Transcript 第五章 集成放大电路 5.0 集成运放简介(补充) 5.1 比例电路 5.2 基本运算电路 5.3 对数和反对数电路 5.4 有源滤波器 5.5 电压比较器 返回 5.1 集成运放简介(补充) 采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及 连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完 整的电路。这样一种器件就叫做集成电路。 特点:具有体积小、 重量轻、价格低廉和性能可靠等。 一. 基本结构 u+ u u- 高阻输入级 中 间 级 低阻输出级 输出 u 偏置电路 返回 二. 简单的集成运放 原理电路： + VCC + Rc1 Rc2 Rc3 T4 + T3 ·´ÏàÊäÈë¶Ë u- + T1 T2 uo T5 u ++ ͬÏàÊäÈë¶Ë Is -+ VEE ÊäÈë ¼¶ ÖÐ¼ä ¼¶ Êä³ö¼¶ 返回 集成运算放大器符号 国内符号 同相输入端 uV+ 反相输入端 uV- + £- A ¡Þ + V u o.

第五章 集成放大电路
5.0
集成运放简介(补充)
5.1
比例电路
5.2
基本运算电路
5.3
对数和反对数电路
5.4
有源滤波器
5.5
电压比较器
返回
5.1 集成运放简介(补充)
采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及
连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完
整的电路。这样一种器件就叫做集成电路。
特点:具有体积小、 重量轻、价格低廉和性能可靠等。
一. 基本结构
u+
u
u-
高阻输入级
中 间 级
低阻输出级 输出
u
偏置电路
返回
二. 简单的集成运放
原理电路：
+ VCC
+
Rc1
Rc2
Rc3
T4
+
T3
·´ÏàÊäÈë¶Ë
u- +
T1 T2
uo
T5
u ++
ͬÏàÊäÈë¶Ë
Is
-+ VEE
ÊäÈë ¼¶
ÖÐ¼ä ¼¶ Êä³ö¼¶
返回
集成运算放大器符号
国内符号
同相输入端 uV+
反相输入端 uV-
+
£-
A
¡Þ
+
V
u o 输出端
集成运放的特点：
国际符号
u－
u
+
－
＋
•电压增益高
uo
•输入电阻大
•输出电阻小
返回
集成运算放大器的主要参数
1.输入失调电压UIO
输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，
即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内
部电路对称性的指标。
2.输入失调电压温漂 dUIO /dT
在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变
化量与温度变化量之比值。
返回
3.输入偏置电流IIB ：
输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，
用于衡量差分放大对管输入电流的大小。
I IB  1 I B1  I B 2 
2
4.输入失调电流 IIO ：
在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用
于表征差分级输入电流不对称的程度。
I IO  I B1  I B2
5.输入失调电流温漂dIIO /DT:
在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量
与温度变化量之比值。
返回
6.最大差模输入电压Uidmax
运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,
差分管将出现反向击穿现象。
7.最大共模输入电压Vicmax
在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。
共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失
去共模抑制能力。
返回
8.开环差模电压放大倍数 Aod ：
无反馈时的差模电压增益。
一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。
Uo
Aod 
U  U 
9.差模输入电阻rid ：
双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可
达109欧姆以上。
10.共模抑制比 KCMR ：
KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)
其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。
返回
5.1 特殊集成运算放大器
反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运
放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，
也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算
太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要
求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个
参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以
从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某
些方面的特殊要求。
返回
什么是集成运算放大器？
集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成
的多级放大器。
集成电路的工艺特点：
（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现
需要对称结构的电路。
（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦
以下。
（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。
（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用
直接耦合方式。如需大电容，只有外接。
（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
返回
预备知识：集成运放的两种工作状态
1. 运放的电压传输特性：
设：电源电压±VCC=±10V。
运放的Aod=104
ui
uuoo
+10V
+10V
V
+
£-
A
¡Þ
+U
+Uom
om
uo
+
V
│Ui│≤1mV时，运放处于线性区。
Aod越大，线性区越小，
当Aod →∞时，线性区→0
-1mV 00
-U
-Uom
om
非线性区
+1mV
uui i
-10V
-10V
线性区
非线性区
返回
1、开环电压放大倍数 Aod=∞
2.理想运算放大器：
2、差摸输入电阻 Rid=∞
3、输出电阻
Ro=0
4、共摸抑制比 KCMR= ∞
3. 线性区
为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：
理想运放工作在线性区的条件：
电路中有负反馈！
if
运放工作在线性区的分析方法：
虚短（u+=u-）
虚断（ii+=ii-=0）
ui
Rf
R1
i1
u£u+
£¡Þ
A +
+
uo
返回
4. 非线性区（正、负饱和状态）
运放工作在非线性区的条件：
电路开环工作或引入正反馈！
uo
+10V
ui
V
+
£-
A
¡Þ
+
+Uom
uo
V
ui
0
-Uom
-10V
运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论
返回
5.1 比例运算电路
反馈方式：
5.1.1. 反相比例运算
虚地点
电压并联负反馈
if
因为有负反馈，
利用虚短和虚断
Rf
ui
R1
i1
u£u+
u+ =0
£¡Þ
A +
+
uo
uo
Rf

电压放大倍数: A 
ui
R1
u－=u+=0（虚地）
i1=if （虚断）
uo
ui

R1
Rf
返回
例题1. R1=10k , Rf=20k , ui =-1V。求:uo 、Ri。
说明R0的作用， R0应为多大？
if
特点：
Rf
ui
R1
i1
u£u+
£¡Þ
A +
+
共模输入电压=0
uo
输入电阻小（ Ri=R1）
R0
R0为平衡电阻(使输
入端对地的静态电阻
相等):R0=R1//Rf
（u－=u+=0）
缺点：
Rf
20
Au    
 2
R1
10
uo  Auui  (2)(1)  2V
Ri  R1
返回
返回
采用T型反馈网络的反相比例电路
目的：在高比例系数时，避免R1阻
值太小，使输入电阻太小。
i2
分析：u+=u-=0（虚短）
i1=i2 （虚断）
ui
R1
又 i2  R2  i3  R3
 i2  i1 
 i3 
R2
i4
i3
ui
R2
R u
 i2  2  i
R3
R3 R1
R1
i1
R3
£¡Þ
A +
+
ui
 u0  i2  R2  i4  R4    R2  ( i2  i3 )  R4
R1
ui
ui R2 ui
   R2  ( 
 )  R4
R1
R1 R3 R1
R4
uo
R2  R4
R2 // R4
 Au  
(1 
)
R1
R3
5.1.2. 同相比例运算电路
i1
if
电压串联负反馈
因为有负反馈，
利用虚短和虚断
Rf
R1
u£ui
R
u+
特点：
输入电阻高
缺点：
共模输入电压≠0
（u－=u+=ui）
£¡Þ
A +
+
反馈方式：
uo
u-= u+= ui
i1=if （虚断）
电压放大倍数:
uo
Rf
A   1
ui
R1
返回
0  ui ui  uo

R1
Rf
平衡电阻
R=Rf//R1
5.1.3.电压跟随器
u£ ui
u+
£¡Þ
A +
+
因为有负反馈，
利用虚短和虚断：
ui=u+= u-= uo
uo
此电路是同相比
例运算的特殊情况，
输入电阻大，输出
电阻小。在电路中
作用与分立元件的
射极输出器相同，
但是电压跟随性能
好。
Au=1
返回
5.2 基本运算电路
5.2.1. 加法运算电路
u  u  0
1. 反相加法器：
ui1
R1
ui2
i1
R2
i2
i1 + i2= if
if
Rf
u£u+
£¡Þ
A +
+
uo
R0
虚地
平衡电阻
R0= R1// R2//Rf
ui1 ui2  uo


R1 R2
Rf
Rf
Rf
uo  ( ui1 
ui2 )
R1
R2
若R1 =R2 =R,
Rf
uo   (ui1  ui2 )
R
返回
2.
同相求和运算：
i1
if
R
u£-
ui1
R1 u
+
ui2
R2
Rf
R2
uo  (1  )[(
)ui1
R R1  R2
Rf
£¡Þ
A +
+
uo
u+=u- i1=if
R2
R1
u-= u  (
)ui1  (
)ui 2
R1  R2
R1  R2
R1
(
)ui 2 ]
R1  R2
当R1 = R2 = Rf = R时,
uo  ui1  ui 2
R2
R1
(
)ui1  (
)ui 2
0  u
R1  R2
R1  R2
i1 

R
R
R2
R1
[(
)ui1  (
)ui 2 ]  u0
u   uo
R1  R2
R1  R2
if 

R
R
返回
5.2.2. 减法运算电路
1、差动减法器
uo=u’o+u’’o
叠加原理
R3
Rf
Rf
uo   ui1  (1  )
ui2
R1
R1 R3  R2
ui1作用
Rf
uo   ui1
R1
综合：
Rf R3
若 
R1 R2
ui2作用
R3
Rf
uo  (1  )
ui2
R1 R3  R2
Rf
则有：uo  (ui2  ui1 )
R1
uui1i1 RR1 1
ui1 RR1 1
ui2 RR2
22
ui2 R2R
u i2
RfRf
RRf
f
u£u-£u£¡Þ¡Þ
u££- £AA +¡Þ
uu+ £-£¡Þ
+
+
uu+ + + AA +
++
++
R3
RR3R3
3
uou
uuooo
返回
2、利用加法器和反相比例器
R
ui2
R
u£u+
£¡Þ
A +
+
uOA
if
ui1 R 1
Rf
R2
u£u+
R/2
£¡Þ
A +
+
uo
R0
Rf
Rf
uo  ( ui1  u0A )
R1
R2
R
uoA   ui 2
R
Rf
Rf
Rf
Rf
uo  ( ui1 
( ui2 )) 
ui2  ui1
R1
R2
R2
R1
返回
5.2.3.
积分和微分电路
1. 积分电路
ui
 虚地 i 
R
uc  0  u0  u0
uC
iC
ui
C
i
R
£A
+
¡Þ
uo
+
duc
d ( u 0 )
ic  c
c
R1
dt
dt
du0
1 ui
ui
 c
du 0  
dt

dt
R
C R
1
uO  
u i dt

RC
返回
反相积分器：如果u i=直流电压,输出将反相积分，经
ui
过一定的时间后输出饱和。
1
1

ui t
uo  
u
d
t
i
RC
RC 
uo
求积到饱和值的时间：
U OM
1

uiTM
RC
RCU OM
TM 
 0.05s
ui
t
0
TM
积分时间
0
-Uom
设Uom=15V,ui=+3V,
R=10k ,C=1F
返回
t
练习: 画出在给定输入
波形作用下积分器的输
ui
uC
£A
+
R
2
3
4
5
t
0
¡Þ
uo
+
R1
-2 u01 u
02
-4
u03
-6
1
1
uo  
u
d
t

ui t
i

RC
RC
1
uo1  
 2  t1
RC
1
t
uo
C
i
2
0
出波形。R=10K C=1uF
iC
ui
uo2  0  u01
u04
u05
2
t3  u02
RC
uo4  0  u03
1
uo5  
t5  u04
RC
uo3  
返回
应用举例：输入方波，输出是三角波。
ui
iC
0
t
ui
uo
uC
C
i
£A
+
R
¡Þ
uo
+
R1
0
t
返回
2.
u-= u+= 0
微分电路：
du i
iC  C
dt
0  u0
i
R
i
ui
R
iC
£A
+
C
¡Þ
+
uo
uO  i R
i  iC
R1
dui
uo   RC
dt
返回
例： ui  si nt ,求uo。
i
ui
R
iC
£A
+
C
¡Þ
ui
uo
+
t
0
R1
uo
dui
uo   RC
dt
uo  RC cost
t
0
 RC sin(t  90 )

90°
返回
*5.3 对数和反对数运算电路(选讲)
5.3.1. 对数电路
利用PN结的指数特性实现对数运算
iD  I Se
u D /uT
ui
id  i 
R
uO  uD
id
uD  uTln
IS
R1
ui
id
ui
  uTln   uTln
IS
RI S
id
D
¡Þ
£A +
+
i
uo
R
返回
用三极管实现对数运算
BJT的发射结有
iC  iE  I S (e
uBE
uBE
uT
T
)  IS  e
iC
 uT ln
IS
ic
uT
ui
R
i
利用虚短和虚断，有
 uO   uBE
uBE
ui
iC  i 
R
iC
  uTln
IS
ui
  uT ln
IS R
¡Þ
£A1 +
+
uo
注 意 ： ui 必 须 大 于
零，电路的输出电
压小于0.7V
返回
5.3.2. 反对数（指数）电路
uO  iR  id R
  RISe
i
R
ui / uT
D
ui
ui
  RI S ln
uT
1
¡Þ
£A +
+
id
uo
R
返回
用三极管实现反对数运算电路
R
利用虚短和虚断，电路有
ui  uBE
iF  iE  I S  e
uBE
if
ui
uT
T i
e
uO   iF R
uO   I S R  e
要求
ui
uT
¡Þ
£A4 +
+
uo
uO是ui的反对数运算（指数运算）
u i  u BE  0.7V
以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路
返回
*5.4 有源滤波电路
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。
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）
返回
各种滤波器理想的幅频特性：
（1）低通
（2）高通
|A|
|A|
A0
A0
0
通带 阻带
ωC
ω
阻带
0
通带
ωC
（1）带通
|A|
（1）带阻
|A|
A0
A0
阻
通 阻
ωC2
0 ωC1
ω
通 阻 通
ωC2
0 ωC1
ω
ω
返回
滤波器的用途
滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成
分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含
一些较高频率成分的干扰。
返回
一. 低通有源滤波器
1. 一阶RC低通滤波器(无源)
+
传递函数：
1
uO
j C
A

1
ui
R
j C
1
1



1  jRC
1 j
+
+
ui
A
+
C uo
-
+
+
1
截止频率：  H  RC
H
幅频特性：
R
1
 2
1 ( )
H
返回
幅频特性： A 
1
 2
1 ( )
H
+
+
+
ui
R
-
|A|
+
C uo
+
此电路的缺点：
0.707
1
+
1、带负载能力差。
0
H

截止频率
2、无放大作用。
3、特性不理想，边沿不陡。
返回
2.一阶有源低通滤波器
u  (
Rf
R1
ui
u£-
R
u+
£A
+
¡Þ
+
1

1 j
H
uo  (1 
uo
uo  (1 
C
)ui
Rf
R1
Rf
)u 
R1
1
)(
1 j

H
) ui
Rf
AO
1
uO
)
 (1  )(
) (
传递函数： A 

R1 1  j 
ui
1 j
Rf
通带增益：Ao  1 
R1
H
H
1
)
截止频率：  H  (
RC
返回
幅频特性及幅频特性曲线
Rf
传递函数：
R1
Rf
1
uO
 (1  )(
)
A
R1 1  j 
ui
A  (1 
Rf
R1
)
R
ui
H
幅频特性：
1
 2
1 ( )
H
1
H 
RC
缺点：阻带衰减太慢。
u£u+
¡Þ
£A +
+
uo
C
|A|
0.707 1+Rf/R1
1+Rf/R1
0
H

返回
3.二阶有源低通滤波器
Rf
R1
ui
u£ -
um
R
u+
R
C
C
¡Þ
£A +
+
uo  (1 
Rf
R1
)u  AO  u
ui  u m u m  u  u m  u o


1
R
R
uo
j C
1
j C
u 
 um
1
R
j C
AO
uO

传递函数： A 
2
1

(3
A
)j

CR
－
(

CR
)
ui
O
AO

1
1
 2
 2


Q

H
1  ( )  j(
)
RC
3

A
O
H
 HQ
返回
幅频特性及幅频特性曲线
A
Ao
 22
 2
[1  (
) ] (
)
H
HQ
1
Q
3  AO
当 Ao＜3时，滤波器可
以稳定工作 。 此时特性
与Q有关。当Q=0.707时，
幅频特性较平坦。
当f＞＞fL时，幅频特性
曲线的斜率 为-40dB/dec。
当Ao≥3时，源滤波器自激。
返回
二. 高通有源滤波器
1.一阶有源高通滤波器
u  (
Rf
R1
ui
u£u+
C
¡Þ
£A +
+
uo
R
1
)ui  (
)ui
1
1
R
1 j
j C
RC
uo  (1 
Rf
R1
)u  AO  u
R
AO
uO
Rf
1
)
传递函数： A 
 (1  )(
) (
L
R1 1  j  L
ui
1 j
Rf
通带增益：Ao  1 
R1


1
)
截止频率：  L  (
RC
返回
幅频特性及幅频特性曲线
传递函数：
Rf
R1
uO
Rf
1
A
 (1  )(
) ui
R1 1  j  L
ui

u£u+
C
¡Þ
£A +
+
uo
R
幅频特性：
A  (1 
Rf
R1
)
1
L 2
1 ( )

1
L 
RC
缺点：阻带衰减太慢。
|A|
1+Rf/R1
0.707(1+Rf/R1)
0
L

返回
5.5 电压比较器
u0
U0M
5.5.1、过零电压比较器
ui
-U0M
5.5.2、单限电压比较器
5.5.3、滞回电压比较器
ui
u0
1、过零电压比较器
ui
U0M
u0
u0
ui
-U0M
返回
2、单限电压比较器
u0
(VZ+UD)
ui1
uR
u0
VZ
uR ui1
-(VZ+UD)
3、滞回电压比较器
ui1
u0
R
R1
u0
+(VZ+UD)
uTH-
R2
Rf
VZ
+(VZ+UD)
uTH+ ui
-(V +U )
Z
D
返回
ui1
(VZ+UD)
R
R1
返回
u0
uTH-
R2
u0
Rf
VZ
+(VZ+UD)
uTH+ ui
-(V +U )
Z
D
Ｒf、R2将输出电压uo取出一部分反馈到同相输入端，
从而引入了正反馈。电路的工作原理如下：
1、当ui由小逐渐增大，开始时，由于u－＝ui＜u＋，故输出
高电平，即 uo＝＋（Vz＋UD）
R2
＝
U z ＋U D ＝UTH＋
此时同相输入端的电位为 u＋
R2＋R f
 时，电路状态发生翻转，输出低电
２、当ui增大到使 u－ ＞u＋
平，即 uo＝－（Vz＋UD）
R2
 ＝－
U z ＋U D ＝UTH－
此时同相输入端的电位为 u＋
R2＋R f
(VZ+UD)
R
ui1
R1
u0
u0
uTH-
R2
＝
u＋
Rf
VZ
+(UZ+UD)
uTH+ui
-(V +U )
Z
D
R2
U z ＋U D ＝UTH＋
R2＋R f
 ＝－
u＋
R2
U z ＋U D ＝UTH－
R2＋R f
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本章小结
1．集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等
多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工
作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，
“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。
2．集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频
率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，
对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的
使用方法，是要求的重点。
3．有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段
的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和
提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、
带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。
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