模塊三-集成運算放大電路

3.1集成電路簡介3.2集成運放的線性應用電路3.3集成運放的非線性應用電路3.4例析

本模塊主要內(nèi)容一、集成電路簡介1、什么是集成電路？

集成電路是采用半導體制造工藝，把電子元件以及連接導線集中制造在一小塊半導體基片上而構(gòu)成的一個完整電路。又叫固體電路。3.1集成電路簡介集成電路種類：按功能分按集成度分數(shù)字集成電路模擬集成電路——產(chǎn)生、變換和處理各種數(shù)字信號——放大、變換和處理模擬信號小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模超大規(guī)模集成運放、集成功放、集成穩(wěn)壓器、集成模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等2、基本結(jié)構(gòu)特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸結(jié)構(gòu)示意圖：高阻輸入級中間級低阻輸出級偏置電路反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuou–u+輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端集成運放的外形圖：集中運放的電路符號

uo++

u+u––圖中“－”表示反相輸入端，“＋”表示同相輸入端?！?/p>

”表示信號的傳輸方向，“∞”表示理想條件。(1)輸入失調(diào)電壓UIO3、主要技術(shù)參數(shù)(2)輸入失調(diào)電流IIO

(3)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud(4)開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)Auc(5)差模輸入電阻rid

(6)差模輸出電阻ro

(7)最大輸出電壓Upp

(8)共模抑制比KCMR

UIO越小越好，一般約為±1～±10mvIIO越小越好，一般約為1nA～10.1μA輸出與輸入電壓比值大小。越小越好。其值越大，運算精度越高，性能越穩(wěn)定。Aud(dB)=20lgAud（倍）動態(tài)電阻，越大越好，一般為幾百千到幾兆歐。越小性能越好，一般為幾百歐左右。運放不失真最大輸出電壓的峰值可達±13V左右KCMR=Aud/Auc的絕對值，一般越大越好，一般在80dB以上。4、理想運放及其特點分析電壓傳輸特性：輸出電壓與其輸入電壓之間的關(guān)系曲線，即uo=f(uid)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O理想運算放大器輸入為零時，輸出恒為零；Auo

，rid；ro0，KCMR；失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為零。理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)OAuo越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)理想運放工作在非線性區(qū)的特點電壓傳輸特性(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

3.2集成運放的線性應用電路一、比例運算電路

集成運放的線性電路有比例運算、加法運算、減法、微分運算、積分運算、對數(shù)運算、對數(shù)、運算、乘法和除法運算等電路。1.

反相比例運算（1）電路組成ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

根據(jù)輸入信號接法不同，分為反相輸入、同相輸入和差動輸入三種基本形式。

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點

i1

if

因要求靜態(tài)時u+、u–對地電阻相同，

平衡電阻R2=R1//RF利用“虛短”、“虛斷”、“虛地“特點”，可得出：2.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++

–

因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–二、加法運算電路反相加法運算電路因虛短,

u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

三、減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。四、積分運算電路

由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ififi1uoCFuiR2R1++––++

–

uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有五、微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++

–

uitOuotOUi–Ui3.3集成運放的非線性應用電路（電壓）比較器：電壓比較器用來比較兩個電壓的大小，常用于測量、控制和信號處理等電路中。一、比較器分為過零電壓比較器、單限電壓比較器和滯回電壓比較器。過零電壓比較器和單限電壓比較器根據(jù)輸入方式的不同均可分為反相輸入和同相輸入兩種。參考電壓為零檢測輸入信號是否大于或小于某一特定值在電壓比較器基礎(chǔ)上加上正反饋構(gòu)成1、過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t22、單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t23.滯回比較器

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RFR2uoui++

–

R1+–+–－

－上門限電壓U'+：ui逐漸增加時的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時的門限電壓uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++

–

R1+–+–根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動?？梢姡簜鬏斕匦圆辉賹ΨQ于縱軸，+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當參考電壓UR不等于零時定義：回差電壓與過零比較器相比具有以下優(yōu)點：1.改善了輸出波形在躍變時的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，

U越大，抗干擾能力越強。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影回差電壓

U。

電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測、自動控制、超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應用。二、輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

三、使用運放注意事項：1、集成運放的選用2、集成運放的調(diào)零3、集成運放的自激4、集成運放的保護3.4例析例1：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

解：對圖（1）

上門限電壓下門限電壓例2：電路如圖所示，

Uo(sat)=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）解：對圖（2）

例3：電路如圖所示，

Uo(sat)=±6V，UR

=5V，