1、集成運放及其應用電路第1頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四6.1集成運放應用電路的組成原理根據集成運放自身所處的工作狀態，運放應用電路分：線性應用電路和非線性應用電路兩大類。 線性應用電路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1 或 Zf 采用非線性器件(如三極管)，則可構成對數、反對數、乘法、除法等運算電路。Z1 或 Zf 采用線性器件(R、C)，則可構成加、減、積分、微分等運算電路。組成：集成運放外加深度負反饋。因負反饋作用，使運放小信號工作，故運放處于線性狀態。 第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第2頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 非線性

2、應用電路 -+AvOvIVREF組成特點：運放開環工作。 由于開環工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運放輸出進入非線區工作。例如電壓比較器。集成運放理想化條件下兩條重要法則 理想運放 失調和漂移0 推論因則因則第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第3頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四說明：相當于運放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是 (v - v+) 的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度。相當于運放兩輸入端“虛斷路”。實際

3、運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運算法則分析運放應用電路。此時，電路輸出只與外部反饋網絡參數有關，而不涉及運放內部電路。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第4頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 集成運放基本應用電路 反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯負反饋 因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負反饋第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第5頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯負反饋 因則注：同相放大器不

4、存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負反饋因則第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第6頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 同相跟隨器 -+A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性能優于射隨器。 歸納與推廣 當 R1 、Rf 為線性電抗元件時，在復頻域內：反相放大器同相放大器拉氏反變換 得注：拉氏反變換時第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第7頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 加、減運算電路 反相加法器 運算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因 i 0則即整理得說明：線性電路除可以采用“虛

5、短、虛斷”概念外，還可采用 疊加原理進行分析。 令 vs2 = 0則令 vs1 = 0則例如第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第8頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則 減法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令 vs2 = 0，則令 vs1 = 0，第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第9頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 積分和微分電路 有源積分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用運算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第

6、10頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 有源微分器 利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo 波形變換tvsO輸入方波積分輸出三角波votO微分輸出尖脈沖tvoO第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第11頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 對數、反對數變換器 對數變換器 -+AR+-vsvo利用運算法得：由于整理得缺點：vo 受溫度影響大、動態范圍小。vs 必須大于 0。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第12頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 改進型對數變換器VCC-+A1+-vsvo+-A2+-RLR3R4tv

7、B2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由于(很小)則(T1、T2特性相同)利用 R4 補償 VT，改善溫度特性。vS 大范圍變化時， vO 變化很小。第 6 章集成運算放大器及其應用電路第13頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 反對數變換器 利用運算法則得由于整理得缺點：vo 受溫度影響大。vs 必須小于 0。-+AR+-vsvoT第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第14頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 乘、除法器vO1-+A1vXRXiXR1iXT1vO2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vO3T3vZ

8、RZiZiZ因 T1、T2、T3、T4 構成跨導線性環，則分析方法一：由圖整理得(實現乘、除運算)第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第15頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3 對數放大器A4 反對數放大器第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第16頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四精密整流電路 精密半波整流電路 利用集成運放高差模增益與二極管單向導電特性，構成對微小幅值電壓進行整流

9、的電路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2 vI = 0 時 vO = 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 時 vO 0 D1 、D2 vO = 0 vI 0 D1、D2 vO = -(R2 / R1)vI工作原理：vOvI-R2 / R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第17頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 精密轉折點電路 當 v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 時： 當 v- 0，即 vI 0 D1、D2 傳輸特性vOvI-R2 / R3VRR3R1-vO 0 D1 、D2 則vO =

10、 0 則第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第18頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 精密轉折點電路實現非線性的函數 R/R1vO1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvO2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3RvO3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特性第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第19頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四儀器放大器 儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。 特點：KCMR 很高、 Ri 很大， Av 在很大范圍內可調。 三運放儀器放大器 由得由得由減

11、法器 A3 得：若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得vI1+ -A1R1-+A2RGvO1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvO2第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第20頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 有源反饋儀器放大器 可證明vI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2 差放T3、T4 差放A3 跟隨器A2 跟隨器A1 放大器 采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、高精度、增益可調的儀器放大器。第 6 章集成運算放大器及其應用電

12、路 第21頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 儀器放大器的應用 儀器放大器單片集成產品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524 等。例：儀器放大器構成的橋路放大器溫度為規定值時 RT =R 路橋平衡 vo = 0 。溫度變化時 RT R 路橋不平衡 vo 產生變化。儀器放大器RGRTRRRt oVREFvo第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第22頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四電流傳輸器 電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號處理電路中。 電流傳輸器電路符號及特點YXZCCvXvYvZiY = 0iXiZY 輸入端

13、： iY = 0，即 RY ；X 輸入端： vX = vY ，且 vX 與 iX 大小無關，RX 0 ；Z 輸出端： iZ = iX ，且 iZ 與 vZ 大小無關。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第23頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 電流傳輸器構成的模擬信號處理電路 YXZCCviRLiXiOR+- 互導放大器 互阻放大器 電流放大器 YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第24頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 負阻變換器 YXZCC2iX1R2YXCC1

14、ZviiIiZ2R1iZ1RL第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第25頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四6.2集成運放性能參數及對應用電路影響集成運放性能參數Avd 高(80 140 dB)，Rid 高(M)，Rod低 ( 100 M) 共模特性 輸入直流誤差特性IIB(10 100 A)，VIO (mV)，IIO(為 IIB 的 5% 10%) 大信號動態特性轉換速率 SR，全功率帶寬 BWP第 6 章集成運算放大器及其應用電路 vidRidvO+-v+v-Avd vid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+ -VIO+-Avd vicKCMR集成

15、運放電路模型第26頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四直流和低頻參數對性能的影響 Avd、Rid、Rod 為有限值的影響運放應用場合不同，各項性能參數影響也不同。因此工程估算時，可針對不同場合，有選擇地分析運算誤差。可證明其中Avd 對精度影響最大。Avd 越大，運算誤差越小。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 vidRidvO+-v-Avd vid- +Rod+-R1Rfvs+-RL-+AR1Rf+-vsvoRL第27頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 KCMR、Ric 為有限值的影響可證明其中Avd、KCMR 越大，同相放大器運算精度越高。 由于

16、同相放大器輸入端引入了共模信號，因此必須考慮KCMR的影響。RicvO+-v-Avd vidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-Avd vicKCMR第 6 章集成運算放大器及其應用電路 +-+AR1RfvsvoRL第28頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 輸入偏置電流 IIB 對性能的影響-+AR1Rf+-vsvoR+= R1/ Rf則 IIB 在外電路反相端產生的直流電壓：則 IIB 在外電路同相端產生的直流電壓：設 R-、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。輸入偏置電流若則輸出無失調例：注：平衡電阻 R+ 的接入對性能指標計算沒有影響，但運算

17、精度得到明顯改善。 因此，為減小 IIB 對運算精度的影響，要求外接在集成運放兩輸入端的直流電阻相等。第 6 章集成運算放大器及其應用電路第29頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 失調電流 IIO 與失調電壓 VIO 的影響 可證明為減小失調的影響：在 R+ 較小時，應選擇 VIO 小的運放；在 R+ 較大時，應選擇 IIO 小的運放。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 vO+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+ -VIOR+第30頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四高頻參數對性能的影響 小信號頻率參數 開環帶寬 BW內補償的集成運放可近似看

18、成是單極點系統，該運放的上限截止頻率即開環帶寬 BW(或稱 3 dB 帶寬)。 單位增益帶寬 BWG 指增益下降到 1(0 dB)時對應的頻率。小信號工作時，其值為常數，且 BWG = AvdI BW 。當運放閉環工作時，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。反饋越深，Avf 越小，閉環帶寬 BWf 越寬。即BWG = Avf BWf第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第31頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 大信號動態參數 指集成運放輸出電壓隨時間最大可能的變化速率。其值越大，運放高頻性能越好。影響 SR 主要原因：運放內部存在寄生電容和相位補償電容。 轉換速率(又稱壓擺率

19、)指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時，允許的最高工作頻率。 全功率帶寬當 SR 一定時，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的 Vom 就越小。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第32頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四6.4集成電壓比較器 電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。 電壓比較器的特點輸入模擬量，輸出數字量。實現模擬量與數字量間的轉換。電壓比較器的作用 電壓比較器工作原理可知，只要開環 Avd 很大，則 v+、v- 間的微小差值，即可使運放輸出工作在飽和狀態。由v+ v- 時， vO = Vomax(正飽和值)

20、 v+ v- 時， vO = Vomin (負飽和值) v+ = v- 時，邏輯狀態轉換 因此第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第33頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 理想比較特性-+AvOvIVREFvIvOVREFVomaxVominOvI VREF 時， vO = VominvI = VREF 時，邏輯狀態轉換 理想特性vIvOVREFVomaxVominO 實際比較特性實際特性vI VREF - Vomin /Avd 時， vO = Vomin注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性， VREF 作為門限值的 比較精度越高。第 6 章集成運算放大器及其應用電

21、路 第34頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四具有不同比較特性的電壓比較器 單限電壓比較器 特點：運放開環工作。 過零比較器 -+AvOvI+-R1D1D2RR(VREF = 0)R1 限流電阻，與 D1、D2共同構成電平變換電路。VOH = VZ + VD(on) VOL = -( VZ + VD(on) ) vIvOVOHVOLO比較特性tvOOtvIO第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第35頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 單限比較器 -+AvOvI+-R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：1)令 v- = v+， 求出的

22、輸入電壓 vI 即門限電平。2)分別分析 vI 大于門限、小于門限時的輸出 vO 電平。令得門限電平即 v+ v-若則 vO = VOH比較特性vIvOVOHVOLVREFR2R1-第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第36頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 單限比較器優點： 電路結構簡單，可不計有限 KCMR 的影響。 單限比較器缺點： 電路抗干擾能力差。例如：過零比較器，當門限電平附近出現干擾信號時，輸出會出現誤操作。 tvOOvItO第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第37頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 遲滯比較器(施密特觸發器)-+

23、AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2特點正反饋電路具有雙門限令得門限電平： 反相輸入遲滯比較器 遲滯寬度： vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第38頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四-+AvOvI+-R3D1D2RVREFR1R2令得門限電平： 同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度： vIvOVOHO比較特性VOLVILVIH將反相遲滯比較器中的vI 與 VREF 交換，即得同相輸入遲滯比較器。第 6 章集成運算放大器及其應用電路 第39頁，共44頁，2022年，5月20日，1點40分，星期四 遲滯比較器優點：電路抗干擾能力強。例：反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已