5-2集成运算放大器

1、5.2 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路运算放大器是利用半导体集成工集成电路运算放大器是利用半导体集成工艺制作在一块硅片上的具有高电压增益、高输艺制作在一块硅片上的具有高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路多级直接耦合放大电路，由于它可用于信号运算，故称为集成电路运算由于它可用于信号运算，故称为集成电路运算放大器，简称放大器，简称集成运放集成运放或或运放运放。1. 集成运放的符号集成运放的符号 反相输入端反相输入端N()：该端输入信号的极性和该端输入信号的极性和输出信号相反输出信号相反同相输入端同相输入端P()：该端输入信号的极性和该端输入信号的极性

2、和输出信号相同输出信号相同输出端输出端OVNPOAvvv)( 5 V-7 VVAvvvVO2 . 110)57( )(58 V双端输入双端输入反相端输入反相端输入VvO8 . 01085 8 V同相端输入同相端输入VvO8 . 01085 5mV-7mV为负供电电源值为负供电电源值输出饱和，输出饱和，Ov2. 集成运放外观形式集成运放外观形式 v 双列直插式双列直插式v 圆壳式圆壳式v 扁平式扁平式国产运放国产运放F004管脚功能及电路使用管脚功能及电路使用3. 集成运放的分类集成运放的分类 高压型低功耗型高速型高精度、低漂移型高输入阻抗型专用型通用型1. 1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍

3、数A Aidid= ，实际上，实际上A Aidid80dB80dB即可。即可。2. 2. 差模输入电阻差模输入电阻R Ridid= ，实际上，实际上R Ridid比输入端外电路的电比输入端外电路的电 阻大阻大2 23 3个量级即可。个量级即可。3. 3. 输出电阻输出电阻R Rioio=0=0，实际上，实际上R Rioio比输出端外电路的电阻小比输出端外电路的电阻小2 23 3个量级即可。个量级即可。4. 4. 带宽足够宽。带宽足够宽。5. 5. 共模抑制比足够大。共模抑制比足够大。5.2.35.2.3 理想运算放大器的特性理想运算放大器的特性1 1 理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件实

4、际上在做一般原理性分析时，产品运实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。指标明显下降即可。2 运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性U+-U-UO+UO(sat)-UO(sat)在线性区)(UUAUodO假设：5102odAv14maxOU线性区很窄v70UU 1集成运放两个输入端之间的电压通常接近于集成运放两个输入端之间的电压通常接近于零，即零，即vI=v+-v-0，若把它理想化，则有，若把它理想化，则有vI0，但，但不是短路，故称为不

5、是短路，故称为虚短虚短。 2集成运放两输入端几乎不取用电流，即集成运放两输入端几乎不取用电流，即iI0，如把它理想化，则有如把它理想化，则有iI=0 ，但不是断开，故称，但不是断开，故称虚虚断断。3 理想运算放大器的特性 理想运算放大器具有理想运算放大器具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。路十分有用。为了保证线性运用，运算放大器为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作必须在闭环下工作( (引入反馈引入反馈) )。 线性应用特征：线性应用特征：集成运放带深度负反馈，或集成运放带深度负反馈，或兼有正负反馈但

6、以负反馈为主；集成运放输出量兼有正负反馈但以负反馈为主；集成运放输出量和和净输入量净输入量成线性关系，其输入端既成线性关系，其输入端既虚短虚短又又虚断虚断。5.3 集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器的基本运算电路 1. 比例运算电路比例运算电路0vv输输入入端端“虚虚短短”(1) 反相输入的比例运算电路反相输入的比例运算电路SfOfOSvRRvRvRv 00:输入端“虚断”点为“虚地”点为“虚地”称称N0v输入端“虚断”输入端“虚断”P123习题习题5.12电压并联负反馈电压并联负反馈 N(2) 同相输入的比例运算电路同相输入的比例运算电路Svvv输入端“虚短”输入端“虚短”SfOfO

7、sSvRRvRvvRv)1(0: 输入端“虚断”Svv 输入端“虚断”输入端“虚断”Rf 电压串联负反馈电压串联负反馈2. 加法电路加法电路0v由虚断有由虚断有)(2211SfSfOvRRvRRv fossRvvRvvRvv2211则：则：)(2121SSOfvvvRRR ，则若(1) 反相输入的加法电路反相输入的加法电路0v由虚短有由虚短有方法方法2运用叠加定理)(2211SfSfOvRRvRRv 1120SfOSvRRvv ，则：令2210SfOSvRRvv ，则：令)(2121SSOfvvvRRR ，则若(1) 反相输入的加法电路反相输入的加法电路P123习题习题5.13(2) 同相输入

8、的加法电路同相输入的加法电路电路如图所示，求电路如图所示，求vO的表达式。当的表达式。当R1R2R3Rf时，时， vO？vRRvfO)1 (3电电路路得得：由由同同相相比比例例运运算算2121321)(2122SSSSOfvvvvvvRRRR则则，若若22111212SSvRRRvRRRv理得：理得：输入端虚断，由叠加原输入端虚断，由叠加原P123习题习题5.153. 减法电路减法电路(1) 利用加法电路实现减法运算利用加法电路实现减法运算11111111SOfSfOvvRRvRRv ，则，若211222)(SSOSOfvvvvvRR ，则若)(122222OfSfOvRRvRRv (2) 利

9、用差动输入实现减法运算利用差动输入实现减法运算运用叠加定理1120SfOSvRRvv ，则：，则：令令232310sSvRRRvv运放输入端“虚断”运放输入端“虚断”令令2323111)1 (sffOvRRRRRRvRRv23231111SfSfOvRRRRRRvRRv 12321SSOfvvvRRRR，则则：若若P123习题习题5.15思考题思考题:电路如图所示电路如图所示,试计算试计算Vo的值。的值。5.3.3积分和微分电路积分和微分电路1. 积分电路积分电路根据虚地有：根据虚地有： 反相积分运算电路反相积分运算电路RviitvRCtiCvvddiCCO11当输入信号是阶跃直流电压当输入信

10、号是阶跃直流电压VI时时,tRCVtvRCvvIiCOd1在给定输入波形作用下积分器的输出波形在给定输入波形作用下积分器的输出波形注意：注意：当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻 R 两端无两端无电位差，因此电位差，因此 C 不能放电，故输出电压保持不变。不能放电，故输出电压保持不变。(a) 阶跃输入信号阶跃输入信号 (b)方波输入信号方波输入信号 积分器的输入和输出波形积分器的输入和输出波形2 2 微分电路微分电路

11、tvRCtvRCRiRivddddICCRO思考题思考题：设：设A1、A2均为理想运放。试求电均为理想运放。试求电路的输出电压路的输出电压uo的表达式的表达式。 dtURRRRRRRRURRURRRCUififif)(1 ()(132121434211101. 电压比较器电压比较器比较器的作用是比较输入电压比较器的作用是比较输入电压vI和参考电压和参考电压VREF的大的大小，并根据比较结果输出高电平或低电平。比较器小，并根据比较结果输出高电平或低电平。比较器可 应 用 于 越 限 报 警 、 模 数 转 换 和 波 形 变 换可 应 用 于 越 限 报 警 、 模 数 转 换 和 波 形 变

12、换等场合。等场合。非线性应用：非线性应用：集成运放处于开环或带正反馈状态，集成运放处于开环或带正反馈状态，它它的输出量和净输入量成非线性关系的输出量和净输入量成非线性关系，输出量为正饱和，输出量为正饱和值 或 负 饱 和 值 ， 运 放 输 入 端值 或 负 饱 和 值 ， 运 放 输 入 端 不 具 有 虚不 具 有 虚短或虚地特性短或虚地特性(仍有虚断特性仍有虚断特性)。5.4 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性U+-U-UO+UO(sat)-UO(sat)在线性区)(UUAUodO在非线性区OHOOOLOVVUUVUUVVUU :0

13、: :(1) 单门限电压比较器单门限电压比较器(a) 同相输入单门限电压比较器同相输入单门限电压比较器) ( :高高电电平平、正正饱饱和和值值输输出出为为OHOREFIVvVVVv) ( :低低电电平平、负负饱饱和和值值输输出出为为OLOREFIVvVVVv0 :OREFIvVVVv OHOREFIOREFIOLOREFIVvVvvVvVvVv :0 : :比较器输出电压比较器输出电压vO发生发生电平跳变时相应的输入电平跳变时相应的输入电压电压vI值称为值称为门限电压门限电压或或阈值电压阈值电压Vth(b) 反相输入单门限电压比较器反相输入单门限电压比较器 OLOREFIOREFIOHOREF

14、IVvVvvVvVvVv :0 : :如果门限电压如果门限电压Vth0，这种比较器称为这种比较器称为过零比过零比较器较器。(c) 过零比较器过零比较器 OHOIOIOLOIVvvvvVvv :00 :0 :0单门限电压比较器的缺点单门限电压比较器的缺点VoVoHVoLVT-VT+Vi0双门限双门限(滞回滞回)电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性VT+ ：上限阈值上限阈值VT- ：下限阈值下限阈值VT= VT+ VT- ：回差电压回差电压(2) 滞回比较器（施密特触发器）滞回比较器（施密特触发器）电压串联电压串联正反馈正反馈OLOIOIOHOIVvvvvvvVvvv :0 : :212211

15、RRvRRRVRvOREF由叠加原理得：由叠加原理得：运放输入端“虚断”，运放输入端“虚断”，212211212211RRVRRRVRVRRVRRRVRVOLREFTOHREFT 下门限电压：下门限电压：上门限电压：上门限电压：212)( RRVVRVVVOLOHTTT ：门限宽度或回差电压为VVVVVVVVVVVVRkRTTTOLOHREF1 . 094. 004. 155 11001021 、，则：、，同时设、(c) 传输特性传输特性 TthOHOIVVVvv，则则设设电电路路初初始始状状态态为为0:vI上升，直到上升，直到vIVT， vO由高电平跳变到低电平：由高电平跳变到低电平： Vt

16、h VT5V1.04V5V0.94V此后若此后若vI继续增大，继续增大， vO则则维持低电平不变维持低电平不变vO为低电平，为低电平，Vth VT5V0.94V若若vI下降，则当下降，则当vI VT时，时， vO由低电由低电平跳变到高电平，平跳变到高电平， Vth VT5V1.04V此后若此后若vI继续减少，继续减少， vO则维持高电平不变则维持高电平不变例例 题题电路如图所示，试画出电路的传输特性电路如图所示，试画出电路的传输特性VVRRVRVVVRRVRVZTZT520201020520201020212212 工作在开环或正反馈状态。工作在开环或正反馈状态。 开关特性，因开环增益很大，比

17、较器的输出开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。只有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性，因是大幅度工作，输出和输入不成非线性，因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。线性关系。比较器的基本特点：比较器的基本特点：4. 集成运放的主要参数集成运放的主要参数(1) 静态参数静态参数(a) 输入失调电压输入失调电压VIO(input offset voltage)是表征运放内部电路对称性的指标。是表征运放内部电路对称性的指标。(110)mV，越小越好越小越好(b) 输入偏置电流输入偏置电流IIB (input bias current)输入电压为零时，运放两个输入端

18、静态偏置电流的输入电压为零时，运放两个输入端静态偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 10nA1 A，越小越好越小越好。(c) 输入失调电流输入失调电流 IIO (input offset current)在输入电压为零时，运放两个输入端静态偏置电在输入电压为零时，运放两个输入端静态偏置电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 1nA0.1 A，越小越好越小越好。(d) 输入失调电压温漂输入失调电压温漂 VIO/ T在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的在规定工作温度范围内，输入

19、失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值，是衡量电路温漂的变化量与温度变化量之比值，是衡量电路温漂的重要指标。重要指标。 (1020) V/，越小越好越小越好。(e) 输入失调电流温漂输入失调电流温漂 IIO/ T在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变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，是衡量电路温漂的重要化量与温度变化量之比值，是衡量电路温漂的重要指标。指标。 几个几个pA/，越小越好越小越好。(f) 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax(maximum differential mode input voltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此运放两输