第五章-集成电路运算放大器及应用课件.ppt

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1、1第五章第五章 集成电路运集成电路运算放大器及应用算放大器及应用基本要求：基本要求：理解差动放大电路的工作原理；理解差动放大电路的工作原理；掌握运算放大器的分析方法。掌握运算放大器的分析方法。基本内容：基本内容：差动放大电路差动放大电路复合管电路复合管电路 集成运算放大器集成运算放大器集成电路运算放大器的应用集成电路运算放大器的应用25.1 差动放大电路集成电路集成电路运算放大器是一种具有高放大倍运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。数的多级直接耦合放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路当多级直接耦合放大电路的输入端短路(ui0)，输出端电压它并不保持恒值，而在，输出端电

2、压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。的影响。抑制零点漂移有效的措施之一抑制零点漂移有效的措施之一是采用差动放大电路。是采用差动放大电路。3本节主要内容：5.1.1基本差分电路5.1.2长尾式差分电路5.1.3长尾式差分电路的工作原理分析5.1.4差分放大电路四种接法的分析与比较4特点：特点：结构对称。结构对称。差动放大电路的工作情况差动放大电路的工作情况vi1vi2voRCR1T1RBRCR1T2RB+VCC55.1.1基本差分电路1

3、、基本差分电路的组成基本差分电路如图5-1-1和图5-1-2。其工作原理是利用对称性来解决和克服零漂问题。电路左右两边对称，指电路结构及元件的特性与参数完全相同，使T1、T2在同一个直流电源供电情况下具有相同的静态工作点。图图图图5-1-1 5-1-1 基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一图图图图5-1-2 5-1-2 基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二6输入信号：输出信号：电压放大倍数：7当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相反时，定义为差分输入信号或差模输入信号vd。vi1=-vi2，此时，放大电路

4、的输入电压为：或：式中，vd称为差动输入电压。2、基本差分电路、基本差分电路的工作原理的工作原理8当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相同时，定义为共模输入信号vc。则：或：9当输入信号中既有差模信号，又有共模信号时，则基本差分电路输入端的信号可分解为二种信号的叠加，即10根据两式可得出如下结论：在差分放大电路输入端施加的任意形式的信号都可以分解为差模信号与共模信号的叠加，输出端的响应都可视为差模信号与共模信号共同作用的结果。11例已知基本差分放大电路如图5-1-1所示vi1=5V，vi2=3V，求此时作用于放大电路输入端的差模电压为多少？共模电压为多少？解：根据差模信号的定义，总的差模输入

5、信号为：由电路的对称性可知，每个输入端的输入电压为：12于是，两个实际的输入信号电压可等效为图(a)或图(b)的形式。根据共模信号的定义有：13由图可见，对于差模输入信号，由于vi1=-vi2则根据共射放大电路输出与输入反相的特点：得，差模输入信号作用下的电压放大倍数为：Ad称为差模电压放大倍数。对于共模输入信号：由于电路对称，则AC称为共模电压放大倍数。3、放大倍数的计算：143、放大倍数的计算：基本差分放大电路只对差模输入信号进行放大，而不对共模信号进行放大。在双端输出的情况下，放大电路的差模电压放大倍数等于一个单级共射放大电路的电压放大倍数。在理想对称的条件下，如果共模信号能够模拟温度的

6、变化，则不难看出，无论温度怎么变化，输出端皆为零，从而达到了抑制输出信号电压的零点漂移。155.1.2长尾式差分电路前面介绍的基本差分放大电路中，依靠电路对称，利用两个放大电路的输出之差，抑制了零点漂移电压的输出，但是并没有消除单级放大电路本身的零漂。为了进一步减小或消除零漂，提高抑制零点漂移的效果，需要在基本差分放大电路的基础上进行改进，减小单级放大电路自身的零点漂移。16在基本差分放大电路的发射极接入一个射极电阻RE，以便引入电流负反馈，稳定输入电压，减小零漂。发射极电阻RE犹如在基本差分电路中多了一条尾巴，RE愈大，稳定性愈好，相当于尾巴愈长，故称为长尾式差分电路。射极电阻RE愈大，对共

7、模信号的反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好，但同时，RE上的直流压降也愈大，三极管放大的动态范围愈小。解决办法是增加一个负电源VEE，用以增加三极管的动态范围。如图5-1-3所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路1、长尾式差分电路的组成172、长尾式差分电路的几种接法（1）双端输入双端输出输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入，从T1、T2的集电极之间输出。这种接法称为双端输入双端输出电路。如图5-1-3所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路184.5

8、.2长尾式差分电路（2）双端输入单端输出输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入，但输出却只从T1或T2的集电极单独对地之间输出，称为双端输入单端输出。如果从T1的集电极输出，称为左侧输出，电压放大倍数为单级共射放大电路的一半，且输出与输入反相，如图5-1-4所示。如果从T2的集电极输出，称为右侧输出，电压放大倍数也为单级共射放大电路的一半，但输出与输入同相。图图图图5-1-4 5-1-4 双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出194.5.2长尾式差分电路（3）单端输入双端输出输入信号只从三极管T1或T2的基极一端输入，从三极管T1和T2的集电极之间输

9、出。图图图图5-1-5 5-1-5 单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法204.5.2长尾式差分电路（4）单端输入单端输出输入信号只从三极管T1或T2的基极一端输入，只从三极管T1或T2的集电极一端对地输出。在长尾式差分电路的几种接法中，值得注意的是：在单端输入时（包括单端输入双端输出和单端输入单端输出），由于对称，输入的差模信号在图5-1-5和图5-1-6的虚线所示的输入回路中，将被对半分配到两侧的输入端，相当于双端输入；可以说单端输入等同于双端输入。图图图图5-1-6 5-1-6 单端输入左侧单端输出单端输入左侧单端输出单端输入左侧单端输

10、出单端输入左侧单端输出214.5.3长尾式差分电路的工作原理分析前面就长尾式差分放大电路的几种接法进行了介绍。下面以图4-5-4所示的长尾式差分放大电路为例，对双端输入双端输出电路的工作原理进行分析。1、静态分析静态时，输入信号vi1和vi2均为零，等效处理方法是将两个输入端分别对地短路。由于电路左右对称，T1和T2特性相同，则有IC1=IC2、VC1=VC2得到：V0=VC1-VC2=I0RL=0(1)I0=0(2)式(2)表明，在静态时，RL电阻中没有电流流过,相当于开路，也就是说，RL可以拿掉。RL拿掉后的直流通路如图5-1-7所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾

11、式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路225.1.3长尾式差分电路的工作原理分析对于输入回路：由于在设计时，RE通常选得比较大，使得IBQ非常小，一般可以忽略，则(约为-0.7V)根据电路的对称性可知，每个管子的集电极电流为IEQ的一半，即说明T1的工作点电压VCEQ近似为它的集电极对地电位。图图图图5-1-7 5-1-7 长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路23当差分放大电路两输入端加上任意信号vi1、vi2时，都可以等效为差模和共模信号的叠号，根据叠加原理，可以分别进行分析。（1）差模信号vid由于电路的对称性

12、使vi均分给两个输入端，即即在输出端RL两端有信号输出。图图图图5-1-8 5-1-8 双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路2、动态分析244.5.3长尾式差分电路的工作原理分析此时，在RE上的电流约为，即RE上的差模交流电流为零。则RE上的差模交流电压也为0。使VE点对交流信号而言相当于接地，得：差模交流通路如图5-1-9所示。图图图图5-1-9 5-1-9 差模交流通路差模交流通路差模交流通路差模交流通路图图图图5-1-8 5-1-8 双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路254.5.3长尾式差分电路的工作原理分析差模电压增益由于电路对

13、称，RL接在两管集电极之间，两端电压变化量相等，极性相反，所以，负载电阻RL的中点电位不变，相当于交流接地。因此，可以将RL分为相等的两部分，对T1、T2各取RL/2。在双入双出时，两管基极之间的输入是单边的两倍，两管集电极之间的输出也是单边的两倍。所以，此时差放的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。即：其中图图图图5-1-9 5-1-9 差模交流通路差模交流通路差模交流通路差模交流通路图图图图5-1-10 5-1-10 差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路26差模输入电阻：为差模输入信号电压与差模输入信号电流之比，即从两个输入端看进去的总差模输入电阻

14、。差模输出电阻：双端输出时，两输出端之间呈现的差模输出电阻为图图图图5-1-10 5-1-10 差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路27（2）共模分析双入双出电路加共模信号如图5-1-11所示。加共模信号时：vic1=vic2=vic由于电路两边对称，RE上的电流变化是每个三极管电流变化的两倍。从电压等效的观点来看，对共模信号而言，每个晶体管发射极相当于各接2RE电阻。如图5-1-12所示。画出共模信号作用下的交流通路如图5-1-13所示。图图图图5-1-11 5-1-11 双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号图图

15、图图5-1-12 5-1-12 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路28共模电压增益由于电路对称，ic1=ic2=ic,则vc1=vc2voc=vc1-vc2=0结论：双入双出差分放大电路对共模信号不会放大。如果干扰信号属于共模信号，则可以用这种放大电路对干扰信号进行抑制。图图图图5-1-125-1-12 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路29共模抑制比差分放大电路对差模信号有较高的放大能力，对共模信号有抑制作用，这种抑制作用用“共模抑制比”来评价，定义为：双端输出时，Avc=0，KC

16、MR=通常CMR用dB数来表示，即图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路30共模输入电阻由图5-1-14可见，从输入端看进去的共模输入电阻为共模输出电阻图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路图图图图5-1-14 5-1-14 共模等效电路共模等效电路共模等效电路共模等效电路315.1.4差分放大电路四种接法的分析与比较差分电路四种接法：双入双出双入单出单入双出单入单出前面已经对“双入双出”进行了分析，下面对另外三种接法进行分析和比较。321、双入单出电路与双入双出的图相比较，只是输出负载RL接在T1的C

17、与地之间。输入差模信号时，由于T1、T2对称，IEQ不变，对差模输入信号而言E点电位没有变化，相当于交流接地，只是输出电压从半边输出。因此，放大倍数将为双端输出电路的一半，即其中以上单端输出又称为左侧输出。图图图图5-1-15 5-1-15 双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路331、双入单出电路如果从T2管的C极输出，称为右侧输出。电路的差模输入电阻为（由于电路的输入回路没有变）电路的输出电阻图图图图5-1-15 5-1-15 双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路341、双入单出电路现在来讨论这种电路的温漂情况，由于温度漂移相当于输入共

18、模信号的情况，可以用共模放大倍数来表示。输入共模信号时，由于T1、T2对称，RE上流过的电流为2IE1，对于每个管子来说，可等效为IE1流过阻值为2RE的电阻，如图5-1-16所示。由图可得：由于式中的(1+)2RE一般很大，所以单端输出的温漂也不是很大（Avc不是很大）。图图图图5-1-16 5-1-16 共模等效电路共模等效电路共模等效电路共模等效电路35此电路的共模抑制比为：由上式可见，增大RE对减小共模放大倍数和提高共模抑制比都有好处，所以RE越大，对抑制温漂越有利。361、双入单出电路例例5-1，双入单出差分电路中，双入单出差分电路中，已知已知VCC=10V、-VEE=-10V，RC

19、=10k，=100，RB=5k，RE=5k，rbe=1k，RL=10k。求：求：Avd，Avc，KCMR。解：解：372、单入双出电路如图5-1-17所示。可以把信号等效为一个共模信号和一对差模信号。变换后的电路如图5-1-18所示。变换为双端输入双端输出。图图图图5-1-17 5-1-17 单入双出电路单入双出电路单入双出电路单入双出电路5-1-18 5-1-18 单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换382、单入双出电路由于输入信号中有差模和共模两部分信号，所以输出信号也由两部分组成：前面已计算过双入双出的Avc、A

20、vd其中：Avc=0，单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换393、单入单出电路由于单端输入可等效为双端输入看待。因此，“单入单出”的分析计算过程与“双入单出”时是一样的。图图图图5-1-19 5-1-19 单入单出电路单入单出电路单入单出电路单入单出电路电路的差模输入电阻为：电路的差模输入电阻为：电路的差模输出电阻为：电路的差模输出电阻为：由于差分放大电路只放大差由于差分放大电路只放大差模信号，不放大共模信号，模信号，不放大共模信号，所以在分析放大电路单端输所以在分析放大电路单端输入时，可以将单端输入等同入时，可以将单

21、端输入等同于双端输入看待。于双端输入看待。404、差分电路几种接法的性能比较对于差模信号：（1）差模输入电阻Rid与输入方式无关，它们都是：Rid=2(RB+rbe)（2）差模输出电阻Rod只与输出方式有关，而与输入方式无关。单端输出时：Rod=RC双端输出时：Rod=2RC（3）差模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：其中单端输出时：其中（输入与输出在同一侧时为负，对方一侧时为正）414、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号：（1）共模输入电阻Ric与输入方式无关，它们都是（2）共模输出电阻Roc只与输出方式有关。单端输出时：Roc=RC双端输出时：Roc=2R

22、C424、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号：（3）共模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：Avc=0单端输出时：其中43（4）共模抑制比只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：KCMR=单端输出时：掌握了以上这些特点和规律，也就掌握了长尾式差分放大电路。4、差分电路几种接法的性能比较444.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出454.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出46重要结论重要结论在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上，可以知道：要尽可能的提高差分放大器

23、的共模抑制比，两个关键因素是：电路对称性；共射极电阻。47双端输出，理想情况双端输出，理想情况 KCMR。可使单端输出的当Re 时，但是rbe(1+)VT IEIEVEE2Re rbe 2Re(1+)VT VEE恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路48理想电流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点。带恒流源的差分放大器恒流源的作用：1.提供放大电路的射极电流；2.替代交流大电阻；（提高共模抑制比）如果IE 恒定，而Re；则可能使KCMR。注意，此处Re 只要是在交流时即可。49为此由为此由T3构成的恒流构成的恒流源，输出电阻源，输出电阻r ro3o3取代取代Re，由微变等效电路由微变等效电

24、路计算。计算。505.2复合管电路复合管电路为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数。合管，以得到较大的电流放大系数。1.1.复合管的组成形式复合管的组成形式一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型可以相同，也可不同。型可以相同，也可不同。组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结通状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反向偏置。反向偏置。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。复合管的类型与

25、第一个晶体管的类型相同。51522.复合管的主要参数复合管的主要参数是等效电流放大系效复合管的主要参数是等效电流放大系效和等效和等效输入电阻输入电阻rbe。由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，即的乘积，即12。（a a）(b)(b)两种接法的复合管中，两种接法的复合管中，T T1 1管是共集电极管是共集电极组态，而组态，而r rbe2be2是是T T1 1管的射极电阻，所以复合管等管的射极电阻，所以复合管等效输入电阻为效输入电阻为r rbebe=r=r

26、be1be1+（1+1+1 1）r rbe2be2，。，。（c）(d)两种接法的复合管中两种接法的复合管中,rbe=rbe1。535.3集成运算放大器一一.集成运算放大器组成集成运算放大器组成输输入入级级输输出出级级偏置电路偏置电路中中间间级级UiUo集成电路集成电路运算放大器框图运算放大器框图54 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工

27、作温度范围内，输入失调电在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。压随温度的变化量与温度变化量之比值。二.集成运算放大器的主要参数55 4.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调电流温漂输入失调电流

28、温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。变化量与温度变化量之比值。56 6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失

29、去共模抑制能力。现饱和，放大器失去共模抑制能力。57 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管欧姆，场效应管输入级可达输入级可达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。58三.集成运算放大器的低频等

30、效电路1.1.低频等效电路低频等效电路集成运放作为完整的独立集成运放作为完整的独立器件，只画出三个信号端，器件，只画出三个信号端，即即2 2个输入端，个输入端，1 1个输出端。个输出端。因为输入因为输入ui1与输出与输出uo反相，反相，所以称所以称u-端为反相输入端。端为反相输入端。而输入而输入ui2与电压与电压uo同相，同相，所以称所以称u+端为同相输入端。端为同相输入端。ui称为净输入电压，称为净输入电压，ii称称为净输入电流。为净输入电流。u+u-u0ui+_-+A0dUid r0ii59 运算放大器的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，三个引线端，两个输入端，一个输出端

31、一个输出端。集成运放的符号和传输特性集成运放的符号和传输特性 u u+uo 另一个称为另一个称为反相输入端，反相输入端，即该端输入信号变化的极即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号性与输出端相反，用符号“N N”表示。表示。uPuN+u+u uo 一个称为一个称为同相输入端同相输入端，即该端输入信号变化的极性，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号与输出端相同，用符号P表示；表示；602.集成运算放大器的理想模型理想运算放大器的特点是：理想运算放大器的特点是：开环电压放大倍数为无穷大开环电压放大倍数为无穷大Au；输入电阻为无穷大输入电阻为无穷大ri；输出电阻为零输出电阻为零ro=0

32、，共模抑制比无穷大共模抑制比无穷大KCMR；。；。61预备知识：集成运放的两种工作状态预备知识：集成运放的两种工作状态1）.运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于时，运放处于线性区。线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区622）.理想运算放大器：理想运算放大器：1、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数 Aod=2、差摸输入电阻、差摸输入电阻 Rid=3、输出电阻

33、、输出电阻 Ro=04、共摸抑制比、共摸抑制比 KCMR=为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！3）.线性区线性区634）.非线性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！+10V-10V+Uom-Uom0uoui643.线性应用的两个重要概念线性应用的两个重要概念由由于于uo有有限限，如如果果Au，则则ui=u+u-0；两两输输入入端端的的电电位位相

34、相等等，好好象象短短接接了了一一样样，这一概念称之为这一概念称之为“虚短虚短”。即。即u+u-由由于于ui=0，而而ri，故故净净输输入入电电流流ii0，输输入入端端好好象象断断开开了了一一样样，但但又又不不是是真真正正的断开，这一概念称之为的断开，这一概念称之为“虚断虚断”。即。即ii065分析线性区理想运放的两个概念分析线性区理想运放的两个概念 虚短虚短uuII+0 虚断虚断 u+IuoAOUiuI+665.4集成电路运算放大器的应用 “虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念是分析集成运算的概念是分析集成运算放大器线性应用的理论根据放大器线性应用的理论根据。一一.比例运算电路比例运算电路1.反相

35、比例运算电路反相比例运算电路反相比例运算电路图反相比例运算电路图ii=ii-if 0,ii=ifu+=u0，u-端称为端称为“虚地虚地”。rif=ui/ii=R1 r0=0 67反相比例运算电路的特点：存在存在“虚地虚地”，共模输入分量近似为零。，共模输入分量近似为零。u0与与ui成比例关系成比例关系,相位相反相位相反,比值是比值是RF/R1与运算放与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。可以进行可以进行y=ax的运算，运算式中的系数的运算，运算式中的系数a0。当。当R1=Rf时，时，uo=ui，此电路称为反相器。，此电路称为反相器。由于集成

36、运放的开环放大倍数非常大，需要引入由于集成运放的开环放大倍数非常大，需要引入负反馈，且是深度负反馈。电路中引入的是并联负反馈，且是深度负反馈。电路中引入的是并联电压负反馈。电压负反馈。R2为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放大电路中结构的对称性，应选择动放大电路中结构的对称性，应选择R2=R1/Rf。682.同相比例运算电路 ii=0,有有ii=if u-=u+=ui,有有69同相输入运算电路特点：u-=u+=ui，引入共模输入信号，要求引入共模输入信号，要求CMR大。大。u0与与u+成比例关系成比例关系,相位相同相位相同,比值是比值是(1+RF

37、/R1)1与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较高。都较高。当当R1或或Rf=0时，时，Auf=1，此时称为，此时称为跟随器。跟随器。同相比例运算电路可以进行同相比例运算电路可以进行y=ax的运算，且运的运算，且运算式中的系数算式中的系数a1。电路中引入了电路中引入了深度串联深度串联电压负反馈，电压负反馈，故同相输入故同相输入运算电路的闭环输入电阻和输出电阻为运算电路的闭环输入电阻和输出电阻为 rif=ui/ii，ro=0R2为平衡电阻，为平衡电阻，R2=R1/Rf，作用与反相输入运，作用与反相输入运算电路相同算电路相同70二.加法运算电路 i

38、i=0，u+=u-0 i i1+i i2+i i3=i f1.1.反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路71特点：特点：只调整某一路的只调整某一路的Ri，就可改变该路的比例系数。，就可改变该路的比例系数。平衡电阻：平衡电阻：R2=R11/R12/R13/RF反相求和电路可以实现如下运算：反相求和电路可以实现如下运算：y=-(a0 x0+a1x1.+anxn),ai0722.同相加法运算电路利用同相比例公式有：利用同相比例公式有：73特点：可以进行可以进行y=(a1x1+a2x2+anxn),an0若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所若改变某一路的输入电阻，将影响

39、输出表达式所有系数项，与反相有系数项，与反相求和求和电路比较，同相电路比较，同相求和求和电路电路调试比较麻烦。调试比较麻烦。引入共模输入分量，使同相引入共模输入分量，使同相求和求和电路的应用受到电路的应用受到限制。限制。74三.减法运算电路采用双端输入可实现减法运算。采用双端输入可实现减法运算。叠加原理：叠加原理：ui1单独作用时单独作用时ui2单独作用时单独作用时75特点可以进行可以进行y=a1x1a2x2的运算，故又称减法运算的运算，故又称减法运算电路。电路。若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相有系数项，与反相求和求和电路比较

40、，同相电路比较，同相求和求和电路电路调试比较麻烦。调试比较麻烦。当当:RF/R1=R3/R2，则则uo=RF/R1(ui2-ui1);当当:RF=R1时，时，得：得：uo=ui2ui1同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度的因素与同相输入运算放大电路完全相同。的因素与同相输入运算放大电路完全相同。76四.积分电路与微分电路1.积分电路积分电路i1=if；u-=u+=0 if=ui/R1若若ui为恒定电压，为恒定电压，uc(0)=0,则则t0,uo uoL 时，时，uoL0 tuo当当uo=uoL时，积分作用停止。时，积分作用停止。772.微分电路

41、i1=if；u-=u+=0当输入信号为一系列方当输入信号为一系列方波时，微分电路可将方波时，微分电路可将方波变成尖顶波。波变成尖顶波。78五.测量放大器根据根据u-=u+，ii=0，对于，对于A1、A2有有UB=Ui1UC=Ui279特点：当当输输入入电电压压Ui1、Ui2不不变变时时，调调节节便便可可调调整整输输出电压出电压UO。此此电电路路具具有有非非常常高高的的输输入入电电阻阻，对对被被测测量量的的影影响很小。响很小。当当电电路路其其它它参参数数一一定定时时，输输出出电电压压正正比比于于Ui1与与Ui2的差值。的差值。80六.电压比较器电压比较器是用来判断输入电压和基准电压之间电压比较器

42、是用来判断输入电压和基准电压之间数值大小的电路。通常由集成运算放大器组成。数值大小的电路。通常由集成运算放大器组成。作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。由于其自身的电压放大倍数很大，只要有微小的由于其自身的电压放大倍数很大，只要有微小的净输入电压就足以使集成运放处于饱和工作状态，净输入电压就足以使集成运放处于饱和工作状态，所以它的输出只有两种可能：当所以它的输出只有两种可能：当u+u-时，输出时，输出高电位高电位UOH，其极性为正，数值接近正电源电压，其极性为正，数值接近正电源电压值；当值；当u+u-时，输出低电位时，输出低电位UOL，其极性为负

43、，其极性为负，数值接近负电源电压值。数值接近负电源电压值。81工作时，电压比较器的一个输入端输入基工作时，电压比较器的一个输入端输入基准电压准电压UB，另一端则输入要与基准电压进，另一端则输入要与基准电压进行比较的电压行比较的电压ui。电压比较器广泛应用于数字仪表、模电压比较器广泛应用于数字仪表、模/数转数转换、自动检测、自动控制、波形变换等方换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。面。821.单门限电压比较器1）过零电压比较器 u+=UB=0，u-=ui 当当ui0时，时，uo=UOH，当，当ui0时，时，uo=UOL。设输入电压设输入电压ui=Umsint，电压，电压比较器将输入的连续变化

44、量比较器将输入的连续变化量（模拟量）变成跃变的矩形波（模拟量）变成跃变的矩形波（数字量）输出。（数字量）输出。从电压比较器的工作原理可以从电压比较器的工作原理可以看出，输出电压的大小仅与输看出，输出电压的大小仅与输入电压的大小有关，而与输入入电压的大小有关，而与输入电压的波形无关。电压的波形无关。832）非零电压比较器 u+=UB，u-=ui，当当uiUB时，时，uo=UOH，当，当uiUB时，时，uo=UOL。单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。此类比较器设置了一个门限此类比较器设置了一个门限UB，不管输入电压增加，不管输入电压增加还是

45、减小还是减小,经过此门限时，电路都要产生动作，因此经过此门限时，电路都要产生动作，因此这类比较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，这类比较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，实际应用中常采用多门限电压比较器。实际应用中常采用多门限电压比较器。842.迟滞比较器迟迟滞滞比比较较器器在在结结构构上上引引入入了了正正反反馈馈，这这样样不不仅仅加加快快了了输输出出电电压压的的翻翻转转过过程程，而而且且还还给给电电路路提提供供了了两两个个不不同同极极性性的的参参考考电电压压，即即设设置置两两个个门门限限值值，使使输输入入电电压压增增加加时时的的门门限限值值与与输输入入电电压压减减小小时时的的门门限限值值

46、不不同同，电电路路只只对对某某一一个个方方向向变变化化的的电电压压敏敏感感，将将双双向向敏敏感感改改为为单单向向敏敏感感，产生回环，提高电路的抗干扰能力。产生回环，提高电路的抗干扰能力。851 1）反相输入迟滞比较器）反相输入迟滞比较器 工作在非线性放大区，工作在非线性放大区，uo=UZ，u+=u-=UB=uoR2/(R2+R3)=UZR2/(R2+R3)=ui(门限门限值值)。设设ui很很小小，uo输输出出高高电电位位UOH=+UZ，此此时时参参考考电电位位UB+=UZR2/(R2+R3)，随随着着ui增增 加加，只只 要要 uiUB+时时，uo由由UoH跃跃变变到到UoL=-UZ，参参考考

47、电电压压也也跃跃变变为为UB-=-UZR2/(R2+R3)，随后，只要随后，只要uiUB-，uo保持保持UoL=-UZ不变；不变；当当uiUB-时时，电电路路回回到到过过程程。当当电电路路uo发发生生变变化化时时，u+=u-=UB所所对对应应的的输输入入电电压值为门限值。压值为门限值。872 2）同相输入迟滞比较器）同相输入迟滞比较器 u-=u+=0，u+=uiR3/(R2+R3)+UZR2/(R2+R3)，电路电路uo发生发生变化时，变化时，u+=u-=0，对应，对应的输入电压的输入电压门限值门限值ui=-UZR2/R3和和UZR2/R3。当当 ui增增 加加 时时，只只 要要 uiUZR2

48、/R3，u+u-=0，uo=-UZ，只只有有当当uiUZR2/R3时时，输输出出电电压压跃跃变变为为uo=UZ；88当当ui减减小小时时，只只要要ui-UZR2/R3 ，u+u-=0，uo=+UZ，只只有有当当ui-UZR2/R3时时，输输出电压跃变为出电压跃变为uo=-UZ。迟迟滞滞比比较较器器可可以以提提高高抗抗干干扰扰能能力力，但但电电路路灵敏度降低。灵敏度降低。893.窗口比较器窗口比较器图中设高门限电压为图中设高门限电压为UH，低门限电压为，低门限电压为UL。前述比较器在前述比较器在前述比较器在前述比较器在uiui单方向变化时，单方向变化时，单方向变化时，单方向变化时，uouo仅发生

49、一次跃变，仅发生一次跃变，仅发生一次跃变，仅发生一次跃变，如果需要如果需要如果需要如果需要uiui单方向变化单方向变化单方向变化单方向变化uouo发生两次跃变时，则需要发生两次跃变时，则需要发生两次跃变时，则需要发生两次跃变时，则需要采用窗口比较器。采用窗口比较器。采用窗口比较器。采用窗口比较器。903.窗口比较器窗口比较器当当ULuiUH时，比较器时，比较器A1和比较器和比较器A2的的u+均低于均低于u-，输出电压，输出电压uo1和和uo2均均为低电位，二极管为低电位，二极管D1和和D2均截止，均截止，uo=UOL。当当ULuiUH时时，两两个个比比较较器器一一个个输输出出为为低低电电位位，

50、另另一一个个输输出出为为高高电电位位，二二极极管管D1D2一一个个截截止止，一一个个导通，导通，uo=UOH。911.集成电路运算放大器的特点是，高放大倍数、集成电路运算放大器的特点是，高放大倍数、直接耦合、多级放大。为了抑制温漂和提高共直接耦合、多级放大。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差动放大电路作输入极。模抑制比，常采用差动放大电路作输入极。2.基本差动放大电路是靠以下两方面来抑制零漂：基本差动放大电路是靠以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电阻阻Re，也就是引进了电流负反馈，从单管着手，也就是引进了电流负反馈，从单管着