模擬電子技術(shù)1.集成運算放大器簡介——目

錄——集成運放的組成12

集成運放的電壓傳輸特性3

集成運放主要參數(shù)及理想化問題導航集成電路簡稱

IC(IntegratedCircuit)數(shù)字集成電路集成電路按其功能分類集成穩(wěn)壓器；集成運算放大器，簡稱集成運放或運放；集成功率放大器；模擬集成電路集成比較器等。集成運放的組成集成運放由四個部分組成圖1

集成運放組成框圖輸入級：中間級：，大大減少溫漂。多采用差分放大電路多采用共射（或共源）放大電路，增益大。輸出級：多采用OCL或OTL電路，帶負載能力強。偏置電路：采用電流源。實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。集成運放的組成圖4

集成運放電路符號圖3

集成運放常見封裝形式圖2

集成運放組成框圖若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運放的組成uN

：

反相端輸入電壓uP

：

同相端輸入電壓Rid

：差模輸入電阻Ro：

輸出電阻u

：

差模輸入電壓=u

–

uidpnAud

：

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)圖5

集成運放等效電路圖u

：輸出電壓=A

(u

–

u

)oud

pn集成運放的電壓傳輸特性圖6

集成運放電路符號圖7

集成運放電壓傳輸特性1、工作在線性區(qū)時u

＝A

(u

－u

)，由于A

高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)的最大輸入Oud

PNud電壓(u

－u

)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。集成運放要實際工作在線性區(qū)，需要引P入負反饋。N2、工作在非線性區(qū)時當

u

>u

時，u

=

+U

；當

u

<u

時,

u

=

-

U

。U

為運放飽和輸出電壓。PNOOMPNOOMOM集成運放主要參數(shù)及理想化1.集成運放主要參數(shù)100

160dB開環(huán)差模電壓增益

Aud差模輸入電阻

R大（幾兆歐），大好id?。◣资畾W

幾百歐），小好輸出電阻

RoAAucK

=CMR

20

lg>80dB，小好ud

(dB

)共模抑制比

KCMR輸入失調(diào)電壓

U使

UO

=0時，輸入端施加的補償電壓

幾毫伏，小好IO集成運放主要參數(shù)及理想化1.集成運放主要參數(shù)I

=

I

-

I

1nA

0.1

A，小好輸入失調(diào)電流

IIO當UO

=0時，IOBNBP110nA

1

A，小好輸入偏置電流

I當U

=0時，

=+I（IBN

I

）BPIBIBO2最大差模輸入電壓

UIdM當

UId過大時，反偏的

PN結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。最大共模輸入電壓

UICM開環(huán)帶寬（-3dB帶寬）共模輸入

U

過大，K

下降ICCMR一般集成運放

只有幾赫茲至幾千赫茲集成運放主要參數(shù)及理想化2.集成運放特性理想化（1）運放理想化參數(shù)1)

Aud=

3)Ro

=

02)Rid

=

5)BW

=

6)U

=0，I

=08圖

集成運放等效電路圖4)K

=

IOIOCMR（2）

虛短、虛斷因為A

=∞，u

＝A

(u

－u

)

為有限值，所以，

u

－u

=0，即u

=

uudOud

PNNPNP稱為虛短因為R

=∞，相當于輸入開路，所以，

i

=i

＝0idNP稱為虛斷本課小結(jié)1、集成運放組成：由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路四個部分組成，集成運放實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。大家要了解它封裝形式，記住電路符號，等效電路等2、集成運放的電壓傳輸特性：集成運放線性工作區(qū)間很小，為了使集成運放工作在線性區(qū)，經(jīng)常加入負反饋；工作在非線性區(qū)時，

集成運放的輸出飽和電壓U

。OM3、集成運放的主要參數(shù)及理想化：了解主要參數(shù)，掌握虛短與虛斷的概念，它是集成運放理想化的兩個重要結(jié)論。2.加法與減法運算電路——目

錄——1

加法運算電路2

減法運算電路問題導航在卡拉OK廳唱歌的時候，有伴音信號，也有我們通過麥克風輸入的聲音信號。這兩路信號，怎樣合成在一起呢？可以通過加法運算電路合成，然后送給功率放大器放大，推動揚聲器發(fā)出美妙的歌聲！圖1：實用三輸入加法電路反相加法運算電路利用疊加定理求解：首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。R令u

=

u

=0

u

使：

=

?uuF1i2i

3i1O1RI1R令u

=

u

=0

u

使：u

=

?

uI2Fi1i

3i2O2R2R令u

=

u

=0

u

使：u

=

?

uI3FO3Ri1i

2i33由疊加定理可得：u

=u

u

u圖2

反相加法運算電路oo1+

o2

+

o3RRRR=

R

//R

//R

//R1

2

3

F4uO=

?

F(

u+

FuI2+

Fu

)I1I3RRR123特點：每一路輸入對應的輸出，相互不影響，調(diào)節(jié)方便。當

R

=R

=R

=R時，123Ru

=

?

(u

+

u

+

u

)FORI1I2I3同相加法運算電路Ru

(1

)u=

+

f同相比例放大器：OpR1R3

//R4R2

//R4up

=uI1

+uI2疊加定理：R

R

//R++R

R

//R234324同相加法運算電路RfuO

=

(1+

)(R

R

R

//RR3

//

R4R2

//

R4圖3uI1

+u

)+R

R

//R+I21234324若

R

=R

=R

，R

=2R則

u

=u

+uO

I1

I2234f1Ru

(1=

+

f)u結(jié)論：同相輸入時，O一定成立，求解出UP,就能求得UOpR1減法運算電路利用疊加定理求解輸出電壓uo：Ru

=

?

u令ui2

=0令ui1

=0ui1fO1I1R1Rfui2uO2

=

(1

+)uPR1Rp+R

Rup

=ui22pR

RuO2

=

(1

+f)(R

R

RPu

)i2+圖4

減法運算電路12PRR

R由疊加定理可得：u

=u

u

=

?+

+u

(1I1f1f)(R

R

RP)uI2oo1+

o2R+12PR

=

R

R

=

R如果：12fpRfu0

=(u

?

u

)i2

i1則：R1減法運算電路uORf電壓放大倍數(shù)：Auf

==

?電路實現(xiàn)了對輸入差模信號的比例運算。u

ui1?R1i2差模輸入電阻

Rif=2R1電路特點：運放輸入端存在共模電壓，對運放共模抑制比要求比較高；輸入電阻R

=2R

，較小，輸出電阻趨近于零；if1可將雙端輸入轉(zhuǎn)換成單端輸出。減法運算電路由于單個集成運放構(gòu)成運算電路存在兩個缺點：一是電路電阻的選取和調(diào)整不方便；二是對于每個信號源的內(nèi)阻均要求較小。我們可以用雙運放構(gòu)成高輸入電阻運算電路。因各級電路的輸出阻均為零，具有恒壓特性，故后級電路雖為前級的負載，但不會影響前級電路的運算關(guān)系，故對每級電路的分析與單級電路完全相同！例：

雙運放減法運算電路????

=

（?

+

）??????????????????????

=

?

?

+?

?

+

?

+???????當?

=

?

，?

=

?

時????????

=

?

+

??

（?

?

?

）圖5雙運放減法運算電路???????電路特點：電阻調(diào)整方便；同相端輸入，輸入電阻趨于無窮大本課小結(jié)加法運算電路：

加法運算電路實現(xiàn)多路信號的疊加。反相加法運算電路用疊加定理求解方便；同相加法運算電路先求UP

，再用Ru

(1=

+

f)u公式求解方便。pOR1減法運算電路：減法運算電路實現(xiàn)輸入信號減法運算。單運放構(gòu)成減法運算電路輸入端存在共模電壓，對運放共模抑制比要求比較高，輸入電阻較?。浑p運放可以構(gòu)成高輸入電阻電路，電阻調(diào)整方便。3.比例運算電路——目

錄——1

反相比例運算電路2

同相比例運算電路問題導航比例運算電路、加減運算電路、積分運算電路、微分運算電路、對數(shù)運算電路、指數(shù)運算電路。運算電路：放大電路集成運放線性應用有源濾波電路集成運放的應用電壓比較器集成運放非線性應用非正弦波形發(fā)生器比例運算電路一、反相比例運算電路根據(jù)虛斷、虛短有：u

u

=

0i

i

0虛地npnp

1fu

?

u

u

?

u=innoR1RfRf圖1

反相比例運算電路uo

=

?uiR1反饋組態(tài)：電壓并聯(lián)負反饋uR=

o

=

?

fAufR

=R

//R

，R

稱為平衡電阻PuRp

1fi1輸入電阻較小Rif=R1，輸出電阻趨近零共模電壓u

=0，對運放的K

要求低ICCMR比例運算電路二、同相比例運算電路根據(jù)虛斷有：R

開路，R

短路時：1fi

i

0npi1

iFun

=

uO

?

unRR1f圖3

電壓跟隨器圖2

同相比例運算電路RR1uO

=

(1

+f)unAuf

=1電壓串聯(lián)負反饋；根據(jù)短斷有：輸入電阻

Rif

→

；輸出電阻→0；u

=u

，對

K

的要求高。u

u

=

unpiICiCMRRRR1RfR1uO

=

(1

+)up

=

(1

+)un

=

(1

+)uiffR1UURR1A

=

O

=1+fufI比例運算電路例題：電路如圖4所示，計算它的電壓放大倍數(shù)。解：RR1RfR1uO

=

(1

+)up

(1

+

)ui

*重要fUiUp=RpR2+

RpRfUi=

(1

+

)RP圖4

同相比例運算電路UOR1R2+

RPUUiORfRP1010Auf

==

(1

+

)()

=

(1

+

)()

=

10R1R2+

Rp1

1

+

10說明：在求解同相比例運算電路時，重點是求解U

，把U

代入公式：RR1uO

=

(1

+)upfpp即可求解得到Uo本課小結(jié)RRAuf

=

?f1、反相比例運算電路：

電壓放大倍數(shù)，輸入輸出信號1反相，大小成比例關(guān)系；引入了電壓并聯(lián)負反饋，輸入電阻小，輸出電阻趨近零，帶負載能力強；放大電路無共模信號，對運放的共模抑制比要求不高。RRAuf

=

1

+2、同相比例運算電路：

電壓放大倍數(shù)f，輸入輸出信號同1相，大小成比例關(guān)系；引入了電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻很大，輸出電阻趨近零，帶負載能力強；放大電路有共模信號，對運放的共模抑制比要求高。4.差動放大電路——目

錄——1

基本差動放大電路2

長尾差動放大電路3

具有恒流源的差動放大電路問題導航uououiOOttui=0≠0圖1

直接耦合級聯(lián)放大電路零點漂移概念：直接耦合時，輸入電壓為零，但輸出電壓離開零點，并緩慢地發(fā)生不規(guī)則變化的現(xiàn)象。零點漂移原因：受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象，

它又被簡稱為：零漂。放大電路級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈高，零點漂移問題愈嚴重。在漂移現(xiàn)象嚴重的情況下，往往會使有效信號“淹沒”，使放大電路不能正常工作。抑制零漂的有效方法：1、引入直流負反饋以穩(wěn)定

Q

點；2、利用熱敏元件補償放大器的零漂；3、采用差分放大電路?；静顒臃糯箅娐范㈦娐诽攸c一、電路組成◆兩個基本概念RCRCVCC共模信號：大小相等，極性相同，

ui1

=

u差模信號：大小相等，極性相反，

ui1

=

-ui2uovc2RBRBvc1i2ui1T1ui2T2◆元件參數(shù)對稱VEEu

=

u

時，u

=

v

-v

=

0。i1i2oc1c2圖2

基本差動放大電路在理想的情況下：零輸入零輸出，抑制了共模信號，克服零點漂移?！?/p>

兩個三極管◆

雙電源供電◆

兩個輸入端◆

兩個輸出端◆

兩個電阻RC◆

兩個電阻RB◆元件參數(shù)不對稱時，u

=

v

-v

≠0，ui1

=

ui2oc1c2存在零點漂移，怎么辦？電路對稱長尾差動放大電路一、電路組成二、電路特點◆具有基本差動放大電路特點；RCRCVCCuovc2RBRB◆

電阻RE能有效抑制零點漂移vc1ui1T1ui2T2u

=

u

時，u

≈0。VEEi1i2oRE圖3

長尾差動放大電路發(fā)射極電阻RE，抑制零點漂移。長尾差動放大電路三、靜態(tài)分析+VCCRCRCuoICQ1ICQ2VCQ2VCQ1IEQ1RCRCRBVCCIBQ1IEQ2uovc2IBQ2RBRBT1vc1T2RBui1Tui2T212RE2REVEERIEQ1E

IEQ2VEEVEE圖4

長尾差動放大電路圖5

長尾差動放大電路直流電路=B++2I

REQ1輸入回路電壓方程：

V

I

R

UEEBQ1BEQ1EVEE

?

UIEQ11

+

I

=BQ1

R

小，且I

很?。?/p>

IBEQ1BBQEQ12RE晶體管輸出電壓關(guān)系：U

V

?

I

R

?

2I

RECEQ1CCCQ1cEQ1選合適的VEE、Re

、Rc就可得到合適的靜態(tài)工作點。長尾差動放大電路四、共模信號輸入動態(tài)分析+VCCRCRCRCRCuocuocuC2RBuicRBRBRBuC2uC1uC1uicui1ui2T2T1T2T12RE

2REREVEE圖7

共模信號交流通路圖6

長尾差動放大電路共模信號：ui1

=

ui2大小相等，極性相同共模輸入電壓：u

=

u

=

uici1i2u

=

u

–u

=0共模輸出電壓：ocC1C2uA

=

=0ocRE引入負反饋，電路參數(shù)對稱時，共模信號被抑制。共模電壓放大倍數(shù)：ucuic長尾差動放大電路四、動態(tài)分析：差模信號輸入+VCCRCRCRCRCuoduodRBRBRBRBuo1uo2uC2uC1ui1=

–

ui2

T1ui2T2ui1=–ui2

T1ui2T2RERE-VEE圖9

差模信號交流通路圖8

長尾差動放大電路差模信號ui1

=

–

ui2大小相等，極性相反u

=u

–u=2ui1i2差模輸入電壓差模輸出電壓idi1u

=u

–u

=u

–(–u

)=2uo1odo1o2o1o1uRC2u差模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻Aud

=

od

==

?放大差模信號，放大倍數(shù)與單管放大電路一致。o1i1+2uRB

rbeu（R

+r

）idRid=

2B

beRo

=2RC差模輸出電阻長尾差動放大電路差動放大電路特點：抑制共模信號，放大差模信號AAudAuc=

ud共模抑制比：

KCMR分貝數(shù)表示：=K

(dB

)

20

lgCMRAuc+VCCRC長尾差動放大電路的問題？RCuoduC2uC1Aui2ui1=

–

uK=

ud方法：i2

T1T2提高CMRAREuc1.電路對稱。VEE圖10

長尾差動放大電路2.

電阻RE越大，抑制共模信號能力越強。問題：電阻R

大，直流電源電壓V

大，才能滿足靜態(tài)偏置條件。EEE解決措施：用恒流源代替RE

，

因為恒流源交流電阻大，直流電阻小。具有恒流源的差動放大電路+VCC+VCCRCRC簡化畫法RCRCuououi1ui2T1T2IREFui1uT1T2i2IC3R1I0IT3

TC4VEER2R34VEE圖12

簡化畫法圖11

具有恒流源的差動放大電路V

、V

構(gòu)成比例恒流源電路34本課小結(jié)放大差模信號，抑制公模信號，抑制零點漂移，常用作電路輸入級。差動放大電路作用：基本差動放大電路：電路對稱時，能放大差模信號，抑制公模信號。長尾差動放大電路：

長尾電阻抑制共模信號，對差模信號放大能力沒影響，以及電路對稱，共模抑制比大。但是，由于RE的接入，需要大直流電源不利。具有恒流源的差動放大電路：恒流源具有交流電阻大，直流電阻小的特性，電路能夠很好的抑制共模信號，放大差模信號；同時，也不需要大直流電源。它是最完美的差動放大電路。5.電壓比較器——目

錄——1

比較器概述2

單門限比較器3

遲滯比較器3

窗口比較器問題導航運算電路：比例運算電路、加減運算電路、積分運算電路、微分運算電路、對數(shù)運算電路、指數(shù)運算電路。集成運放線性應用放大電路有源濾波電路集成運放的應用電壓比較器集成運放非線性應用非正弦波形發(fā)生器比較器概述1.

集成運放工作在非線性工作區(qū)★集成運放工作在開環(huán)或正反饋。圖1

開環(huán)狀態(tài)★特點：圖2

正反饋狀態(tài)1)

虛斷成立（

i

i

0）pn2)

虛短不成立（u

≠

u

）pnu

>u

時，

u

＝＋U

U

是運放的飽和輸出電壓。PNOOM，

OMu

<

u

時，

u

＝－UPNOOM2.比較器應用：信號產(chǎn)生(方波、三角波、鋸齒波等非正弦波）；信號處理（波形變換整形等）；檢測（監(jiān)測報警等）

、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應用廣泛。單門限比較器1.

過零比較器圖3

過零比較器（1）UT＝0UT叫閾值電壓

：輸出電平發(fā)生跳變時的輸入電壓。（2）UOH＝＋

UOM，

UOL＝－

UOM（3）u

>0時

u

＝－U

;★為保護集成運放的輸入級，需加輸入端限幅電路。★為適應負載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。IOOMu

<0時

u

＝＋

U

。IOOM圖4

過零比較器電壓傳輸特性曲線圖5

具有限幅功能的過零比較器單門限比較器2.一般單門限比較器圖6

一般單門限比較器圖7

一般單門限比較器電壓傳輸特性曲線閾值電壓U

=U

，輸出電平發(fā)生跳變時的輸入電壓。TREF反相輸入遲滯比較器例：電路如圖所示，R

=30

kΩ，R

=1512kΩ,U

=±6V,U

=0,

求

U

，并畫出電ZREFT壓傳輸特性曲線。uO解：用疊加原理求解UP+UZ圖8

反相輸入遲滯比較器

U

=

U

?

U

=U

R

U

RU

=

R

R

R

RREF

2Z

1P++（

）U

=4

V2R1T+1212UUT-=-4（V）

OuIU

R

+

U

RTT+T?R

R+ZUT+

=REF

2Z

112R

R+12

U=U

-U

=8VT+T-U

R

?

U

R-UZUT?

=REF

2Z

1R

R+12★重要特點：u

增大時與上門圖9

遲滯比較器電壓傳輸特性曲線I限比，u

減小時與下門限比，6

30IUT+

=UT-

==

4

(V)

上門限電壓，但輸入電壓單調(diào)變化使時，輸出電壓只躍變一次。15

30+?

6

30+15

30=

?4

(V)下門限電壓窗口比較器單門限比較器與遲滯比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因此只能檢查一個電平。如果要判斷輸入電壓是否在二個電壓之間，窗口比較器有這樣的功能。電路圖12所示，它是由兩個簡單比較器構(gòu)成，注意，閾值大的簡單比較器采用同相輸入，閾值小的簡單比較器采用反相輸入，圖10

窗口比較器圖11窗口比較器電壓傳輸特性曲線當u

>U

時，u

=－u

=

U

，D

導通，D

截止；u

=

U

。IRHO1O2OM12OZ當u

<U

時，u

=－u

=U

，D

導通，D

截止；u

=U

。IRLO2O1OM21OZ當U

<u

<U

時，u

=

u

=－U

，D

、D

均截止；u

=

0。RLIRHO1O2OM12O本課小結(jié)1.單門限比較器與窗口比較器工作在開環(huán)，遲滯比較器引入正反饋，他們虛斷成立（i

i

0），虛短不成立（u

≠u

）。比較器廣泛應用于：信號產(chǎn)生；p信號處理；檢測電路等。npn2.單門限比較器有一個閾值電壓，遲滯比較器有兩個閾值電壓，他們輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因此只能檢查一個電平。窗口比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓跳變兩次，能檢查輸入電壓是否在兩個閾值電壓之間。3.比較器分析方法如下：（1）寫出u

和u

的電位表達式，令u

=u

，求解閾值電壓U

。Tp

Np

N（2）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平U

和輸出低電平U

大小。OH

OL（3）確定uo在uI過UT時發(fā)生躍變方向，畫出電壓傳輸特性曲線：無論輸入在反相端，還是同相端，u

使u

<U

,u

=U

;u

使u

>U

,u

=U

。I

n

p

0

0H

I

n

p

0

0L6.非正弦波發(fā)生電路——目

錄——1

方波發(fā)生電路2

矩形波發(fā)生電路3

三角波發(fā)生電路4

鋸齒波發(fā)生電路問題導航三角波鋸齒波方波圖1

常見非正弦波信號方波發(fā)生電路1.電路組成RC充放電回路反向輸入遲滯比較器圖2

方波發(fā)生電路圖3

電壓傳輸特性R

UT

=

1

UZR

R+12方波發(fā)生電路2.工作原理：相當于反向輸入遲滯比較器UZUZ圖4

方波發(fā)生電路圖

電壓傳輸特性曲線5設(shè)合閘通電瞬間：

u

=0，

u

＝U

此時，u

＝+U

。cOZ，P