1、模块5 集成运放及其应用 集成电路是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，将电阻、电容、二极管、三极管等电路中的元器件制造在一块半导体基片上，构成一个完整的电路，与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠、安装方便、价格便宜等特点，因而它逐渐取代了分立元件电路而被广泛应用于各个领域。按功能划分，集成电路有数字集成电路和模拟集成电路两大类，前者用于数字系统，后者用于产生、放大、加工各种模拟信号或者进行模拟信号与数字信号的转换。模拟集成电路种类较多，有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压器、集成模拟和数字转换器等多种。其中集成运算
2、放大器（简称集成运放）是应用最广泛的一种。v5.1 集成运算放大器的组成及性能参数v5.2 电流源电路v5.3 差动放大电路v5.4 理想运放v5.5 集成运放的应用5.1 集成运算放大器的组成及性能参数5.1.1 集成运放的组成集成运放的组成 集成运算放大器电路符号如图所示，图中“”表示信号的传输方向，“”表示理想条件，两个输入端中，N端称为反相输入端，用符号“”表示，说明如果输入信号由此端加入，由它产生的输出信号与输入信号反相，P端称为同相输入端，用“+”表示，说明输入信号由此加入，由它产生的输出信号与输入信号同相。从原理上说，集成运放实质上是一个具有高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的直
3、接耦合多级放大电路。集成运放其内部电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图所示。对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路，如温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。输入级：集成运放的输入级通常由差动放大电路组成，为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路常采用达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输人放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。中间级：运算放大器的总增益主要是由中间级提供的
4、，因此，要求中间级有较高的电压放大倍数。中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。输出级：输出级应具有较大的电压输出幅度、较高的输出功率与较低的输出电阻的特点，并有过载保护，一般采用准互补输出级。偏置电路：偏置电路的作用是给各级电路提供所需的静态工作电流，它有各种电流源电路组成。5.1.2 集成运算放大器的性能参数集成运算放大器的性能参数1开环差模电压增益 2输入失调电压3输入失调电流4输入偏置电流5差模输入电阻和输出电阻6温度漂移(1)输入失调电压温飘(2)输入失调电流温漂7共模抑制比8最大共模输入电压9最大差模输入电压5.2 电流源电路电流源电路 在集成电路的制
5、作工艺中，在硅片上制作各种类型的晶体管比制作电阻容易的多，所占用的硅片面积也小的多，所以集成电路中的三极管除了作放大管外，大量的被用作恒流源或有源负载，为放大管提供合适的静态工作点及提高放大器的放大倍数。电流源是模拟集成电路中应用十分广泛的单元电路。在集成运放中的电流源为放大电路提供稳定的偏置电流，同时作为放大电路的有源负载，提高放大电路的增益。常见的电流源电路有镜像电流源电路、比例电流源电路和微电流源电路几种。5.2.1 镜像电流源镜像电流源 如图所示的电路就是典型的镜像电流源电路。设三极管T1、T2参数完全相同IIIIIIRCBCBC()EF12222125.2.2 比例电流源比例电流源
6、在镜像电流源电路中，若增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。BE1E1e1BE2E2e2UI RUI RBE1BE2UUE1e1E2e2I RI RC2e1REFe2IRIR5.2.3 微电流源微电流源 微电流源电路如图所示，通过接入电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用于微功耗的集成电路中，由图可知BE1BE2BEC2E222eeUUUIIRRBEU2eR由于的数值很小，故用阻值不大的即可获得微小的工作电流，故称为微电流源。5.3 差动放大电路差动放大电路 差动放大电路又叫差分放大电路，它是另一类基本放大电路，它能有效的减小由于电源波动和晶
7、体管随温度变化而引起的零点漂移，因而获得广泛的应用，特别是大量的应用于集成运放电路，作为多级放大器的前置级。5.3.1差动放大电路的静态分析差动放大电路的静态分析120iiuuEEV若输入信号为零，即时，放大电路之间有方程：处于静态，其直流通路如图6所示。由于电路完全对称，由地到负电源1102()0BEEeEEUI RV 112EEBEEeVUIR12EEEeVIR1EEBEVU2112EECCEeVIIIR121CBBIII所以：当时两管的静态工作点：10EBEUU2111111CECECCCCECCCCBEUUVR IUVR IU0120CCUUU1212EEeIIIeIeROU两管发射极
8、电位为：所以 故输出电压：由上述分析看出，求解差动式放大电路的静态工作点，关键是求出两管的发射极电流。根据电路对称性有为中的电流。当输入信号为零时，基本差动放大电路的输出信号电压也为零。5.3.2差动放大电路差模信号的动态分析差动放大电路差模信号的动态分析21iiuu1ci2ci21ccii21EEii0EieReR1双端输入、双端输出差模放大电路分析当差动电路输入差模信号时，即由于电路对称，集电极电流的增加量和的减小量相同，即所以上不存在差模信号。可视为短路。可见在差模输入情况下差摸交流通路如图所示。（1）差模电压放大倍数双端输入、双端输出时，差模电压放大倍数为：beCioiiooidoud
9、rRuuuuuuuuA21212122LR2/LCLbeLudRRRrRA当两个输出端之间接有负载时（2）输入电阻和输出电阻beidrR22ocRR2双端输入、单端输出差模电压放大倍数1111211222oocududiiibeuuRAAuuur beLudrRA21LCLRRR/输出端接负载后，电压放大倍数为（）5.3.3差动放大电路共模信号的动态分析差动放大电路共模信号的动态分析12iiicuuu12ccii 12EEii 12EEii 2eREeuI R 2eR1双端输入、双端输出的共模电压放大倍数和共模抑制比当基本放大电路的两个输入端接入共模信号，即时，因两管的电流增加量（或减小量）相
10、同所以射级接上其交流通路如图所示。即对每管而言相当于每个的电阻，120ocococuuu120ocococucicicuuuAuu由于电路对称，其输出电压其双端输出的共模电压放大倍数为CMRkudCMRucAkA0ucA差动放大电路能够放大差摸信号，抑制共模信号。所以差动放大电路的一个重要指标是对共模信号的抑制能力，通常用共模抑制比来表示，由共模抑制比的定义可得双端输入、双端输出的基本差动放大电路的共模电压放大倍数在理想情况下（电路完全对称）为零，即1(/)2(1)ocLuccLiceuRARRRuR 11(/)2LuccLeRARRRR 11udeCMRucbeARkAr2双端输入、单端输出
11、的共模电压放大倍数和共模抑制比。双端输入、单端输出时共模交流通路如图所示。共模电压放大倍数为由于上式可简化为由此可得单端输出时共模抑制比的表达式为1(1)222icicbeebuRrRi1(1)2icbeeRrR从共模输入的交流通路可以看出，电路的输入电阻为从单个管子看进去的等效输入电阻为11udeCMRucbeARkAreReReeVeR对于单端输出的差动放大电路，从式可以看出，要提高共模抑制比，应当提高而集成电路中不易制作大电阻值的电阻，若静态是不现实的。如果采用恒流源来代替电阻的数值。工作状态不变，加大还将会增加其直流压降，这就需要相应提高电源的数值，而采用过高的电源就可以解决这些矛盾，
12、图a所示电路，就是一个具有恒流源的差动放大电路，将电流源简化，其电路由图b所示，从恒流源的特性可知，它的交流等效电阻很大，而直流压降却不大。这样可大大提高共模抑制比，在集成电路中广泛应用。5.3.4带恒流源的差动放大电路带恒流源的差动放大电路图中，设BE3DuU33232C33333132ebbRRREEDeeebbUUUIVURRRRR12312CCCIII则(a)(b)5.4 理想运放理想运放 集成运放是一种通用性很强的有源器件，它不仅可以用于信号的运算、处理、变换和测量还可以用来产生正弦或非正弦信号，不仅在模拟电路中得到广泛应用，而且在脉冲数字电路中也得到日益广泛的应用，因此，它的应用电
13、路品种繁多，为了分析这些电路的原理，必须首先了解运放的基本特性。uoA idR 0oRBW RS CMRk 为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际运放当作理想运放看待。所谓理想运放是指具有如下理想参数的运放：2输入电阻3输出电阻4带宽，转换速率5共模抑制比5.4.1理想集成运算放大器理想集成运算放大器1开环差模电压放大倍数5.4.2理想运放的传输特性理想运放的传输特性/ooduuuAodA ouuuidu 0ii工作在线性区域的理想运放具有两个重要特性：1理想运放两个输入端的电位相等。因为而为有限值，故有：2理想运放的输入电流为零，这是由于故可以认为两个输入端不取电流，所
14、以有：这两条特性大大简化了运放应用电路的分析过程，是分析运放工作在线性区域的各种电路的基本依据。这种特性称为“虚短”特性。这种特性称为“虚断”特性。5.4.3集成运放的基本组态集成运放的基本组态 由于集成运放有两个输入端，因此按输入接入方式不同，可有两种基本放大组态，即反相放大器组态和同相放大器组态。另外，有前两种组态组合而成的另一种基本组态差动放大组态，它们是构成集成运放系统的基本单元。5.5集成运放的应用集成运放的应用1比例运算电路 实现输出信号与输入信号成比例关系的电路，称为比例运算电路。根据输入方式的不同，可分为同相比例运算电路和反相比例运算电路。5.5.1基本运算电路基本运算电路反相
15、比例运算电路 同相比例运算电路 1foiRuuR 21foiRuuR2求和运算电路 输出量是多个输入量按照一定比例相加的结果，称为求和运算，或者称为比例求和。用运放实现求和运算，可以采用反相输入求和电路、同相输入求和电路和双端输入求和电路来实现。反相求和运算电路 同相求和运算电路 12oiiuuu 12oiiuuu0uu0iiR积分运算电路如图所示。根据虚短和虚断的概念可知：。那么通过电阻通过电容C的电流,输出电压等于电容两端的电压。3积分与微分运算电路的电流就等于积分运算电路 微分运算电路 001toicttuu dtuRC cioRCduduui Ri RRCRCdtdt 利用PN结伏安特
16、性所具有的指数规律，将二极管或者三极管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路，可以实现对数运算和指数运算，5.5.2 对数和指数运算电路对数和指数运算电路 采用二极管的对数运算电路 采用三极管的对数运算电路 lnlnCioBETTSSiuuuUUII R lnlniDoDTTSSuiuuUUII R 指数运算电路BETuUoRSui RI eR 集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的器件，它广泛用于乘法、除法、乘方和开方等模拟运算，同时也广泛用于信息传输系统作为调幅、解调、混频、鉴相和自动增益控制电路，是一种通用性很强的非线性电子器件，目前已有多种形式、多品种的单片集成电路，同时它也是现代一些专
17、用模拟集成系统中的重要单元。5.5.3模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用模拟乘法器的符号 ouKoXYuu u 模拟乘法器通常有两个输入端ux 和uy及一个输出端 1乘法器的工作原理乘法器的工作原理且满足关系式：的增益系数，一般K值大于零，单位为V-1其中，K称为模拟乘法器 根据两个输入电压的不同极性的限制，乘法器可以有四象限乘法器(即两个输入电压可正、可负)、二象限乘法器（即要求一个输入电压为单极性，另一个输入电压可正、可负）和单象限乘法器（即两个输入电压均为单极性）。模拟乘法器原理图 CoXbeRuurTTE1C3211bebbUUrrIIC3C3TT2 12CCoXXR IR Iuuu
18、UU3YBEuU3CYEuIRT2CoXYXYERuu uKu uR UT2CERKR U当时 将乘法器放在反相放大器的反馈支路中便构成除法运算电路，如图所示。2乘法器的应用电路乘法器的应用电路（1）除法运算112fioiRuuKRu 将模拟乘法器的两个输入端输入相同的信号就构成了平方运算电路，如图所示。（2）平方运算2oiuKu除法运算电路 平方运算电路 平方根运算电路如图所示，由图可知，它是除法电路的一个特例，即将除法电路中乘法器的两个输入端都接到运放的输出端，就组成了平方根运算电路。（3）平方根运算211ffziooiRRuuKuuuRR K 有源滤波器（有源滤波器（APF）是一种用于动
19、态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。5.5.4有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号得电子装置。有源滤波器是由有源器件构成的滤波器。由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波电路主要有以下优点：体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽；电路中的集成运放可以加串联负反馈，使输入电阻高，输出电阻低；除起有源滤波作用外，还可以放大
20、，而且放大倍数容易调节。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）。1有源滤波器的特点和分类 低通滤波器（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合整流后滤波。低通滤波器的主要技术指标有通带增益和通带截止频率。通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零；通带截止频率的定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻
21、带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。2低通滤波器 一阶低通滤波器电路 二阶LPF的电路图 有源高通滤波器（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合阻容放大器的耦合，有源高通滤波电路图如图所示。3高通滤波器 带通滤波器只允许某一频段内的信号通过，因此，它具有两个截止频率（即上限截止频率和下限截止频率），只要将高通滤波电路和低通滤波电路进行适当组合，即可获得带通滤波电路。图5-49为二阶有源带通滤波电路 4带通滤波器有源高通滤波 有源带通滤波电路 电压比较器是一种常用的模拟信号处理电路。它将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种
22、可能的状态：高电平或低电平。在自动控制及自动测量系统中，常常将比较器应用于越限报警、模数转换以及各种非正弦波的产生和变换等等。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1或0，因此，可以认为比较器是模拟电路和数字电路的“接口”。由于比较器的输出只有高电平或低电平两种状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。从电路结构来看，运放经常处于开环状态，使用时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速，以提高比较精度，也在电路中引入正反馈。常用的电压比较器有：过零比较器、单限比较器和滞回比较器等。下面分别进行介绍。5.5.5电压比较器电压比较器0REFUiu电路如图(a)所示，其传输特性如图
23、(b)所示。1过零比较器则输入信号电压每次过零时，输出就要产生突然的变化，这种比较器称为过零比较器若参考电压(a)(b)单限比较器是指只有一个门限电平的电压比较器，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。单限比较器可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定的电平。2单限比较器 单限电压比较器的作用是用来比较输入电压和参考电压，电路如图(a)所示，其传输特性如图(b)所示。(a)(b)单限比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变。如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。为了解决以上问题，可以采用具有滞回传输特性的比较器。称为滞回电压比较器，其电路如图(a)所示。图(b)为输入是正弦波时输出波形图。3滞回比较器(施密特触发器)(a)(b)
