6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响

1. 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

2. - + A Zf i Z1 vs1 vo vs2 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。 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。

3. - + A vI vo VREF 因 理想运放 推论 失调和漂移0 • 非线性应用电路 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 集成运放理想化条件下两条重要法则 则 因 则

4. 说明： 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。 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。 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。

5. if Rf i1 - + A +- 因 R1 vo vs 则 因 则 因 输入电阻 输出电阻 • 集成运放基本应用电路 • 反相放大器 类型：电压并联负反馈 反相输入端“虚地”。 由图 输出电压表达式： 因深度电压负反馈 ，

6. 则 - + A 因 则 if Rf 因 因 i1 R1 vo 输入电阻 +- 输出电阻 vs • 同相放大器 类型：电压串联负反馈 注：同相放大器不存在“虚地”。 由图 输出电压表达式： 因深度电压负反馈 ，

7. 因 由图得 - + vo A +- vs 反相放大器 拉氏反变换 得 同相放大器 注：拉氏反变换时 • 同相跟随器 由于 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：

8. i1 if R1 Rf +- vs1 i2 - + +- R2 vo A vs2 因 则 则 整理得 因 令vs2=0 则 即 例如 令vs1=0 则 6.1.2 运算电路 • 加、减运算电路 • 反相加法器 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。

9. Rf R3 - + - + vo A A R1 +- R2 vs1 +- vs2 Rf R1 vs1 vo R2 vs2 R3 • 同相加法器 利用叠加原理： 则 • 减法器 令vs2=0， 令vs1=0， 则

10. C R +- - + vo vs A 则 • 积分和微分电路 • 有源积分器 方法一：利用运算法则 方法二：利用拉氏变换 拉氏反变换得

11. R C - + +- vo vs A vs vo 0 t t 0 vo t 0 • 有源微分器 利用拉氏变换： 拉氏反变换得 • 波形变换 输入方波 积分输出三角波 微分输出尖脉冲

12. - + A R 由于 +- vo vs 利用运算法得： • 对数、反对数变换器 • 对数变换器 整理得 缺点： vs必须大于0。 vo受温度影响大、动态范围小。

13. iC2 iC1 T1 T2 R2 VCC • 利用R4补偿VT ，改善温度特性。 R5 R1 vB2 +- vs -+ +- A2 A1 • vS大范围变化时， vO变化很小。 +- R3 R4 RL vo to • 改进型对数变换器 （T1、T2特性相同） 由图 （很小） 由于 则

14. R - + T A +- vo vs 利用运算法则得 由于 • 反对数变换器 整理得 缺点： vs必须小于0。 vo受温度影响大。

15. iX iO R4 iX T1 T4 vX vo1 -+ -+ -+ vO A1 A2 A4 RX R1 iO iZ iY T3 iZ iY T2 -+ vZ vY A3 vo3 vo2 R3 RZ RY R2 则 • 乘、除法器 分析方法一： 因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环， 由图 整理得 （实现乘、除运算）

16. iX iO R4 iX T1 T4 vX vo1 -+ -+ -+ vO A1 A2 A4 RX R1 iO iZ iY T3 iZ iY T2 -+ vZ vY A3 vo3 vo2 R3 RZ RY R2 A1、A2、A3对数放大器 分析方法二： A4反对数放大器

17. -+ A R2 + - D1 D2 RL vo R1 vI vo vI 传输特性 t vO vO R2 -R2 / R1 vI - R1 t vI 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。 • 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 <0时 vO>0 D1、D2   vO= -(R2 / R1)vI 输入正弦波 输出半波

18. R2 传输特性 + - D1 D2 RL vo R3 vO vI VR vo -+ -R2 / R3 R1 A vI 则 vO=0 R3 VR - 则 R1 • 精密转折点电路 由图 vO<0 D1、D2 • 当v- > 0，即 vI > -(R3 / R1)VR 时： vO>0 D1、D2  • 当v- < 0，即 vI < -(R3 / R1)VR 时：

19. vo1 R D1 R R1 D2 R VR1 Rr1 vo2 -+ -+ -+ -+ A3 A2 A1 R A4 vO D3 R vI R2 D4 vO VR2 Rr2 vo3 R D5 R R3 D6 vI VR3 Rr3 vI1 vI2 vI3 • 精密转折点电路实现非线性的函数 传输特性 R/R1 R/R2 R/R3

20. vo1 R3 R4 由 vI1 R1 RG iG 得 R2 vO + - A1 R5 R6 vo2 vI2 -+ -+ A2 A3 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。 • 三运放仪器放大器 由 得 由减法器A3得： 若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得

21. A1放大器 T1、T2差放 T3、T4差放 VCC R1 R2 vO vI1 vI2 RG T1 T2 A2跟随器 + - R5 R3 A3 iG A3跟随器 RS + - T3 T4 A2 R6 iS R4 IO IO VEE -+ A1 • 有源反馈仪器放大器 可证明 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。

22. VREF R R RT 仪器 放大器 t o R RG vo • 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。

23. iY=0 vY iZ Y vZ CC Z vX X iX 6.1.5 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输入端：iY= 0，即 RY； X输入端：vX =vY，且vX与 iX大小无关，RX0； Z输出端：iZ = ± iX，且 iZ与 vZ大小无关；

24. iO +- Y vi CC Z X RL iX R iO Y R1 CC Z is X RL iX R2 iZ1 Y Y CC1 Z CC2 Z X R X +- ii vo RL • 电流传输器构成的模拟信号处理电路 • 互导放大器 • 电流放大器 • 互阻放大器

25. iZ2 Y Z CC2 RL X iI R1 vi Y CC1 Z X iZ1 R2 iX1 • 负阻变换器

26. 集成运放电路模型 VIO Rod + - v+ + - + - +- Ric Avd vid IIB vid vO Rid IIB +- Ric v- Avd vic IIO IIO 2 2 KCMR 6.2 集成运放性能参数及对应用电路影响 6.2.1 集成运放性能参数 • 差模特性 Avd高(80~140dB)， Rid高(M)， Rod低 (<200 ) • 共模特性 KCMR高(80~120dB)， Ric高(>100M) • 输入直流误差特性 IIB(10~100A)， 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

27. Rf Rf R1 v- R1 vo Rod - + + - +- +- -+ Rid vid +- A vs Avd vid vO vs RL RL 6.2.2 直流和低频参数对性能的影响 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。 • Avd、Rid、Rod为有限值的影响 可证明 其中 Avd对精度影响最大。Avd越大，运算误差越小。

28. Rf Rf R1 v- R1 vo Rod + - Ric +- -+ Avd vid A vO Rid RL RL +- +- vs Ric vs v+ Avd vic KCMR • KCMR、Ric为有限值的影响 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。 可证明 其中 Avd、KCMR越大，同相放大器运算精度越高。

29. 输入偏置电流 若 则 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。 Rf R1 vo -+ A +- vs R+= R1// Rf • 输入偏置电流IIB对性能的影响 设R-、R+ 分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。 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: 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。

30. Rf VIO R1 + - IIO IIO + - 2 2 IIB vO RL IIB R+ • 失调电流IIO与失调电压VIO的影响 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。

31. 6.2.3 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。 即 BWG = Avf·BWf 反馈越深，Avf 越小，闭环带宽BWf 越宽。

32. 转换速率（又称压摆率） • 全功率带宽 • 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。 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。 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。

33. 由 可知 6.4 集成电压比较器 6.4.1 电压比较器的作用 • 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。 • 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。 v+> v-时， vo=Vomax（正饱和值） 因此 v+< v-时， vo=Vomin （负饱和值） v+= v-时，逻辑状态转换

34. vo Vomax 0 vI VREF Vomin vo Vomax 0 vI VREF Vomin vI - + vo A VREF • 理想比较特性 vI < VREF 时， vo=Vomax vI > VREF 时， vo=Vomin 理想特性 vI = VREF 时，逻辑状态转换 • 实际比较特性 vI < VREF -Vomax/Avd 时， vo=Vomax 实际特性 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。

35. R R1 vI vI - + A VOH = VZ + VD(on) + - D1 0 vo t R VOL= -( VZ + VD(on) ) D2 比较特性 vO vo VOH 0 t vI 0 VOL 6.4.1 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 （VREF =0） R1限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。

36. i2 R2 vI R3 比较特性 - + VREF A vo R1 + - i1 D1 VOH vo D2 R1//R2 vI R2 VOL - VREF R1 令 得门限电平 若 即v+ < v- 则vO = VOL 若 即v+ > v- 则vO = VOH • 单限比较器 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。

37. vI t 0 vO 0 t • 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。

38. 正反馈电路。 特点 R R3 具有双门限。 vI - + A D1 + - vo D2 R1 令 R2 VREF 比较特性 vo VOH vI VIL 0 VIH VOL • 迟滞比较器（施密特触发器） • 反相输入迟滞比较器 得门限电平： 迟滞宽度：

39. R R3 - + A VREF D1 + - vo D2 R1 R2 令 vI 比较特性 vo VOH vI VIL 0 VIH VOL • 同相输入迟滞比较器 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。 得门限电平： 迟滞宽度：

40. 比较特性 vI (V) 6 10 vo(V) 7 t 0 - 6 -10 vI (V) vO (V) -6 0 6 7 0 t -7 -7 • 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。

41. R R3 - + C 门限电平 A D1 + - vo D2 R1 R2 vC VIH t 0 VIL vO VOH 0 t VOL • 迟滞比较器应用——方波发生器 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VOL 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：

42. R R/2 -+ -+ A2 A1 D2 R vI D1 R/4 -VREF1 vO vO1 R R VREF2 R 组成： A1精密整流电路，A2单限比较器 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： • 窗孔比较器

43. R R/2 -+ -+ A1 A2 D2 R vI D1 R/4 -VREF1 vO vO1 R R VREF2 R 由A2 得下门限 此时 由A2 得上门限 • 当0 <vI<VREF1 时: vO1>0 D1、D2 • 当vI>0，且vI> VREF1 时: vO1<0 D1 、D2 

44. R R/2 -+ -+ A1 A2 D2 R vI D1 R/4 -VREF1 vO vO1 R R VREF2 R 迟滞宽度 vo VOH 比较特性 vI 0 VIL VIH VOL