學習情境4集成運算電路的設計與仿真

教學內容 4.1集成運放的組成及主要技術指標 4.2集成運放的兩個工作區(qū)域

4.3基本運算電路 4.4有源濾波器

4.5電壓比較器情景4集成運放電路的設計與仿真4.1集成運放的組成及主要技術指標本節(jié)教學目標 1.了解集成運放的基本組成。2.了解集成運放的主要技術指標。 3.了解集成運放的保護措施。1、集成電路把整個電路的各個元件以及相互之間的聯接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分割的整體。2、集成運放的組成輸入級中間級輸出級偏置電路4.1.1集成運放概述1）只能采用直接耦合方式；2）采用對稱的差分放大電路、電流源電路等；3）采用電流源作為有源負載，代替大阻值的電阻；4）經常采用復合管。3、集成運放的特點4.1.1集成運放概述4、集成運放的電壓傳輸特性AuOu－－+u+當輸入信號很小時：uo=Aod(u+-u-)(u+-u-)正較大時，輸出正限幅：uo=+UoM(u+-u-)負較大時，輸出負限幅：uo=-UoM指運放輸入端差放管的基極偏置電流的平均值。1、開環(huán)差模放大倍數2、共模放大倍數一般為104~107。3、共模抑制比一般大于80dB。4.1.2集成運放的主要技術指標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)差模信號作用下的集成運放的輸入電阻。在正常工作時所能加的最大共模電壓，超過此值，KCMR將明顯下降，甚至不能工作。7、最大差模輸入電壓UId(max)超過此值，將導致輸入級差放管的PN結反向擊穿。8、輸入失調電流IIO和輸入失調電壓UIO兩值越小，表明電路的對稱性越好。4.1.2集成運放的主要技術指標8、輸入失調電流溫漂△IIO/△T9、輸入失調電壓溫漂△UIO/△T指溫度變化△T時所產生的失調電流變化△IIO和失調電壓變化△UIO。10、上限截止頻率fH與單位增益帶寬fC

fH指運放20lg|Aod|下降3dB時的信號頻率。

fC指運放Aod下降到1時與之對應的信號頻率。

SR越大表明運放的高頻性能越好。11、轉換速率SR4.1.2集成運放的主要技術指標1、輸入保護AuOuI－+RFRIN914S反相輸入保護；AuOuI－+RFR+V-V同相輸入保護集電極外接電源電壓+VCC正常工作時，輸入端對+VCC而言總是負值，所以輸入級兩個差分管C-B間不會出現正向偏置。但是，如果把VCC撤除，而②、③引腳仍保持正電位（即共模輸入），晶體管的集電結將有一股電流由基極流向集電極，形成集電結電流很大，可能損壞輸入級晶體管。另外，若信號源含有電容元件，當電容充電到高電位時，將電源電壓和信號同時撤除，電容放電電流仍將損壞晶體管。4.1.3集成運放的保護措施2、輸出保護使集成電路的輸出電壓被限制在DZ的穩(wěn)壓值，從而避免了過流或擊穿而造成的損壞。防止正、負兩路電源的極性接反。AuOu-－+Ru+DZAuOu-－+u++VCC-VCC3、電源端保護4.1.3集成運放的保護措施4.2集成運放的兩個工作區(qū)域本節(jié)教學目標 1.熟悉集成運放的理想特性。2.掌握理想運放的虛短、虛地應用。4.2.1理想運放AuOu－－+u+國際符號1、開環(huán)差摸電壓放大倍數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，失調電壓UIO，失調電流IIO，以及它們的溫漂dUIO/dT、dIIO/dT均為0。7、無干擾和噪聲4.2.2理想運放的線性工作區(qū)－＋uI反饋網絡－＋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：線性應用時，集成運放必須引入深度負反饋，使輸入輸出之間形成線性關系。4.2.3理想運放的非線性工作區(qū)反饋網絡－＋u＋uOu－A(b)正反饋(a)無反饋－＋u＋uOu－A1、根據：uo=Aod(u+-u-)，由于Aod→∞則：（1）u+＞u-時，輸出正限幅：uo=+UoM（2）u+＜u-時，輸出負限幅：uo=-UoM2、又由于Rid→∞，而u+-u-總是有限值時，有：虛斷：i+=i-=0注：非線性應用時，集成運放工作在無反饋或正反饋狀態(tài)。4.3基本運算電路本節(jié)教學目標 1.掌握反相比例器、同相比例器的組成、分析計算方法和特點。2.掌握加法運算和加法運算的組成、分析計算方法。 3.掌握積分線性應用。4.了解微分線性應用。4.3.1比例運算電路一、反相比例運算電路——虛地特點：（1）電壓放大倍數：Aod=-RF/R，當Aod=-1時，稱反相器（反號器）；（2）引入電壓負反饋，Ro

→0，帶負載能力強；（3）引入并聯負反饋，Ri

小，通常認為Ri=R

，對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KCMR要求低。補償電阻，保證集成運放兩輸入端電阻的對稱性。－＋uOARuIR'=R//RFi-i+iFiRRF二、同相比例運算電路特點：（1）電壓放大倍數：Aod=1+RF/R＞1，且輸入輸出同相；（2）引入電壓負反饋，Ro

→0，帶負載能力強；（3）引入串聯負反饋，Ri

非常高，通常認為Ri=∞

，最重要優(yōu)點；（4）由于u-=u+=uI

，共模電壓等于輸入電壓，所以對KCMR要求高。－＋uOARuIRFR'=R//RFi-i+iFiR4.3.1比例運算電路電壓跟隨器－＋uOAuI4.3.1比例運算電路求解圖所示電路的運算關系解：－＋uOAR1uIRFR2R3又4.3.2加減運算電路一、加法運算電路－＋uOAR2uI2RFR'=R1//R2//R3//RFiFi2R3uI3i3R1uI1i1【方法一】用節(jié)點∑處的電流方程【方法二】用疊加原理uI1單獨作用時，uI2單獨作用時，uI3單獨作用時，二、減法運算電路用疊加原理僅uI1單獨作用時，僅uI2單獨作用時，－＋uOAuI1RFRFiFRuI2i1Ri3i2用途：該電路在工業(yè)自動控制、精密測量、數據采集等系統(tǒng)中對各種傳感器送來的信號加以放大，然后送給系統(tǒng)。4.3.2加減運算電路加減電路用疊加原理，反相輸入端對輸出的影響：同相輸入端對輸出的影響：共同作用時：－＋uOAuI2RFR5iFR3uI3i2R2i3uI1i1R1uI4i4R4求解圖所示電路的運算關系。解：－＋uO1A1R1uI1RF1R5R2uI2－＋uOA2R4RF2R6R3uI34.3.3積分運算電路和微分運算電路一、積分運算電路1、RC積分運算電路CRUo+-+-Ui(a)τOt(b)UiUo當輸入電壓ui為一階躍電壓時，輸出電壓uo只有在開始部分隨時間線性增長，近似與輸入電壓成積分關系。隨著C的充電電壓uc不斷增長，使充電電流不斷衰減，充電速度變慢，輸出電壓不再隨時間直線增長，而按指數規(guī)律上升。怎么辦？2、集成運放積分運算電路－＋uOARuICRiRiC特點：（1）輸入信號從反相端輸入；（2）反饋引入電容元件。當uI為常數UI時，上式為用途：若輸入為正弦波，則輸出為——余弦波。實現了輸入信號移相。若輸入為矩形波，則輸出為——三角波。實現了波形的變換。4.3.3積分運算電路和微分運算電路解：設uO上升到+6V所需的時間為T1，電路如圖所示，R=10kΩ,C=0.05μF。t=0時，電容兩端電壓為0，且輸入電壓由0躍到-3V。試問經過多長時間輸出電壓uO上升到+6V。(a)uItO-3VuOtO+6VT1解得：T1=1ms。應用：若用輸出電壓控制電子開關的動作，且uO=+6V時，開關斷開或閉合，則T1即為從輸入產生躍變到開關動作的延時時間，可見積分運算電路可用于延時電路。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：且在t=0時uI=-3V，t=1ms時uI躍變?yōu)?V，t=3ms時uI躍變?yōu)?3V升，如圖所示。設電容初始電壓為0。試求輸出電壓uO的波形。uIt/msO(b)uOtO-3V+3V1357+6V+6V解：當t=0時，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開始下降，經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、微分運算電路用途：若輸入為矩形波，則輸出為——尖脈沖。實現了波形的變換。－＋uOARuICRiRiCuItOuOtO缺點：（1）易受高頻噪聲干擾；（2）容易產生自激振蕩。4.3.3積分運算電路和微分運算電路4.3節(jié)練習11、為了得到電壓放大倍數為100的放大電路，應選用

。A、反相比例運算電路

B、同相比例運算電路C、積分運算電路

D、微分運算電路

2、為了得到電壓放大倍數為-50的放大電路，應選用

。A、反相比例運算電路

B、同相比例運算電路C、積分運算電路

D、微分運算電路

3、圖所示電路，當輸入方波信號時，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24、實現積分運算的電路是

。－＋uOARuICR(B)－＋uOARuICR(A)＋－uOARuICR(C)＋－uOARuICR(D)4.4有源濾波器本節(jié)教學目標 1.熟悉有源濾波這種信號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用。 4.4.1濾波電路基礎知識一、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，而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。常用在信息處理、數據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）:低頻能通過而高頻不能通過。(b)

高通濾波器（HPF）:高頻能通過而低頻不能通過。(d)

帶阻濾波器（BEF）:頻率在某一定范圍之內不能通過，而其余都能通過。(c)

帶通濾波器（BPF）:頻率在某一定范圍之內能通過，而其余都能不通過。4.4.1濾波電路基礎知識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。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——等效品質因數。注意：當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數幅頻特性-40120lg

/dB0.110-200-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻123實線1:一階濾波器特性實線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f=f0時，電壓放大倍數為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f=f0時，電壓放大倍數為0。4.4.5有源帶阻濾波器4.4節(jié)練習11、為了從信號中提取高頻部分，應選用

。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電網電壓干擾混入信號之中，應選用

。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、為了獲取信號中的直流成分，應選用

。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，應選用

。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、收音機用于選臺的濾波器應為

。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)教學目標 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、定義將一個模擬輸入電壓和基準電壓（稱為閾值電壓）進行比較，根據比較結果輸出兩個不同的電平：高電平和低電平。2、特點集成運放工作在非線性區(qū)。3、分析方法

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

輸出電壓高電平UOH和低電平UOL的數值4.5.2單限比較器一、過零比較器－＋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-）。利用過零比較器可以將正弦波變?yōu)榉讲╱OuIOOωtωt具有輸入過壓保護、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、滯回比較器的特點特點：可以有效抑制干擾和噪聲的影響。uItOUTHtOuO+UZ-UZ(a)特點：動作十分靈敏，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)當輸出為上限幅時：當輸出為下限幅時：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-