6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响
DESCRIPTION
第六章 集成运算放大器及其应用电路. 6.1 集成运放应用电路的组成原理. 6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响. 6.3 高精度和高速宽带集成运放. 6.4 集成电压比较器. - +. A. Z f. i. Z 1. v s1. v o. v s2. 6.1 集成运放应用电路的组成原理. 根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。. 线性应用电路. 组成： 集成运放外加深度负反馈。. 因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
6.2 6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响集成运放性能参数及对应用电路的影响
6.4 6.4 集成电压比较器集成电压比较器
6.3 6.3 高精度和高速宽带集成运放高精度和高速宽带集成运放
6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原集成运放应用电路的组成原理理
第六章 集成运算放大器及其应用电路 第六章 集成运算放大器及其应用电路
6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。
线性应用电路
-
+A
Z1
Zf
vovs1
vs2
i
Z1 或 Zf 采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。
Z1 或 Zf 采用线性器件 (R 、 C) ，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。
组成：集成运放外加深度负反馈。
因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。
非线性应用电路 -
+A
vovI
VREF组成特点：运放开环工作。
由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。
6.1.1 6.1.1 集成运放理想化条件下两条重要法则 集成运放理想化条件下两条重要法则
理想运放
dvA
diR
0d oR
CMRK
BW失调和漂移 0
推论
diR
0d
o vA
vvv因
则 vv
因则 0i
vv
说明：
0i
相当于运放两输入端“虚短路”。 虚短路不能理解为两输入端短接，只是 (v–-v+)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。
同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。
相当于运放两输入端“虚断路”。
实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。
集成运放基本应用电路 反相放大器
-
+AR1
Rf
+-
vsvo
if
i1类型：电压并联负反馈
vv因 则 0v反相输入端“虚地”。
0i因 则 f1 ii
1
s
1
s1 R
v
R
vvi
f
o
ff R
v
R
vvi o
由图
输出电压表达式： svR
Rv
1
fo
输入电阻 1i RR
输出电阻 0o R
因 0v
因深度电压负反馈 ，
同相放大器
-
+AR1
Rf
+-vs
vo
if
i1类型：电压串联负反馈
vv因 则 svv
注：同相放大器不存在“虚地”。0i因
1
s
11
0
R
v
R
vi
f
os
ff R
vv
R
vvi o
由图
输出电压表达式： vR
Rv
R
Rv s )1()1(
1
f
1
fo
输入电阻 iR
输出电阻 0o R因深度电压负反馈 ，
0i因
则 f1 ii
同相跟随器
-
+A
+-vs
vo由图得 so vvv
vv因
由于 1f vA iR 0o R
所以，同相跟随器性能优于射随器。 归纳与推广 当 R1 、 Rf 为线性电抗元件时，在复频域内：
)()(
)()( s
1
fo sv
sZ
sZsv 反相放大器
)(])(
)(1[)( s
1
fo sv
sZ
sZsv 同相放大器
拉氏反变换 )t(ov得
注：拉氏反变换时 td
ds t
1d
s
加、减运算电路 加、减运算电路 反相加法器
6.1.2 6.1.2 运算电路运算电路
-
+AR2
Rf
+-
vs2vo
if
i2
R1i1
+-
vs1
vv因 则 0v
0i因 则 f21 iii
f
o
2
s2
1
s1
R
v
R
v
R
v即 整理得 2
2
f1
1
fo ss v
R
Rv
R
Rv
说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采 用叠加原理进行分析。 令 vs2=0 则 1
1
fo1 svR
Rv
令 vs1=0 则 22
fo2 svR
Rv
2o1oo vvv 例如
同相加法器
-
+A
R2
Rf
+-
vs1
voR1
+-vs2
R3
利用叠加原理：
21
2s1
21
1s2
RR
vR
RR
vRv
则 vR
Rv )1(
3
fo
))(1(21
2s1
21
1s2
3
f
RR
vR
RR
vR
R
R
减法器 Rf
-
+A
R3
vs1voR2
vs2
R1令vs2=0 ，
则
11
fo1 svR
Rv
令vs1=0 ， 32
23
1
fo2 )1(
RR
vR
R
Rv s
2o1oo vvv 11
fsvR
R
32
23
1
f )1(RR
vR
R
R s
积分和微分电路 积分和微分电路
t
)( os
d
vdC
R
v
有源积分器
-
+A
R
C
+-
vsvo
方法一：利用运算法则
则 t
o sdtvRC
v1
o
方法二：利用拉氏变换
)()(Z
)()( s
1
fo sv
s
sZsv )(
1s sv
sRC)(
)/(1s sv
R
sC
拉氏反变换得 t
o sdtvRC
v1
o
有源微分器 利用拉氏变换：
)()(Z
)()( s
1
fo sv
s
sZsv
)(s ssRCv)()/(1 s sv
sC
R
拉氏反变换得dt
dvRCv so
-
+A
R
C
+-
vsvo
波形变换
t
vs
0输入方波
积分输出三角波vo t0
微分输出尖脉冲 t
vo
0
对数、反对数变换器 对数、反对数变换器 对数变换器
-
+A
R
+-
vsvo
T
BE
eSs V
v
IR
v利用运算法得： 由于 oBE vv
整理得 RI
vVv
S
sTo ln
缺点：vo 受温度影响大、动态范围小。
vs 必须大于 0 。
改进型对数变换器
-+
A1+-
vs
vo
+-
A2
VCC
+-RL
R3R4to
vB2
R2R5
T1 T2
R1
iC2iC1
由图1C
C2T
1C
C2TBE1BE2B2 lg3.2ln
i
iV
i
iVvvv
由于 1sC1 / Rvi 2CC22BCCC2 //)( RVRvVi
（很小）
则 )lg(3.2lg3.2 sCC1
2T
2C
C1TB2 v
VR
RV
i
iVv
)lg()1(3.2)1( sT4
32B
4
3o KvV
R
Rv
R
Rv
（ T1 、 T2 特性相同）
利用 R4 补偿 VT ，改善温度特性。vS 大范围变化时， vO 变化很小。
反对数变换器
R
vI V
v
oS
T
BE
e 利用运算法则得 由于 sBE vv
整理得 T
s
SoV
v
eRIv
缺点： vo 受温度影响大。vs 必须小于 0 。
-
+A
R
+-
vsvo
T
乘、除法器 乘、除法器
vo1-+
A1
vXRX
iX
R1
iX
T1
vo2
-+
A2
vYRY
iY
R2
iY
T2
-+
A4
T4
iO
vO
R4iO
-+
A3R3vo3
T3
vZRZ
iZ
iZ
因 T1 、 T2 、 T3 、 T4 构成跨导线性环，
则 OZYX iiii 分析方法一：
由图
整理得
XXX / Rvi YYY / Rvi ZZZ / Rvi 4OO / Rvi
Z
YX
YX
Z4O v
vv
RR
RRv （实现乘、除运算）
vo1-+
A1
vXRX
iX
R1
iX
T1
vo2
-+
A2
vYRY
iY
R2
iY
T2
-+
A4
T4
iO
vO
R4iO
-+
A3R3vo3
T3
vZRZ
iZ
iZ
分析方法二：XS
XTBE1o1 ln
RI
vVvv
Z
YX
YX
Z4
v
vv
RR
RR
BE1YS
YTBE1BE2o2 ln v
RI
vVvvv
ZS
ZTBE3o3 ln
RI
vVvv
A1 、 A2 、 A3 对数放大器
A4 反对数放大器 T
o3o2
e4SOV
vv
RIv
6.1.3 6.1.3 精密整流电路 精密整流电路
精密半波整流电路
利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。
vo
-+
AvI
R1
vo
R2
RL
+
-
D1D2 vI =0 时 vO =0 D1 、 D2 vO=0
vI >0 时 vO <0 D1 、 D2 vO=0
vI <0 时 vO >0 D1 、 D2
vO= -(R2 / R1)vI
工作原理：
vO
vI
-R2 / R1
传输特性 vI
tvO
tvI
R2
R1
-
输入正弦波
输出半波
精密转折点电路
当 v- > 0 ，即 vI > -(R3 / R1)VR 时：
当 v- < 0 ，即 vI < -(R3 / R1)VR 时：
vo
-+
AVRR1
vo
R2
RL
+
-
D1D2
R3vI
由图31
R3
31
I1
RR
VR
RR
vRv
vO >0 D1 、 D2
传输特性vO
vI
-R2 / R3
VRR3
R1
-
vO <0 D1 、 D2 vO=0 则
)( R1
3I
3
2O V
R
Rv
R
Rv 则
精密转折点电路实现非线性的函数
R/R1
vo1
-+
A1VR1Rr1
R D1
D2R1
vI
vo2
-+
A2VR2Rr2
R D3
D4R2
R
R
-+
A3VR3Rr3
R D5
D6R3
R
vo3
-+
A4 vO
R
)( R11r
1I
1O1 V
R
Rv
R
Rv
)( R22r
2I
2O2 V
R
Rv
R
Rv
)( R33r
3I
3O3 V
R
Rv
R
Rv
)( O3O2O1O3 vvvv
R/R2R/R3
vO
vIvI1 vI2 vI3
传输特性
6.1.3 6.1.3 仪器放大器 仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 特点： KCMR 很高、 Ri 很大， Av 在很大范围内可调。
三运放仪器放大器 vv由
G
2I1IG R
vvi
得
0i由)( G21G2o1o RRRivv 得
由减法器 A3 得：2o
65
6
3
41o
3
4o )1( v
RR
R
R
Rv
R
Rv
若 R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得 )
21(
G3
4
2I1I
of R
R
R
R
vv
vAv
vI1 + -
A1
R1
-+
A2
RG
vo1
vO
vI2
-+
A3R2
R3 R4
R5 R6
iG
vo2
有源反馈仪器放大器
可证明G
S
4
43
2I1I
of R
R
R
RR
vv
vAv
vI1
+ -
A3
R1
-+
A1
RG
vO
IO
+ -A2
R2
R3
VCC
R5
R6
iG
vI2
RS
VEE
iSIO
R4
T1 T2
T3 T4
T1 、 T2 差放T3 、 T4 差放
A3 跟随器
A2 跟随器
A1 放大器
采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。
仪器放大器的应用 仪器放大器单片集成产品：
LH0036 、 LH0038 、 AMP-03 、 AD365 、 AD524等。例：仪器放大器构成的桥路放大器
温度为规定值时 RT =R 路桥平衡 vo =0 。温度变化时 RT R 路桥不平衡 vo 产生变化。
仪器放大器RG
RT
R R
Rt o
VREF
vo
6.1.5 6.1.5 电流传输器 电流传输器 电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。 电流传输器电路符号及特点
Y
XZCC
vX
vY
vZ
iY=0
iX
iZ
Y 输入端： iY= 0 ，即 RY ；X 输入端： vX = vY ，且 vX 与 iX 大小无关， RX0 ；
Z 输出端： iZ = ± iX ，且 iZ 与 vZ 大小无关；
电流传输器构成的模拟信号处理电路
Y
X ZCCvi
RLiX
iO
R
+-
互导放大器
互阻放大器
电流放大器
iYX vvv Rvii /XXo RviA /1/ iog
Y
XZCCis RL
iX
iO
R2
R1
1SYX Rivv
2XXo / Rvii
21Soi // RRiiA Y
XZCC1
ii
R
vo
iZ1
RL
Y
XCC2 Z
+-
i1Z ii Rivv 1Z2Yo
RivA ior /
负阻变换器 Y
XZ CC2
iX1R2
Y
XCC1 Z
vi
iI
iZ2
R1
iZ1
RL
21X1Xi Rivv 1
2Y2Zi R
vii
L1XL1Z2Y RiRiv
L
21
i
ii R
RR
i
vR
6.2 6.2 集成运放性能参数及对应用电路影响集成运放性能参数及对应用电路影响
6.2.1 6.2.1 集成运放性能参数集成运放性能参数Avd 高 (80~140dB) ， Rid 高 (M) ， Rod 低 (<200 )
vid RidvO
+-
v+
v-
Avd vid
+
-
Rod
+
-
Ric
Ric
IIB
IIB
IIO
2
IIO
2
+ -VIO
+-
Avd vic
KCMR
集成运放电路模型
差模特性KCMR 高 (80~120dB) ， Ric 高 (>100M)
共模特性 输入直流误差特性
IIB(10~100A) ， VIO (mV) ， IIO( 为 IIB 的 5% ~ 10%) 大信号动态特性 转换速率 SR ， 全功率带宽 BWP
6.2.2 6.2.2 直流和低频参数对性能的影响 直流和低频参数对性能的影响
Avd 、 Rid 、 Rod 为有限值的影响
运放应用场合不同，各项性能参数影响也不同。因此工程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。
)1(dL1
fodff
vvv ARR
RRAA
-+
A
R1
Rf
+-
vs
vo
RL
vidRid vO
+-
v-
Avd vid
-
+
Rod +
-
R1
Rf
vs+- RL
可证明
其中idf11 //// RRRR odfLL //// RRRR 1ff / RRAv
Avd 对精度影响最大。 Avd越大，运算误差越小。
KCMR 、 Ric 为有限值的影响
-+
A
R1
Rf
+-
vs
vo
RL
可证明
其中
Avd 、 KCMR越大，同相放大器运算精度越高。
由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须考虑 KCMR 的影响。
RicvO
+-
v-
Avd vid
Rod +
-
R1
Rf
vs
RL
v+
Ric
Rid+-
Avd vic
KCMR
)1
1(/1 CMRdf
ff KAA
AA
vv
vv
1ff /1 RRAv
输入偏置电流 IIB 对性能的影响
-+
A
R1
Rf
+-vs
vo
R+= R1// Rf
则 IIB 在外电路反相端产生的直流电压 : 则 IIB 在外电路同相端产生的直流电压 :
RIV IB
RIV IB
设 R- 、 R+ 分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。
2/)( B2B1IB III 输入偏置电流
RR若 则 0idv 输出无失调
例：注：平衡电阻 R+ 的接入对性能指标计算没有影响，但运算精度得到明显改善。
因此，为减小 IIB 对运算精度的影响，要求外接在集成运放两输入端的直流电阻相等。
失调电流 IIO 与失调电压 VIO 的影响
vO
+
-
R1
Rf
RL
IIB
IIB
IIO
2
IIO
2
+ -VIO
R+
))(1( IOIO1
fo RIV
R
Rv可证明
为减小失调的影响：在 R+ 较小时，应选择 VIO 小的运放；在 R+ 较大时，应选择 IIO 小的运放。
6.2.3 6.2.3 高频参数对性能的影响 高频参数对性能的影响 小信号频率参数 开环带宽 BW
内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的上限截止频率即开环带宽 BW （或称 3dB 带宽）。
单位增益带宽 BWG
指增益下降到 1 （ 0dB ）时对应的频率。小信号工作时，其值为常数，且 BWG = AvdI·BW 。
当运放闭环工作时， BWG 等于反馈电路的增益带宽积。
反馈越深， Avf 越小，闭环带宽 BWf 越宽。即 BWG = Avf·BWf
大信号动态参数
指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。其值越大，运放高频性能越好。
影响 SR主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。
转换速率（又称压摆率）max
oR
)(
dt
tdvS
指集成运放输出最大不失真峰值电压时，允许的最高工作频率。
全功率带宽ommax
RP 2πV
SBW
当 SR 一定时，最大不失真输出电压与工作频率成反比。工作频率越高，不失真输出的 Vom就越小。
6.4 6.4 集成电压比较器 集成电压比较器
电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。
电压比较器的特点输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。
6.4.1 6.4.1 电压比较器的作用电压比较器的作用
电压比较器工作原理
只要开环 Avd 很大，则 v+ 、 v-间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。
由 )(do vvAv v 可知
v+ > v- 时， vo=Vomax （正饱和值） v+ < v- 时， vo=Vomin （负饱和值） v+ = v- 时，逻辑状态转换
因此
理想比较特性
-
+A
vovI
VREF
vI
vo
VREF
Vomax
Vomin
0
vI < VREF 时， vo=Vomax
vI > VREF 时， vo=Vomin
vI = VREF 时，逻辑状态转换 理想特性
vI
vo
VREF
Vomax
Vomin
0
实际比较特性
实际特性vI < VREF -Vomax/Avd 时， vo=Vomax
vI > VREF -Vomin /Avd 时， vo=Vomin
注： Avd 越大，比较特性越接近理想特性， VREF 作为 门限值的比较精度越高。
6.4.1 6.4.1 具有不同比较特性的电压比较器具有不同比较特性的电压比较器 单限电压比较器
特点：运放开环工作。 过零比较器
-
+A
vo
vI
+
-
R1
D1
D2
R
R（ VREF
=0 ） R1限流电阻，与 D1 、D2 共同构成电平变换电路。
VOH = VZ + VD(on)
VOL= -( VZ + VD(on) )
vI
vo
VOH
VOL
0
比较特性
t
vO
0
t
vI
0
单限比较器
-
+A
vo
vI
+
-
R3
D1
D2R1//R2
VREF R1
R2
i1
i2
分析方法：1 ）令 v-= v+求出的输入电压 vI 即门限电平。
2 ）分别分析 vI 大于门限、小于门限时的输出 vO 电平。
0REF21
2I
21
1
VRR
Rv
RR
R令 得门限电平 REF
1
2I V
R
Rv
即 v+ < v-REF1
2I V
R
Rv 若 则 vO = VO
L即 v+ > v-若 REF1
2I V
R
Rv 则 vO = VO
H
比较特性
vI
vo
VOH
VOL
VREF
R2
R1
-
单限比较器优点： 电路结构简单，可不计有限 KCMR 的影响。
单限比较器缺点： 电路抗干扰能力差。
例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。
t
vO
0
vI
t0
迟滞比较器（施密特触发器）
-
+A
vo
vI
+
-
R3
D1
D2
R
VREF
R1R2
特点 正反馈电路。具有双门限。
REF21
1O
21
2I V
RR
Rv
RR
Rv
令
得门限电平：
REF21
1OH
21
2IH V
RR
RV
RR
Rv
REF21
1OL
21
2IL V
RR
RV
RR
Rv
反相输入迟滞比较器
)( OLOH21
2ILIH VV
RR
RVVV
迟滞宽度： vI
voVOH
0
比较特性
VOL
VIL VIH
-
+A
vo
vI
+
-
R3
D1
D2
R
VREF
R1R2
I21
1O
21
2REF v
RR
Rv
RR
RV
令
得门限电平：
同相输入迟滞比较器
迟滞宽度： vI
voVOH
0
比较特性
VOL
VIL VIH
将反相迟滞比较器中的 vI
与 VREF交换，即得同相输入迟滞比较器。
OL1
2REF
1
2IH )1( V
R
RV
R
RV
OH1
2REF
1
2IL )1( V
R
RV
R
RV
)( OLOH1
2ILIH VV
R
RVVV
迟滞比较器优点： 电路抗干扰能力强。 例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。
vI (V)
vo(V)
0
比较特性
7
-7
-6 6
vI (V)
t0
10
-10
6
- 6
t
vO (V)
0
7
-7
迟滞比较器应用——方波发生器
-
+A
vo
+
-
R3
D1
D2
R
R1R2
C门限电平
OH21
2IH V
RR
Rv
OL21
2IL V
RR
Rv
设 t =0 时， vO=VOH ，初始 vC=0
则 VOH 经 R向 C充电 vC按指数规律当 vC VIH 时 vO跳变为 VO
L此时 C经 R 放电 vC按指数规律当 vC VIL 时 vO又上跳到 VOH
可证振荡周期： )2
1ln(21
2
R
RRCT
t
vO
0
vC
t0
VIH
VIL
VOH
VOL
窗孔比较器
-+
A1
vI D1
D2
R/2
VREF2
R
R/4-+
A2
R
-VREF1
R
RvO
R
vO1
具有两个基准电源，可以判断位于两个指定门限之间的输入信号。
特点：
组成：A1 精密整流电路， A2单限比较器
0REF2REF1I R
V
R
V
R
v由 A2
-+
A1
vI D1
D2
R/2
VREF2
R
R/4-+
A2
R
-VREF1
R
RvO
R
vO1
当 0 <vI <VREF1 时 : vO1 >0 D1 、 D2
得下门限 REF2REF1IL VVv
0O1REF2REF1I
R
v
R
V
R
V
R
v由 A2
当 vI >0 ，且 vI > VREF1 时 : vO1 <0 D1 、 D2
得上门限 REF2REF1IH VVv
此时 2/)( REF1I1OVvv
-+
A1
vI D1
D2
R/2
VREF2
R
R/4-+
A2
R
-VREF1
R
RvO
R
vO1
迟滞宽度 REF2ILIH 2VVVV
比较特性 vI
vo
VOH
0
VOL
VIL VIH