電子電路技術第7章

1、11第第7章章 模擬集成電路模擬集成電路 及其應用電路及其應用電路電子電路技術2集成電路是相對于分立元件而指的一類半導體器件，它集成電路是相對于分立元件而指的一類半導體器件，它將元件和電路將元件和電路“集成集成”在一個半導體芯片內，完成一定的功在一個半導體芯片內，完成一定的功能能，由于電路和元件是同時制作完成的，所以，具有很好的，由于電路和元件是同時制作完成的，所以，具有很好的元件一致性；另一方面，組成電路的各元件之間空間距離非元件一致性；另一方面，組成電路的各元件之間空間距離非常小，因此，構成電路有一套特殊的理論、方法和工藝。不常小，因此，構成電路有一套特殊的理論、方法和工藝。不能用分立元件

2、電路的理論來解釋集成電路的內部工作情況。能用分立元件電路的理論來解釋集成電路的內部工作情況。在電子電路中，集成電路已經作為一種功能模塊器件得到廣在電子電路中，集成電路已經作為一種功能模塊器件得到廣泛應用，使用集成電路需要泛應用，使用集成電路需要了解它的外部特性了解它的外部特性，但對內部結，但對內部結構一般沒有必要也不可能仔細分析。構一般沒有必要也不可能仔細分析。本章主要介紹最常用的本章主要介紹最常用的集成運算放大器集成運算放大器在電子電路中的在電子電路中的應用及分析方法。應用及分析方法。3n集成電路的分類集成電路的分類n按功能分按功能分n數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路：門電路；觸發(fā)器；存儲器；微處理

3、器；：門電路；觸發(fā)器；存儲器；微處理器；n模擬集成電路模擬集成電路: 線性電路線性電路;非線性電路非線性電路n 按集成度分按集成度分n小規(guī)模小規(guī)模(10100元件元件/片片)SSIn中規(guī)模中規(guī)模(1001000元件元件/片片)MSIn大規(guī)模大規(guī)模(100010萬元件萬元件/片片)LSIn超大規(guī)模超大規(guī)模(10萬元件萬元件/片片)VLSI集成電路的特點集成電路的特點體積小、重量輕、功耗低、高可靠、低成本。體積小、重量輕、功耗低、高可靠、低成本。4n 集成運算放大器的組成集成運算放大器的組成集成運算放大器屬線性集成運算放大器屬線性模擬集成電路模擬集成電路，它是多級直接耦合，它是多級直接耦合放大電路

4、組成的、放大電路組成的、具有極高放大倍數(shù)具有極高放大倍數(shù)的一種放大器件。的一種放大器件。根據(jù)功能，集成運算放大器內部由五個部分組成根據(jù)功能，集成運算放大器內部由五個部分組成:輸入輸入級級中間中間級級輸出輸出級級偏置電路偏置電路保護電路保護電路同相輸入端同相輸入端反相輸入端反相輸入端輸出端輸出端- -+ +直流電源直流電源+VS VS兩個兩個輸入端輸入端一個一個輸出端輸出端5n輸入級：輸入級：盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移, 輸入阻抗盡可能大。一般采用輸入阻抗盡可能大。一般采用雙端輸入差動放大電路結構。雙端輸入差動放大電路結構。n中間級：中間級：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)；同時把雙端輸入變換提供

5、足夠大的電壓放大倍數(shù)；同時把雙端輸入變換為單端輸出。采用共射極電壓放大電路。為單端輸出。采用共射極電壓放大電路。n輸出級：輸出級：主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流，輸出主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流，輸出阻抗小。采用射級輸出器或直接耦合推挽功率放大電路。阻抗小。采用射級輸出器或直接耦合推挽功率放大電路。n偏置電路：為放大器偏置電路：為放大器提供合適的直流偏置。提供合適的直流偏置。n保護電路：保護電路：提供過流、過壓保護，避免電路受到損壞。提供過流、過壓保護，避免電路受到損壞。6n 集成運算放大器內部組成特點：集成運算放大器內部組成特點：無電感、無大容量電容、無大阻值電阻、由三極管

6、代替二無電感、無大容量電容、無大阻值電阻、由三極管代替二極管。極管。n 集成運算放大器的電路符號及器件外形集成運算放大器的電路符號及器件外形AuoAuou- -u+u- -u+uououo=Auo(u+- - u- -)uo=Auo(u+- - u- -)Auo開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端 輸出端輸出端787654321- -VCC+ +VCCuou+u- -調調零零調零調零空空雙列直插式單運放外部引腳（雙列直插式單運放外部引腳（ A741）標標志志引腳引腳7:接電源接電源+VCC引腳引腳4:接電源接電源-VCC引腳引腳2:反相輸入端反相輸入端引腳引

7、腳3:同相輸入端同相輸入端引腳引腳6:輸出端輸出端引腳引腳1,5:外接調零電位器外接調零電位器, 通過調節(jié)通過調節(jié)電位器使輸入為零時電位器使輸入為零時, 輸出為輸出為零零8n 集成運算放大器的電壓傳輸特性集成運算放大器的電壓傳輸特性Auou- -u+uouou- - - - u+0線性工作范圍線性工作范圍正飽和正飽和負飽和負飽和 由于由于Auo高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓最大輸入電壓(u-u+)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uO Auo(u-u+) Auo是開環(huán)電壓放大倍數(shù)。是開環(huán)電壓

8、放大倍數(shù)。 (u-u+)的數(shù)值大于一定值時，的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是集成運放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。，即集成運放工作在非線性區(qū)。9n 集成運算放大器的等效電路模型集成運算放大器的等效電路模型n線性工作區(qū)線性工作區(qū)Auou- -u+uou- -u+uoAuo(u+- - u- -)uo=Auo(u+- - u- -)10n集成運算放大器的等效電路模型集成運算放大器的等效電路模型(2)n飽和工作區(qū)（非線性）飽和工作區(qū)（非線性）u- -u+uoUOMu- -u+uo- -UOM正飽和正飽和負飽和負飽和11n理想運算放大器的條件與特征理想運算放大器

9、的條件與特征n理想條件理想條件nAuo=n輸入電阻輸入電阻Ridn輸出電阻輸出電阻Ro=0n理想運算放大器工作特征理想運算放大器工作特征nu+= u (虛短虛短)n若同相輸入端接地，若同相輸入端接地，u+= 0，則，則u-= 0（虛地虛地）n輸入電流為輸入電流為0，i+=i =0（虛斷虛斷）n 理想運算放大器電路符號理想運算放大器電路符號u- -u+uoi- -i+12n集成運算放大器的主要技術指標（了解）集成運算放大器的主要技術指標（了解）n開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：（：（104107） Auo= | uo/ u - u+ |n最大輸出電壓最大輸出電壓UOPP（UOM） 一般比

10、電源電壓低一般比電源電壓低 2 3 V左右（輸出管飽和電壓）。左右（輸出管飽和電壓）。n輸入失調電壓輸入失調電壓Uio (補償非零輸出補償非零輸出) (110)mVn輸入失調電流輸入失調電流Iio （比較兩偏置電流）（比較兩偏置電流） 0.050.1 IBn輸入偏置電流輸入偏置電流IiB BJT：10100nA；FET：110pAn最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓UidM 最大允許輸入差模電壓，受電最大允許輸入差模電壓，受電路結構限制路結構限制13n集成運算放大器的應用集成運算放大器的應用n線性應用線性應用電路結構上，存在電路結構上，存在從輸出端到反向輸入端的負反饋支路從輸出端到反向輸入端的負

11、反饋支路，輸入信號幅度足夠小，以保證集成運算放大器的輸出處于輸入信號幅度足夠小，以保證集成運算放大器的輸出處于最大輸出電壓的范圍內。最大輸出電壓的范圍內。n非線性應用非線性應用電路結構上，集成運算放大器處于開環(huán)（無反饋）或存在電路結構上，集成運算放大器處于開環(huán)（無反饋）或存在從輸出端到從輸出端到同相輸入端的同相輸入端的正反饋支路，輸出總是處于飽和正反饋支路，輸出總是處于飽和狀態(tài)，即輸出在正、負最大值之間變化。狀態(tài)，即輸出在正、負最大值之間變化。n集成運算放大器電路分析的方法集成運算放大器電路分析的方法 首先判斷應用類型，然后利用理想運算放大器的特征對電首先判斷應用類型，然后利用理想運算放大器的

12、特征對電路進行分析。路進行分析。14線性應用電路一般結構線性應用電路一般結構u- -u+uoFABi1if其中其中A、B、F分別為一部分分別為一部分電路（包括信號源）。分析電路（包括信號源）。分析目的是找出輸出電壓。目的是找出輸出電壓。判斷運算放大器工作在線性工作區(qū)：判斷運算放大器工作在線性工作區(qū)： 是否具有從輸出端引至反相輸入端的是否具有從輸出端引至反相輸入端的“反饋通路反饋通路” 。 （初步判斷運算放大器工作在線性工作區(qū)）（初步判斷運算放大器工作在線性工作區(qū)） 若存在，則按下述（線性應用電路的）若存在，則按下述（線性應用電路的）六個步驟六個步驟進行分析。進行分析。線性應用的理想運算放大器特

13、征線性應用的理想運算放大器特征:1. u+=u (虛短虛短)；2. 無輸入電流，無輸入電流，i+=i =0；3. 輸出端呈受控輸出端呈受控電壓源特性電壓源特性15n 集成運算放大器的線性應用電路的集成運算放大器的線性應用電路的六步分析法六步分析法Step 1. 利用利用 i+=0，由，由B電路求出同相輸入端電壓電路求出同相輸入端電壓 u+Step 2. 利用利用 u+= u- -，確定反相輸入端電壓，確定反相輸入端電壓 u- -=u+Step 3. 利用已知電壓利用已知電壓 u- -，由，由A電路求出電流電路求出電流 i1Step 4. 利用利用i- -=0，求出電流，求出電流 if =i1S

14、tep 5. 由電路由電路F的特性和的特性和u- -確定輸出電壓：確定輸出電壓： uo=u- - -F(if )Step 6. 檢驗輸出電壓是否在線性范圍內。檢驗輸出電壓是否在線性范圍內。 | uo | UOM ?u- -u+uoFABi1if16 工作在線性區(qū)的集成運算放大器主要用于實現(xiàn)各種模擬信號工作在線性區(qū)的集成運算放大器主要用于實現(xiàn)各種模擬信號的比例、求和、積分、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等數(shù)學運算，以及有的比例、求和、積分、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等數(shù)學運算，以及有源濾波、信號檢測、采樣保護等。源濾波、信號檢測、采樣保護等。 本節(jié)介紹由運算放大器組成的本節(jié)介紹由運算放大器組成的比例運算電路比例運算

15、電路與與加減法電路加減法電路。 方法：六步法。方法：六步法。17n 集成運算放大器的線性應用電路的六步分析法集成運算放大器的線性應用電路的六步分析法Step 1. 利用利用 i+=0，由，由B電路求出同相輸入端電壓電路求出同相輸入端電壓 u+Step 2. 利用利用 u+= u- -，確定反相輸入端電壓，確定反相輸入端電壓 u- -=u+Step 3. 利用已知電壓利用已知電壓 u- -，由，由A電路求出電流電路求出電流 i1Step 4. 利用利用i- -=0，求出電流，求出電流 if =i1Step 5. 由電路由電路F的特性和的特性和u- -確定輸出電壓：確定輸出電壓： uo=u- -

16、-F(if )Step 6. 檢驗輸出電壓是否在線性范圍內。檢驗輸出電壓是否在線性范圍內。 | uo | UOM ?u- -u+uoFABi1if18比例運算：集成運放的輸出電壓和輸入電壓之間的比例關系。比例運算：集成運放的輸出電壓和輸入電壓之間的比例關系。分類：反相比例運算分類：反相比例運算 同相比例運算同相比例運算19n反相比例運算電路反相比例運算電路uiR1R2Rfuoi1ifStep 1.利用利用 i+=0，求出同相輸入端電壓，求出同相輸入端電壓 u+ i+=0 u+0VStep 2.利用利用 u+= u-，確定反相輸入端電壓，確定反相輸入端電壓 u-=u+ u- -= u+= 0V

17、（虛地）（虛地）Step 3.利用已知電壓利用已知電壓 u-，由，由A電路求出電流電路求出電流 i1 i1=ui /R1分析：采用六步法分析：采用六步法Step 4.利用利用i-=0，求出電流，求出電流 if =i1 i- -=0，if =i1= ui /R1Step 5.由電路由電路F的特性和的特性和u-確定輸出電壓確定輸出電壓uofoffi1RuuRiuR 反相比例反相比例Step 6.檢驗輸出電壓檢驗輸出電壓是否在線性范圍內。是否在線性范圍內。| uo | UOM20n反相比例運算電路反相比例運算電路uiR1R2Rfuoi1ifR2=R1/Rf構成要求構成要求（R +=R - -）平衡偏

18、置電流的影響，平衡偏置電流的影響，又稱為平衡電阻。又稱為平衡電阻。整個電路電壓放大倍數(shù)整個電路電壓放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)：閉環(huán)放大倍數(shù)：ff1uRAR R1=Rf時，時，Auf = -1 反相器反相器21n同相比例運算電路同相比例運算電路uiR1R3Rfuoi1ifR2R2/R3=R1/Rf構成要求構成要求（R +=R - -）平衡偏置電流的影響平衡偏置電流的影響Step 1. i+=0 Step 2.3i23RuuRR3i23RuuuRRStep 3.Step 4. i- -=0，if =i1Step 5. 3foi123(1)RRuuRRR3i11231RuuiRRRR 同相比例同相比例閉環(huán)

19、增益：閉環(huán)增益：3ff123(1)uRRARRR22uiR1R3Rfuoi1ifR2當當R1和和R3為為 時，或時，或R3為為 、 Rf=0，或同時滿足時，同相比例運算電或同時滿足時，同相比例運算電路構成電壓跟隨器。路構成電壓跟隨器。oiuuuu3ff123(1)uRRARRR23n應用舉例應用舉例推導推導 iL 和和 VS 的關系式，并說明該電路的功能。的關系式，并說明該電路的功能。 u- -=u+=0 if = i1 =VS /R1電路中存在負反饋通路，電路中存在負反饋通路，可初步判斷運放線性工可初步判斷運放線性工作。作。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLFF點電位（即電阻點電位（即電阻

20、 Rf 上電壓）為上電壓）為3F3fS1RuuR iVR 在在 F 點應用點應用 KCL 有：有：33SFLfSSff11f11(1)RRVuiiVVRR RRRR 電阻電阻RL中電流與電阻值中電流與電阻值無關，因此，虛線框內無關，因此，虛線框內電路等效為恒流源。電路等效為恒流源。如果負載電阻如果負載電阻RL過大或過大或基準電源基準電源VS過大，則線過大，則線性工作條件可能被破壞，性工作條件可能被破壞，這時，恒流源特性將不這時，恒流源特性將不能維持。能維持。24n反相加法電路反相加法電路uoui1ui2R1R2RfR+i1i2ifR+=R =R1/R2/Rf構成要求構成要求Step 1. i+

21、=0 u+0VStep 2. u- -=u+=0VStep 3. i1=ui1 /R1， i2=ui2 /R2Step 4. i- -=0，if =i1+ i2 = ui1 /R1+ ui2 /R2Step 5.i1i2offf12()uuuuR iRRR 反相加權求和反相加權求和25n反相加法電路反相加法電路(續(xù)續(xù))uoui1ui2R1R2RfR+i1i2ifR+=R =R1/R2/Rf當當R1= R2= R時，時，foi1i2()RuuuR 當當R1= R2= Rf 時，時，oi1i2()uuu i1i2of12()uuuRRR 26n同相加法電路同相加法電路ui1ui2uoR4R1R2R

22、3Rfi1ifR1| R2|R3=R4|Rf構成要求（構成要求（R +=R- -）Step 1. i+=0 Step 2. Step 3.Step 4. i- -=0，if =i1Step 5.i1i212()uuuRRRi1i212()uuuuRRRi1i214412()uRuuiRRRR 同相加權求和同相加權求和i1i2offf12()RuuuuRiRRRR+27n同相加法電路（續(xù)）同相加法電路（續(xù)）ui1ui2uoR4R1R2R3Rfi1ifR1| R2|R3=R4|Rfi1i2of12()RuuuRRRR當當R1= R2= R時，時，foi1i2()RuuuR當當R1= R2= Rf

23、時，時，oi1i2()uuu+28n減法運算電路減法運算電路ui1ui2uoR1R2R3Rfi1ifR2|R3=R1|RfStep 1. i+=0 Step 2.Step 3.Step 4. i- -=0，if =i1Step 5.3i223RuuRR3i223RuuuRR3i1i11i2111231RuuuiuRRR RR加權加權減法運算減法運算六步法六步法1123231)1 (ififffOuRRuRRRRRiRuu29（2）Ui2單獨作用單獨作用n減法運算電路減法運算電路疊加定理分析疊加定理分析（1）ui1單獨作用單獨作用ui1uoR1R2R3Rfi1if反向反向比例比例運算運算電路電路11ifOuRRuui1ui2uoR1R2R3Rfi1ifui2uoR1R2R3Rfi1if同向同向比例比例運算運算電路電路23231)1 ( ifOuRRRRRu1123231)1 (ififOuRRuRRRRRu30n減法運算電路減法運算電路ui1ui2uoR1R2R3Rfi1ifR2|R3=R1|Rf當當Rf= R3