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1、第四章 集成运算放大电路,本章提要,随着半导体制造工艺水平的提高，以前由分立元件组成的电子电路,已经能够将整个电路中的元器件及相互之间的联接同时制造在一块硅基片上，构成一特定功能的电子电路，称为集成电路。相对于分立电路，集成电路具有体积更小，重量更轻，功耗更低，可靠性更高的特点，因此性能更加优越。近年来，集成电路正逐渐取代分立元件电路。本章主要讨论以下几个问题：,3集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。,1集成运放的组成及主要参数；,2理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；,本章通过了解集成运放的主要技术参数，重点理解理想运放“虚短”、“虚断”的含义；正确理解集成运放两种工
2、作状态的特点和分析方法，能够分析各种集成运放组成的运算电路的工作情况及输入输出关系；并对各种信号发生电路、比较电路的原理和应用有一定的了解和认识。,一、集成运算放大器电路简介,集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种，本章所介绍的即是集成运算放大器及其基本应用。运算放大器实际上是一种具有高开环放大倍数、高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。广泛应用于测试技术、自动控制系统、信号处理等各个领域。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,集成运算放大器基本内部组成可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。,第四章 集成运算放大电路第一节 概
3、述,1输入级采用差分放大电路构成。具有对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等优点，因此可以有效放大有用信号。2中间级为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3输出级 输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4偏置电路为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。,第四章 集成运算放大电路
4、第一节 概述,输入方式:反相输入 同相输入 差分输入,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,1.开环电压放大倍数（开环电压增益）Aod 在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。Aod 越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。2.开环差模输入电阻rid 它指的是集成运放加入差模信号时的开环等效输入电阻，表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。3.开环输出电阻ro 它指的是没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。,二、集成运算放大器
5、的主要参数,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,4.输入失调电压uio理想的集成运放，当输入信号为零时，一般输出电压也为零，但是实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管（或）不对称的程度，一般在毫伏级。5.最大输出电压UOM能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，6.共模抑制比KCMRR它表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：KCMRR 越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、零点漂移小
6、、可靠性高、体积小等主要特点。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,理想运放的主要条件：(1)开环放大倍数：Ao(2)开环输入电阻：ri(3)开环输出电阻：ro0(4)共模抑制比：KCMRR,三、理想集成运放的技术指标及符号,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,四、集成运算放大器的电压传输特性,电压传输特性表示了输出电压随输入电压变化的规律。电压传输特性有两个工作区：线性工作区和非线性工作区。1集成运放线性工作的特点或,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要而普遍适用的结论：（1）“虚短”集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+u-
7、。如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接“地”，由“虚短”现象可知，反相输入端的电位接近“地”电位，即反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地”。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,（2）“虚断”流进集成运放两个输入端的电流近似等于零，即 i+i-0。由于集成运放开环差模输入电阻很高（理想时），输入回路相当于断路，故从两个输入端流入的电流可以忽略不计，如同这两端被断开一样，但实际并不是真的断开，这种现象称为“虚断”。理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,（1）（2）集成运放两个输入端电压u+与 u不一
8、定相等，即“虚短”的结论不一定成立。（3）集成运放输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想运放，因此仍可认为此时的输入电流等于零，即“虚断”现象仍然存在。,2.集成运放非线性工作（饱和状态）的特点,当 u+u时：,uo=+UO(sat),当 u+u时：,uo=UO(sat),第四章 集成运算放大电路第一节 概述,(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路,u=u+=0,i1=if,闭环电压放大倍数 Af,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,平衡电阻,当 Rf=R1 时：uo=ui,反相器,平衡电阻:Rp=R1/Rf,平衡电阻的作用是保证集成运放的同相输入端和反相输入端
9、的外接电阻相等，以消除静态基极电流对输出电压的影响。,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(2)同相比例运算电路,u=u+=uiif=i1,平衡电阻:R2=R1/Rf,闭环电压放大倍数 Af,当,电压跟随器,再令,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(二)加法运算电路1.反相加法运算电路,当,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2.同相加法运算电路,右图所示电路是具有两个输入电压的同相加法运算电路。图中外部的元件参数应满足关系式,以使电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。,单独作用时
10、，令,，,单独作用时，令,，,所以有输出电压为：,若选取,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,两个电压源共同作用时，,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(三)减法运算电路,1应用集成运放中“虚短”和“虚断”的特点。,当,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2应用叠加原理求解,当ui1单独作用时:,当 ui2 单独作用时:,uu+,则：uo=uo+uo,平衡电阻:R2/R3=R1/Rf,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,例4-3 图4-10示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的
11、关系式。,式中，,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,若令,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(四)积分运算,u=u+=0uC=uuo=uoif=i1,平衡电阻:,R2=R1,(五)微分运算电路,u=u+=0uC=uiif=i1,平衡电阻:R2=Rf,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,上述的基本微分电路存在如下的缺点：输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；由于电路中的反馈网络构成的 RFC 滞后环节，它与集成运算放大 器的滞后环节合在一起，使电路的稳定储备减 小，电路容易引起自激振荡；突
12、变的输入电压可能造成 uo 超过集成运算放大器所允许的最大输出电压，以至于产生堵塞现象，造成自锁状态,使电路不能正常工作,图是一种改进型的微分运算电路 图中输入回路的小电阻R1限制了噪声干扰和突变的输入信号。且由于R1的引入，加强了电路中负反馈的作用。反馈支路引入和小电容CF 的并联形式来进行相位补偿。适当选取电路参数能使电路稳定工作。,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,由此可见，此电路是一个反相比例运算和微 分运算相结合的电路，因此称为比例微分调节器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节 过程起到加速作用。,解 由图可列出,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算
13、电路,一、电压比较电路电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,(一)基本电压比较器,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,1过零比较电路,传输特性,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,
14、2.任意电平比较器,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,3.基准电压比较器,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,二、施密特比较器,单限比较器具有电路简单、灵敏度高的优点，但存在抗干扰能力差的缺点。为了提高比较器的抗干扰能力，可以在开环比较器的基础上增加由电阻构成的正反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,设电路的初始状态为,集成运算放大器同相输入端的电压也变为：,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,称下门限电压。,第
15、四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,说明：,3)由于回差电压的存在，施密特比较器具有较强的抗干扰能力。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,解：上门限电压：,下门限电压为:,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,一、方波产生电路,特点：与滞回比较器相比较，方波发生器去掉了反相输入端的信号而改接了电容C，并增加了反馈电阻RF2。,应用比较器可以产生方波，但比较器需要有输入信号时才能产生方波信号输出，而图中所示的方波发生器不需要输入信号就能产生方波。,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,1.工作原理,此方波产生电路通
16、过使RC电路反复充电和放电，来实现电路中滞回比较器输出的高低电平转换，最后在滞回比较器的输出端得到一个高低电平周期性交替的方波。,滞回比较器的两个门限电压分别是：,，,初始状态为为,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,由于反向输入端电容C的电压不能跃变，在此期间输出电压,通过反馈电阻RF1向电容C充电，uc上升，当uc上升到稍大于UT1时，在正反馈的作用下，输出电压uc将由+UZ迅速转换为-UZ，电容C充电的电压uc达到最大值。此时,此时电容C又要通过电阻RF1放电，uc开始下降，当uc下降到稍小于UT1时，输出电压uc将由-UT1迅速转换为+UT1。,第四章 集成运算放大电路第四节
17、 信号产生电路,2振荡周期和频率,由电容充放电的过渡过程，可求出输出电压uc的周期T，也就是电路的振荡周期T和频率f。电容C充电开始到输出电压状态由+UZ转换为-UZ的时间记为T1而电容C放电开始到输出电压状态由-UZ转换为+UZ的时间记为T2,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,二矩形波发生器,占空比：正脉冲持续时间与波形的周期之比,占空比能够根据需要进行调节，则可使电容的充电时间与放电时间不等来实现，那么电路的输出电压形式就为矩形波。,充电时间常数：,放电时间常数：,为二极管正向电阻，,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,*三三角波发生电路,在方波发生电路中，电容的电压
18、是按照指数规律变化的，近似为三角形。当从电容上输出电压时，其波形与三角波形有一定的差别。若用恒流源代替电路中的电阻RF1，使电容C恒流充、放电，就可以形成较为理想的三角波发生器。,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,1工作原理,三角波产生电路，是由一个同相输入的滞回比较器N1和反相积分器N2组成的。滞回比较器N1的同相输入端电压u+与uo1和uo有关，根据叠加原理，可得：,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,u+=0，同时u+将跳变成一个正值。此后，积分电路的输出电压将随着时间往负方向线性增长，u+随之下降，当下降到u+-u-=0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使u+=
19、-Uz，同时，u+也跳变成一个负值。,2振荡周期和频率,当积分电路对输入电压-Uz进行积分时，在半个振荡周期的时间TH内，输出电压，uo将从-Uz上升至+Uz，根据积分电路的输出、输入关系获得：,由于积分电路的正反向积分时间常数相等，所以,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,3三角波的幅值,分析三角波从-Uz到+Uz的过程，当uo1发生跳变时，三角波的输出电压达到最大值+Uz，使uo1发生跳变的条件是：u+=u-=0和uo1=-Uz代入,三角波输出的幅度为：,得到,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,*四、锯齿波产生电路,改变三角波产生电路的正反向积分时间常数，在输出端就可以得到锯齿波信号。,该电路的结构和工作原理与三角波产生电路完全相同，输出幅度也相同,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,
