第5章 集成運(yùn)算電路

模擬電子產(chǎn)品

裝配與調(diào)試第5章集成運(yùn)放輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介一、集成運(yùn)算放大器的組成通常由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗。通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。通常由互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力。一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定、適宜的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。集成運(yùn)放的電路符號(hào)如下圖。它有兩個(gè)輸入端，標(biāo)“+〞的輸入端稱為同相輸入端，輸入信號(hào)由此端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同；標(biāo)“－〞的輸入端稱為反相輸入端，輸入信號(hào)由此端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。

A

－+Δ+同相輸入端反相輸入端uou－u+二、芯片的封裝方式三、集成運(yùn)放的主要參數(shù)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud：指集成運(yùn)放本身〔無(wú)外加反響回路〕的差模電壓放大倍數(shù)。它表達(dá)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在104～107之間。Aud越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。開(kāi)環(huán)共模電壓放大倍數(shù)Auc：它反映集成運(yùn)放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放Auc應(yīng)接近于零。共模抑制比KCMR：用來(lái)綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于一般應(yīng)大于80dB。4.輸入偏置電流5.輸入失調(diào)電流6.輸入失調(diào)電壓7.帶寬……高增益高輸入阻抗低輸出阻抗理想運(yùn)放集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)CF741典型值理想值開(kāi)環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾nA/℃0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞20lg│Aod│使uO為0在輸入端所加的補(bǔ)償電壓超過(guò)此值不能正常放大差模信號(hào)超過(guò)此值輸入級(jí)放大管擊穿四、集成運(yùn)算放大器的理想模型集成運(yùn)放的理想化參數(shù)：Aud=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等非線性區(qū)〔飽和區(qū)〕非線性區(qū)分析依據(jù)：當(dāng)ｕi>0，即ｕ＋>ｕ－時(shí)，ｕo＝＋ｕOM當(dāng)ｕi<0，即ｕ＋<ｕ－時(shí)，ｕo＝－ｕOM線性區(qū)〔放大區(qū)〕線性區(qū)分析依據(jù)：〔1〕虛斷。由Rid=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電流為零?！?〕虛短。由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等。假設(shè)信號(hào)從反相輸入端輸入，而同相輸入端接地，那么u－＝u＋=0，即反相輸入端的電位為地電位，通常稱為虛地。uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–

u–=uo/Aud0i+=uid/Rid0同理i–0運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)相當(dāng)于兩輸入端之間短路，但又未真正短路，故稱“虛短〞。相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱“虛斷〞。2.iP

iN

01.uPuN輸入電阻i+所以u(píng)ouP+–+uNRid，uo是有限值，1、加上負(fù)反響工作在線性區(qū)2、開(kāi)環(huán)或加上正反響工作在非線性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)(2)電信號(hào)處理電路：有源濾波、整流。(2)整形電路：比較器(1)電信號(hào)運(yùn)算電路：比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法等(1)電信號(hào)產(chǎn)生電路：正弦波、非正弦波

1.反相比例運(yùn)算電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)平衡電阻假設(shè)那么ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+反相器重點(diǎn)由運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù)可得:ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+Ri特點(diǎn)：1.為深度電壓并聯(lián)負(fù)反響，Auf=Rf/R12.輸入電阻較小Ri=R1應(yīng)用：電流--電壓變換器〔I/U〕輸出端的負(fù)載電流iS2.同相比例運(yùn)算電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+重點(diǎn)ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+1.為深度電壓并聯(lián)負(fù)反響Auf=1+Rf/R12.輸入電阻大Rif=由運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù)得特性：

1.電壓并聯(lián)負(fù)反響；

2.Ri大，Ro??；

3.Au=1。電壓跟隨器假設(shè)那么或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+討論：與射極輸出器的比較？u+=u-=usio=i1=us/R11.輸出電流與負(fù)載大小無(wú)關(guān)2.恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源特點(diǎn)：電壓—電流轉(zhuǎn)換器平衡電阻uoifR12R2RFii2ui2+–R11ii1ui1+–+3.反相加法電路假設(shè)Rf=R11=R22那么uO=(ui1+ui2)R2//R3//R4=R1//Rf假設(shè)R2=R3=R4，那么uO=uI1+uI2Rf=2R1

4.同相加法運(yùn)算平衡電阻兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入因?yàn)閕fR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+平衡電阻5.減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+減法運(yùn)算電路一般R1=R2；RF=R3uo=RF/R1(ui2

ui1)儀表用放大器：輸入信號(hào)一般比較小，需要較大的輸入阻抗。信號(hào)放大倍數(shù)較大，最好是可調(diào)?？垢蓴_性能好，也就是有較大的KCMR。儀表用放大器：三運(yùn)算放大器R1+-+++-ui1R2ui2uo1uo2R2uoR4+–+–+R4R3R3R1+-+++-ui1R2ui2uo1uo2R2儀表用放大器：第一級(jí)ui2uR1ui1儀表用放大器：第二級(jí)uoR4+–+–+R4R3R3uo1uo2儀表用放大器：三運(yùn)算放大器R1+-+++-ui1R2ui2uo1uo2R2uoR4+–+–+R4R3R3假設(shè)R1可以調(diào)節(jié)，那么能夠改變放大倍數(shù)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：預(yù)習(xí)1、2、4選作3、5Ui＝0.5V，f＝1000HzUi（V）U0（V）ui波形uO波形AV實(shí)測(cè)值計(jì)算值步驟4〔減法〕：輸入信號(hào)為直流電壓信號(hào)。Ui1(V)0.10.20.512Ui2(V)0.20.10.31.50.5UO(V)1、積分運(yùn)算當(dāng)ui=UI時(shí)，設(shè)uC(0)=0時(shí)間常數(shù)

=

R1Cf積分電路輸出電壓：tuIOtuOO積分運(yùn)算電路積分電路應(yīng)用①延遲②方波——三角波③移相90°〔超前〕R2=Rf虛地虛斷RfC1=—

時(shí)間常數(shù)微分電路輸出電壓uItOuOtO微分運(yùn)算電路知識(shí)補(bǔ)充：復(fù)數(shù)及其運(yùn)算1.復(fù)數(shù)A表示形式：AbReIma0AbReIma0y|A|+j,–j,-1都可以看成旋轉(zhuǎn)因子。ReIm03.旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)ejy

=cosy

+jsiny

=1∠y

A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度y

，模不變。2.復(fù)數(shù)運(yùn)算A1±A2=(a1±a2)+j(b1±b2)(1)加減運(yùn)算——直角坐標(biāo)(2)乘除運(yùn)算——極坐標(biāo)Aejy正弦量的相量表示:相量的模表示正弦量的有效值相量的幅角表示正弦量的初相位例試用相量表示i,u。解：一、正弦量的相量表示正弦量的相量表示：yiyu這實(shí)際上是一種變換思想，由時(shí)域變換到頻域時(shí)域：在變量是時(shí)間函數(shù)條件下研究網(wǎng)絡(luò)，以時(shí)間為自變量分析電路。頻域：在變量經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換的條件下研究網(wǎng)絡(luò)，以頻率為自變量分析電路。向量法：將正弦時(shí)間函數(shù)“變換〞為相量后再進(jìn)行分析,屬于頻域分析。i1i2=i3時(shí)域頻域

正弦量的微分，積分運(yùn)算：uo超前ui

90°

微分輸入信號(hào)中包含很多頻率f

的信號(hào)，沒(méi)用的我們稱之為噪聲，我們只想放大有用的成分，怎么辦？帶寬BW=f

H-f

L引言Aum0.707AumfOAufLfH上限截止頻率下限截止頻率濾波電路—有用頻率信號(hào)通過(guò)，無(wú)用頻率信號(hào)被抑制的電路。理想濾波器的頻率特性f·f·f·f·通通通

阻

通阻通阻阻阻1、什么是濾波電路？2、理想濾波電路可分為哪幾種？一、RC低通電路的頻率特性簡(jiǎn)單RC低通和高通電路的頻率特性1.頻率特性的描述RC?????令

1/RC=H那么fH=1/2RC?滯后????fO|Au

|10.707O–45–90

fHf幅頻特性相頻特性2.頻率特性的波特圖f/fH0?20lg|Au

|/dB–200–45–90fH–400.11101000.1110f/fH頻率特性波特圖?–90

f0|Au

|10.7070–45fHf–3dB最大誤差–20dB/十倍頻–45/十倍頻?特點(diǎn)：1.帶負(fù)載能力差；2.沒(méi)有放大；3.過(guò)渡帶不夠陡峭。二、RC高通電路的頻率特性???令

1/RC=L那么fL=1/2RC超前f10fL20lg|Au|=0dBf=fL20lg|Au|=20lg0.7071=-3dBf0.1fL20lg|Au|=-20lgf/fHRC??例：求一階低通電路的上限截止頻率。0.01F1k1k1//1k0.01F例：一階高通電路的fL=300Hz，求電容C。500C2k戴維寧定理等效分類：按處理方法分硬件濾波軟件濾波按所處理信號(hào)分模擬濾波器數(shù)字濾波器按構(gòu)成器件分無(wú)源濾波器有源濾波器按頻率特性分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器理想濾波器的頻率特性f·f·f·f·通通通

阻

通阻通阻阻阻低通高通帶通帶阻按傳遞函數(shù)分一階濾波器二階濾波器N階濾波器:5.4有源濾波電路有源低通濾波電路(LPF—LowPassFilter)—通頻帶放大倍數(shù)···一、一階LPF〔同相比例〕Rf8CR1R··其中，Auf=1+Rf/R1fH=1/2RC—上限截止頻率··fH幅頻特性f·0-3-20dB/十倍頻特點(diǎn)：1.與一階無(wú)源低通類似；2.ω=0時(shí)，有放大；3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。二、二階LPF8CR1RfRCR··Q=1

/

(3-Auf)Q—等效品質(zhì)因數(shù)-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.707Q=1Q=2Q=51····正反響提升了fn附近的Au。Auf=3時(shí)Q電路產(chǎn)生自激振蕩·–40dB/十倍頻特征頻率：當(dāng)Q=0.707時(shí)，fn=fH。有源高通濾波電路(HPF—High

Pass

Filter)8CR1RfRCR··通帶增益：Auf=1+Rf/

R1Q=1/(3-Auf)f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51·Auf=3時(shí)，Q，電路產(chǎn)生自激振蕩二階低通、高通，為防止自激，應(yīng)使Auf<3。有源帶通濾波電路(BPF—BandPassFilter)構(gòu)成思路：ffHffLffLfH·f0fH>fL·8CR1RfRC1R3R2·LPFBPF要求

R3C1>RC中心頻率：等效品質(zhì)因素：Q=1/(3-Auf)通頻帶：BW=f0