學(xué)習(xí)情境4集成運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)與仿真

教學(xué)內(nèi)容 4.1集成運(yùn)放的組成及主要技術(shù)指標(biāo) 4.2集成運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)域

4.3基本運(yùn)算電路 4.4有源濾波器

4.5電壓比較器情景4集成運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)與仿真4.1集成運(yùn)放的組成及主要技術(shù)指標(biāo)本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 1.了解集成運(yùn)放的基本組成。2.了解集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)。 3.了解集成運(yùn)放的保護(hù)措施。1、集成電路把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)不可分割的整體。2、集成運(yùn)放的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路4.1.1集成運(yùn)放概述1）只能采用直接耦合方式；2）采用對(duì)稱的差分放大電路、電流源電路等；3）采用電流源作為有源負(fù)載，代替大阻值的電阻；4）經(jīng)常采用復(fù)合管。3、集成運(yùn)放的特點(diǎn)4.1.1集成運(yùn)放概述4、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性AuOu－－+u+當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)：uo=Aod(u+-u-)(u+-u-)正較大時(shí)，輸出正限幅：uo=+UoM(u+-u-)負(fù)較大時(shí)，輸出負(fù)限幅：uo=-UoM指運(yùn)放輸入端差放管的基極偏置電流的平均值。1、開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)2、共模放大倍數(shù)一般為104~107。3、共模抑制比一般大于80dB。4.1.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)4、輸入偏置電流IIB5、差模輸入電阻rid6、最大共模輸入電壓UIc(max)差模信號(hào)作用下的集成運(yùn)放的輸入電阻。在正常工作時(shí)所能加的最大共模電壓，超過(guò)此值，KCMR將明顯下降，甚至不能工作。7、最大差模輸入電壓UId(max)超過(guò)此值，將導(dǎo)致輸入級(jí)差放管的PN結(jié)反向擊穿。8、輸入失調(diào)電流IIO和輸入失調(diào)電壓UIO兩值越小，表明電路的對(duì)稱性越好。4.1.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)8、輸入失調(diào)電流溫漂△IIO/△T9、輸入失調(diào)電壓溫漂△UIO/△T指溫度變化△T時(shí)所產(chǎn)生的失調(diào)電流變化△IIO和失調(diào)電壓變化△UIO。10、上限截止頻率fH與單位增益帶寬fC

fH指運(yùn)放20lg|Aod|下降3dB時(shí)的信號(hào)頻率。

fC指運(yùn)放Aod下降到1時(shí)與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率。

SR越大表明運(yùn)放的高頻性能越好。11、轉(zhuǎn)換速率SR4.1.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)1、輸入保護(hù)AuOuI－+RFRIN914S反相輸入保護(hù)；AuOuI－+RFR+V-V同相輸入保護(hù)集電極外接電源電壓+VCC正常工作時(shí)，輸入端對(duì)+VCC而言總是負(fù)值，所以輸入級(jí)兩個(gè)差分管C-B間不會(huì)出現(xiàn)正向偏置。但是，如果把VCC撤除，而②、③引腳仍保持正電位（即共模輸入），晶體管的集電結(jié)將有一股電流由基極流向集電極，形成集電結(jié)電流很大，可能損壞輸入級(jí)晶體管。另外，若信號(hào)源含有電容元件，當(dāng)電容充電到高電位時(shí)，將電源電壓和信號(hào)同時(shí)撤除，電容放電電流仍將損壞晶體管。4.1.3集成運(yùn)放的保護(hù)措施2、輸出保護(hù)使集成電路的輸出電壓被限制在DZ的穩(wěn)壓值，從而避免了過(guò)流或擊穿而造成的損壞。防止正、負(fù)兩路電源的極性接反。AuOu-－+Ru+DZAuOu-－+u++VCC-VCC3、電源端保護(hù)4.1.3集成運(yùn)放的保護(hù)措施4.2集成運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)域本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 1.熟悉集成運(yùn)放的理想特性。2.掌握理想運(yùn)放的虛短、虛地應(yīng)用。4.2.1理想運(yùn)放AuOu－－+u+國(guó)際符號(hào)1、開(kāi)環(huán)差摸電壓放大倍數(shù)Aod＝∞2、差模輸入電阻Rid＝∞3、輸出電阻Rod＝04、共模抑制比KCMR＝∞5、上限截止頻率fH＝∞6、輸入偏置電流IB1、IB2，失調(diào)電壓UIO，失調(diào)電流IIO，以及它們的溫漂dUIO/dT、dIIO/dT均為0。7、無(wú)干擾和噪聲4.2.2理想運(yùn)放的線性工作區(qū)－＋uI反饋網(wǎng)絡(luò)－＋u＋uOu－Ai－i＋線性特性：uo=Aod(u+-u-)（1）由于Aod→∞，所以有：則有：虛短：u+=u-（2）又由于Rid→∞，所以有：則有：虛斷：i+=i-=0注：線性應(yīng)用時(shí)，集成運(yùn)放必須引入深度負(fù)反饋，使輸入輸出之間形成線性關(guān)系。4.2.3理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)反饋網(wǎng)絡(luò)－＋u＋uOu－A(b)正反饋(a)無(wú)反饋－＋u＋uOu－A1、根據(jù)：uo=Aod(u+-u-)，由于Aod→∞則：（1）u+＞u-時(shí)，輸出正限幅：uo=+UoM（2）u+＜u-時(shí)，輸出負(fù)限幅：uo=-UoM2、又由于Rid→∞，而u+-u-總是有限值時(shí)，有：虛斷：i+=i-=0注：非線性應(yīng)用時(shí)，集成運(yùn)放工作在無(wú)反饋或正反饋狀態(tài)。4.3基本運(yùn)算電路本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 1.掌握反相比例器、同相比例器的組成、分析計(jì)算方法和特點(diǎn)。2.掌握加法運(yùn)算和加法運(yùn)算的組成、分析計(jì)算方法。 3.掌握積分線性應(yīng)用。4.了解微分線性應(yīng)用。4.3.1比例運(yùn)算電路一、反相比例運(yùn)算電路——虛地特點(diǎn)：（1）電壓放大倍數(shù)：Aod=-RF/R，當(dāng)Aod=-1時(shí)，稱反相器（反號(hào)器）；（2）引入電壓負(fù)反饋，Ro

→0，帶負(fù)載能力強(qiáng)；（3）引入并聯(lián)負(fù)反饋，Ri

小，通常認(rèn)為Ri=R

，對(duì)輸入員電流有一定的要求；（4）反相輸入端虛地，共模輸入電壓可視為0，所以對(duì)KCMR要求低。補(bǔ)償電阻，保證集成運(yùn)放兩輸入端電阻的對(duì)稱性。－＋uOARuIR'=R//RFi-i+iFiRRF二、同相比例運(yùn)算電路特點(diǎn)：（1）電壓放大倍數(shù)：Aod=1+RF/R＞1，且輸入輸出同相；（2）引入電壓負(fù)反饋，Ro

→0，帶負(fù)載能力強(qiáng)；（3）引入串聯(lián)負(fù)反饋，Ri

非常高，通常認(rèn)為Ri=∞

，最重要優(yōu)點(diǎn)；（4）由于u-=u+=uI

，共模電壓等于輸入電壓，所以對(duì)KCMR要求高。－＋uOARuIRFR'=R//RFi-i+iFiR4.3.1比例運(yùn)算電路電壓跟隨器－＋uOAuI4.3.1比例運(yùn)算電路求解圖所示電路的運(yùn)算關(guān)系解：－＋uOAR1uIRFR2R3又4.3.2加減運(yùn)算電路一、加法運(yùn)算電路－＋uOAR2uI2RFR'=R1//R2//R3//RFiFi2R3uI3i3R1uI1i1【方法一】用節(jié)點(diǎn)∑處的電流方程【方法二】用疊加原理uI1單獨(dú)作用時(shí)，uI2單獨(dú)作用時(shí)，uI3單獨(dú)作用時(shí)，二、減法運(yùn)算電路用疊加原理僅uI1單獨(dú)作用時(shí)，僅uI2單獨(dú)作用時(shí)，－＋uOAuI1RFRFiFRuI2i1Ri3i2用途：該電路在工業(yè)自動(dòng)控制、精密測(cè)量、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中對(duì)各種傳感器送來(lái)的信號(hào)加以放大，然后送給系統(tǒng)。4.3.2加減運(yùn)算電路加減電路用疊加原理，反相輸入端對(duì)輸出的影響：同相輸入端對(duì)輸出的影響：共同作用時(shí)：－＋uOAuI2RFR5iFR3uI3i2R2i3uI1i1R1uI4i4R4求解圖所示電路的運(yùn)算關(guān)系。解：－＋uO1A1R1uI1RF1R5R2uI2－＋uOA2R4RF2R6R3uI34.3.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路一、積分運(yùn)算電路1、RC積分運(yùn)算電路CRUo+-+-Ui(a)τOt(b)UiUo當(dāng)輸入電壓ui為一階躍電壓時(shí)，輸出電壓uo只有在開(kāi)始部分隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，近似與輸入電壓成積分關(guān)系。隨著C的充電電壓uc不斷增長(zhǎng)，使充電電流不斷衰減，充電速度變慢，輸出電壓不再隨時(shí)間直線增長(zhǎng)，而按指數(shù)規(guī)律上升。怎么辦？2、集成運(yùn)放積分運(yùn)算電路－＋uOARuICRiRiC特點(diǎn)：（1）輸入信號(hào)從反相端輸入；（2）反饋引入電容元件。當(dāng)uI為常數(shù)UI時(shí)，上式為用途：若輸入為正弦波，則輸出為——余弦波。實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)移相。若輸入為矩形波，則輸出為——三角波。實(shí)現(xiàn)了波形的變換。4.3.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路解：設(shè)uO上升到+6V所需的時(shí)間為T1，電路如圖所示，R=10kΩ,C=0.05μF。t=0時(shí)，電容兩端電壓為0，且輸入電壓由0躍到-3V。試問(wèn)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間輸出電壓uO上升到+6V。(a)uItO-3VuOtO+6VT1解得：T1=1ms。應(yīng)用：若用輸出電壓控制電子開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，且uO=+6V時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合，則T1即為從輸入產(chǎn)生躍變到開(kāi)關(guān)動(dòng)作的延時(shí)時(shí)間，可見(jiàn)積分運(yùn)算電路可用于延時(shí)電路。電路如圖所示，R=10kΩ,C=0.05μF。已知輸入電壓周期為4ms，幅值為±3V的方波信號(hào)：且在t=0時(shí)uI=-3V，t=1ms時(shí)uI躍變?yōu)?V，t=3ms時(shí)uI躍變?yōu)?3V升，如圖所示。設(shè)電容初始電壓為0。試求輸出電壓uO的波形。uIt/msO(b)uOtO-3V+3V1357+6V+6V解：當(dāng)t=0時(shí)，方波電壓為-3V，1/4周期（1ms）輸出電壓uO為，此后，方波躍變?yōu)?3V，輸出電壓從+6V開(kāi)始下降，經(jīng)1/2周期（2ms）輸出電壓uO為，波形如右圖所示。可知，方波變成了三角波。二、微分運(yùn)算電路用途：若輸入為矩形波，則輸出為——尖脈沖。實(shí)現(xiàn)了波形的變換。－＋uOARuICRiRiCuItOuOtO缺點(diǎn)：（1）易受高頻噪聲干擾；（2）容易產(chǎn)生自激振蕩。4.3.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路4.3節(jié)練習(xí)11、為了得到電壓放大倍數(shù)為100的放大電路，應(yīng)選用

。A、反相比例運(yùn)算電路

B、同相比例運(yùn)算電路C、積分運(yùn)算電路

D、微分運(yùn)算電路

2、為了得到電壓放大倍數(shù)為-50的放大電路，應(yīng)選用

。A、反相比例運(yùn)算電路

B、同相比例運(yùn)算電路C、積分運(yùn)算電路

D、微分運(yùn)算電路

3、圖所示電路，當(dāng)輸入方波信號(hào)時(shí)，電路的輸出波形為

。A、正弦波B、矩形波C、三角波 D、尖脈沖

－＋uOARuICRiRiC4.3節(jié)練習(xí)24、實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算的電路是

。－＋uOARuICR(B)－＋uOARuICR(A)＋－uOARuICR(C)＋－uOARuICR(D)4.4有源濾波器本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 1.熟悉有源濾波這種信號(hào)處理電路的作用和工作原理。 2.了解有源濾波器的選頻特性及應(yīng)用。 4.4.1濾波電路基礎(chǔ)知識(shí)一、濾波的概念濾波器：是一種能使某部分頻率比較順利地通過(guò)，而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。常用在信息處理、數(shù)據(jù)的傳遞和干擾的抑制等方面。二、濾波器的種類20lg|Au|Of(a)通阻20lg|Au|Off0(b)阻通20lg|Au|Of(c)阻阻通20lg|Au|Off0(d)通阻通f1f2(a)

低通濾波器（LPF）:低頻能通過(guò)而高頻不能通過(guò)。(b)

高通濾波器（HPF）:高頻能通過(guò)而低頻不能通過(guò)。(d)

帶阻濾波器（BEF）:頻率在某一定范圍之內(nèi)不能通過(guò)，而其余都能通過(guò)。(c)

帶通濾波器（BPF）:頻率在某一定范圍之內(nèi)能通過(guò)，而其余都能不通過(guò)。4.4.1濾波電路基礎(chǔ)知識(shí)4.4.2有源低通濾波器一、一階低通濾波器電路和波特圖3dB-20dB/十倍頻f020lg|Au|/dBOf(b)(a)－＋AR1CRFRUiUo20lgAup——通頻帶電壓放大倍數(shù)。二、二階低通濾波器電路圖(a)－＋AR1C1=CRFRUiUoRC2=CM波特圖0.1-401(b)20lg

/dB10-30-20-1001020Q=10Q=2Q=1Q=0.7.7Q=0.5-40dB/十倍頻——等效品質(zhì)因數(shù)。注意：當(dāng)Aup=3，Q=∞，電路將發(fā)生自激振蕩。4.4.2有源低通濾波器一階和二階低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性-40120lg

/dB0.110-200-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻123實(shí)線1:一階濾波器特性實(shí)線2:二階濾波器特性虛線3:理想特性4.4.2有源低通濾波器(a)－＋AR1RFRUiRCMCUo140dB/十倍頻(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-1001020Q=10Q=2Q=1Q=0.7.7Q=0.54.4.3有源高通濾波器4.4.4有源帶通濾波器一、組成原理(a)低通高通UiUo20lg|Au|Of通阻20lg|Au|Off01(b)阻通20lg|Au|Of阻阻通f02二、常用電路(a)－＋AR1RFUiUoMC1=CC2=CR2＝RR3＝RR1(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-100Q=1Q=5Q=10f0——帶通濾波器中心頻率。當(dāng)f=f0時(shí)，電壓放大倍數(shù)為Aup。Q越大，通帶寬度越窄4.4.4有源帶通濾波器4.4.5有源帶阻濾波器一、組成原理(a)高通UiUo低通＋－ARR20lg|Au|Of低通阻20lg|Au|Off01(b)阻高通20lg|Au|Of通通阻f02二、常用電路Q越大，阻帶寬度越窄(a)－＋AR1RFUiUoM2CCRCRR/21(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-100Q=1Q=5Q=10

f0——帶阻濾波器中心頻率。當(dāng)f=f0時(shí)，電壓放大倍數(shù)為0。4.4.5有源帶阻濾波器4.4節(jié)練習(xí)11、為了從信號(hào)中提取高頻部分，應(yīng)選用

。A、低通濾波器B、高通濾波器C、帶通濾波器D、帶阻濾波器

2、為防止50Hz電網(wǎng)電壓干擾混入信號(hào)之中，應(yīng)選用

。A、低通濾波器B、高通濾波器C、帶通濾波器D、帶阻濾波器

3、為了獲取信號(hào)中的直流成分，應(yīng)選用

。A、低通濾波器B、高通濾波器C、帶通濾波器D、帶阻濾波器

4、為了提取10Hz的信號(hào)，應(yīng)選用

。A、低通濾波器B、高通濾波器C、帶通濾波器D、帶阻濾波器

5、收音機(jī)用于選臺(tái)的濾波器應(yīng)為

。A、低通濾波器B、高通濾波器C、帶通濾波器D、帶阻濾波器

4.5電壓比較器本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 1.掌握單限比較器的作用和工作原理。 2.熟悉滯回比較器的作用的工作原理。3.了解窗口比較器的作用和工作原理。4.了解電壓比較輸出軌跡的作圖及運(yùn)放工作狀態(tài)的區(qū)分。4.5.1電壓比較器概述1、定義將一個(gè)模擬輸入電壓和基準(zhǔn)電壓（稱為閾值電壓）進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出兩個(gè)不同的電平：高電平和低電平。2、特點(diǎn)集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。3、分析方法

4、種類單限比較器，電路只有一個(gè)UTH。滯回比較器，電路有兩個(gè)UTH。且UTH1>UTH2。雙限比較器，電路有兩個(gè)UTH。且UTH1<UTH2。UTH1——增大方向的躍變；UTH2——減小方向的躍變；輸出電壓產(chǎn)生跳變的方向。閾值電壓UTH：也稱轉(zhuǎn)折電壓、門檻電壓。是u+=u-時(shí)的輸入電壓。

輸出電壓高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值4.5.2單限比較器一、過(guò)零比較器－＋uOAuIuOuIO+UOM-UOM(b)－＋uOAuI(a)uOuIO+UOM-UOM閾值電壓UTH

=0閾值電壓UTH

=0作軌跡三要素：（1）+UOM，-UOM；（2）閾值電壓UTH；（3）上行線（u+>u-）和下行線（u+<u-）。利用過(guò)零比較器可以將正弦波變?yōu)榉讲╱OuIOOωtωt具有輸入過(guò)壓保護(hù)、輸出限幅的電路－＋uIuOAR1R2DDDDZ－＋uIuOAR1R2DDDZuOuIO+UZ-UDuOuIO+UZ-UZ輸出限幅的電路uOuIO+UZ-UZ－＋uOARuIDZ二、一般單限比較器增加了一個(gè)參考電壓UREF－＋uIuOAR2RDZUREFR1uOuIO+UZ-UZUTH4.5.2單限比較器4.5.3滯回比較器一、滯回比較器的特點(diǎn)特點(diǎn)：可以有效抑制干擾和噪聲的影響。uItOUTHtOuO+UZ-UZ(a)特點(diǎn)：動(dòng)作十分靈敏，穩(wěn)定性很低。uItOUTH1UTH2tOuO+UZ-UZ(b)二、滯回比較器的電路分析－＋uIuOAR2RDZR1(a)+UZ-UZUTH2UTH1uOuIO(b)當(dāng)輸出為上限幅時(shí)：當(dāng)輸出為下限幅時(shí)：反相滯回比較器4.5.3滯回比較器二、滯回比較器的電路分析+UZ-