集成運(yùn)算電路的應(yīng)用

1.集成電路與集成運(yùn)算放大器,集成電路是利用半導(dǎo)體制造工藝，將整個(gè)電路所含有的元器件及相互連接導(dǎo)線(xiàn)全部制作在一塊半導(dǎo)體基片上，封裝在管殼內(nèi)，能完成特定功能的電路塊。,集成運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是一種高放大倍數(shù)、多級(jí)直接耦合的放大電路。,集成電路按其功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類(lèi)。模擬集成電路品種繁多，主要分為集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器和集成穩(wěn)壓器等，其中應(yīng)用最為廣泛的是集成運(yùn)算放大器。,集成運(yùn)算放大電路,集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：,1.電路元件制作在一個(gè)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(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，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(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。,4.二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相輸入端,同相輸入端,原理框圖：,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),與uo反相,與uo同相,對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR,輸入阻抗ri盡可能大。,對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。,對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io。即輸出阻抗ro小。,1.集成運(yùn)放的封裝和引腳排列,封裝形式:,金屬圓形、雙列直插式、扁平式,封裝材料:,陶瓷、金屬、塑料,例:,塑封雙列直插式(DIP)CF741,DIPDualIn-LinePakage,2.1集成運(yùn)放的封裝形式與電路符號(hào),集成運(yùn)放外形結(jié)構(gòu)示意圖,運(yùn)算放大器外形圖,2集成運(yùn)放的電路符號(hào),集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，N端稱(chēng)為反相輸入端，用“”表示，說(shuō)明輸入信號(hào)由此端加入時(shí)，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位反相。P端稱(chēng)為同相輸入端，用“+”表示，說(shuō)明輸入信號(hào)由此端加入時(shí)，由它產(chǎn)生的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同。,習(xí)慣用符號(hào),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),2.2集成運(yùn)放的分類(lèi),集成運(yùn)放種類(lèi)較多，按性能不同可分為通用型和專(zhuān)用型兩大類(lèi)。專(zhuān)用型又有高阻型、低溫漂型、高速型、低功耗型、高壓大功率型等。,1.通用型2.高速型和寬帶型3.高精度(低漂移型）4.高輸入阻抗型5.低功耗型6.功率型,通用型,專(zhuān)用型,性能指標(biāo)比較適中,某些技術(shù)指標(biāo)比較突出,集成運(yùn)放的使用常識(shí),1、集成電路器件命名,1)國(guó)標(biāo)GB-3430-82對(duì)集成電路的規(guī)定,2)型號(hào)命名數(shù)字序號(hào)(與世界上其它廠家同類(lèi)型產(chǎn)品的序號(hào)相同。)其它例如:集成功率放大器的型號(hào)命名CD集成穩(wěn)壓器的型號(hào)命名CW,4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù),1.理想運(yùn)算放大器,Auo，rid，ro0，KCMR,2.理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的特點(diǎn),因?yàn)閡o=Auo(u+u),所以(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u,稱(chēng)“虛短”,(2)輸入電流約等于0即i+=i0,稱(chēng)“虛斷”,虛短虛斷,2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用,集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。,運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。,2.1比例運(yùn)算,1.反相比例運(yùn)算,（1）電路組成,以后如不加說(shuō)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(píng)=u+=0，稱(chēng)反相輸入端“虛地”反相輸入的重要特點(diǎn),因虛斷，i+=i=0，,所以i1if,因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1/RF,結(jié)論：,Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。,Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。,|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。,因u=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。,例：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(yīng)為多少？,解：1.Auf=RFR1=5010=5,R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k,2.因Auf=RF/R1=RF10=10故得RF=AufR1=(10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1k,2.同相比例運(yùn)算,因虛斷，所以u(píng)+=ui,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短，所以u(píng)=ui，,因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1/RF,結(jié)論：,Auf為正值，即uo與ui極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。,Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。,Auf1，不能小于1。,u=u+0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。,當(dāng)R1=且RF=0時(shí)，,uo=ui，Auf=1，稱(chēng)電壓跟隨器。,由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。,2.2加法運(yùn)算電路,1.反相加法運(yùn)算電路,因虛短,u=u+=0,平衡電阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虛斷，i=0,所以ii1+ii2=if,2.同相加法運(yùn)算電路,方法1:根據(jù)疊加原理ui1單獨(dú)作用(ui20)時(shí)，,同理，ui2單獨(dú)作用時(shí),方法2：,平衡電阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可寫(xiě)出u和u+的表達(dá)式，利用u=u+的性質(zhì)求解。,1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；,同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；,反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：,2.3減法運(yùn)算電路,由虛斷可得：,由虛短可得：,分析方法1：,如果取R1=R2，R3=RF,如R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。,常用做測(cè)量放大電路,分析方法2：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。,u+,2.4積分運(yùn)算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=if,if=?,將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。,電路的輸出電壓,上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分,這種運(yùn)算器又稱(chēng)PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。,2.5微分運(yùn)算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=if,比例-微分運(yùn)算電路,上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分,控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。,PD調(diào)節(jié)器,if,3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用,3.1電壓比較器,電壓比較器的功能：電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。,用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。,運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。,理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：,1.輸出只有兩種可能+Uo(sat)或Uo(sat)當(dāng)u+u時(shí)，uo=+Uo(sat)u+u-,-UOM當(dāng)u+Uth2,滯回電壓比較器（4）,第四步：,分析傳輸特性,（1）ui由-逐漸增大,ui=-時(shí)，uo=+UOM，閾值為Uth1,-uiUth1時(shí)，uo=-UOM，閾值為Uth2,Uth1,+UOM,-UOM,（2）ui由+逐漸減小,ui=+時(shí)，uo=-UOM，閾值為Uth2,Uth2ui+時(shí)，uo=-UOM,ui=Uth2時(shí)，跳變，uo=+UOM,uiUth2時(shí)，uo=+UOM，閾值為Uth1,Uth2,定義：回差電壓uth=Uth1-Uth2,滯回電壓比較器（5）,0,t,uo,回差電壓越大，比較器抗干擾能力越強(qiáng)。,Uth1,Uth2,+UOM,-UOM,只要干擾大小在回差以?xún)?nèi)，電路不受影響,滯回電壓比較器（6）,同相滯回比較器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,運(yùn)放工作于正反饋狀態(tài),比較信號(hào)加入同相輸入端,(1)閾值計(jì)算,對(duì)圖示電路，有u-=UR,用疊加原理求u+,uo單獨(dú)作用,ui單獨(dú)作用,注意：對(duì)于不同的輸出值，U+有兩個(gè)取值,滯回電壓比較器（7）,當(dāng)uo=-UZ時(shí)，u+1=u-=UR、Uth=ui，即,所以,當(dāng)uo=+UZ時(shí)，u+2=u-=UR、Uth=ui，即,所以,滯回電壓比較器（8）,(2)分析傳輸特性,ui由-逐漸增大,ui=-時(shí)，uo=-UZ，閾值為Uth1,-uiUth1時(shí)，uo=+UZ，閾值為Uth2,Uth1,+UZ,-UZ,（2）ui由+逐漸減小,ui=+時(shí)，uo=+UZ，閾值為Uth2,Uth2ui+時(shí)，uo=+UZ,ui=Uth2時(shí)，跳變，uo=-UZ,uiUth2時(shí)，uo=-UZ，閾值為Uth1,Uth2,矩形波發(fā)生電路,一、電路結(jié)構(gòu):,二、工作原理:,（1）閾值電壓計(jì)算：,滯回比較器，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),6.3非正弦波發(fā)生電路,矩形波發(fā)生電路,（2）波形發(fā)生過(guò)程分析：,1.設(shè)uo=+UZ,uC=0,此時(shí)，輸出給C充電!,則：u+=Uth1,一旦uc=Uth1,在ucUth1時(shí)，,u-u+;,uo保持+UZ不變；,uo立即由UZ變成UZ,此時(shí)，C經(jīng)輸出端放電。,2.當(dāng)uo=-UZ時(shí)，,u+=Uth2,當(dāng)uc=Uth2時(shí)，uo=UZ。,當(dāng)uo重新回到UZ以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。,矩形波發(fā)生電路,0,輸出波形：,矩形波發(fā)生電路,矩形波發(fā)生電路,矩形波發(fā)生器各部分的作用：,RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。,滯回比較器：起開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。,三、周期與頻率的計(jì)算,f=1/T,uc上升階段表示式:,uc下降階段表示式:,矩形波發(fā)生電路,三角波發(fā)生電路,電路一：方波發(fā)生器方波積分電路三角波,此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。,uo,三角波的周期由矩形波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。,三角波發(fā)生電路,三角波發(fā)生電路,電路二：,特點(diǎn)：由滯回比較器和反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為滯回比較器的輸入。,滯回比較