模擬集成電路及其應用課件

集成運算放大器及其應用§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部結構的特點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.電阻元件由硅半導體構成，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結的結電容構成、大電容要外接。4.二極管一般用三極管的發(fā)射結構成。集成運算放大器內部組成特點無電感、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-調零調零空雙列直插式單運放外部引腳標志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）輸入失調電壓U0S當輸入為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：線性應用和非線性應用線性工作范圍正飽和負飽和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用——電路結構上存在從輸出端到反相輸入端的負反饋支路，以保證集成運算放大器的輸出在最大輸出電壓的范圍內。非線性應用——電路結構上，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。∞u-u+uoFABi1if三、線性應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，與開環(huán)

Auo無關。3）Rf=R1時，Au=-１，稱為反相器。4）Au與R2（平衡電阻R2）無關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，而與Auo無關。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應用舉例應用舉例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系的有效時間增大10倍，應如何改變電路參數(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的關系式。（1）寫出輸出電壓uo與輸入電壓ui1，ui2之間運算關系的表達式。∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2

解:(1)當u01單獨作用時當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iL和VS的關系式VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF∵u-=u+=0∴if=i1=VS/R1F點電位（即電阻Rf上電壓）為在F點應用KCL有：電阻RL中電流與電阻值無關，因此，虛線框內電路等效為恒流源。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF例：分析圖示運算放大器應用電路中，輸出電壓與輸入電壓的關系?！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，負飽和，輸出為負最大值。運算放大器非線性工作狀態(tài)的判斷負反饋是判斷是否線性應用的主要電路標志。如果電路中不存在負反饋或接有正反饋，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移特性∞u-u+uouou-

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u+0線性工作范圍正飽和負飽和UoLUoH§6.3信號處理電路運放線性應用與非線性應用比較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構成正反饋電路，R2上的反饋電壓UR是輸出電壓的一部分