电平和低电平表明比较结果.因此,在这类电路中集成运放工作在非线性区.电压比较器广泛用于各种报警电路,输入的模拟电压可能使温度、压力、流量、液面等非电物理量通过传感器采集信号.其次,比较器在自动控制、电子测量、鉴幅、模数转换、各种非正弦波形的产生和变换电路中也得到广泛的应用.１.一般单限比较器图８-１６(a)所示电路中,集成运放工作在开环状态下,因此工作在非线性区.当uI＞０时,uO＝－UOM;当uI＜０时,uO＝＋UOM;由此可得到图８-１６(b)所示电压传输特性.上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用由电压传输特性看出,该电路在输入信号过零时,输出电压发生转变,因此称为过零比较器.uI＝０称为该电路的阈值电压.为了将输出电压限制在某一特定范围内,以便于与数字电路的电平相配合,常在输出端加双向稳压二极管限定输出幅值.２.滞回比较器当单限比较器的输入电压在阈值电压附近上下波动时,不管这种变化是干扰或噪声作用的结果,还是输入信号自身的变化,都将使输出电压在高、低电平之间反复跃变.这一方面表明电路的灵敏度高,另一方面也表明电路抗干扰能力差.在实际应用中,有时电路过分灵敏会对执行机构产生不利影响,甚至使之不能正常工作.因而,需要电路有一定的惯性,即在输入电压一定的变化范围内输出电压保持原状态不变,滞回比较器具有这一特点.上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用滞回比较器电路如图８-１８(a)所示,电路引入了正反馈,uO＝±UOM.反相输入端电位,uN＝uI,同相输入端电位令uN＝uP,求得阈值电压为滞回比较器的电压传输特性如图８-１８(b)所示.从曲线上看,uI

增大过程中,只有当uI

增大至略大于＋UT时,uO

才从高电平＋UOM

跃变为低电平－UOM;uI减小过程中,只有当uI减小至略小于－UT

时,uO

才从低电平－UOM

跃变为高电平＋UOM;上一页下一页返回８.４集成运放在信号处理电路方面的应用当－UT＜uI＜＋UT时uO可能为高电平,也可能为低电平,这取决于uI是从小于－UT

变化而来的,还是从大于＋UT变化而来的,图中箭头表明了变化的方向.这种uI变化方向不同阈值电压不同的特性称为滞回特性,两个阈值电压之差称为回差电压上一页返回８.５波形发生电路８.５.１矩形波发生器矩形波信号常作为数字电路的信号源或模拟电子开关的控制信号.矩形波发生电路只有两个暂态,即输出不是高电平就是低电平,而且两个暂态自动地相互转换,从而产生自激振荡.因此,电压比较器就成为矩形波发生电路的重要组成部分.为了使输出的高、低电平产生周期性变化,电路中用延迟环节来确定暂态的维持时间,并引入反馈来实现“自控”.图８-１９(a)所示为矩形波发生电路,它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成.RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充放电实现输出状态的自动转换.图中滞回比较器的输出电压uO＝±UZ,阈值电压下一页返回８.５波形发生电路设某一时刻输出电压uO＝＋UZ,则同相输入端电位uP＝＋UT.uO

通过R３对电容C正向充电,如图中实线箭头所示.电容电压uC

＝uN,电容电压随时间增长而逐渐升高,当uN略高于＋UZ

时,uO

就从＋UZ

跃变为－UZ,与此同时uP

从＋UT

跃变为－UT.随后,电容放电,如图中虚线箭头所示.反相输入端电位随时间增长而逐渐降低,当uN

略低于－UZ

时uO

就从－UZ

跃变为＋UZ.电容又开始正向充电.上述过程周而复始,电路产生了自激振荡,输出信号产生周期性高、低电平变化,波形如图８-１９(b)所示.上一页下一页返回８.５波形发生电路８.５.２三角波发生电路在图８-２０所示电路中,虚线左边为同相输入的滞回比较器,右边为反相积分运算电路.同相滞回比较器的输出高、低电平分别为UOH＝＋UZ,UOL＝－UZ.积分运算电路的输出电压uO

作为输入电压,A１同相输入端的电位令uP１＝uN１＝０,将uO１＝±UZ

代入求出输出的阈值电压为上一页下一页返回８.５波形发生电路以滞回比较器的输出电压uO１作为输入,积分电路的输出表达式为通常C上电压为０.设uO１↑→uP１↑→uO１↑,直至uO１＝UZ(第一暂态);积分电路反向积分,t↑→uO↓,一旦uO

过－UT

时,uO１从＋UZ跃变为－UZ(第二暂态).积分电路正向积分,t↑→uO↑,一旦uO

过＋UT

时,uO１从－UZ

跃变为＋UZ,返回第一暂态.重复上述过程,产生三角波信号周期性的变化.上一页下一页返回８.５波形发生电路８.５.３正弦波振荡电路正弦波振荡电路是一种信号发生电路,在测量电路和通信电路中得到非常广泛的应用.所谓正弦波振荡是指在不加任何输入信号的情况下,由电路自身产生一定频率、一定幅度的正弦波电压输出,因而属于“自激振荡”.正弦波电路的方框图如图８-２１所示,图８-２１(a)表明电路引入了正反馈,图８-２１(b)表明在无外加信号的情况下反馈量作为放大电路的净输入量.图８-２１(b)中,电路合闸通电时,在电路中激起一个微小的扰动信号,根据频谱分析可知,这种电扰动是个非正弦信号,含有很多种频率的正弦分量,为了得到单一频率的正弦波信号,电路必然含有选频网络,并由此确定频率为f０的正弦波信号输出.上一页下一页返回８.５波形发生电路为了让