集成运放性能参数及对应用电路的影响

vs1 vs2 v o R1 R2 Rf
同相加法器
利用叠加原理： R2 vs1 R1vs 2 v R1 R2 R1 R2
R3 R1 vs1+ R2
Rf
+
R 则 vo (1 f )v R3 R2 vs1 R1vs 2 Rf (1 )( ) R3 R1 R2 R1 R2
vI VREF
+
A
vo
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 集成运放理想化条件下两条重要法则
理 想 运 放
Avd Rid
Rod 0 KCMR BW 失调和漂移0
推论
vo 因 v v 0 Avd
由减法器A3得：
RG
若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6
vI2
-A v o2 2 +
ຫໍສະໝຸດ BaiduR5
-A 3 + R6
vO
整理得 Avf
vo R 2R 4 (1 ) vI1 vI 2 R3 RG
有源反馈仪器放大器
T1、T2差放 T3、T4差放
vI1 R5 R6 T1 R1 R2 VCC -A 1 + vI2
v s v vs i1 R1 R1
A
vo
v vo vo if Rf Rf
输出电压表达式：
因 v 0
Rf vo vs R1
输入电阻 Ri R1
因深度电压负反馈 ， 输出电阻 Ro 0
同相放大器
类型：电压串联负反馈 因
if
Rf
v v
则 v vs
三运放仪器放大器
由 v v 得 iG I1 I 2 vI1 RG 由 i 0 得 vo1 vo2 iG ( R1 R2 RG )
R6 R R vo 4 vo1 (1 4 ) vo 2 R3 R3 R5 R6
v v
+A 1 R1 iG R2 vo1 R3 R4
反对数变换器
R
T
vs+ vBE VT
+
A
vo
利用运算法则得
I Se
vo R
由于 vBE vs
v s VT
整理得
vo I S R e
缺点： vs必须小于0。 vo受温度影响大。
乘、除法器
iX iX vX RX iY -A + 1 R1 T1 vo1 iO R4 -A + 4 vO iZ iZ
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
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
R4 RZ vX v Y （实现乘、除运算） RX RY vZ
iX
iX vX RX iY iY vY T2 -A + 2 -A + 1 R1 T1 vo1 T4
iO
R4
-A + 4 vO
iO T3 vo3 R 3
iZ
iZ vZ
RY
R2 vo2
A3 +
RZ
分析方法二：
vo1 v BE1 VT ln vo2 v BE2 vo3 v BE3
A3 +
T4
iO T3 vo3 R 3
iY
vY RY -A + 2
T2
R2 vo2
RZ
vZ
分析方法一： 因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环， 则 iX iY iZ iO 由图 iX vX / RX
iY vY / RY iZ vZ / RZ
iO vO / R4
整理得
vO
改进型对数变换器
iC1 R1 vs+ T1 iC2 T2 R2 vB2 VCC
R5
-A 1
+
+A 2 + R4 R3 RL vo -
（T1、T2特性相同） 由图
vB2 vBE2 vBE1
to
利用R4补 偿VT ，改善 温度特性。 vS大范围 变化时， vO 变化很小。
iC2 iC2 VT ln 2.3VT lg （很小） iC1 iC1
精密半波整流电路
工作原理： vI =0时 vO =0 D1、D2 vO=0 vI >0时 vO <0 D1、D2 vO=0 vI vI <0时 vO >0 D1、D2 vO= -(R2 / R1)vI vI 传输特性 输入正弦波 vO vO
+
A
vo
积分和微分电路
有源积分器
方法一：利用运算法则
vs d ( vo ) C R dt
1 则 vo RC
R vs+ -
C
-
v dt
o s
t
+
A
vo
方法二：利用拉氏变换
1 Z f ( s) 1 /( sC ) vs ( s ) vo ( s ) vs ( s ) vs ( s ) sRC Z1 ( s ) R
A1、A2、A3对数放大器
A4反对数放大器 vO I S R4e

vo2 vo3 VT
vX I S RX v v BE1 VT ln Y v BE1 I S RY vZ VT ln I S RZ
R4 RZ v X v Y RX RY vZ
6.1.3 精密整流电路
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。
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
类型：电压并联负反馈 因
if Rf
v v
则 v 0
i1 vs+ R1
+
反相输入端“虚地” 0 因 i。 则 i1 if 由图
得 vo ( t )
注：拉氏反变换时 s
d dt
1 dt s
6.1.2 运算电路 加、减运算电路
反相加法器
因 v v 因 i 0 则 v 0 则 i1 i2 if
i1 vs1+
R1 i2 R2
if
Rf
-
vs2+ -
+
A
vo
Rf Rf vs1 vs 2 即 整理得 vo R1 R2 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。 Rf v s1 令vs2=0 则 vo1 R1 例如 vo vo1 vo2 Rf vs 2 令vs1=0 则 vo2 R2
因深度电压负反馈 ， 输出电阻 Ro 0
同相跟随器
因 由图得
v v vo v vs
+ vs -
-
Ri Ro 0 由于 Avf 1 所以，同相跟随器性能优于射随器。
+
A
vo
归纳与推广
当R1 、Rf为线性电抗元件时，在复频域内： 反相放大器 同相放大器
Z f ( s) vo ( s ) vs ( s ) 拉氏反变换 Z1 ( s ) Z f ( s) vo ( s ) [1 ]vs ( s ) Z1 ( s )
则 因
v v
Rid
则
i 0
说明：
v v
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。
i 0
相当于运放两输入端“虚断路”。
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。
拉氏反变换得
1 vo RC
v dt
o s
t
有源微分器
利用拉氏变换：
Z f ( s) vo ( s ) vs ( s ) Z1 ( s ) R vs ( s ) sRCvs ( s) 1 /( sC )
C vs+ -
R
+
A
vo
拉氏反变换得
dv s v o RC dt
i1
R1
+
注：同相放大器不存在“虚地” 。 i 0 因 则 i1 if
vs 0 v 由图 i1 R1 R1
A
vo
+ vs -
v vo vs vo if Rf Rf
Rf Rf 输出电压表达式： vo (1 )v s (1 )v R1 R1
因 i 0 输入电阻 Ri
-R2 / R1 R1 D2
R2 D1
+
RL
vo
vo
-A +
-
t
vI
输出半波 - R2 vI R1
t
精密转折点电路
R2 D2 vI VR R3 R1 -A + D1 RL vo
+
vo
传输特性 vO
-R2 / R3 R3 V R1 R
-
vI
R3VR R1vI 由图 v R1 R3 R1 R3 当v- > 0，即 vI > -(R3 / R1)VR 时： vO <0 D1、D2 则 vO=0 当v- < 0，即 vI < -(R3 / R1)VR 时： vO >0 D1、D2
A1放大器
vO
RG iG RS iS
T2 T4 IO
A2
+A 3 T3 IO
+ -
R3
A3跟随器
R4
A2跟随器
VEE
可证明 Avf
vo R R4 RS 3 vI1 vI 2 R4 RG
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
vo1
D1 R D2 R
R R1
VR1 Rr1
-A 1 +
R
vo2
D3 R
D4
vI
R2
-A 4 +
vO
vO
传输特性
VR2 Rr2
-A 2 + vo3
R D5 R D6
R/R1 R/R2 R/R3
R3
vI1 vI2 vI3
vI
VR3 Rr3
-A 3 +
6.1.3 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。
波形变换
输入方波 积分输出三角波
0
0
vs vo vo
0
t t t
微分输出尖脉冲
对数、反对数变换器
对数变换器
R vs+ -
+
vBE VT
A
vo
利用运算法得： vs I Se
R
由于 vBE vo
整理得
vs vo VT ln IS R
缺点： vs必须大于0。 vo受温度影响大、动态范围小。
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。
vs1 vs2 Z1
Zf
i
+
A
vo
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。
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。
非线性应用电路
组成特点：运放开环工作。
由于 iC1 vs / R1
则
iC2 (VCC vB2 ) / R2 VCC / R2 iC1 R2 vB2 2.3VT lg 2.3VT lg( vs ) iC2 R1VCC R3 R3 vo (1 )v B2 2.3(1 )VT lg( Kvs ) R4 R4
则
R3 R2 vO ( v I VR ) R3 R1
精密转折点电路实现非线性的函数
vO1
vO2
vO3
vO3
R R (vI 1 VR1 ) R1 Rr1 R2 R (vI VR2 ) R2 Rr 2 R R (vI 3 VR3 ) R3 Rr 3 (vO1 vO2 vO3 )
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
VREF
R
RT
R 仪器 放大器
to
R
RG
vo
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。
6.1.5 电流传输器
A
vo
+ vs2 Rf vs1
减法器
Rf v s1 令vs2=0， vo1 R1
R1
Rf R3 v s 2 R2 v ( 1 ) 令vs1=0， o2 vs2 R1 R2 R3 R3 则 vo vo1 vo2 (1 Rf ) R3 v s 2 Rf v s1 R1 R1 R2 R3
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
vY vX iX iY=0
Y
CC
X
iZ
Z
vZ
Y输入端： iY= 0，即 RY ；
X输入端： vX = vY ，且vX与 iX 大小无关，RX0 ；