《電工電子》課件項目三 集成運算放大器構成的運算電路的設計

項目三

集成運算放大器構成的運算電路的設計《電工電子技術項目化教程》任務目標學習目標：學習集成運算放大器的基本知識能力目標：掌握集成運算放大器構成的基本運算電路的方法任務分析集成電路是采用半導體制造工藝，把電子元件以及連接導線集中制造在一小塊半導體基片上而構成的一個完整電路。按功能劃分，集成電路分為模擬集成電路和數字集成電路兩大類。模擬集成電路處理的是模擬信號，它的種類繁多，有集成運算放大器、集成電壓比較器、集成功率放大器、集成乘法器、集成穩(wěn)壓器、集成鎖相環(huán)路與頻率合成器、集成模-數與數-模轉換器等。集成運算放大器是應用最廣泛的一類模擬集成電路。我們重點介紹以它為核心的應用電路設計。在掌握了它的一般設計方法后，我們也就比較容易應用其它模擬集成電路開展電路設計了。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路3.1.1模擬運算放大器的基本組成集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。它的類型很多，電路也不一樣，但結構有共同之處，下圖表示集成運算放大器的內部電路組成原理框圖。它由四部分組成，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路（一）輸入級：一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的高性能差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。（二）電壓放大級：提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。（三）輸出級：一般是由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。（四）偏置電路：提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路3.1.2集成運算放大器的符號和電壓傳輸特性任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路(a)(b)圖(a)為運算放大器的符號。運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號‘+’表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相反，用符號“-”表示。輸出端在輸入端的另一側，在符號邊框內標有‘+’號。大多數型號的集成運放均為兩組電源供電。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路圖(b)為集成運算放大器的電壓傳輸特性曲線。集成運算放大器的電壓傳輸特性是指開環(huán)時，輸出電壓與差模輸入電壓之間的關系。在線性區(qū)

。由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓Up－Un的數值僅為幾十～一百多μV。當其大于此值時，集成運放的輸出不是,+Uom就是-Uom，即集成運放工作在非線性區(qū)。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路3.1.3集成運算放大器的主要性能指標1.輸入失調電壓Uio輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。2.輸入失調電流Iio在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路3.開環(huán)差模電壓放大倍數Aud開環(huán)差模電壓放大倍數是指集成運放在開環(huán)（無反饋）情況下的直流差模電壓放大倍數，即開環(huán)輸出直流電壓與差模輸入電壓之比，用Aud表示。集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數通常很大，經常用dB表示。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路4.共模抑制比KCMRKCMR是差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數之比，即。KCMR越大越好，一般在80分貝以上。5.轉換速率SR(壓擺率)反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉換速率SR的表達式為6.－3dB帶寬fH（開環(huán)帶寬）：運放的差模電壓放大倍數BW(fn)在高頻段下降3dB時對應的帶寬fH。任務3.1集成運算放大器構成的基本運算電路任務目標學習目標：學習積分電路和微分電路的特點能力目標：掌握運用集成運算放大器設計積分電路與微分電路的方法任務分析積分電路與微分電路的都是常用的計算電路，它們可以完成積分運算和微分運算，可以完成波形變化。通過本次任務的學習，可以掌握積分電路和微分電路的特點和設計方法。任務3.2積分電路與微分電路的設計3.2電路形式1.積分電路積分電路可以完成對輸入信號的積分運算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。反相積分電路如圖所示，輸出電壓為：任務3.2積分電路與微分電路的設計2.微分器微分是積分的逆運算，將積分電路中的電容和電阻對調，就構成微分電路。微分電路的輸出電壓是輸入電壓的微分，電路如圖所示。輸出電壓為：任務3.2積分電路與微分電路的設計3.2.2積分電路的主要作用：1.將矩形波變成鋸齒波或三角波；2.延緩跳變電壓；3.進行脈沖轉換；4.抑制干擾脈沖和無用脈沖。任務3.2積分電路與微分電路的設計3.2.3積分電路的圖像積分電路除了可作積分運算外，還可用作波形變換，如將方波信號變換為三角波信號。積分電路輸入-輸出波形仿真的結果如圖所示。圖中示波器屏幕上的波形清晰地顯示出，當方波信號輸入積分電路時，輸出為三角波信號。任務3.2積分電路與微分電路的設計任務3.2積分電路與微分電路的設計1.基本微分電路形式微分是積分的逆運算，將基本積分電路中的電阻和電容元件位置互換，便得到圖所示的微分電路。輸出電壓uo取決于輸入電壓ui對時間t的微分，即實現(xiàn)了微分運算。任務3.2積分電路與微分電路的設計3.2.4微分電路的作用微分電路的應用是很廣泛的，在線性系統(tǒng)中，除了可作微分運算外，在脈沖數值電路