模拟集成电路及其应用.ppt

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1、 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用6.1 6.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介6.2 6.2 模拟信号的运算电路模拟信号的运算电路 信号处理电路信号处理电路集成电路集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点集成电路的优点工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类集成电路的分类模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；6.1 6.1 集成运算放大器及其简介集成运算放大器及其简

2、介集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十欧到几电阻元件由硅半导体构成，范围在几十欧到几十千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元十千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。件代替或外接。3.几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。集成运算放大器的内部组成集成运算放大器的内部组成集成运

3、算放大器内部由五个部分组成集成运算放大器内部由五个部分组成输输入入级级中中间间级级输输出出级级偏置电路偏置电路保护电路保护电路直流电源直流电源+同相输入端同相输入端-反相输入端反相输入端输出端输出端集成运算放大器内部组成特点集成运算放大器内部组成特点无电感、无大容量电容、无大阻值电阻、由三极管代无电感、无大容量电容、无大阻值电阻、由三极管代替二极管。替二极管。AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo开环电压放大倍数开环电压放大倍数集成运算放大器的电路符号及器件外形集成运算放大器的电路符号及器件外形87654321-VCC+VCCuou+u-

4、调调零零调零调零空空双列直插式单运放外部引脚双列直插式单运放外部引脚标标志志1）输入电阻很大）输入电阻很大2）输出电阻很小）输出电阻很小3）开环放大倍数）开环放大倍数Auo很大很大集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性输出信号与输入信号之间的关系曲线输出信号与输入信号之间的关系曲线集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点uou-u+0线性工作范围线性工作范围正饱和正饱和负饱和负饱和集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Auo没有接反馈时所测出的差模电压放大倍数，通常数没有接反馈时所测出的差模电压放大倍数，通常数值很高，在值很高，

5、在104107之间，理想状态：之间，理想状态：Auo=2）最大差模输入电压）最大差模输入电压Uidm两个输入端之间允许加的最大电压。其大小取决于两个输入端之间允许加的最大电压。其大小取决于输入级的结构。输入级的结构。3）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicm运放对共模信号的抑制能力，只有在一定的共模运放对共模信号的抑制能力，只有在一定的共模输入电压范围内才存在，超过输入电压范围内才存在，超过Uicm,运放不能正常运放不能正常工作。工作。4）最大输出电压）最大输出电压 Uom指运放在不失真的条件下的最大输出电压。指运放在不失真的条件下的最大输出电压。5）静态功耗）静态功耗无输入信号时，运放的

6、功率损耗。无输入信号时，运放的功率损耗。7）输入失调电压）输入失调电压U0S当输入为当输入为0时，输出不为时，输出不为0。要使输出为。要使输出为0，在输，在输入端加一个很小的补偿电压，这个补偿电压称入端加一个很小的补偿电压，这个补偿电压称为为Uos6）输入失调电流）输入失调电流I0S8）输入偏置电流）输入偏置电流IB越小越好。越小越好。集成运算放大器按其在电路中的工作状态分为：集成运算放大器按其在电路中的工作状态分为：线性应用和非线性应用线性应用和非线性应用线性工作范围线性工作范围正饱和正饱和负饱和负饱和uou-u+0运放的电压传输特性运放的电压传输特性6.2 6.2 模拟信号的运算电路模拟信

7、号的运算电路线性应用线性应用电路结构上存在从输出端到反相输入端的电路结构上存在从输出端到反相输入端的 负反馈支路，以保证集成运算放大器的输负反馈支路，以保证集成运算放大器的输 出在最大输出电压的范围内。出在最大输出电压的范围内。非线性应用非线性应用电路结构上，集成运算放大器处于开环电路结构上，集成运算放大器处于开环 （无反馈）或存在从输出端到同相输入端（无反馈）或存在从输出端到同相输入端 的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，即输出在正、负最大值之间变化。即输出在正、负最大值之间变化。在分析运算放大器时在分析运算放大器时,一般将它看成是一个一般将它看成是一个理

8、想运算放理想运算放大器大器。u-u+uoFABi1if一、运算放大器理想化的条件：一、运算放大器理想化的条件：1）开环放大倍数）开环放大倍数Auo ;2）差模输入电阻）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比）共模抑制比 K CMRR 3）输出电阻）输出电阻ro 0 u-u+uouiii二、分析理想运算放大器线性应用的两个重要结论：二、分析理想运算放大器线性应用的两个重要结论：1）u+u-2）i 0，i 01：利用：利用i+=0，由，由B电路求出同相输入端电压电路求出同相输入端电压 u+2：利用：利用u+=u-，确定反相输入端电压，确定反相输入端电压 u-=u+3：利用已知电压：利用已知电压u-，

9、由，由A电路求出电流电路求出电流i14：利用：利用i-=0，求出电流，求出电流 if=i15：由电路：由电路F的特性和的特性和u-确定输出电压：确定输出电压：uo=u-F(if)6*：检验输出电压是否在线性范围内。：检验输出电压是否在线性范围内。u-u+uoFABi1if三、三、线性应用运放电路的一般分析方法线性应用运放电路的一般分析方法反相比例运算电路反相比例运算电路 i+=0 u+0Vu-=u+=0Vi1=ui/R1 i-=0，if=i1=ui/R1由此可见：由此可见：四、比例运算电路四、比例运算电路uiR1R2Rfuoi1if1）输出电压与输入电压比值是一个负常数，所以这样）输出电压与输

10、入电压比值是一个负常数，所以这样 的电路称为反相比例运算器。的电路称为反相比例运算器。2）整个电路的电压放大倍数只与）整个电路的电压放大倍数只与R1，Rf有关，与开环有关，与开环 Auo无关。无关。3）Rf=R1时，时，Au=-，称为反相器。，称为反相器。4）Au 与与R2（平衡电阻（平衡电阻R2）无关）无关6）R2 =R1/Rf ，作用是消除静态基极电流对输出电，作用是消除静态基极电流对输出电 压的影响。压的影响。5）u-0常称为常称为“虚地虚地”点，即电位可以认为是点，即电位可以认为是0，但不，但不 是真正接地。是真正接地。uiR1R2Rfuo1i1ifRR3Ruoi1if i-=0，if

11、=i1 i+=0 uiR1Rfuoi1ifR2同相比例运算电路同相比例运算电路可见：可见：1）输出电压）输出电压uo与输入电压与输入电压ui比值是正常数，称为同比值是正常数，称为同 相比例运算。相比例运算。2）Au仅与仅与R1，Rf 有关，而与有关，而与Auo无关。无关。3）Rf=0，或，或R1=，或两者同时出现，或两者同时出现时，时，Au=1,输出输出 电压全部等于输入电压，是电压跟随器。电压全部等于输入电压，是电压跟随器。uiR1Rfuoi1ifR24）R2 =R1/Rf。同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路另一种接法另一种接法另一种接法另一种接法uiR1R3R

12、fuoi1ifR2R2/R3=R1/Rf i+=0 i-=0，if=i1构成要求构成要求反相加法运算反相加法运算i2i1i+=0 u+0Vu-=u+=0Vi1=ui1/R1i2=ui2/R2 i-=0 if=i1+i2 =ui1/R1+ui2/R2if叠加法叠加法u1单独作用时，单独作用时，同相加法运算同相加法运算叠加法叠加法u2单独作用时，单独作用时，同相加法运算同相加法运算叠加法叠加法同相加法运算同相加法运算Rfui2R1R3uoi1ifR2ui1 i+=0减法运算电路减法运算电路 i-=0，if=i1Rfui2R1R3uoi1ifR2ui1减法运算电路减法运算电路叠加法叠加法ui1单独作

13、用，单独作用，ui2接地。接地。反相输入反相输入ui2单独作用，单独作用，ui1接地。接地。Rfui2R1R3uoi1ifR2ui1同相输入同相输入减法运算电路减法运算电路i1if i+=0 i-=0，if=i1反向积分运算反向积分运算i1if反向积分运算反向积分运算如果积分器从某一时刻输入一直流电压，如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限t TM时，时，uo=-uit/RC t TM时，时，uo=-Uom应用举例应用举例应用举例应用举例tui0tuo0输入为方波输入

14、为方波输出是三角波输出是三角波i1iFu i-+RR2Cuo如图所示积分电路中，如图所示积分电路中，试求：试求：(1)输出电压输出电压 由由0到运放能输出的最大值到运放能输出的最大值 所需的时间是多少？所需的时间是多少？(2)超出这段时间，输出电压超出这段时间，输出电压 会呈现怎样的变化规律？会呈现怎样的变化规律？(3)若将若将 与与 保持积分运算关系的有效时间增大保持积分运算关系的有效时间增大10倍，应如何倍，应如何 改变电路参数值。改变电路参数值。(2)超出超出0到到 这段时间，输出电压这段时间，输出电压 将保持将保持 不变不变;即即 则则 ，或或 ，(1)例例解解:(3)t=R1C Fu

15、o当当t=0.1 10=1s,uo=10V时：时：i1 i+=0i-=0，if=i1反向微分运算反向微分运算例：某理想运算放大电路如图所示：求输出电压例：某理想运算放大电路如图所示：求输出电压Uo?解：解：U01=2VU3+=1VU02=（1+RF/R1)Ui=(1+1)1=2V-+-+-+2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I-+-+-+2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I例：电路如图所示，要求例：电路如图所示，要求（2）若）若RF1=R1，RF2=R2，R3=R4，写出此时，写出此时uo与与ui1，ui2的关系式。的关系式。（1）写出输出电压）写出

16、输出电压uo 与输入电压与输入电压ui1，ui2之间运算关之间运算关系的表达式。系的表达式。ui1R1RF1Ruou01ui2R2R4R3RF2 解解:(1)当当u01单独作用时单独作用时当当ui2单独作用时单独作用时ui1R1RF1Ruou01ui2R2R4R3RF2 解：解：ui1R1RF1Ruou01ui2R2R4R3RF2（2）若）若Rf1=R1，Rf2=R2，R3=R4解解:ua=6mVub u01=6mV例：求输出电压例：求输出电压u0=?123+-+-6mV-0.2mVi112K36Ki2i3i48K2Kuaubu01u02u0 123+-+-6mV-0.2mVi112K36Ki

17、2i3i48K2Kuaubu01u02u0 例：试推导例：试推导 iL 和和 VS 的关系式的关系式VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF u-=u+=0 if =i1=VS /R1F点电位（即电阻点电位（即电阻 Rf 上电压）为上电压）为在在 F 点应用点应用 KCL 有：有：电阻电阻 RL 中电流与电阻值无关，因此，虚线框内电路等效为恒流源。中电流与电阻值无关，因此，虚线框内电路等效为恒流源。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF例：分析图示运算放大器应用电路中，输出电压与输例：分析图示运算放大器应用电路中，输出电压与输入电压的关系。入电压的关系。uiR1R1RFRRFRuoA1A2Cu+

18、1u-1解解:uiR1R1RFRRFRuoA1A2Cu+1u-1iFu01icuiR1R1RFRRFRuoA1A2u+1u-1u01C输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），在线性输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），在线性输入范围外，出现两种饱和状态输入范围外，出现两种饱和状态正饱和，输出为正最大值，正饱和，输出为正最大值，负饱和，输出为负最大值。负饱和，输出为负最大值。运算放大器非线性工作状态的判断运算放大器非线性工作状态的判断负负反反馈馈是是判判断断是是否否线线性性应应用用的的主主要要电电路路标标志志。如如果果电电路路中中不不存存在在负反馈或接有正反馈，则运算放大器

19、将工作在非线性状态。负反馈或接有正反馈，则运算放大器将工作在非线性状态。集成运算放大器的转移特性集成运算放大器的转移特性u-u+uouou-u+0线性工作范围线性工作范围正饱和正饱和负饱和负饱和UoLUoH6.3 6.3 信号处理电路信号处理电路运放线性应用与非线性应用比较运放线性应用与非线性应用比较uo比较器比较器比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，视输比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，视输入信号是大于还是小于给定值来决定输出状态。它入信号是大于还是小于给定值来决定输出状态。它在测量、控制以及各种非正弦波发生器等电路中应在测量、控制以及各种非正弦波发生器等电路中应用广泛。用广泛。-

20、+uiUR uo有参比电压的比较器有参比电压的比较器R1R2uit0URuot0+Uom-Uom过零比较器过零比较器参比电压等于零时，输入参比电压等于零时，输入信号每次过零时、输出电信号每次过零时、输出电压都会发生突变。利用过压都会发生突变。利用过零比较器可以实现信号的零比较器可以实现信号的波形变换。波形变换。-+uiUR uoR1R2uit0URuot0+Uom-Uom+Uom-Uomuot0 ：电路如图所示，运算放大器的饱和电压为电路如图所示，运算放大器的饱和电压为12V，晶体管，晶体管T的的=50，输入电压，输入电压uI的波形如图的波形如图2所示，则所示，则灯灯HL的情况为（）。的情况为

21、（）。（a）亮）亮1s，暗，暗2s（b）暗）暗1s，亮，亮2s（c）亮）亮3s，暗，暗2s例例b有限幅的过零比较器有限幅的过零比较器UZuo0ui-UZ-+ui uoR1-+ui uoR1RuoRu o5V0.7V5.7V矩形波发生器矩形波发生器-+ucu-u+RFR1R3DZURuoR2R1、R2构成正反馈电路，构成正反馈电路，R2上上的反馈电压的反馈电压UR是输出电压的一是输出电压的一部分。部分。作为参考电压加在同相输作为参考电压加在同相输入端。入端。uo0UZ-UZt电路工作稳定后，当电路工作稳定后，当uo0时，时，UR0，这时，这时uCUR,uo通过通过RF对电对电容容C充电，充电，uC按指数规律增长。当按指数规律增长。当uC=UR时，时，uo由由+UZ变为变为-UZ，UR也变为负值，电容开始通过也变为负值，电容开始通过RF放电，而后反向充电。放电，而后反向充电。uC0UR-URt-+ucu-u+RFR1R3DZURuoR2注：电路中无外加输入电压，而输出端有一定频率和幅度的信号注：电路中无外加输入电压，而输出端有一定频率和幅度的信号输出，这种现象就是电路的自激震荡。输出，这种现象就是电路的自激震荡。