集成運算放大器的應(yīng)用

1、1 14.1 模擬運算電路4.2 信號處理電路4.3 正弦波振蕩器第四章 集成運算放大器的應(yīng)用2 前面介紹的是分立電路，就是由各種單個元件前面介紹的是分立電路，就是由各種單個元件連接起來的電子電路。集成電路是相對于分立電路連接起來的電子電路。集成電路是相對于分立電路而言的，就是把整個電路的各個分立元件以及相互而言的，就是把整個電路的各個分立元件以及相互之間的連接在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分之間的連接在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體，與由晶體管等分立元件組成的電路比較，割的整體，與由晶體管等分立元件組成的電路比較，體積更小，重量更輕，功耗更低，又由于減少了電體積更小，重量更輕，功

2、耗更低，又由于減少了電路的焊接點而提高了工作的可靠性，并且價格也較路的焊接點而提高了工作的可靠性，并且價格也較便宜。所以集成電路的問世，是電子技術(shù)的一個新便宜。所以集成電路的問世，是電子技術(shù)的一個新的飛躍，進入了微電子學(xué)時代，從而促進了各個科的飛躍，進入了微電子學(xué)時代，從而促進了各個科學(xué)領(lǐng)域先進技術(shù)的發(fā)展。學(xué)領(lǐng)域先進技術(shù)的發(fā)展。3 早期的運算放大器是用電子管組成的，早期的運算放大器是用電子管組成的，后來被晶體管分立元件運算放大器取代。隨后來被晶體管分立元件運算放大器取代。隨著半導(dǎo)體集成工藝的發(fā)展，自從著半導(dǎo)體集成工藝的發(fā)展，自從6060年代初第年代初第一個集成運算放大器（也稱為固體組件運算一個

3、集成運算放大器（也稱為固體組件運算放大器）問世以來，才使運算放大器的應(yīng)用放大器）問世以來，才使運算放大器的應(yīng)用遠遠地超出了模擬計算機的界限。遠遠地超出了模擬計算機的界限。4 4集成電路簡介集成電路簡介 集成電路是在一小塊集成電路是在一小塊P P型硅晶片襯底上，制成多型硅晶片襯底上，制成多個晶體管個晶體管( (或或FET)FET)、電阻、電容，組合成具有特定、電阻、電容，組合成具有特定功能的電路。功能的電路。5 5集成運算放大器集成運算放大器高增益的直接耦合的集成的高增益的直接耦合的集成的多級放大器。多級放大器。集成電路在結(jié)構(gòu)上的特點1.1. 采用直接耦合方式。采用直接耦合方式。 2.2. 為克

4、服直接耦合方式帶來的溫漂現(xiàn)象為克服直接耦合方式帶來的溫漂現(xiàn)象, ,采用了采用了溫度補償?shù)氖侄螠囟妊a償?shù)氖侄?輸入級是差放電路。輸入級是差放電路。3.3. 大量采用大量采用BJTBJT或或FETFET構(gòu)成恒流源構(gòu)成恒流源 , ,代替大阻值代替大阻值R ,R ,或用于設(shè)置靜態(tài)電流?；蛴糜谠O(shè)置靜態(tài)電流。4.4. 采用復(fù)合管接法以改進單管性能。采用復(fù)合管接法以改進單管性能。 集成電路分為數(shù)字和模擬兩大部分。集成電路分為數(shù)字和模擬兩大部分。6 61. 元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。2. 集成

5、電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。3. 不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。4. 只能制作幾十只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。接耦合方式。如需大電容，只有外接。5. 不能制造電感，如需電感，也只能外接不能制造電感，如需電感，也只能外接集成電路的工藝特點71. 運放的電壓傳輸特性運放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運放的運放的AVO=104U

6、i1mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。AVO越大，線性區(qū)越小，當越大，線性區(qū)越小，當AVO時，線性區(qū)時，線性區(qū)0理想運算放大器理想運算放大器82.理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) AV0=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 R0=093. 線性區(qū)線性區(qū):為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負反饋！電路中有負反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法： 虛短（虛短（U+=U-） 虛斷（虛斷（ii+=ii-

7、=0）104. 非線性區(qū)（正、負飽和輸出狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負飽和輸出狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：運放工作在非線性區(qū)的條件：電路中開環(huán)工作或引入正反饋！電路中開環(huán)工作或引入正反饋！114.1.1 1 1、反相輸入比例運算電路反相輸入比例運算電路Rp +uouiRFR1i1iff1ii 0uu，F(xiàn)oFof111RuRuuiRuRuuiii圖4-11213R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3of1f2f1f21f31ufiuAuR RRRRR 根據(jù)運放工作在線性區(qū)的虛短和虛斷兩條分析依據(jù)，可以推出圖所示電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：圖4-214例例 在圖4-2所示電路中，已

8、知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf、輸入電阻ri及平衡電阻R2；（2）如果改用圖4-1的電路，要想保持閉環(huán)電壓放大倍數(shù)和輸入電阻不變，反饋電阻Rf應(yīng)該多大？解解（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：5 .1021502005020010011f3f2f1f2f11RRRRRRAuf1516Rpui +uoRFR1i1if2 2、同、同相輸入比例運算電路相輸入比例運算電路17ui +uo18例例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求輸出電壓uo，并說明輸入級的作用。ui +R2 +uoRfR1uo1解解 輸入

9、級為電壓跟隨器，由于是電壓串聯(lián)負反饋，因而具有極高的輸入電阻，起到減輕信號源負擔的作用。且V 1o1iuu，作為第二級的輸入。第二級為反相輸入比例運算電路，因而其輸出電壓為：(V) 21100200o11ouRRuf19例例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求輸出電壓uo。R2 +uoRfR1uiR3解解 根據(jù)虛斷，由圖可得：ifuRRRuuRRRu323o1120214.1.2 1 1、加法運算電路加法運算電路i2ui2Rp +uoui1RFifR1i1R222R2 +uoRFR1ui1ui2R32 2、減法、減法運算

10、電路運算電路2323231F11Fo1iiuRRRRRuRRu減法減法運算電路：運算電路：24Rp2RP1 +uoui1RF +uo1RRR1R2ui2：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成。11F22Fo12F11Fo2o1)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu25 R4 R3 + + uo ui2 R1 + + uo1 R2 R1 R2 ui1 A1 A2 ：電路由第一級的同相比例運算電路和第二級的減法運算電路級聯(lián)而成。112o11iuRRu1221221112212211o21o1111iiiiiuuRRuRRuRRRRuRRuRRu26321o82010iiiuuuu

11、解解 由題中給出的運算關(guān)系可知ui3與uo反相，而ui1和ui2與uo同相，故可用反相加法運算電路將ui1和ui2相加后，其和再與ui3反相相加，從而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相兩次。根據(jù)以上分析，可畫出實現(xiàn)加減運算的電路圖，如圖所示。ui2R3 +uo1ui1Rf1R1R2R6 +uoui3Rf2R4R5A1A22722f211f1o1iiuRRuRRu34f222f111f15f2o15f234f2oiiiiuRRuRRuRRRRuRRuRRu28根據(jù)題中的運算要求設(shè)置各電阻阻值間的比例關(guān)系：15f2RR，101f1RR，202f1RR，84f2RR若選取k 100f2f1RR

12、，則可求得其余各電阻的阻值分別為：k 101R，k 52R，k 5 .124R，k 1005R平衡電阻 R3、R6的值分別為：k 5 . 2100/5/10/f1213RRRRk 10100/100/5 .12/f2546RRRR29R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A330R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A331R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A3324.1.3 1 1、積分運算電路積分運算電路uiRP +CRiCiRuo33oi1duu tRC 0o

13、io1dtCtuu tutRC 0ioo1 d ttu tutRC 34oi1duU tRC uitOUo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0時，| Auf|衰減很快 顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一 階有源低通濾波器。49 為了改善濾波效果，使 0 時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。50c1Fo11111jARCjRRUUAuiufRC1c：512o11uufAARC1o：c1Fo11111jARCjRRUUAuiuf52,0時時當當 ,時時當當 ff0uuAA

14、f0uA,0時時當當 f0f2uuAA2o11uufAA53 可見，電路使頻率大于0 的信號通過 ，而小于0 的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。 54 將低通濾波器與高通濾波器串聯(lián)，并使低通濾波器的截止頻率 大于高通濾波器的截止頻率 ,則構(gòu)成有源帶通濾波器。 其中 為上限頻率， 為下限頻率，通頻帶為：HLHLHLBW55OOO 將低通濾波器與高通濾波器并聯(lián)，并使高通濾波器的截止頻率 大于高通濾波器的截止頻率 ,則構(gòu)成有源帶阻濾波器。 和 之間的信號被阻止不能通過，其他頻率的信號可以通過LHHL564.2.2 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的 大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 用作比較器時，57理想運放工作在飽和區(qū)的特點理想運放工作在飽和區(qū)的特點： uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O58運算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運算放大器便進入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達到最大值UOM。1、簡單比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。 59ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR時，