模擬集成電路及其應(yīng)用課件

集成運算放大器及其應(yīng)用§6.1集成運算放大器簡介§6.2模擬信號的運算電路§6.3信號處理電路集成電路

將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；§6.1集成運算放大器及其簡介集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點1.電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2.電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十歐到幾十千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3.幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4.二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。集成運算放大器內(nèi)部組成特點無電感、無大容量電容、無大阻值電阻、由三極管代替二極管。AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo——開環(huán)電壓放大倍數(shù)集成運算放大器的電路符號及器件外形87654321-VCC+VCCuou+u-調(diào)零調(diào)零空雙列直插式單運放外部引腳標(biāo)志1）輸入電阻很大2）輸出電阻很小3）開環(huán)放大倍數(shù)Auo很大集成運算放大器的電壓傳輸特性輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系曲線集成運算放大器的特點uou-

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u+0線性工作范圍正飽和負(fù)飽和5）靜態(tài)功耗無輸入信號時，運放的功率損耗。7）輸入失調(diào)電壓U0S當(dāng)輸入為0時，輸出不為0。要使輸出為0，在輸入端加一個很小的補償電壓，這個補償電壓稱為Uos6）輸入失調(diào)電流I0S8）輸入偏置電流IB越小越好。集成運算放大器按其在電路中的工作狀態(tài)分為：線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用線性工作范圍正飽和負(fù)飽和uou-

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u+0運放的電壓傳輸特性§6.2模擬信號的運算電路線性應(yīng)用——電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反相輸入端的負(fù)反饋支路，以保證集成運算放大器的輸出在最大輸出電壓的范圍內(nèi)。非線性應(yīng)用——電路結(jié)構(gòu)上，集成運算放大器處于開環(huán)（無反饋）或存在從輸出端到同相輸入端的正反饋支路，輸出總是處于飽和狀態(tài)，即輸出在正、負(fù)最大值之間變化。在分析運算放大器時,一般將它看成是一個理想運算放大器?！辵-u+uoFABi1if1：利用i+=0，由B電路求出同相輸入端電壓u+2：利用u+=u-，確定反相輸入端電壓u-=u+3：利用已知電壓u-，由A電路求出電流i14：利用i-=0，求出電流if=i15：由電路F的特性和u-確定輸出電壓：uo=u--F(if)6*：檢驗輸出電壓是否在線性范圍內(nèi)?！辵-u+uoFABi1if三、線性應(yīng)用運放電路的一般分析方法反相比例運算電路∵i+=0∴u+＝0Vu-=u+=0Vi1=ui/R1∵i-=0，∴if=i1=ui/R1由此可見：四、比例運算電路ui∞R1R2Rfuoi1if1）輸出電壓與輸入電壓比值是一個負(fù)常數(shù)，所以這樣的電路稱為反相比例運算器。2）整個電路的電壓放大倍數(shù)只與R1，Rf有關(guān)，與開環(huán)

Auo無關(guān)。3）Rf=R1時，Au=-１，稱為反相器。4）Au與R2（平衡電阻R2）無關(guān)6）R2=R1//Rf

，作用是消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響。5）u-≈0常稱為“虛地”點，即電位可以認(rèn)為是0，但不是真正接地?！遡-=0，∴if=i1∵i+=0∴∞uiR1Rfuoi1ifR2同相比例運算電路可見：1）輸出電壓uo與輸入電壓ui比值是正常數(shù)，稱為同相比例運算。2）Au僅與R1，Rf有關(guān)，而與Auo無關(guān)。3）Rf=0，或R1=，或兩者同時出現(xiàn)時，Au=1,輸出電壓全部等于輸入電壓，是電壓跟隨器?！辵iR1Rfuoi1ifR24）R2=R1//Rf。同相比例運算電路

另一種接法∞uiR1R3Rfuoi1ifR2R2//R3=R1//Rf∵i+=0∴∵i-=0，∴if=i1構(gòu)成要求疊加法u1單獨作用時，同相加法運算疊加法u2單獨作用時，同相加法運算疊加法同相加法運算∵i-=0，∴if=i1Rf∞ui2R1R3uoi1ifR2ui1減法運算電路疊加法ui1單獨作用，ui2接地。反相輸入ui2單獨作用，ui1接地。Rf∞ui2R1R3uoi1ifR2ui1同相輸入減法運算電路i1if∵i+=0∵i-=0，∴if=i1反向積分運算如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0U-UomTM積分時限tTM時，uo=-uit/RCtTM時，uo=-Uom應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例tui0tuo0輸入為方波輸出是三角波i1iFui-++RR2Cuo如圖所示積分電路中，，，試求：(1)輸出電壓由0到運放能輸出的最大值所需的時間是多少？(2)超出這段時間，輸出電壓會呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律？(3)若將與保持積分運算關(guān)系的有效時間增大10倍，應(yīng)如何改變電路參數(shù)值。(2)超出0到這段時間，輸出電壓將保持不變;即則，或，(1)例解:(3)∵t=R1CFuo∴當(dāng)t=0.1×10=1s,uo=10V時：i1∵i+=0∵i-=0，∴if=i1反向微分運算例：某理想運算放大電路如圖所示：求輸出電壓Uo?解：U01=2VU3+=1VU02=（1+RF/R1)Ui=(1+1)1=2V-++-++-++2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I-++-++-++2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I例：電路如圖所示，要求（2）若RF1=R1，RF2=R2，R3=R4，寫出此時uo與ui1，ui2的關(guān)系式。（1）寫出輸出電壓uo與輸入電壓ui1，ui2之間運算關(guān)系的表達(dá)式?！辵i1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2

解:(1)當(dāng)u01單獨作用時當(dāng)ui2單獨作用時∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2解：∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2（2）若Rf1=R1，Rf2=R2，R3=R4解:ua=6mVub=-0.2mVu01=6mV例：求輸出電壓u0=?123+-++--6mV-0.2mVi112K36Ki2i3i48K2Kuaubu01u02u0123+-++--6mV-0.2mVi112K36Ki2i3i48K2Kuaubu01u02u0例：試推導(dǎo)iL和VS的關(guān)系式VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF∵u-=u+=0∴if=i1=VS/R1F點電位（即電阻Rf上電壓）為在F點應(yīng)用KCL有：電阻RL中電流與電阻值無關(guān)，因此，虛線框內(nèi)電路等效為恒流源。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF例：分析圖示運算放大器應(yīng)用電路中，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系?！辵iR1R1RF∞RRFRuoA1A2Cu+1u-1解:∞uiR1R1RF∞RRFRuoA1A2Cu+1u-1iFu01ic∞uiR1R1RF∞RRFRuoA1A2u+1u-1u01C輸入差模電壓的線性工作范圍很?。ㄒ话銉H十幾毫伏），在線性輸入范圍外，出現(xiàn)兩種飽和狀態(tài)——正飽和，輸出為正最大值，負(fù)飽和，輸出為負(fù)最大值。運算放大器非線性工作狀態(tài)的判斷負(fù)反饋是判斷是否線性應(yīng)用的主要電路標(biāo)志。如果電路中不存在負(fù)反饋或接有正反饋，則運算放大器將工作在非線性狀態(tài)。集成運算放大器的轉(zhuǎn)移特性∞u-u+uouou-

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u+0線性工作范圍正飽和負(fù)飽和UoLUoH§6.3信號處理電路運放線性應(yīng)用與非線性應(yīng)用比較uo比較器比較器是對輸入信號進行鑒別和比較的電路，視輸入信號是大于還是小于給定值來決定輸出狀態(tài)。它在測量、控制以及各種非正弦波發(fā)生器等電路中應(yīng)用廣泛。-+uiURuo有參比電壓的比較器R1R2uit0URuot0+Uom-Uom過零比較器參比電壓等于零時，輸入信號每次過零時、輸出電壓都會發(fā)生突變。利用過零比較器可以實現(xiàn)信號的波形變換。-+uiURuoR1R2uit0URuot0+Uom-Uom+Uom-Uomuot0：電路如圖所示，運算放大器的飽和電壓為12V，晶體管T的=50，輸入電壓uI的波形如圖2所示，則燈HL的情況為（）。（a）亮1s，暗2s （b）暗1s，亮2s（c）亮3s，暗2s例b有限幅的過零比較器UZuo0ui-UZ-+uiuoR1-+uiuoR1RuoRuo5V0.7V5.7V矩形波發(fā)生器-++ucu-u+RFR1R3DZURuoR2R1、R2構(gòu)成正反饋電路，R2上的反饋電壓UR是輸出電壓的一部分