第六章第一节集成运放应用电路组成原理

课件制作：地里木拉提.吐尔逊许植第六章集成运算放大器及其应用电路第六章前言第一节集成运放应用电路的组成原理第二节集成运放的性能参数及其对应用电路的影响第四节集成电压比较器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。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。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。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、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KΩ～106MΩ，而输出电阻仅有几十Ω；在静态工作时，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。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。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•输入误差特性第一节集成运放应用电路————的组成原理一、集成运放的理想化条件1、理想化条件：（1）、idR（2）、0odRvdA（3）、（4）、（5）、（6）、CMRKBW0IOV0IOI开环差模电压放大倍数注意：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-)(vvAvvdo由于理想化条件，vdA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。通常将这种输人端的极限状态称为虚短接，又称为零子，输出端的极限状态称为任意子，并用专门的电路符号表示，如图6-1-1所示。二、三种输入方式：1、反相输入（反相比例放大器）voRfR1∞vs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：i1ifi1=if根据电路有fosRvvRvv1ifosRvRv1所以则1RRvvAfsovf或表示为sfovRRv1电路特点：输入电阻11111RiiRivRsi（1）、输入与输出反相。（2）、反相端为虚地。voRfR1∞vs输出电阻0odR2、同相输入（同相输入放大器）电路如图所示voRfR1∞vs根据两个重要结论：v+-v-=0i→0得：svvv根据电路有ofvRRRv11sv所以11RRRvvAfsovf或表示为sfovRRRv11voRfR1∞vs输入电阻idR输出电阻0odR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0fR如图所示vo∞vs根据电路可知sovv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→0i1=if根据电路有电路如图所示voRfR1∞vs1vs2i1ifR1RffosRvvRvv1fosfRvRvvRR11)11(voRfR1∞vs1vs2i1ifR1Rf21sffvRRRvfossfffRvRvvRRRRR1211)11(112RRvvvAfssovf或表示为)(121ssfovvRRv三、运算电路1、加、减法运算电路：①、反相加法器电路如图所示voRfR1∞vs1R2vs2Ai2i1if根据两个重要结论：v+-v-=0i→0i1+i2=if根据电路有fossRvRvRv2211)(2211RvRvRvssfo若取R1=R2=R时)(21ssfovvRRv②、同相加发器电路如图所示voRfR3∞vs1R2R1vs2A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22111svRRRv令vs2=0则有12122svRRRv所以21vvv21vvv2211svRRR1212svRRRvoRfR3∞vs1R2R1vs2A根据电路有ofvRRRv33ofvRRR33所以2211svRRR1212svRRR))(1(221112123ssfovRRRvRRRRRv若取R1=R2、Rf=R3时21ssovvv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→0voCR∞vsiiif则fiiivoCR∞vsiiiffCiidtdvCiCCdtiCvCC1RviisfidtiCf1dtRvCs1因为Covv所以dtRvCvso1dtRvCvso1dtvRCs1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voCC1∞vsiiifS1S2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：11CfRC相应的积分时间常数1CfCRCC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：voCR∞vsiiif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fCiiiiRviof因为CsvvdtdvCiisCi所以dtdvCRvso（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。dtdvRCvso所以3、对数和反对数变换器（1）、基本对数运算电路：如图所示voTR∞vsiiiC根据两个重要结论：v+-v-=0i→0根据电路可知CiiiBEovvvoTR∞vsiiiCRvisi又因为CiiiTBEVvSeI可表示为SsTBERIvVvlnSsTBERIvVvln所以SsTBEoRIvVvvln由此可知电路实现了对vs的对数运算。（2）、实际应用对数电路：如图所示VCCT1R1∞vsi1iC1T2R5∞tºA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2根据两个重要结论：v+1-v-1=0i→0i→0v+2-v-2=0根据电路有122EBBEBvvv12BEBEvv122BEBEBvvv1122lnlnsCTSCTIiVIiV2112lnSCSCTIiIiV若取T1与T2完全对称，即参数相同，β1=β2、IS1=IS2所以122lnCCTBiiVv又因为oBvRRRv4342则12434lnCCToiiVvRRR12443lnCCToiiVRRRv所以2143ln)1(CCTiiVRRVCCT1R1∞vsi1iC1T2R5∞tºA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2111RviisC222RvviBCCC2RvCC故2143ln)1(CCToiiVRRvCCsToVRRvVRRv2143ln)1(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）：voTRf∞vsifiCv+-v-=0i→0BEEBsvvvSCTIiVln根据电路可知SCTsIiVvlnSCTsIiVvlnTsVvSCeIi因为voTRf∞vsifiCCfiifoRv所以TsVvSfoeIRv故TsVvSfoeIRv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vyT1Rx∞vxixvo∞iyRy∞vzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1vyT1Rx∞vxixvo∞iyRy∞vzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1v+-v-=0i→01Cxii2Cyii3Czii4Coii所以xxxRviyyyRvizzzRvi4Rvioozoyxiiii根据电路有所以zyxoiiiizzyyxxoRvRvRvRv4yxzzyxoRRvRRvvv4所以若取zoyxRRRR时则zyxovvvvzyxovvvv若取REFzVv为定值时yxREFovvVv1电路为vx和vy的乘法器若取REFyVv为定值时zxREFovvVv电路为vx对vz的除法器四、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voR1R2∞vID1D2v'oA当0Iv时：0ov二极管D1和D2均截止，由于0vv所以输出电压为0ov当0Iv时：ov为负值，二极管D1截止、D2导通，由于0vv所以输出电压为0ov1、整流电路voR1R2∞vID1D2v'oA当0Iv时：ov为正值，二极管D2截止、D1导通，由于0vv电路变为反相输入放大器。IovRRv12vItvot传输特性曲线vo0vI-R2/R1输出波形，如图所示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voR1R2∞VRD1D2v'oAVIR3计算特定转折点voR2∞VRtD1D2v'oAvItR3//R1利用叠加定理将输入电压源变换为戴维南电路。IItvRRRv311RRtvRRRv3133131RRRRRt根据电路可知当0RtItVv时：0ov二极管D1和D2均截止，0vv,`13时即RRVvRIvoR2∞VRtD1D2v'oAvItR3//R1所以输出电压为0ov当0RtItVv时：ov为负值，二极管D1截止、0vv所以输出电压为0ovD2导通。当