第7章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路振蕩器

1、 集成電路是集成電路是20 世紀(jì)世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的固體組年代發(fā)展起來的固體組件。它是利用微電子技術(shù)將元件、導(dǎo)線、電路集件。它是利用微電子技術(shù)將元件、導(dǎo)線、電路集成在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上而成。成在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上而成。 集成電路的發(fā)展進(jìn)程：集成電路的發(fā)展進(jìn)程： 1960 年：小規(guī)模集成電路年：小規(guī)模集成電路 SSI。 1966 年：中規(guī)模集成電路年：中規(guī)模集成電路 MSI。 1969 年：大規(guī)模集成電路年：大規(guī)模集成電路 LSI 。 1975 年：超大規(guī)模集成電路年：超大規(guī)模集成電路 VLSI 。 集成電路分類集成電路分類 (1) 模擬集成電路模擬集成電路 處理模擬信號的電路。處

2、理模擬信號的電路。 如集成功率放大器、集成運(yùn)算放大器等。如集成功率放大器、集成運(yùn)算放大器等。 (2) 數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路 處理數(shù)字信號的電路。處理數(shù)字信號的電路。 如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。 集成電路芯片集成電路芯片 集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大器，由輸入級、中數(shù)的多級直接耦合放大器，由輸入級、中間級和輸出級三個(gè)基本部分組成。間級和輸出級三個(gè)基本部分組成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入級采用差分放大電路，輸入級采用差分放大電路，KCMR 和和 ri 很高。很高。 中間級采用多級共射電路，起電壓

3、放大作用。中間級采用多級共射電路，起電壓放大作用。 輸出級采用互補(bǔ)對稱功率放大電路或共集放輸出級采用互補(bǔ)對稱功率放大電路或共集放大電路，大電路，ro 很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。直接耦合的多級放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。直接耦合的多級放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。 體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。輸入級輸入級 中間級中間級 輸出級輸出級 輸入端輸入端 輸出端輸出端 集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)算放大器的組成 運(yùn)算放大器的組成運(yùn)算放大器的組成 +VCCuO+-VEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17

4、T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C凈輸入電壓凈輸入電壓uD uuuO Ao 同相輸入端同相輸入端 反相輸入端反相輸入端 輸出端輸出端 集成運(yùn)算放大器的另一種符號集成運(yùn)算放大器的另一種符號 集成運(yùn)算放大器的電路符號集成運(yùn)算放大器的電路符號 12345678A741空腳空腳調(diào)零端調(diào)零端輸出輸出調(diào)零端調(diào)零端反相輸入反相輸入同相輸入同相輸入+UCC-UEE外形外形 集成運(yùn)算放大器的外形及管腳排列集成運(yùn)算放大器的外形及管腳排列 集成運(yùn)算放大器的外部接線圖集成運(yùn)算放大器的外部接線圖 + UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO 12345678A74

5、1空腳空腳調(diào)零端調(diào)零端輸出輸出調(diào)零端調(diào)零端反相輸入反相輸入同相輸入同相輸入+UCC-UEEuD uuuO Ao 1. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Auo2. 開環(huán)差模輸入電阻開環(huán)差模輸入電阻 rid 4. 共模抑制比共模抑制比 KCMRR5. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 Uio 、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電流 Iio 6. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IB1 、 IB23. 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻 ro 7. 通頻帶寬度通頻帶寬度 BW 開環(huán)電壓放大倍數(shù)：開環(huán)電壓放大倍數(shù)：Ao 開環(huán)輸入電阻：開環(huán)輸入電阻：ri 開環(huán)輸出電阻：開環(huán)輸出電阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u

6、 uuO uD 理想運(yùn)放的符號理想運(yùn)放的符號 uo= f (uD) +UOM uD= u+ u uoUOMuo+ u+u+UCCUEE OuDuD = u+ u 集成運(yùn)放的輸出電壓集成運(yùn)放的輸出電壓uo與輸入電壓與輸入電壓uD 之間的關(guān)之間的關(guān)系稱為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性。系稱為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性。 +UOM uD= u+ u uoUOM線性區(qū)線性區(qū) O飽和區(qū)飽和區(qū)在線性區(qū)：在線性區(qū)：uo = AuuD在飽和區(qū)：在飽和區(qū)：uD 0 時(shí)，時(shí)， uo = +UOM +UCC uD 0時(shí)，即時(shí)，即u+ u時(shí)，時(shí)， uo=+UOM +UCC ，輸輸出為正的飽和值；出為正的飽和值； (2) uD 0

7、 時(shí)，即時(shí)，即u+ 0 ui = Ui u 時(shí)，時(shí)， uo=+UOM ，輸出為正的飽和值；輸出為正的飽和值； (2) u+uo0 0；時(shí)，時(shí)，uu +uo0 0。時(shí)，時(shí)，輸出端不接輸出端不接限幅電路時(shí)限幅電路時(shí)， uo = UOM輸出端接輸出端接限幅電路限幅電路(DZ)時(shí)時(shí)， uo = UZ 3. 電壓傳輸特性的三要素電壓傳輸特性的三要素 輸出電壓的高、低電平值輸出電壓的高、低電平值UOH、UOL； 門限門限( (檻檻) )電壓電壓UT （輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)所（輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)所對應(yīng)的輸入電壓）對應(yīng)的輸入電壓） ； 輸出電壓在輸入電壓經(jīng)過輸出電壓在輸入電壓經(jīng)過UT時(shí)的跳變方向。時(shí)的跳變方向。

8、uoui0UOHUOLUT上行上行 單限電壓比較器單限電壓比較器uoui0UOHUOLUT 輸出電壓在輸入電壓單方向變化時(shí)僅跳變輸出電壓在輸入電壓單方向變化時(shí)僅跳變一次，只有一個(gè)門限電壓。一次，只有一個(gè)門限電壓。UZ-UZUT2UT10uiuo 滯回電壓比較器滯回電壓比較器 輸出電壓在輸入電壓單方向變化時(shí)僅跳變輸出電壓在輸入電壓單方向變化時(shí)僅跳變一次，但輸入電壓變化方向時(shí)門限電壓不同。一次，但輸入電壓變化方向時(shí)門限電壓不同。 窗口電壓比較器窗口電壓比較器 有兩個(gè)門限電壓，但輸出電壓在輸入電壓有兩個(gè)門限電壓，但輸出電壓在輸入電壓單方向變化時(shí)可跳變兩次。單方向變化時(shí)可跳變兩次。電壓傳輸特性電壓傳輸

9、特性uiuoURR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生跳變。發(fā)生跳變。參考電壓參考電壓 uiuoOUR當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)， uo 只跳變一次。只跳變一次。ui u - -，uo= + UOMui UR時(shí)，時(shí)， u + URL uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2當(dāng)當(dāng) uI URH 時(shí)時(shí), uO1= UOM uO2= UOMuO= = uO1 = =UOM URH URL uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2 uO1= UOM uO2= UOMuO= = 0 URH URL 當(dāng)當(dāng) URLu

10、IURH 時(shí)時(shí),uRLuRHuIuOO+ uOM電壓傳輸特性電壓傳輸特性uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2 電壓比較器小結(jié)電壓比較器小結(jié) 1.1.在電壓比較器中，集成運(yùn)放工作在非線性在電壓比較器中，集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高、低電平兩種數(shù)值；區(qū)，輸出電壓只有高、低電平兩種數(shù)值； 2.2.輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系一般用電壓傳輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系一般用電壓傳輸特性來描述；輸特性來描述； 3.3. 電壓傳輸特性的三個(gè)要素是：電壓傳輸特性的三個(gè)要素是： 輸出電壓的高、低電平值輸出電壓的高、低電平值UOH、UOL（取決于（取決于電源電壓或限幅電路）；電源電壓或限

11、幅電路）；門限電壓門限電壓UT（令（令u+ = = u- -時(shí)求出的輸入電壓時(shí)求出的輸入電壓uI就是門限電壓就是門限電壓) )；輸出電輸出電壓在輸入電壓經(jīng)過門限電壓壓在輸入電壓經(jīng)過門限電壓UT時(shí)的跳變方向。時(shí)的跳變方向。填空題（每空填空題（每空2分）：分）： 1.常用的電壓比較器有常用的電壓比較器有 、 和和 三種類型；三種類型；單限比較器單限比較器滯回比較器滯回比較器窗口比較器窗口比較器 2.單限電壓比較器指的是單限電壓比較器指的是 ；當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)， uo 只跳變一次只跳變一次 正弦波信號發(fā)生器是在沒有外加輸入信號的情況正弦波信號發(fā)生器是在沒有外加輸入信號的情況下，

12、僅依靠電路的自激振蕩而得到頻率和幅度均穩(wěn)定下，僅依靠電路的自激振蕩而得到頻率和幅度均穩(wěn)定的正弦波輸出信號，故又稱之為正弦波自激振蕩器。的正弦波輸出信號，故又稱之為正弦波自激振蕩器。正弦波振蕩器在檢測、通訊、遙控和自動(dòng)控制等領(lǐng)域正弦波振蕩器在檢測、通訊、遙控和自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。根據(jù)選頻電路所用元件不同，通常得到廣泛地應(yīng)用。根據(jù)選頻電路所用元件不同，通常將正弦波振蕩器分為將正弦波振蕩器分為RC正弦波振蕩器、正弦波振蕩器、LC正弦波振正弦波振蕩器和石英晶體正弦波振蕩器三種類型。蕩器和石英晶體正弦波振蕩器三種類型。1. 產(chǎn)生自激振蕩的原理產(chǎn)生自激振蕩的原理fidXXX 只有正反饋電路才能產(chǎn)

13、生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfXfidXXX 改成正反饋改成正反饋+一、自激振蕩的建立條件一、自激振蕩的建立條件基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FdU oU fU 2.產(chǎn)生產(chǎn)生自激振蕩的條件自激振蕩的條件反饋信號代替了放大電路的輸入信號。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。doUUA ofUUF dfUU 如果：如果：,ifUU 則去掉則去掉,iU 仍有信號輸出。仍有信號輸出?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiU + +dU oU fU 則正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生則正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生自激振蕩的自激

14、振蕩的平衡條件為：平衡條件為：1 dfofdoUUUUUUFA得得dfUU 由由反饋電壓反饋電壓與輸入電壓的大小相等，與輸入電壓的大小相等，Uf = Ud 即即1 |dfUUFA(1) 幅度平衡條件：幅度平衡條件：反饋電壓反饋電壓 Uf 與輸入電壓與輸入電壓Ud同相同相, 為正反饋。為正反饋。(n=0,1, 2 )即即 = A+ F = 2n 1 dfofdoUUUUUUFAAAA |FFF | |FAFAFAFA)(則則(2) 相位平衡條件相位平衡條件:相位條件相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；意味著振蕩電路必須是正反饋；幅度條件幅度條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到?？梢酝ㄟ^調(diào)整放大

15、電路的放大倍數(shù)達(dá)到。1 |dfUUFA一個(gè)正弦波自激振蕩器只有同時(shí)滿足這一個(gè)正弦波自激振蕩器只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)，電路才能維持自激振蕩。兩個(gè)條件時(shí)，電路才能維持自激振蕩。1 dfofdoUUUUUUFA = A+ F = 2n 才能起振才能起振 振蕩穩(wěn)定振蕩穩(wěn)定 不能起振不能起振 | A | F | 1 | A | F | = 1 | A | F |1 總之，振蕩過程是由總之，振蕩過程是由 | A | F | 1， 一直到一直到 | A | F | = 1， 最終達(dá)到穩(wěn)定的過程。最終達(dá)到穩(wěn)定的過程。 振蕩波形振蕩波形正弦波振蕩電路由以下四部分組成：正弦波振蕩電路由以下四部分組成： （3 3

16、）正反饋網(wǎng)絡(luò)：保證電路起振，使放大電路的）正反饋網(wǎng)絡(luò)：保證電路起振，使放大電路的輸入信號等于反饋信號；輸入信號等于反饋信號； （1 1）放大電路：保證將微小的起振信號放大；）放大電路：保證將微小的起振信號放大； （2 2）選頻網(wǎng)絡(luò)：確定振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一）選頻網(wǎng)絡(luò)：確定振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的正弦波輸出波形；頻率的正弦波輸出波形； （4 4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：保證電路從起振到平衡，使輸出）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：保證電路從起振到平衡，使輸出信號的幅值穩(wěn)定。信號的幅值穩(wěn)定。 在許多實(shí)用電路中，常將選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)在許多實(shí)用電路中，常將選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一，由同一電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)選頻和正反饋。合二為

17、一，由同一電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)選頻和正反饋。 R1RFuo uRCCRufRC正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)同相比例同相比例放大電路放大電路 限幅環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)(負(fù)反饋負(fù)反饋) 振蕩頻率：振蕩頻率：RCfo21R1RFRCCRufuof0=12 RC F = 0,RFR1）, A=（1+ A = 0為了滿足為了滿足AF =1,A=3RFR1）=3 , （1+RF=2R1起振時(shí)應(yīng)滿足起振時(shí)應(yīng)滿足RF2R1=F =Uf_Uo13_當(dāng)當(dāng) f =時(shí)，時(shí)，uf與與uo同相，為正反饋。同相，為正反饋。使得使得AF 1則有則有 A+ F=0 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施R1RFRCCRufuo用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻電阻RT代替代替RF。RTufRTR1） A=（1+uoT RTA填空題：填空題： 1. 正弦波振蕩電路是由基本正弦波振蕩電路是由基本放大電路、放大電路、 、 和和 四部分組成；四部分組成；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò) 2.正弦波振蕩器產(chǎn)生正弦波振蕩器產(chǎn)生自激振蕩的相位平衡條件自激振蕩的相位平衡條件是是 ，幅度平衡條件是，幅度平衡條件是 ；起振的相位條件是起振的相位條件是 ，幅度條件，幅度條件是是 ，RC正弦波振蕩器的振蕩頻率為正弦波振蕩器的振蕩頻率為 。 A+ F = 2n 1 |FA A+ F = 2n 1 |FARC21本章基本要求本章基本要求 1.