第6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6.3集成电压比较器6.2集成有源滤波器6.1集成运放应用电路的组成原理6.1集成运放应用电路的组成原理根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路Z1或Zf采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。Z1或Zf采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。组成：集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。-+AZ1Zfvovs1vs2i非线性应用电路组成特点：运放开环工作。由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压就可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。6.1.1集成运放理想化条件下两条重要法则理想运放dvAdiR0doRCMRKBW失调和漂移0推论diR0dovAvvv因则vv因则0i-+AvovIVREF关于虚短、虚断的说明：vv0i相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v–-v+)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。相当于运放两输入端“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。集成运放基本应用电路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1（反馈类型：电压并联负反馈）vv因则0v反相输入端“虚地”。0i因则f1ii1s1s1RvRvvifoffRvRvvio由图输出电压表达式：svRRv1fo输入电阻：1iRR输出电阻0oR因0v因深度电压负反馈，同相放大器类型：电压串联负反馈vv因则svv注：同相放大器不存在“虚地”。0i因1s110RvRvifosffRvvRvvio由图输出电压表达式：vRRvRRvs)1()1(1f1fo输入电阻iR输出电阻0oR因深度电压负反馈，0i因则f1ii-+AR1Rf+-vsvoifi1同相跟随器-+A+-vsvo由图得sovvvvv因由于1fvAiR0oR所以，同相跟随器性能优于射随器。归纳与推广当R1、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：)()()()(s1fosvsZsZsv反相放大器)(])()(1[)(s1fosvsZsZsv同相放大器拉氏反变换)t(ov得注：拉氏反变换时tdsd1tds6.1.2运算电路加、减运算电路反相加法器-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1vv因则0v0i因则f21iiifo2s21s1RvRvRv即整理得22f11fossvRRvRRv说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采用叠加原理进行分析。令vs2=0则11fo1svRRv令vs1=0则22fo2svRRv2o1oovvv例如同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：212s1211s2RRvRRRvRv则vRRv)1(3fo))(1(212s1211s23fRRvRRRvRRR减法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，则11fo1svRRv令vs1=0，32231fo2)1(RRvRRRvs2o1oovvv11fsvRR32231f)1(RRvRRRs积分和微分电路t)(osdvdCRv有源积分器-+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则则tosdtvRCv1o方法二：利用拉氏变换)()(Z)()(s1fosvssZsv)(1ssvsRC)()/(1ssvRsC拉氏反变换得：tosdtvRCv1o有源微分器利用拉氏变换：)()(Z)()(s1fosvssZsv)(sssRCv)()/(1ssvsCR拉氏反变换得dtdvRCvso-+ARC+-vsvo对数、反对数变换器对数变换器-+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv利用运算法得：由于oBEvv整理得RIvVvSsToln缺点：vo受温度影响大、动态范围小。vs必须大于0。反对数变换器RvIVvoSTBEe利用运算法则得由于sBEvv整理得TsSoVveRIv缺点：vo受温度影响大。vs必须小于0。-+AR+-vsvoT乘、除法器vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4构成跨导线性环，则OZYXiiii分析方法一：由图整理得XXX/RviYYY/RviZZZ/Rvi4OO/RviZYXYXZ4OvvvRRRRv（实现乘、除运算）分析方法二：vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZXSXTBE1o1lnRIvVvvZYXYXZ4vvvRRRRBE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvvZSZTBE3o3lnRIvVvvA1、A2、A3对数放大器A4反对数放大器To3o2e4SOVvvRIv6.1.3仪器放大器仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。特点：KCMR很高、Ri很大，Av在很大范围内可调。三运放仪器放大器vv由G2I1IGRvvi得0i由)(G21G2o1oRRRivv得由减法器A3得：2o656341o34o)1(vRRRRRvRRv若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得)21(G342I1IofRRRRvvvAvvI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo26.1.4精密整流电路精密半波整流电路利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2vI=0时vO=0D1、D2vO=0vI0时vO0D1、D2vO=0vI0时vO0D1、D2vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1传输特性vItvOtvIR2R1-输入正弦波输出半波精密转折点电路当v-0，即vI-(R3/R1)VR时：当v-0，即vI-(R3/R1)VR时：vo-+AVRR1voR2RL+-D1D2R3vI由图31R331I1RRVRRRvRvvO0D1、D2传输特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO0D1、D2vO=0则)(R13I32OVRRvRRv则6.3有源滤波电路有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。滤波器的分类：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）有源滤波器的频响本节讨论由运放及RC元件构成的滤波器。一阶有源低通滤波器RR1RFC+-+ivovoFvRRRv11vvivCjRCjv11ivRCj11RCjRRvvFio11)1(1传递函数传递函数中出现的一次项,故称为一阶滤波器幅频特性及幅频特性曲线幅频特性：201)(11)1(RRvvFio)RC1(0相频特性：0arctgRR1RFC+-+ivoviovv01+RF/R10.707(1+RF/R1)0CjRRvvFio11)1(1传递函数电路特点:1、0时：)1(1RRvvFio有放大作用3、运放输出，带负载能力强。2、0时：21)1(1RRvvFio幅频特性与一阶无源低通滤波器类似二阶有源低通滤波器vAvooCjvvRvvRvvoPPPi1PPvRCjvCjRCjv1111Qωωj)ωω(1Ajωo2oOiovvA）（RR1RFC+-+ivovCRP，A0=1+RF/R1传递函数中出现的二次项,故称为二阶滤波器RC1ωA31QoO，二阶低通电路的幅频特性曲线OO)0(31QAAAQff当Ao≥3时，Q=∞，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。以上两式表明，当2Ao3时，Q1，在f=fo处的电压增益将大于Ao，幅频特性在f=fo处将抬高。高通有源滤波器oFvRRRv11vvivCjRRv1ivRCj111RR1RFC+-+ivov高通RCjRRvvFio111)1(1传递函数1.一阶有源高通滤波器幅频特性及幅频特性曲线幅频特性：21)(11)1(oFioRRvviovv01+RF/R10.707(1+RF/R1)0RCjRRvvFio111)1(1传递函数RR1RFC+-+ivov高通2.二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线(1)通带增益1fO+1=RRA(2)频率响应其中：ωQωj)ωω(1Ajωo2oOiovvA）（RC1ωA31QoO，结论：当ff0时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec；当AO≥3时，电路自激。有源带通滤波器可由低通和高通串联得到1111CR必须满足A0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O21通带测评阻带阻碍阻带阻碍低通特征角频率2221CR高通特征角频率12有源带阻滤波器可由低通和高通并联得到必须满足12A0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O12通带测评阻带阻碍通带测评6.4集成电压比较器电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压比较器的特点输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。6.4.1电压比较器的作用电压比较器工作原理只要开环Avd很大，则v+、v-间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。由)(dovvAvv可知v+v-时，vo=Vomax（正饱和值）v+v-时，vo=Vomin（负饱和值）v+=v-时，逻辑状态转换因此理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vIVREF时，vo=VomaxvIVREF时，vo=VominvI=VREF时，逻辑状态转换理想特性vIvoVREFVomaxVomin0实际比较特性实际特性vIVREF-Vomax/Avd时，vo=VomaxvIVREF-Vomin/Avd时，vo=Vomin注：Avd越大，比较特性越接近理想特性，VREF作为门限值的比较精度越高。6.4.1具有不同比较特性的电压比较器单限电压比较器特点：运放开环工作。过零比较器-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvoVOHVOL0比较特性tvO0tvI0单限比较器-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的输入电压vI即门限电平。2）分别分析vI大于门限、小于门限时的输出vO电平。0REF212I211VRRRvRRR令得门限电平REF