本章要點(diǎn)

集成電路基礎(chǔ)集成運(yùn)放的理想化參數(shù)理想運(yùn)放的工作區(qū)理想運(yùn)放在線性區(qū)的應(yīng)用理想運(yùn)放在非線性區(qū)的應(yīng)用章節(jié)內(nèi)容7.0集成電路基礎(chǔ)7.1集成運(yùn)放概述7.2具有負(fù)反饋的集成運(yùn)放應(yīng)用電路7.3電壓比較器7.0集成電路基礎(chǔ)集成運(yùn)放是一種直接耦合的多級放大電路，性能理想的運(yùn)算放大電路具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。7.1集成運(yùn)放概述按制作工藝分為雙極型、CMOS型和BiFET型三種。按照工作原理分為電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型和互阻型四種。按照性能指標(biāo)分為通用型、低噪聲型、高速型、低功耗型、精密型和程控高輸入阻抗型等。7.1集成運(yùn)放概述二、集成運(yùn)放的基本組成

集成運(yùn)放雖種類繁多、形式多樣，但電路結(jié)構(gòu)一般由四部分組成：(1)輸入級：輸入電阻高、噪聲低、靜態(tài)電流小、零漂小。(2)中間級(電壓放大級)：具有較高的電壓放大倍數(shù)。(3)輸出級：動態(tài)范圍大、帶負(fù)載能力強(qiáng)，非線性失真小。(4)偏置電路：提供合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+ui1ui2+–+Auo信號傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運(yùn)放的電路符號及典型芯片的引腳排列uo=Aod(ui1-ui2)Aod:差分式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)集成運(yùn)放的信號輸入方式1、共模輸入方式+UCC–UEEuo+–+ui1ui2+–+Auo當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入端輸入大小相同，極性也相同的信號時，稱為共模輸入方式。ui因此，理想的情況下集成運(yùn)放在共模輸入時的放大倍數(shù)為0，即即ui1=ui2集成運(yùn)放的信號輸入方式2、差模輸入方式+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入端輸入大小相同，極性相反的信號時，稱為差模輸入方式。ui差模輸入方式下的電壓放大倍數(shù)用Aud表示，即2．集成運(yùn)放的主要參數(shù)（1）差模開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod指運(yùn)放在無外加反饋情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比，其值越大越好，即：（2）共模抑制比CMRR指運(yùn)放無外加反饋時，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模放大倍數(shù)之比。反映了運(yùn)放對共模輸入信號的抑制能力，其值越大越好，即：（3）差模輸入電阻rid指運(yùn)放在無外加反饋情況下，從兩個輸入端口看進(jìn)去的等效電阻。uou++–+u-rid（4）輸出電阻ro指運(yùn)放在無外加反饋情況下，從輸出端口看進(jìn)去的戴維南等效電阻。uou++–+u-+-uocro（5）其他參數(shù)包含有失調(diào)電壓、失調(diào)電流、溫漂及開環(huán)帶寬等，詳細(xì)定義參看教程。7.2負(fù)反饋放大電路（1）反饋的概念

如果反饋信號使放大器的凈輸入加強(qiáng)，從而也使輸出加強(qiáng)，這種反饋稱為正反饋。

如果反饋信號使放大器的凈輸入減弱，從而也使輸出減弱，這種反饋稱為負(fù)反饋。（2）開環(huán)閉環(huán)的概念

如果放大器的輸出與輸入之間沒有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為開環(huán)狀態(tài)。

如果放大器的輸出與輸入之間連有反饋，放大器的這種連接狀態(tài)稱為閉環(huán)狀態(tài)。（3）反饋的分類1）直流反饋和交流反饋

如果反饋量中只含有直流量，稱為直流反饋；或者說，僅在直流通路中存在的反饋稱為直流反饋。如果反饋量中只含有交流量，稱為交流反饋；或者說，僅在交流通路中存在的反饋稱為交流反饋。

在很多放大電路中，常常是交、直流反饋兼有。2）正反饋和負(fù)反饋3）電壓反饋和電流反饋如果引入反饋量取自輸出電壓，則為電壓反饋。如果引入反饋量取自輸入電流，則為電流反饋。4）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：在輸入回路中，反饋量和輸入量都以電壓的形式出現(xiàn)，并以串聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電壓求和的方式來反映反饋對輸入信號的影響。并聯(lián)反饋：在輸入回路中，反饋量和輸入量都以電流的形式出現(xiàn)，并以并聯(lián)方式在輸入端相加減。即由電流求和的方式來反映反饋對輸入信號的影響。（4）反饋的判斷1）有無反饋的判斷若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路相連接的通路，即反饋通路，并由此影響了放大電路的凈輸入，則表明電路引入了反饋;否則電路中便沒有反饋。1）有無反饋的判斷（4）反饋的判斷2）反饋極性的判斷：瞬時極性法基本做法是：規(guī)定電路輸入信號在某一時刻對地的極性，并以此為依據(jù)，逐級判斷電路中各相關(guān)點(diǎn)電流的流向和電位的極性，從而得到輸出信號的極性；根據(jù)輸出信號的極性判斷出反饋信號的極性；若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號增大，則說明引入了正反饋；若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號減小，則說明引入了負(fù)反饋。

即通過分析集成運(yùn)放的凈輸入電壓，或者凈輸入電流因反饋的引入是增大了還是減小了，來判斷反饋的極性。2）反饋極性的判斷：瞬時極性法2）反饋極性的判斷：瞬時極性法（4）反饋的判斷3）判斷反饋的串并聯(lián)形式并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點(diǎn)引入，或是并接在放大器的同一個輸入端上。串聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點(diǎn)引入或反饋信號和輸入信號加在放大器的不同輸入端上。串聯(lián)反饋（4）反饋的判斷3）判斷反饋的串并聯(lián)形式并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號在同一節(jié)點(diǎn)引入，或是并接在放大器的同一個輸入端上。串聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號不在同一節(jié)點(diǎn)引入或反饋信號和輸入信號加在放大器的不同輸入端上。并聯(lián)反饋（4）反饋的判斷4）判斷電壓或電流反饋的方法（4）反饋的判斷4）判斷電壓或電流反饋的方法（5）負(fù)反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電壓放大為輸出電壓，而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是把輸出電壓變換為反饋電壓uf,uf在輸入端與輸入電壓ui串聯(lián)相減。（5）負(fù)反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電流放大為輸出電壓，而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是把輸出電壓變換為反饋電流if,if在輸入端與輸入電流ii并聯(lián)相減。（5）負(fù)反饋的四種類型這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電壓放大為輸出電流，而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是把輸出電流變換為反饋電壓。這種類型中，放大電路的作用是把凈輸入電流放大為輸出電流，而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是把輸出電流變換為反饋電流。四種負(fù)反饋的判斷，見書例7.57.2.4負(fù)反饋對放大電路性能的影響1）增益2）穩(wěn)定性3）波形失真性4）輸入電阻和輸出電阻1）降低放大倍數(shù)其中，AF叫環(huán)路增益，1+AF叫反饋深度2）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性，指開環(huán)的相對穩(wěn)定程度與閉環(huán)的相對穩(wěn)定程度的比較。負(fù)反饋的基本特點(diǎn)是自動調(diào)整作用，當(dāng)外界條件發(fā)生變化引起輸出信號增大時，負(fù)反饋則按比例將增大量送到輸入端，抵消一部分輸入信號，使凈輸入信號減小，達(dá)到降低輸出信號的目的。2）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性可見，引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了。例7.6一個放大電路的開環(huán)放大倍數(shù)為1000，由于某種原因下降到900，當(dāng)引入負(fù)反饋后，其反饋系數(shù)F為0.2，求其閉環(huán)的相對變化量。3）擴(kuò)展通頻帶4）改善波形失真：減小非線性失真4）改善波形失真：減小非線性失真5）改善電路的輸入電阻和輸出電阻輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻，因而反饋對輸入電阻的影響，取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡(luò)在電路輸入端的連接方式，即取決于電路引入的是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。1）串聯(lián)負(fù)反饋對輸入電阻的影響b并聯(lián)負(fù)反饋對輸入電阻的影響（2）對輸出電阻的影響輸出電阻是從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻，因而負(fù)反饋對輸出電阻的影響取決于基本放大電路與反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出端的連接方式，即取決于電路引入的是電壓反饋還是電流反饋。1）電壓負(fù)反饋對輸出電阻的影響對于電壓反饋的放大電路，當(dāng)輸入電壓ui為一定值，如果輸入電壓uo由于負(fù)載電阻RL的減小而減小時，則反饋電壓UF也隨之減小，其結(jié)果使凈輸入電壓ud增大，于是輸出電壓就接近原值。所以電壓反饋的放大電路具有恒壓輸出特性，根據(jù)電壓源的外特性：內(nèi)阻越小越接近恒壓源。因此，電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。2）電流負(fù)反饋對輸出電阻的影響對于電流反饋的放大電路，當(dāng)輸入電壓ui為一定值，如果輸出電流io由于溫度升高而增大時，則反饋電壓UF也隨之增大，其結(jié)果使凈輸入電壓ud減小，于是輸出電流就接近原值。所以電流反饋的放大電路具有恒流輸出特性，根據(jù)電流源的外特性：內(nèi)阻越大越接近恒流源。因此，電流負(fù)反饋使輸出電阻增大。7.3具有負(fù)反饋的集成運(yùn)放應(yīng)用電路集成運(yùn)算放大器加上一定形式的外接電路可實(shí)現(xiàn)各種功能。例如：能對信號進(jìn)行反相放大與同相放大，對信號進(jìn)行加、減、微分和積分運(yùn)算。7.3.1理想運(yùn)放分析基礎(chǔ)7.3具有負(fù)反饋的集成運(yùn)放應(yīng)用電路實(shí)際運(yùn)放的理想化模型就是理想運(yùn)放。其理想化指標(biāo)為：

開環(huán)差模增益：

差模輸入電阻：

輸出電阻：

共模抑制比：

上限截止頻率：

失調(diào)電壓、電流及其溫漂：均為0。1.理想運(yùn)放的概念盡管理想運(yùn)算放大器并不存在，但由于集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)都比較接近于理想值，在具體分析時將其理想化來分析。

為了計算方便，后續(xù)內(nèi)容一律將集成運(yùn)放為理想運(yùn)放。2.運(yùn)放的電壓傳輸特性線性區(qū)：uo=Aud(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–時，uo=+Uo(sat)u+<u–時，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性非線性區(qū)O運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件是：引入深度負(fù)反饋運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件是：運(yùn)放處于開環(huán)或引入了正反饋集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時，輸出電壓不再隨輸入電壓線性增長，而是達(dá)到飽和。3.理想運(yùn)放在線性工作區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Aud(u+–u–)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–,稱“虛短”電壓傳輸特性Aud越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O(2)由于

輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

3.理想運(yùn)放在線性工作區(qū)的特點(diǎn)1）虛短2）虛斷uoRFuiR2R1++––++–ifi1i–i+4.理想運(yùn)放在非線性工作區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)此外，運(yùn)放工作在非線性區(qū)時，兩輸入端的電流可認(rèn)為等于零，即：

i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–時，uo=+Uo(sat)

u+<u–時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O非線性區(qū)7.3.2比例運(yùn)算電路1.反相輸入：輸入信號從反相輸入端引入的電路。(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–1.反相輸入(1)電路組成ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–從式子可以看出，輸出電壓與輸入電壓呈比例關(guān)系，負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓反相。

當(dāng)RF=R1時，uo=ui,輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相反，即為反相器。例:電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RFR1

=–5010=–5R2=R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf=–RF/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–

當(dāng)R1=或

RF=0時，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–uoui++––++–同相比例電路的最大特點(diǎn)是輸入電阻高，比較適合于輸入級，以提高信號的采集能力。7.3.3加法運(yùn)算電路：輸入端多個輸入信號想加1.反相加法運(yùn)算電路

平衡電阻：

R2=Ri1//Ri2//RFuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–

可采用疊加定理求uo（1）ui1單獨(dú)作用時（2）ui2單獨(dú)作用時則當(dāng)Ri1=Ri2=RF時，uo=－(ui1+ui2)此時，輸出電壓是n個輸入電壓的反相之和2.同相加法運(yùn)算電路方法:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨(dú)作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–當(dāng)Ri1=Ri2=R1=RF時，uo=ui1+ui27.3.4減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––當(dāng)R1=R2=R3=RF時，uo=ui2—ui1例7.7加減法運(yùn)算電路如圖7.23所示，求輸出與各輸入電壓之間的關(guān)系。方法:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用時，ui2單獨(dú)作用時，ui3單獨(dú)作用時，u4單獨(dú)作用時，uo=uo1+uo2+uo3+uo4

=?1.3ui1?1.9ui2+2.3ui3+1.15ui4

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uOCuiRR++––++–uC+–7.3.5積分與微分運(yùn)算電路1.積分運(yùn)算電路輸出電壓為輸入電壓對時間的積分，因此稱實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算的功能電路為積分電路。積分電路的波形變換作用積分電路的波形變換作用ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–2.微分運(yùn)算電路輸出電壓為輸入電壓對時間的微分，因此稱實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算的功能電路為微分電路。7.4濾波的概念及有源濾波器濾波器的作用是讓負(fù)載需要的某一頻段的信號順利通過電路，而其他頻段的信號被濾波電路加以抑制和衰減，即過濾掉負(fù)載不需要的信號。7.4濾波的概念及有源濾波器7.4濾波的概念及有源濾波器7.4濾波的概念及有源濾波器7.4濾波的概念及有源濾波器缺點(diǎn)：1）電路增益小，最大僅為1；2）帶負(fù)載能力差，當(dāng)在輸出端接入負(fù)載時，濾波特性隨之改變。3）通帶和阻帶之間存在一個頻率較寬的過渡區(qū)。在分析有源濾波電路時，一般都通過“拉氏變換”，將電壓與電流變換成“象函數(shù)”U(s)和I(s)，因而電阻的R(S)=R，電容的Zc(s)=1(sC),電感的ZL(s)=sL,輸入量與輸出量之比稱為傳遞函數(shù)，即：A(s)=Uo(s)/Ui(s)一階有源低通濾波器

求解傳遞函數(shù)時，只需將放大倍數(shù)中的jω用s

取代即可；s

的方次稱為階數(shù)。頻率趨于0時的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于RC環(huán)節(jié)表明進(jìn)入高頻段的下降速率為－20dB/十倍頻（1）一階電路1.同相輸入：把一階無源RC低通濾波電路接到集成運(yùn)放的同相輸入端。經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)：一階電路幅頻特性曲線：討論：1）f=0時，2）f=f0時，3）f趨于無窮時，

2）反相輸入有源低通濾波器

一階有源高通濾波器

一階有源高通濾波器圖形見書一階有源低通濾波器

7.5電壓比較器要求：了解集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器的條件

掌握各種電壓比較器的工作原理

掌握各種電壓比較器的傳輸特性7.5電壓比較器7.5電壓比較器分析電壓比較器時，通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比較器的工作特性。

閾值：輸出電壓在高、低電平間發(fā)生跳變時對應(yīng)的輸入電壓值。一般是固定的，有的有一個閾值，有的有兩個閾值。傳輸特性：指比較器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。按照傳輸特性的不同，電壓比較器有以下種類：單限比較器、滯回比較器(遲滯比較器)、雙限比較器（窗口比較器）等一、單限比較電路：又稱為電平檢測器通常只含有一個運(yùn)放，而且大多數(shù)情況下運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，只有一個門限電壓。uoui0+UOM-UOM++uoui++uouiuoui0+UOM-UOM（1）過零比較器:（運(yùn)放處于開環(huán)，門限電平UR=0）過零比較器的實(shí)際運(yùn)用–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–時，uo=+Uo(sat)

u+<u–時，uo=–Uo(sat)即ui<UR時，uo=+Uo(sat)

ui>UR時，uo=–

Uo(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。門限電壓為UR。參考電壓(2)非過零比較器（運(yùn)放處于開環(huán)）輸入信號接在反相端ui>UR，uo=+Uo(sat)ui<UR，uo=–Uo(sat)uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在同相端非過零比較器的實(shí)際應(yīng)用：

集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入級，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為±UD改進(jìn)的單限比較器：比較器的輸出電壓是由比較器的內(nèi)部設(shè)計決定的，其值是固定的，而在實(shí)際應(yīng)用中，輸出電壓往往不能滿足負(fù)載的需要，為了解決這一問題，常在運(yùn)放的輸出端接限幅電路。uiUR輸出帶限幅的電壓比較器：為適應(yīng)負(fù)載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui<

UR，uo=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZ–Uo(sat)+Uo(sat)uoO電壓比較器的分析方法：（1）寫出u+、u-的表達(dá)式，令u+＝u-=0，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。一般單限比較器作用于反相輸入端例7.9

圖7.39所示電路中，R1=R2=5kΩ，參考電壓UR=2V，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為圖(a)所示的三角波。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2++–R1UR根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷i?=i+=0則R1和R2串聯(lián)，根據(jù)疊加定理得例7.9

圖7.39所示電路中，R1=R2=5kΩ，參考電壓UR=2V，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為圖(a)所示的三角波。試畫輸出電壓波形。RDZuouiR2++–R1UR當(dāng)ui<-2V時，uo=Uz=5V當(dāng)ui>-2V時，uo=-Uz=-5VuitOUROt+Uz–Uzuo單限電壓比較器具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，存在的主要問題是輸出電壓波形不夠陡，抗干擾能力差。0tui閾值電壓0tuO錯誤的輸出+UZ-UZ干擾輸出波形不夠陡實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)增益不是，所以狀態(tài)的躍變必須經(jīng)過線性區(qū)，并需要經(jīng)過一定的時間。遲滯比較器：在單限比較器的基礎(chǔ)上，通過電阻把輸出電壓反饋到運(yùn)放到運(yùn)放同相輸入端形成正反饋。輸入電壓加到同相端稱為同相滯回比較器；輸入電壓加到反相端稱為反相滯回比較器；二、滯回比較電路-+uiuOR1UZRURR2反相遲滯比較器反相遲滯比較器問題：1）該電路有無反饋？若有，什么類型？-+uiuOR1RURR2+UZ-UZ+ui很