第3章集成運算放大電路

(4--1)

第3章集成運算放大電路(4--2)§3.1集成運算放大電路將整個電路的各個元件做在一個半導(dǎo)體基片上。集成電路:優(yōu)點:工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。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INTEGRATEDCIRCUITS(4--3)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(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μF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。(4--4)輸入級中間級輸出級-vEE+vCC

uPuo

uNT3T4T5T1T2IS基本原理框圖反相端同相端(4--5)T3T4T5T1T2IS

uP

uN反相端同相端uo與uo反相與uo同相(4--6)-vEE+vCC

uPuo

uN反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：輸入級盡量減小零點漂移,盡量提高KCMR,

輸入電阻Ri盡可能大。(4--7)-vEE+vCC

uPuo

uN反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級足夠大的電壓放大倍數(shù)(4--8)-vEE+vCC

uPuo

uN反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io，輸出電阻Ro小。(4--9)ri高:幾十k

幾百k運放的特點：KCMR很大ro?。簬资畘幾百Aod很大:104以上~107理想運放：ri

KCMR

ro

0Aod

運放符號＋－uNuPuo運放的特點和符號－＋＋

uN

uP

uoA0d(4--10)集成運放的電壓傳輸特性“同相”和“反相”指運放的輸入電壓與輸出電壓之間的相位關(guān)系。(4--11)可以認(rèn)為集成運放是一個雙端輸入、單端輸出具有高差模放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻、能很好抑制溫漂的差動放大電路(4--12)(4--13)(4--14)線性區(qū)非線性區(qū)Aod：差模開環(huán)放大倍數(shù)＋－uNuPuo(4--15)運放線性運用信號的放大、運算恒壓源、恒流源電路有源濾波電路在運放的線性應(yīng)用中，運放的輸出與輸入之間加了負(fù)反饋，運放工作于線性狀態(tài)。(4--16)由于集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件：放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析。虛短路虛開路＋－uNuPuoAod(4--17)

輸入電阻

ri

共模抑制比KCMR

輸出電阻ro

0開環(huán)差模增益Aod

＋－uNuPuo3.3集成運放在信號運算方面的應(yīng)用一、理想運放的兩個工作區(qū)1.理想運放的性能指標(biāo)上限截止頻率fH

_++A0(4--18)uiuo+UOM-UOMAod越大，運放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。二、理想運放工作在線性區(qū)＋－uNuPuo(4--19)＋－uNuPuo開環(huán)差模增益Aod

，所以稱兩個輸入端“虛短路”輸入電阻ri

，所以輸入端電流為零。稱兩個輸入端“虛斷路”(4--20)3.2.1比例運算電路(1)反相比例運算放大器_++R2R1RPuiuoi1i2i1=i2(4--21)_++R2R1RPuiuo電路的輸入電阻：Ri=R1反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很小！平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。RP=R1//R2(4--22)_++R2R1RPuiuo電位為0，虛地。輸入電阻小和“虛地”是反相輸入的特點。(4--23)(2)同相比例運算放大器_++R2R1RPuiuouN=uP=ui電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻高。共模電壓：ui沒有虛地概念。(4--24)(3)電壓跟隨器_++uiuo此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，電壓跟隨性能好。(4--25)以上電路計算的比較歸納：1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小。2.對于單一信號作用的運算電路，分析運算關(guān)系時，先列出關(guān)鍵節(jié)點的電流方程，如P點和N點；然后根據(jù)“虛斷”和“虛短”原則進(jìn)行整理。(4--26)3.2.2加減運算電路(1)反相求和運算：_++R2R11R12ui2uoRPui1i11i12iF(4--27)(2)同相求和運算：此電路如果以uP為輸入，則輸出為：uP~ui1

、ui2？R1RF++u

i1+_uoR21R22ui2-所以：(4--28)(3)加減運算電路_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：(4--29)3.2.3微積分運算電路(1)微分運算：uN=uP=0ui－++uoRR2iCiFC(4--30)應(yīng)用舉例：tui0(2)積分運算：tuo0a、輸入方波，輸出是三角波。iRiCu

i-++RR2Cuo(4--31)b、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(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0U-UomTM積分時限(4--32)c、PID調(diào)節(jié)器(4--33)PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）3.2.4對數(shù)指數(shù)運算電路利用PN結(jié)伏安特性的指數(shù)規(guī)律實現(xiàn)對數(shù)指數(shù)運算電路。(4--34)(1)采用二極管的對數(shù)運算：(4--35)(2)采用三極管的對數(shù)運算：(4--36)(3)集成對數(shù)運算：P2E(4--37)(4)指數(shù)運算電路(4--38)(5)集成指數(shù)運算電路(4--39)3.2.5乘法和除法運算電路(4--40)3.3理想集成運放的非線性應(yīng)用—電壓比較器所謂非線性應(yīng)用是指，由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。電路特征：開環(huán)或正反饋(4--41)電路中的運放處于非線性狀態(tài)。比如：運放開環(huán)應(yīng)用特點：uo有兩種可能狀態(tài)uon或-uonrid趨向∞，iid=0，虛斷路uouon-uon＋－uNuPuo(4--42)電壓比較器簡介功能：比較兩個電壓大小用途：越限報警、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波形變換發(fā)生。特性：輸入電壓uI是模擬信號，輸出電壓uO不是高電平UOH，就是低電平UOL。使uO從UOH躍變?yōu)閁OL或從UOL躍變?yōu)閁OH的輸入電壓稱為閾值電壓UT

。(4--43)uoui0UOM-UOM++uoui3.3.1單限電壓比較器一、過零比較器(4--44)電壓比較器輸入級的保護(hù)電路：電壓比較器輸出限幅電路（一）：(4--45)++uiuoUZuoui0+UZ-UZ電壓比較器輸出限幅電路（二）(4--46)++uiuoUZR′R_電壓比較器輸出限幅電路（三）(4--47)++uouituituo+UOM-UOM例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?4--48)二