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1、第六章第一节集成运放应用电路组成原理本讲稿第一页，共六十七页第六章集成运算放大器及其应用电路第六章集成运算放大器及其应用电路第六章第六章 前言前言第一节第一节 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理第二节第二节 集成运放的性能参数及其对应用集成运放的性能参数及其对应用 电路的影响电路的影响第四节第四节 集成电压比较器集成电压比较器本讲稿第二页，共六十七页 前言前言 集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件。本章以反相放大器和同相放大器为基础，重点分析理想化条件下各种运算电路的组成原理、分析方法，简单了解运放实际性能参数对应用电路的影响。熟悉电压比较器的工作原理及分析方法。
2、它广泛应用于模拟信号处理的各个领域。当运放接成反馈电路时，可构成各种运算和处理电路。本讲稿第三页，共六十七页6.1 教学要求1、熟悉集成运方电路的组成原理。掌握线性工作时，理想运方的两条重要法则：v-v+,i 02、掌握反相放大器与同相放大器的电路结构和性能特点3、能熟练利用虚断虚短的概念，分析各种运算电路，精密整流电路，仪器放大器等电路的性能4、熟悉电流传输器的性能特点，会分析应用电路的工作原理5、了解运放性能参数对应用电路的影响，零点掌握平衡电阻的基本概念6、掌握运放非线性工作时，单限比较器与迟滞比较器的电路结构，分析方法以及传输特性5、本章6.3节根据教学需要，可作为扩展内容。本讲稿第四
3、页，共六十七页6.2 基本内容6.2.1 集成运放应用电路的组成6.2.2 集成运放理想化条件下的两条重要法则6.2.3 反相放大器和同相放大器6.2.4 集成运放线性应用电路1、精密整流电路2、仪器放大器3、电流传输器本讲稿第五页，共六十七页6.2.5 非理想参数对应用电路性能的影响1、低频参数的影响2、直流参数的影响3、高频参数的影响6.2.6 集成运放非线性应用电路由集成运放构成的电压比较器工作在大信号状态，而其中的运放工作在开环或正反馈的非线性状态1、单限比较器2、迟滞比较器3、窗孔比较器本讲稿第六页，共六十七页3、模拟集成电路的种类有：集成运算放大器（加、减、微分、积分、对数、反对数
4、、乘、除等）集成宽带放大器集成功率放大器集成稳压电路集成乘法器集成锁相环路集成模数和数模转换电路（A/D和D/A）电视机、收录机和电子设备中的专用集成电路本讲稿第七页，共六十七页4、我们本章将要讨论集成运算放大器，简称集成运放 集成运方是一种性能优良的直接耦合放大器，又是一种通用性很强的多功能部件。随着集成器件的大量生产，它在自动控制、测量设备、计算机设备和电信等几乎一切电子技术领域中获得了日益广泛的应用。5、从电特性来看，集成运放实际上是一个高放大倍数的多级直放大接耦合放大器，它的放大倍数可高达104 107（80 140）dB，输入电阻从几十K106 M，而输出电阻仅有几十；在静态工作时，
5、它的输入电位和输出电位均为零。这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑他们之间的电平配置问题。本讲稿第八页，共六十七页6、从内部组成来看，集成运放是一个多级串接的直接耦合放大器。它的输入级均为各种改进型的差分放大电路；中间级是由一到两级（大多为一级）直接耦合共E(共S)或组合放大器组成；输出级大多为共C或共D；偏置电路均由恒流组成，提供各级所需的恒流偏置。本讲稿第九页，共六十七页7、集成运放的主要参数（指标）大体上可分为五大类：大信号动态特性差模特性共模特性电源特性输入误差特性本讲稿第十页，共六十七页第一节第一节 集成运放应用电路集成运放应用电路 的组成原理的组成原理本讲稿第十一页，共六十七
6、页一、集成运放的理想化条件一、集成运放的理想化条件1、理想化条件：（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、开环差模电压放大倍数本讲稿第十二页，共六十七页注意：实际集成运放不可能具有上述理想特性，但在低频工作时，它的特点接近理想的。2、两个重要的结论：（1）、当集成运放线性工作时，只要集成运放的输出电压vo 为有限值，则输入差模电压 v+-v-0即 v+=v-由于理想化条件，所以 v+-v-0称为虚短。（2）、i 0 由于差模输入电阻趋于无穷，因此流进集成运放的输入端电流 i 也就趋于零，称为虚断。本讲稿第十三页，共六十七页通常将这种输人端的极限状态称为虚短接，又称为零子，输出端的极限状
7、态称为任意子，并用专门的电路符号表示，如图6-1-1所示。本讲稿第十四页，共六十七页二、三种输入方式：二、三种输入方式：1、反相输入（反相比例放大器）voRfR1vs电路如图所示输入信号从反相端输入根据两个重要结论：v+-v-=0i 0得：i1if i1=if 根据电路有i本讲稿第十五页，共六十七页所以则或表示为电路特点：输入电阻（1）、输入与输出反相。（2）、反相端为虚地。voRfR1vs输出电阻本讲稿第十六页，共六十七页2、同相输入（同相输入放大器）电路如图所示voRfR1vs根据两个重要结论：v+-v-=0i 0得：根据电路有所以本讲稿第十七页，共六十七页或表示为voRfR1vs输入电阻
8、输出电阻电路特点：（1）、输入与输出同相。（2）、差模电压增益始终大于1或等于1。特例：当 时如图所示本讲稿第十八页，共六十七页vovs根据电路可知vo 跟随vs 而变化。类似于共集电极放大器具有电压跟随特性。3、差动输入（差动输入放大器）根据两个重要结论：v+-v-=0i 0 i1=if 根据电路有电路如图所示voRfR1vs1vs2i1ifR1Rf本讲稿第十九页，共六十七页voRfR1vs1vs2i1ifR1Rf或表示为本讲稿第二十页，共六十七页三、运算电路三、运算电路1、加、减法运算电路：、反相加法器电路如图所示voRfR1vs1R2vs2Ai2i1if根据两个重要结论：v+-v-=0i
9、 0 i1+i2=if 根据电路有若取R1=R2=R 时本讲稿第二十一页，共六十七页、同相加发器电路如图所示voRfR3vs1R2R1vs2A根据两个重要结论：v+-v-=0i 0利用电路的叠加原理可的：令 vs1=0则有令 vs2=0则有所以本讲稿第二十二页，共六十七页voRfR3vs1R2R1vs2A根据电路有所以本讲稿第二十三页，共六十七页若取R1=R2、Rf =R3时2、积分和微分电路（1）、为有源积分电路根据电路可知，输入信号从反相端输入，因此为反相输入方式，v-=0(虚地）。当C上的起始电压为零时，根据两个重要结论：v+-v-=0i 0voCRvsiiif则本讲稿第二十四页，共六十
10、七页voCRvsiiif因为所以本讲稿第二十五页，共六十七页若将 R 用开关电容电路模拟，则可构成开关电容积分器。电路如图所示voCC1vsiiifS1S2假设、开关的通断频率fC 远大与输入信号频率，则开关电容电路模拟的等效电阻为：相应的积分时间常数本讲稿第二十六页，共六十七页可见，当 fC 取定后，积分时间常数取决于两个电容的比值，而与电容的大小无关。（2）、微分电路：voCRvsiiif如图所示当C上的起始电压为零时，根据两个重要结论：v+-v-=0i 0则因为所以本讲稿第二十七页，共六十七页（3）、积分电路和微分电路的应用是实现波性变换，滤波等信号处理功能的基本电路。所以本讲稿第二十八
11、页，共六十七页3、对数和反对数变换器（1）、基本对数运算电路：如图所示voTRvsiiiC根据两个重要结论：v+-v-=0i 0根据电路可知本讲稿第二十九页，共六十七页voTRvsiiiC又因为可表示为所以由此可知电路实现了对 vs 的对数运算。本讲稿第三十页，共六十七页（2）、实际应用对数电路：如图所示VCCT1R1vsi1iC1T2R5tA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2根据两个重要结论：v+1-v-1=0i 0i 0 v+2-v-2=0根据电路有本讲稿第三十一页，共六十七页若取 T1 与 T2 完全对称，即参数相同，1=2 、IS1=IS2 所以又因为则本讲稿第三十二页，共六十七页
12、所以VCCT1R1vsi1iC1T2R5tA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2本讲稿第三十三页，共六十七页故式中、R4 为正温系数的热敏电阻。（3）、反对数运算电路（指数运算电路）：voTRfvsifiC v+-v-=0i 0根据电路可知本讲稿第三十四页，共六十七页因为voTRfvsifiC所以故本讲稿第三十五页，共六十七页4、乘、除法器：第二章介绍了跨导线性环实现电流量之间非线性运算组成的电路，若进一步用集成运放将电流量变换为电压量，就可以实现电压量之间的非线性运算。电路如图所示vyT1RxvxixvoiyRyvzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1本讲稿第三十六页，
13、共六十七页vyT1RxvxixvoiyRyvzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1 v+-v-=0i 0所以本讲稿第三十七页，共六十七页根据电路有所以所以若取时则本讲稿第三十八页，共六十七页若取为定值时电路为vx 和vy 的乘法器若取为定值时电路为vx 对vz的除法器本讲稿第三十九页，共六十七页四、精密整流电路四、精密整流电路如图所示应用于当 vI 小于二极管导通电压时的情况：根据电路可知voR1R2vID1D2voA当 时：二极管 D1 和 D2 均截止，由于所以输出电压为当 时：为负值，二极管 D1 截止、D2导通，由于所以输出电压为1、整流电路本讲稿第四十页，共六十七
14、页voR1R2vID1D2voA当 时：为正值，二极管 D2 截止、D1导通，由于电路变为反相输入放大器。vItvot传输特性曲线vo0vI-R2/R1 输出波形，如图所示本讲稿第四十一页，共六十七页2、精密转折点电路转折点电路：凡是具有折线转折传输特性的电路。例如、精密整流电路，就是自原点转折的精密转折点电路。现介绍可将转折点自原点移到X轴的特定位置上的电路。电路如图所示voR1R2VRD1D2voAVIR3计算特定转折点本讲稿第四十二页，共六十七页voR2VRtD1D2voAvItR3/R1利用叠加定理将输入电压源变换为戴维南电路。根据电路可知当 时：二极管 D1 和 D2 均截止，本讲稿
15、第四十三页，共六十七页voR2VRtD1D2voAvItR3/R1所以输出电压为当 时：为负值，二极管 D1 截止、所以输出电压为D2导通。当 时：为正值，二极管 D2 截止、D1导通。电路变为反相输入放大器。由于由于本讲稿第四十四页，共六十七页vovI-R2/R30本讲稿第四十五页，共六十七页利用精密转折点电路可以构成传输特性为非线性函数的电路。例如，将一单调增长的非线性传输特性，用三段折线逼近，如图6113(a)所示本讲稿第四十六页，共六十七页本讲稿第四十七页，共六十七页为了实现这个传输特性，可采用图6-1-13(b)所示电路，图中，A1、A2和A3为精密转折点电路，它们的转折点电压分别为
16、通过分析求得相应的传输特性为本讲稿第四十八页，共六十七页A4为反相加法器，它的输出电压 vO=-(vOl+vO2+vO3)，根据各折线段的斜率选定相应的电阻值，便可得到图6-1-13(a)所示折线逼近特性。本讲稿第四十九页，共六十七页五、仪器放大器五、仪器放大器 在精密测量和控制系统中，需要将来自各种换能器的电信号进行放大，这种信号往往是换能器之间或者是换能器与基准信号之间的微弱差值信号，通常选用仪器放大器。仪器放大器：又称数据放大器，是用来放大上述微弱差值信号的高精度放大器。特点：具有很高的共模抑制比，极高的输入电阻，而且增益能在大范围内可调。例如、三运放仪器放大器电路如图所示本讲稿第五十页
17、，共六十七页vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2vo分析：已知 R1=R2、R3=R5、R4=R6。由于各运放均为理想运算放大器，因此有所以加在 RG 两端的电压为：因此，流过 RG 的电流 iG为：iG本讲稿第五十一页，共六十七页vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2voiG所以故 当R1=R2=R 时本讲稿第五十二页，共六十七页vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2voiG对运放 A3 来说，vo1 与 vo2 为A3 的输入信号，因此有由于整理得：本讲稿第五十三页，共六十七页则仪器放大器的差值电压增益：由此，
18、可以看出改变 RG，可设定不同的Avf 值。本讲稿第五十四页，共六十七页二、采用有源反馈的仪器放大器本讲稿第五十五页，共六十七页l 另一种采用有源反馈的仪器放大器，它的简化电路如图6-1-15所示。图中，T1、T2，R1、R2为差分放大器，RG是接在两管发射极间的负反馈电阻。lTT3,T4为另一差分放大器，I0为它的偏置电流，Rs是接在两管发射极间的反馈电阻。A1、A2和A3为集成运放。本讲稿第五十六页，共六十七页因而当R1=R2=R时本讲稿第五十七页，共六十七页相应的电压增益(6-1-15)采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可以构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。仪器放大器应用十分广
19、泛，目前已有单片集成产品问世。例如，LH0036，LH0038，AMP-02，AMP-03，AD365，AD524等。本讲稿第五十八页，共六十七页作为举例，图6-1-16示出了用仪器放大器构成的桥路放大器。本讲稿第五十九页，共六十七页六、电流传输器六、电流传输器YXCCZ1、结构：有两个输入端，即X与Y,一个输出端Z.特点：（1）、输入端Y呈现的输入阻抗为无穷大，即 iY=0 。（2）、输入端X呈现的输入阻抗为零，并且输入端口的电压跟随Y端口电压变化，即 vY=vX ；而与流入端口的电流无关。（3）、流入X端口得电流，被传输到高阻抗的输出Z端口，即 iZ=iX，而与输出端口电压 vZ 无关。v
20、YvXvZiY=0iXiZ本讲稿第六十页，共六十七页电路如图所示vYVSSVDDvZvXiXZYXAT1T2T5T6T3T4iZiD1iD2iD1iD2T!和 T2 为导电沟道互补的EMOS管，它们的漏极电流 iD1 和 iD2 分别通过上，下两个由 T3、T4 和 T5、T6 组成的电流源传输到输出端。设、T3、T4、T5 和 T6 有相同的宽长比。则有2、电流传输器的内部电路：本讲稿第六十一页，共六十七页vYVSSVDDvZvXiXZYXAT1T2T5T6T3T4iZiD1iD2iD1iD2由于必有 可见符合电流传输器的端口特性。本讲稿第六十二页，共六十七页如果在图示电路中再接两个电流源，
21、如图6-1-18(b)所示本讲稿第六十三页，共六十七页例如、几种典型应用电路（1）、电路为互导放大器：YXCCZviiXRioRL由电路可知：所以已知所以互导增益为：其值与负载的大小无关。如图所示，本讲稿第六十四页，共六十七页（2）、电路为电流放大器：YXCCZiSiXR2ioRLR1则所以电流放大增益为：由电路可知：如图所示，本讲稿第六十五页，共六十七页YXCCZvoiiRLiZ1RYXCCZ（3）、电路为互阻放大器：根据电路可知所以互阻增益为如图所示：本讲稿第六十六页，共六十七页（4）、电路为负阻变换器：根据电路可知Y2X2CCZ2Y1X1CCZ1viR2iX1RLR1iZ1iZ2ii所以如图所示：本讲稿第六十七页，共六十七页