微電子技術(shù)及應(yīng)用

微電子技術(shù)及應(yīng)用第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用2

第一節(jié)

集成運(yùn)放的基本使用方法1.集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放原則上由二個(gè)電源接線腳V+和V-，但有不同的電源供給方式。雖電源供給方式不同，但原則上輸入腳回歸線務(wù)必固定于V+～V-間某一點(diǎn)電位上。

第三章模擬集成電路和集成運(yùn)算放大器

第二部分集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3①對(duì)稱雙電源供給方式第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4②非對(duì)稱雙電源供給方式第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用5③單電源供給方式第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用6

2.輸入/輸出間相位關(guān)系，虛短路為了正確分析有運(yùn)放的電路的工作原理，必須弄清楚運(yùn)放的輸入/輸出電壓的相位關(guān)系以及輸入端虛短路的概念。輸入/輸出間相位關(guān)系------①

同相輸入端的電壓相對(duì)反相端的電壓是正方向增大，則輸出電壓是正方向增大，即正極性輸出。②反相輸入端的電壓相對(duì)同相端的電壓是正方向增大，則輸出電壓是負(fù)方向增大，即負(fù)極性輸出。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用7虛短路------運(yùn)放使用時(shí)一般加負(fù)反饋，選定外電路的常數(shù)可獲得任意值的放大倍數(shù)。實(shí)際電路中輸出電壓為有限值，而運(yùn)放自身（開環(huán)增益）放大倍數(shù)非常大，因此，同相與反相輸入間差動(dòng)輸入電壓接近于零。在正常工作狀態(tài)下，可以認(rèn)為同相與反相輸入端是同電位，即為虛短路。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用83.反相放大情況電路與放大倍數(shù)第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用9電壓放大倍數(shù)AV反相放大電路的電壓放大倍數(shù)取決于R2和R1的比值。第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用10電壓放大倍數(shù)AV的頻率特性一般來說，運(yùn)放自身開環(huán)增益非常大，而頻率特性較差。用通用運(yùn)放構(gòu)成電壓放大倍數(shù)為10～100倍（20～40dB）的反相放大器，小信號(hào)放大時(shí)頻率約100KHz，而大信號(hào)放大時(shí)頻率約10～20KHz，放大倍數(shù)即開始降低。運(yùn)放消耗電流越大或者R1和R2阻值越小，頻率特性越好。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用11輸入阻抗（Ri）這是從輸入信號(hào)源處看放大電路的電阻，所以，

Ri=Ei/ii=R1輸出阻抗（RO）運(yùn)放的輸出阻抗非常低，應(yīng)用時(shí)加有負(fù)反饋電路，因此，輸出電阻可視為零。

第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用124.同相放大情況

電路與放大倍數(shù)第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六電壓放大倍數(shù)AV∵∴第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用14同相放大電路的電壓放大倍數(shù)也取決于

R2和R1的比值。反相放大電路的電壓放大倍數(shù)可能小于1；同相放大電路的電壓放大倍數(shù)不可能小于1。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用15輸入阻抗（Ri）從輸入信號(hào)源Ei看輸入電阻，等同于運(yùn)放同相輸入端的輸入阻抗。這個(gè)阻抗非常大。輸出阻抗RO、頻率特性等與反相放大電路基本相同。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用165.差動(dòng)放大情況差動(dòng)放大可看作是反相放大電路和同相放大電路的組合。第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用176.電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗近似為零，電壓放大倍數(shù)AV=1。容易自激，有的運(yùn)放在內(nèi)部加有相位補(bǔ)償電路，或者外接規(guī)定容量的補(bǔ)償電容。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用187.零漂的調(diào)整用運(yùn)放放大微弱直流輸入信號(hào)時(shí)，最突出的問題是零點(diǎn)漂移。調(diào)整的方法①有零漂調(diào)整管腳的運(yùn)放在零漂調(diào)整管腳接入電位器RP，當(dāng)輸入端短路時(shí)，調(diào)整電位器RP使輸出電壓為零即可。第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用19有零漂調(diào)整管腳的運(yùn)放第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用20②無零漂調(diào)整管腳的運(yùn)放有些運(yùn)放沒有設(shè)置零漂調(diào)整管腳，尤其是雙運(yùn)放或四運(yùn)放，因?yàn)楣苣_有限，幾乎都省掉了。這時(shí)可在輸入信號(hào)上疊加調(diào)零電壓。所采用的方法應(yīng)以不影響電壓放大倍數(shù)AV為準(zhǔn)。一般來說，運(yùn)放零漂電壓不會(huì)超過10～20mV。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用21同相放大電路調(diào)零方法第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用22反相放大電路調(diào)零方法第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用238.單電源運(yùn)放的使用單電源運(yùn)放的特點(diǎn)：①由圖可知，輸入級(jí)VT1～VT4是P型晶體管，因此，輸入電壓即使與地同電位，輸入電路也能工作。②輸出管腳與地之間接有50μA的恒流源電路，因此，如果輸出管腳界的負(fù)載是在50μA以內(nèi)，輸出電壓可工作到零。③這樣，零輸入零輸出就在運(yùn)放有效范圍內(nèi)。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用24單電源運(yùn)放LM324內(nèi)部電路第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用25充分發(fā)揮單電源運(yùn)放的特長上述單電源運(yùn)放在輸入輸出為零也能工作，因此在實(shí)際電路中，應(yīng)充分利用這一特長。例如，有一種輸出電壓0～10V可調(diào)的穩(wěn)壓源，如果采用一般的雙電源運(yùn)放，至少也要加-2～-3V以上的輔助電源。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用260～10V可調(diào)穩(wěn)壓源第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用27單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的比較第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用28第二節(jié)CMOS運(yùn)放14573和電壓比較器1457414573------四可編程運(yùn)放14574------四可編程電壓比較器14575------可編程雙運(yùn)放、雙電壓比較器

1.可編程功能：工作電流均可由外接電阻Rset進(jìn)行隨意編制，根據(jù)使用者對(duì)電路的壓擺率SR、輸出擺幅、傳輸延遲時(shí)間以及功耗等參數(shù)的綜合要求，在一定的場合，選擇適當(dāng)?shù)腞set。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用292.電源電壓范圍：雙電源------±1.5V～±7.5V

單電源------3V～15V3.共模輸入電壓范圍：0～（VDD-2V)

失調(diào)電壓典型值：10mV4.輸入阻抗

------RIN≥1010Ω，開環(huán)增益------90dB

壓擺率------OP2.5V/μs比較器100V/μs第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用305.CMOSOP14573:

由于其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，較其他MOS運(yùn)放更適合處理模擬信號(hào)，互補(bǔ)結(jié)構(gòu)直接對(duì)應(yīng)于BipolarOP中的互補(bǔ)管。電壓比較器14574：輸出高電平約為VDD

，低電平約為

VSS

轉(zhuǎn)換時(shí)間100ns，延遲時(shí)間≤100ns

比較器單元電路如圖所示。第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3114574比較器單元電路原理圖第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用32T10和外偏置電阻Rbias構(gòu)成兩個(gè)比較單元合用的偏置電流源基準(zhǔn)電流電路。T1～T4和T11構(gòu)成電流源負(fù)載差分輸入級(jí)。T5和T12構(gòu)成電流源負(fù)載共源放大器。T6、T7和T8、T9分別構(gòu)成CMOS倒相放大器。可見比較單元具有四級(jí)放大器，增益AV很高。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用336.比較器與運(yùn)放的區(qū)別：a.比較器比運(yùn)放多二級(jí)倒相器，是一個(gè)差分輸入，單端輸出的高增益放大器，輸出擺幅與數(shù)字電路的邏輯電平相匹配。b.比較器的輸出電平一般與數(shù)字電路邏輯相匹配，故可以工作在開環(huán)狀態(tài)下，電壓增益大于1000倍（30dB）就可以了。第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用34而運(yùn)放一般工作在閉環(huán)狀態(tài)下，其電壓增益越高越好，應(yīng)用時(shí)可以施加負(fù)反饋，負(fù)反饋可改善失真、頻響和穩(wěn)定性。c.比較器對(duì)增益和相位沒有嚴(yán)格要求，無需補(bǔ)償。d.為具備高的靈敏度和分辨率，比較器對(duì)失調(diào)電壓與偏置電流準(zhǔn)確性的要求比運(yùn)放來得高。e.響應(yīng)時(shí)間是重要指標(biāo)，比較器一般高于運(yùn)放。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用35第三節(jié)CMOS運(yùn)放和電壓比較器典型應(yīng)用一、單窗口比較器

第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用36窗口比較器輸入輸出關(guān)系第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用37兩片14574和一片4011可構(gòu)成的四窗口比較電路?；鶞?zhǔn)電壓電路由基準(zhǔn)電壓源ER和四個(gè)等值的分壓電阻組成，獲得的四個(gè)基準(zhǔn)電壓------Vth1=ER、

Vth2=3ER/4、

Vth3=ER/2、

Vth3=ER/4。二、四窗口比較器

第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用38四窗口比較器第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用39根據(jù)比較器和與非門電路的工作原理可知：當(dāng)3ER/4＜v1＜ER時(shí)，vo1=“0”，LED1發(fā)光指示；當(dāng)ER/2＜v1＜3ER/4ER時(shí)，vo2=“0”，LED2發(fā)光指示；當(dāng)ER/4＜v1＜ER/2時(shí)，vo3=“0”，LED3發(fā)光指示；當(dāng)0＜v1＜ER/4時(shí)，vo4=“0”，LED4發(fā)光指示。第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用40三、限幅指示器本電路可監(jiān)控功率放大器的過載狀態(tài)，當(dāng)輸出電壓峰---峰值（+VPP～-VPP)分別超過VH、VL時(shí)，LED指示燈點(diǎn)亮，指示輸出功率超過額定值。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用41限幅指示器電路第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用42限幅指示器電路Vi～Vo關(guān)系第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用43四、施密特性比較器特點(diǎn)：1.同施密特電路，具有正反饋，能加速轉(zhuǎn)換過程。2.有兩個(gè)門限，亦稱遲滯性比較器。VT+第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用44施密特性比較器第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用45VT-VH=VT+-VT-=第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用46五、壓控方波、三角波發(fā)生器第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用471.電路組成運(yùn)放A作為積分器，JFET3DJ6作為積分器的轉(zhuǎn)換開關(guān)。運(yùn)放C作為施密特比較器。運(yùn)放B、D連成跟隨器，起到隔離和增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的作用。RW1可調(diào)節(jié)積分輸入電壓的大小，從而調(diào)節(jié)輸出頻率。RW2、RW3可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期六集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用482.電路原理當(dāng)運(yùn)放C的輸入端電壓＞VT+，運(yùn)放C輸出為-VSS，二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)致3DJ6夾斷，等效電路如圖所示。積分器輸出：負(fù)向積分輸出第4