1、6.2 集成運放性能參數(shù)及對應(yīng)用電路的影響,6.4 集成電壓比較器,6.3 高精度和高速寬帶集成運放,6.1 集成運放應(yīng)用電路的組成原理,第六章 集成運算放大器及其應(yīng)用電路,6.1 集成運放應(yīng)用電路的組成原理,根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。,線性應(yīng)用電路,Z1或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法等運算電路。,Z1或Zf采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運算電路。,組成：集成運放外加深度負反饋。,因負反饋作用，使運放小信號工作，故運放處于線性狀態(tài)。,非線性應(yīng)用電路,組成特點：運放開環(huán)工作。,由于

2、開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。,6.1.1 集成運放理想化條件下兩條重要法則,因,則,因,則,說明：,相當于運放兩輸入端“虛短路”。,虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是(v-v+)的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。,同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度。,相當于運放兩輸入端“虛斷路”。,實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運算法則分析運放應(yīng)用電路。此時，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運放內(nèi)部電路。,集成運放基本應(yīng)用電路

3、,反相放大器,類型：電壓并聯(lián)負反饋,因,則,反相輸入端“虛地”。,因,則,由圖,輸出電壓表達式：,輸入電阻,輸出電阻,因,因深度電壓負反饋 ，,同相放大器,類型：電壓串聯(lián)負反饋,因,則,注：同相放大器不存在“虛地”。,因,由圖,輸出電壓表達式：,輸入電阻,輸出電阻,因深度電壓負反饋 ，,因,則,同相跟隨器,由圖得,因,由于,所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。,歸納與推廣,當R1 、Rf為線性電抗元件時，在復(fù)頻域內(nèi)：,反相放大器,同相放大器,得,注：拉氏反變換時,加、減運算電路,反相加法器,6.1.2 運算電路,因,則,因,則,即,整理得,說明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采 用疊

4、加原理進行分析。,同相加法器,利用疊加原理：,則,減法器,令vs2=0，,則,令vs1=0，,積分和微分電路,有源積分器,方法一：利用運算法則,方法二：利用拉氏變換,拉氏反變換得,有源微分器,利用拉氏變換：,拉氏反變換得,波形變換,輸入方波,積分輸出三角波,微分輸出尖脈沖,對數(shù)、反對數(shù)變換器,對數(shù)變換器,利用運算法得：,由于,整理得,缺點：,vo受溫度影響大、動態(tài)范圍小。,vs必須大于0。,改進型對數(shù)變換器,由圖,由于,（很小）,則,（T1、T2特性相同）,反對數(shù)變換器,利用運算法則得,由于,整理得,缺點：,vo受溫度影響大。,vs必須小于0。,乘、除法器,因T1、T2、T3、T4 構(gòu)成跨導(dǎo)線

5、性環(huán)，,則,分析方法一：,由圖,整理得,（實現(xiàn)乘、除運算）,分析方法二：,A4反對數(shù)放大器,6.1.3 精密整流電路,精密半波整流電路,利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，?gòu)成對微小幅值電壓進行整流的電路。,vI =0時 vO =0 D1、D2 vO=0,vI 0時 vO 0 D1、D2 vO=0,vI 0 D1、D2 , vO= -(R2 / R1)vI,工作原理：,輸入正弦波,輸出半波,精密轉(zhuǎn)折點電路,當v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時：,當v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時：,由圖,vO 0 D1、D2 ,vO 0 D1、D2,則,精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)

6、非線性的函數(shù),R/R1,R/R2,R/R3,傳輸特性,6.1.4 儀器放大器,儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。,特點：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。,三運放儀器放大器,由,得,由,得,由減法器A3得：,若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6,整理得,有源反饋儀器放大器,可證明,采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。,儀器放大器的應(yīng)用,儀器放大器單片集成產(chǎn)品：,LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。,例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器,溫度為規(guī)定值時 RT =R 路橋平衡

7、 vo =0 。,溫度變化時 RT R 路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。,有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。,濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。,6.1.5 有源濾波電路,濾波器的分類：,低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF）,各種濾波器理想的幅頻特性：,（1）低通,（2）高通,（1）帶通,（1）帶阻,濾波器的用途,濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。,1. 一階RC低通濾波器(無源),一. 低通有源濾波器,傳遞函數(shù)：,截止頻率：,幅頻特性

8、：,幅頻特性：,2.一階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)：,通帶增益：,截止頻率：,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,幅頻特性：,缺點：阻帶衰減太慢。,3.二階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)：,當 Ao3時，濾波器可以穩(wěn)定工作 。 此時特性與Q有關(guān)。當Q=0.707時，幅頻特性較平坦。 當ffL時，幅頻特性曲線的斜率 為-40dB/dec。,當Ao3時，源濾波器自激。,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,通帶增益：,截止頻率：,二. 高通有源濾波器,1.一階有源高通濾波器,幅頻特性：,缺點：阻帶衰減太慢。,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,2. 二階有源高通濾波器,由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線,(2)通帶增

9、益,（1）幅頻特性：,其中：,當AO3時，電路自激。,幅頻特性曲線,當 Ao3時，濾波器可以穩(wěn)定工作 。 此時特性與Q有關(guān)。當Q=0.707時，幅頻特性較平坦。 當f fL時，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec。,可由低通和 高通串聯(lián)得到,低通截止頻率,高通截止頻率,必須滿足,三. 有源帶通濾波器,可由低通和高通并聯(lián)得到,必須滿足,四. 有源帶阻濾波器,線性運用小結(jié),1集成運放可以構(gòu)成加法、減法、積分、微分、對數(shù)和反對數(shù)等多種運算電路。在這些電路中，均存在深度負反饋。因此，運放工作在線性放大狀態(tài)。這時可以使用理想運放模型對電路進行分析，“虛短”和“虛斷”的概念是電路分析的有力工具。 2集成

10、模擬乘法器是一種重要的模擬集成電路，在信號處理和頻率變換方面得到了廣泛的應(yīng)用。集成模擬乘法器內(nèi)部電路較為復(fù)雜，對生產(chǎn)工藝的要求也較高。熟練掌握這種器件在各種運算電路中的使用方法，是要求的重點。 3有源濾波器是一種重要的信號處理電路，它可以突出有用頻段的信號，衰減無用頻段的信號，抑制干擾和噪聲信號，達到選頻和提高信噪比的目的。實際使用時，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇低通、高通、帶通或帶阻濾波器，并確定濾波器的具體形式。,6.1.5 電流傳輸器,電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號處理電路中。,電流傳輸器電路符號及特點,Y輸入端： iY= 0，即 RY ；,X輸入端： vX = vY ，且vX與 iX

11、 大小無關(guān)，RX0 ；,Z輸出端： iZ = iX ，且 iZ 與 vZ大小無關(guān)；,電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號處理電路,互導(dǎo)放大器,互阻放大器,電流放大器,負阻變換器,6.2 集成運放性能參數(shù)及對應(yīng)用電路影響,6.2.1 集成運放性能參數(shù),Avd高(80140dB)， Rid高(M)， Rod低 (200 ),差模特性,KCMR高(80120dB)， Ric高(100M),共模特性,輸入直流誤差特性,IIB(10100A)， VIO (mV)， IIO(為IIB的5% 10%),大信號動態(tài)特性,轉(zhuǎn)換速率SR， 全功率帶寬BWP,6.2.2 直流和低頻參數(shù)對性能的影響,Avd、Rid、Rod為有限

12、值的影響,運放應(yīng)用場合不同，各項性能參數(shù)影響也不同。因此工程估算時，可針對不同場合，有選擇地分析運算誤差。,可證明,其中,Avd對精度影響最大。Avd越大，運算誤差越小。,KCMR、Ric為有限值的影響,可證明,其中,Avd、KCMR越大，同相放大器運算精度越高。,由于同相放大器輸入端引入了共模信號，因此必須考慮KCMR的影響。,輸入偏置電流IIB對性能的影響,則IIB在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓:,則IIB在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓:,設(shè)R-、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。,輸入偏置電流,若,則,輸出無失調(diào),例：,注：平衡電阻R+的接入對性能指標計算沒有影響，但運算精度

13、得到明顯改善。,失調(diào)電流IIO與失調(diào)電壓VIO的影響,可證明,為減小失調(diào)的影響：,在R+較小時，應(yīng)選擇VIO小的運放；,在R+較大時，應(yīng)選擇 IIO小的運放。,6.2.3 高頻參數(shù)對性能的影響,小信號頻率參數(shù),開環(huán)帶寬BW,內(nèi)補償?shù)募蛇\放可近似看成是單極點系統(tǒng)，該運放的上限截止頻率即開環(huán)帶寬BW（或稱3dB帶寬）。,單位增益帶寬BWG,指增益下降到1（0dB）時對應(yīng)的頻率。小信號工作時，其值為常數(shù)，且BWG = AvdIBW 。,當運放閉環(huán)工作時，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。,反饋越深，Avf 越小，閉環(huán)帶寬BWf 越寬。,即 BWG = AvfBWf,大信號動態(tài)參數(shù),指集成運放輸出電壓

14、隨時間最大可能的變化速率。其值越大，運放高頻性能越好。,影響SR主要原因：運放內(nèi)部存在寄生電容和相位補償電容。,轉(zhuǎn)換速率（又稱壓擺率）,指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時，允許的最高工作頻率。,全功率帶寬,當SR一定時，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的Vom就越小。,6.4 集成電壓比較器,電壓比較器的作用,比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。,電壓比較器的特點,輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。,6.4.1 電壓比較器的作用,電壓比較器工作原理,只要開環(huán)Avd很大，則v+、v-間的微小差值，即可使運放輸出工作在飽和狀態(tài)。,v+ v-

15、時， vo=Vomax（正飽和值）,v+ v- 時， vo=Vomin （負飽和值）,v+ = v- 時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換,因此,理想比較特性,vI VREF 時， vo=Vomax,vI VREF 時， vo=Vomin,vI = VREF 時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換,理想特性,實際比較特性,實際特性,vI VREF -Vomax/Avd 時， vo=Vomax,vI VREF -Vomin /Avd 時， vo=Vomin,注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性， VREF作為 門限值的比較精度越高。,6.4.1 具有不同比較特性的電壓比較器,單限電壓比較器,特點：運放開環(huán)工作。,過零比較器,（VREF =0）,R1限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。,單限比較器,分析方法：,1）令v-= v+求出的輸入電壓vI 即門限電平。,2）分別分析vI大于門限、小于門限時的輸出vO電平。,令,得門限電平,單限比較器優(yōu)點：,電路結(jié)構(gòu)簡單，可不計有限KCMR的影響。,單限比較器缺點：,電路抗干擾能力差。,例如：過零比較器，當門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。,遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）,令,得門限電平：,反相輸入遲滯比較器,遲滯寬度：,令,得門限電平：,同相輸入遲滯比較器,遲滯寬度：,將反相遲滯比較器中的vI與VREF交換，即得同相輸入遲滯比較器。,遲