1、第四章 集成運算放大電路,本章提要,隨著半導(dǎo)體制造工藝水平的提高，以前由分立元件組成的電子電路,已經(jīng)能夠?qū)⒄麄€電路中的元器件及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊硅基片上，構(gòu)成一特定功能的電子電路，稱為集成電路。相對于分立電路，集成電路具有體積更小，重量更輕，功耗更低，可靠性更高的特點，因此性能更加優(yōu)越。近年來，集成電路正逐漸取代分立元件電路。本章主要討論以下幾個問題：,3集成運放在信號運算、信號處理及信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用。,1集成運放的組成及主要參數(shù)；,2理想集成運放兩種工作方式的主要特點和分析方法；,本章通過了解集成運放的主要技術(shù)參數(shù)，重點理解理想運放“虛短”、“虛斷”的含義；正確理解集成運放兩種工

2、作狀態(tài)的特點和分析方法，能夠分析各種集成運放組成的運算電路的工作情況及輸入輸出關(guān)系；并對各種信號發(fā)生電路、比較電路的原理和應(yīng)用有一定的了解和認(rèn)識。,一、集成運算放大器電路簡介,集成運算放大器（簡稱集成運放）是應(yīng)用極為廣泛的一種，本章所介紹的即是集成運算放大器及其基本應(yīng)用。 運算放大器實際上是一種具有高開環(huán)放大倍數(shù)、高輸入電阻、高放大倍數(shù)、低輸出電阻并具有深度負(fù)反饋的多級直接耦合放大器。 廣泛應(yīng)用于測試技術(shù)、自動控制系統(tǒng)、信號處理等各個領(lǐng)域。,第四章 集成運算放大電路 第一節(jié) 概述,集成運算放大器基本內(nèi)部組成可分為輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個基本組成部分。,第四章 集成運算放大電路第一節(jié)

3、 概述,1輸入級 采用差分放大電路構(gòu)成。具有對稱性好、輸入電阻高、可以有效減小零點漂移、抑制干擾信號等優(yōu)點，因此可以有效放大有用信號。 2中間級 為整個電路提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。一般采用共射級放大電路，集電極電阻用晶體管恒流源代替，恒流源的動態(tài)電阻很大，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。 3輸出級 輸出級與負(fù)載連接，主要作用是提供足夠的輸出功率（即足夠大的電流和電壓）以滿足負(fù)載的需要。要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強。一般由射級輸出器或互補對稱電路構(gòu)成。 4偏置電路 為整個電路提供穩(wěn)定的和合適的偏置電流。偏置電路是由各種恒流源電路組成。還有過載保護(hù)電路，可以防止輸出電流過大時將運放燒壞。,第四章

4、集成運算放大電路第一節(jié) 概述, 輸入方式: 反相輸入 同相輸入 差分輸入,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,1. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)（開環(huán)電壓增益）Aod 在輸出端開路，無外接反饋電路時，兩個輸入端加電壓輸入信號，此時測出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，簡稱開環(huán)電壓放大倍數(shù)，一般用分貝表示。 Aod 越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。 2. 開環(huán)差模輸入電阻rid 它指的是集成運放加入差模信號時的開環(huán)等效輸入電阻，表征了輸入級從信號源取用電流的大小，其值越大越好。 3. 開環(huán)輸出電阻ro 它指的是沒有外接反饋電路時，輸出級的輸出電阻。表征了集成運放帶負(fù)載的能力，其阻

5、值越小越好。,二、集成運算放大器的主要參數(shù),第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,4. 輸入失調(diào)電壓uio 理想的集成運放，當(dāng)輸入信號為零時，一般輸出電壓也為零，但是實際的集成運放中，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓不等于零，為使輸出電壓為零，須在輸入端加補償電壓，該補償電壓就稱為輸入失調(diào)電壓。它表征了輸入級差分對管（或）不對稱的程度，一般在毫伏級。 5. 最大輸出電壓UOM 能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓， 6. 共模抑制比KCMRR 它表示集成運放的差模放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，即： KCMRR 越大，說明運算放大器抑制共模信號的性能越好。 集成運算放大器具有開

6、環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高、輸出電阻低、零點漂移小、可靠性高、體積小等主要特點。,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述, 理想運放的主要條件： (1) 開環(huán)放大倍數(shù)：Ao (2) 開環(huán)輸入電阻：ri (3) 開環(huán)輸出電阻：ro0 (4) 共模抑制比：KCMRR,三、理想集成運放的技術(shù)指標(biāo)及符號,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,四、集成運算放大器的電壓傳輸特性,電壓傳輸特性表示了輸出電壓隨輸入電壓變化的規(guī)律。 電壓傳輸特性有兩個工作區(qū)： 線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。 1集成運放線性工作的特點 或,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,如果集成運放工作在線性區(qū)，分析由它組成的電路時，有兩條重

7、要而普遍適用的結(jié)論： （1）“虛短” 集成運放兩個輸入端的電壓近似相等，即 u+ u- 。 如果集成運放反相端有信號輸入時，同相輸入端接“地”，由“虛短”現(xiàn)象可知，反相輸入端的電位接近“地”電位，即反相輸入端是一個不接“地”的“地”電位，通常稱為“虛地” 。,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,（2）“虛斷” 流進(jìn)集成運放兩個輸入端的電流近似等于零，即 i+i-0 。 由于集成運放開環(huán)差模輸入電阻很高（理想時），輸入回路相當(dāng)于斷路，故從兩個輸入端流入的電流可以忽略不計，如同這兩端被斷開一樣，但實際并不是真的斷開，這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。 理想的集成運放無論工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，“虛斷”現(xiàn)象

8、總是存在的。,第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,（1） （2）集成運放兩個輸入端電壓u+與 u不一定相等，即“虛短”的結(jié)論不一定成立。 （3）集成運放輸入電流仍等于零。盡管兩個輸入端電壓不等，但因為理想運放，因此仍可認(rèn)為此時的輸入電流等于零，即“虛斷”現(xiàn)象仍然存在。,2. 集成運放非線性工作（飽和狀態(tài)）的特點,當(dāng) u+ u時：,uo = + UO(sat),當(dāng) u+u時：,uo =UO(sat),第四章 集成運算放大電路第一節(jié) 概述,(一) 比例運算電路 (1) 反相比例運算電路,u= u += 0,i1 = if,閉環(huán)電壓放大倍數(shù) Af,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路

9、,平衡電阻,當(dāng) Rf = R1 時： uo = ui,反相器,平衡電阻: Rp = R1 / Rf,平衡電阻的作用是保證集成運放的同相輸入端和反相輸入端的外接電阻相等，以消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響。,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,(2) 同相比例運算電路,u= u + = ui if = i1,平衡電阻: R2 = R1 / Rf,閉環(huán)電壓放大倍數(shù) Af,當(dāng),電壓跟隨器,再令,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,(二) 加法運算電路 1.反相加法運算電路,當(dāng),第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號

10、的運算電路,2.同相加法運算電路,右圖所示電路是具有兩個輸入電壓的同相加法運算電路。 圖中外部的元件參數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系式,以使電路能夠補償輸入偏置電流、失調(diào)電流及其漂移的影響。,單獨作用時，令,，,單獨作用時，令,，,所以有輸出電壓為：,若選取,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,兩個電壓源共同作用時，,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,(三) 減法運算電路,1應(yīng)用集成運放中“虛短”和“虛斷”的特點。,當(dāng),第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,2應(yīng)用疊加原理求解,當(dāng)ui1單獨作用時:, 當(dāng) ui2 單獨作用時:,u u+,則： uo = uo + u

11、o,平衡電阻: R2 / R3= R1 / Rf,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,例4-3 圖4-10示電路是具有四個輸入電壓的雙端輸入和差運算電路。應(yīng)用疊加原理求解的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系式。,式中，,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,若令,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,(四) 積分運算,u = u+ = 0 uC = uuo =uo if = i1,平衡電阻:,R2 = R1,(五) 微分運算電路,u= u+ = 0 uC = ui if = i1,平衡電阻: R2 = R

12、f,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,上述的基本微分電路存在如下的缺點： 輸出端可能出現(xiàn)輸出噪聲淹沒微分信號的現(xiàn)象； 由于電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 RFC 滯后環(huán)節(jié)，它與集成運算放大 器的滯后環(huán)節(jié)合在一起，使電路的穩(wěn)定儲備減 小，電路容易引起自激振蕩； 突變的輸入電壓可能造成 uo 超過集成運算放大器所允許的最大輸出電壓，以至于產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，造成自鎖狀態(tài), 使電路不能正常工作,圖是一種改進(jìn)型的微分運算電路 圖中輸入回路的小電阻R1限制了噪聲干擾和突變的輸入信號。且由于R1的引入，加強了電路中負(fù)反饋的作用。反饋支路引入和小電容CF 的并聯(lián)形式來進(jìn)行相位補償。適當(dāng)選取電路參數(shù)能使電

13、路穩(wěn)定工作。,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,由此可見，此電路是一個反相比例運算和微 分運算相結(jié)合的電路，因此稱為比例微分調(diào)節(jié) 器（簡稱PD調(diào)節(jié)器），用于控制系統(tǒng)中，使調(diào)節(jié) 過程起到加速作用。,解 由圖可列出,第四章 集成運算放大電路第二節(jié) 模擬信號的運算電路,一、電壓比較電路 電壓比較電路的基本功能是對輸入模擬電壓進(jìn)行比較和鑒別,根據(jù)輸入模擬電壓是大于還是小于給定的參考電壓來決定電路的輸出狀態(tài),也可以由比較電路的輸出狀態(tài)來判斷輸入電壓的大小，故稱為電壓比較器。 構(gòu)成比較器的集成運放一般接成開環(huán)或正反饋狀態(tài)，使其工作于非線性區(qū)。,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路

14、,(一) 基本電壓比較器,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,1過零比較電路,傳輸特性,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,2. 任意電平比較器,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,3. 基準(zhǔn)電壓比較器,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,二、施密特比較器,單限比較器具有電路簡單、靈敏度高的優(yōu)點，但存在抗干擾能力差的缺點。為了提高比較器的抗干擾能力，可以在開環(huán)比較器的基礎(chǔ)上

15、增加由電阻構(gòu)成的正反饋環(huán)節(jié)，稱為施密特比較電路，又稱施密特觸發(fā)電路。,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,設(shè)電路的初始狀態(tài)為,集成運算放大器同相輸入端的電壓也變?yōu)椋?第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,稱下門限電壓。,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,說明：,3)由于回差電壓的存在，施密特比較器具有較強的抗干擾能力。,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,解： 上門限電壓：,下門限電壓為:,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,第四章 集成運算放大電路第三節(jié) 信號處理電路,一、方波產(chǎn)生電路,特點：與滯

16、回比較器相比較，方波發(fā)生器去掉了反相輸入端的信號而改接了電容C ，并增加了反饋電阻RF2。,應(yīng)用比較器可以產(chǎn)生方波，但比較器 需要有輸入信號時才能產(chǎn)生方波信號 輸出，而圖中所示的方波發(fā)生器不需 要輸入信號就能產(chǎn)生方波。,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,1. 工作原理,此方波產(chǎn)生電路通過使RC電路反復(fù)充電和放電，來實現(xiàn)電路中滯回比較器輸出的高低電平轉(zhuǎn)換，最后在滯回比較器的輸出端得到一個高低電平周期性交替的方波。,滯回比較器的兩個門限電壓分別是：,，,初始狀態(tài)為為,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,由于反向輸入端電容C的電壓不能躍變，在此期間輸出電壓,通過反饋電阻RF1向

17、電容C充電，uc上升，當(dāng)uc上升到稍大于UT1時，在正反饋的作用下，輸出電壓uc將由+UZ迅速轉(zhuǎn)換為-UZ，電容C充電的電壓uc達(dá)到最大值。此時,此時電容C又要通過電阻RF1放電， uc開始下降，當(dāng)uc下降到稍小于UT1時，輸出電壓uc將由-UT1迅速轉(zhuǎn)換為+UT1。,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,2振蕩周期和頻率,由電容充放電的過渡過程，可求出輸出電壓uc的周期T，也就是電路的振蕩周期T和頻率f。電容C充電開始到輸出電壓狀態(tài)由+UZ轉(zhuǎn)換為-UZ的時間記為T1而電容C放電開始到輸出電壓狀態(tài)由-UZ轉(zhuǎn)換為+UZ的時間記為T2,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,二矩形波

18、發(fā)生器,占空比：正脈沖持續(xù)時間與波形的周期之比,占空比能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可使電容的充電時間與放電時間不等來實現(xiàn)，那么電路的輸出電壓形式就為矩形波。,充電時間常數(shù)：,放電時間常數(shù)：,為二極管正向電阻，,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,*三三角波發(fā)生電路,在方波發(fā)生電路中，電容的電壓是按照指數(shù)規(guī)律變化的，近似為三角形。當(dāng)從電容上輸出電壓時，其波形與三角波形有一定的差別。若用恒流源代替電路中的電阻RF1 ，使電容C恒流充、放電，就可以形成較為理想的三角波發(fā)生器。,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,1工作原理,三角波產(chǎn)生電路，是由一個同相輸入的滯回比較器N1和反相積分器N2組成的。滯回比較器N1的同相輸入端電壓u+與uo1和uo有關(guān)，根據(jù)疊加原理，可得：,第四章 集成運算放大電路第四節(jié) 信號產(chǎn)生電路,u+ =0，同時u+將跳變成一個正值。此后，積分電路的輸出電壓將隨著時間往負(fù)方向線性增長， u+隨之下降，當(dāng)下降到u+- u-=0時，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，使u+ =-Uz ，同時， u+也跳變成一個負(fù)值。,2振蕩周期和頻率,當(dāng)積分電路對輸入電壓-Uz進(jìn)行積分時，在半個振蕩周期的時間TH內(nèi)，輸出電壓， uo將從-Uz