南航电工电子第三章

1、第三章第三章 集集 成成 运运 算算 放放 大大 器器电子电路电子电路分立元件电路分立元件电路集成电路集成电路由各种单个元件及连线构成的电路由各种单个元件及连线构成的电路将整个电路的各个元件及连线同时制造将整个电路的各个元件及连线同时制造 在一块芯片内在一块芯片内就集成度而言，集成电路分为小规模、就集成度而言，集成电路分为小规模、中规模、中规模、大规大规 模及超大规模集成电路模及超大规模集成电路 1 2 3 4F0078 7 6 5集成电路集成电路双极型双极型单极型单极型集成电路集成电路模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路按功能分类按功能分类按导电类型分类按导电类型分类集成运放：一

2、种具有集成运放：一种具有高开环放大倍数高开环放大倍数并带有并带有深度深度 负反馈负反馈的多级直接耦合放大电路的多级直接耦合放大电路3.1 集成运放简介集成运放简介集成运放构成了现代电子电路最基本的单元，应用极广泛集成运放构成了现代电子电路最基本的单元，应用极广泛使用集成电路如集成运放时使用集成电路如集成运放时只需注意其外部特性，如芯片只需注意其外部特性，如芯片管脚、主要参数等管脚、主要参数等。对其内部电路及工艺只需作一般了解。对其内部电路及工艺只需作一般了解3.1.1 集成运放的特点集成运放的特点 集成运放的封装外形主要采用集成运放的封装外形主要采用双列直插式双列直插式及及贴片式贴片式集成运放

3、的特点：集成运放的特点：（1）集成电路中一般不使用电容（制作工艺不允许）集成电路中一般不使用电容（制作工艺不允许）如必须使用，则采取如必须使用，则采取外接外接的方法的方法（2）芯片内电阻的取值范围不大（）芯片内电阻的取值范围不大（10020k欧姆），欧姆），电阻的精度较低。高阻值的电阻一般用晶体管恒流源电阻的精度较低。高阻值的电阻一般用晶体管恒流源来代替来代替当晶体管工作于放大区时，当晶体管工作于放大区时，IB一定，则一定，则IC 几乎不变，可几乎不变，可视为恒流源，其动态电阻很大。视为恒流源，其动态电阻很大。（3）集成电路的二极管都采用三极管构成）集成电路的二极管都采用三极管构成BCEBCE

4、CE输入级：零漂小，抑制共模干扰，输入级：零漂小，抑制共模干扰，ri大大3.1.2 集成运放的基本组成集成运放的基本组成 集成运放的输入级都采用差动放大电路，工艺相同，集成运放的输入级都采用差动放大电路，工艺相同，电路参数基本对称，抑制零漂的能力大大增强电路参数基本对称，抑制零漂的能力大大增强输入级的两个输入端构成了整个电路的输入级的两个输入端构成了整个电路的同相输入端同相输入端和和反反相输入端相输入端输入级输入级输出级输出级中间级中间级偏置电路偏置电路输入端输入端输出端输出端输出级输出级一般由一般由射级输出器或互补射极跟随器射级输出器或互补射极跟随器组成，以降低组成，以降低输出电阻输出电阻中

5、间级中间级主要是提高放大倍数，由一级或多级放大电路组成主要是提高放大倍数，由一级或多级放大电路组成偏置电路偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流置电流输入级输入级输出级输出级中间级中间级偏置电路偏置电路输入端输入端输出端输出端 1 2 3 4F0078 7 6 52341576输出输出同相输入同相输入反相输入反相输入+15V15V k10 k1F007运放的电路符号运放的电路符号 uou_+ u326A1、最大输出电压、最大输出电压UOPP3.1.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 在输出电压与输入电压保持不失真关系的前提下的在输出

6、电压与输入电压保持不失真关系的前提下的最大输出电压，与电源电压有关。最大输出电压，与电源电压有关。2、开环差模电压放大倍数、开环差模电压放大倍数Aud uuuAoud（一般为（一般为 ，即，即80140dB）741010 uou_+ u326A3、输入失调电压、输入失调电压UIO为使此时的输出电压为零，在输入级加的补偿电压为使此时的输出电压为零，在输入级加的补偿电压称为输入失调电压称为输入失调电压在输入电压为零时，输出电压不一定为零在输入电压为零时，输出电压不一定为零4、输入失调电流、输入失调电流IIO在输出电压为零时，两在输出电压为零时，两个输入端静态电流之差个输入端静态电流之差 uou_+

7、 u326ABNBPIOIII BNIBPIou_+A5、输入偏置电流、输入偏置电流IIBBNIBPIou_+A2BNBPIBIII 6、最大共模输入电压、最大共模输入电压UICM即允许输入的最大共模输入电压，超过这个电压运放即允许输入的最大共模输入电压，超过这个电压运放将不具备共模抑制能力甚至被损坏将不具备共模抑制能力甚至被损坏3.1.4 理想集成运放理想集成运放一、理想运放的性能指标一、理想运放的性能指标（1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数 Aud= （2）差模输入电阻无穷大）差模输入电阻无穷大 idr（3）输出电阻为零）输出电阻为零0 or（4）共模抑制比无穷大）共模抑制比无

8、穷大 CMRRK今后分析运放时一律将其视为理想运放今后分析运放时一律将其视为理想运放 uou_+ u 理想运放的电路符号理想运放的电路符号理想运放的工作区域：理想运放的工作区域：线性区域线性区域非线性区域非线性区域输出端与反相输入端有电路相连（有负反馈）输出端与反相输入端有电路相连（有负反馈）开环或有正反馈开环或有正反馈 uou_+ u uou_+ u uou_+ u 二、理想运放工作于线性区时的电路分析二、理想运放工作于线性区时的电路分析1、理想运放在线性区的特点、理想运放在线性区的特点)( uuAuudo udA0 uu uu输出电压与输入电压成正比输出电压与输入电压成正比 uou_+ u

9、 两个输入端的电位近似相等，即两个输入端的电位近似相等，即“虚短路虚短路”，简称，简称“虚短虚短”0 ii两个输入端的电流近似为零，称为两个输入端的电流近似为零，称为“虚断路虚断路”，简称，简称“虚虚断断”又因为差模输入电阻无穷大又因为差模输入电阻无穷大 idr虚短和虚断是理想运放工作于线性区时的两个重要特点虚短和虚断是理想运放工作于线性区时的两个重要特点 uou_+ u uou_+ u 三、理想运放工作在非线性区三、理想运放工作在非线性区（1）输入电流近似为零）输入电流近似为零0 ii uou_+ u （2）输出电压）输出电压时）时）当当 uuUusatoo()(时）时）当当 uuUusat

10、oo()(“虚断虚断”仍然成立，但仍然成立，但“虚短虚短”不成不成立立)( uuAuudo uou_+ u 分析含有运放的电路时，首先必须判断出运放是工作分析含有运放的电路时，首先必须判断出运放是工作于线性区还是非线性区于线性区还是非线性区 3-2 基本运算电路基本运算电路一、比例运算电路一、比例运算电路1、反相比例运算电路、反相比例运算电路iufi1i1R2RFR uou_+ u i i首先判断运放工作于线性区首先判断运放工作于线性区R2是平衡电阻，一般是平衡电阻，一般 R2= R1/RF即消除即消除静态基极电流静态基极电流对输出电压的影响对输出电压的影响iufi1i1R2RFR uou_+

11、 u i i1R2RFR_+ 为使反相输入端和同相输入端对地的直流电阻一致为使反相输入端和同相输入端对地的直流电阻一致由由“虚断虚断”可知：可知：0 ii0 u由由“虚短虚短”可知：可知：0 uu（虚地）（虚地）1 RRuuAFiouf 111RuRuuiii FoFofRuRuui 1iFouRRu fii 1fii 1iufi1i1R2RFR uou_+ u i i反相（反相放大）反相（反相放大）与与负号：负号：iouu1 RRuuAFiouf 1iFouRRu 反相器反相器，若若ioufFuuARR 11iufi1i1R2RFRou_+ 2、同相比例运算电路、同相比例运算电路运放工作于线

12、性区运放工作于线性区iufi1i1R2RFRou_+ 由由“虚短虚短”及及“虚断虚断” 可可知知R2= R1/RF0 iiiuuu fii 1110iRui FoifRuui iFouRRu)1(1 111 RRuuAFiouf为正为正1 ioufuuA电压跟随器电压跟随器如果如果R1= （断开）或（断开）或RF= 0 iufi1i1R2RFRou_+ 3.2.2 加减运算电路加减运算电路一、加法运算一、加法运算R2= R11/R12 /R13 /RF0 ii0 uu3iufi13i13R2RFRou_+ 2iu12i1 iu11i11R12R11111Ruii 12212Ruii 13313

13、Ruii 131211iiiif FofRui )(313212111iFiFiFouRRuRRuRRu 3iufi13i13R2RFRou_+ 2iu12i1 iu11i11R12R)(313212111iFiFiFouRRuRRuRRu 当当 时，时，1131211RRRR )(3211iiiFouuuRRu 当当 时，时，FRR 1)(321iiiouuuu 反相加反相加二、减法运算二、减法运算0 ii2323iuRRRuu fi2RFRou_+ 1 iu1i2iu2i3R1R3i32ii fii 1FoiRuuRuu 111123231)(1(iFiFouRRuRRRRRu 两个输入端

14、都有信号输入（差动输入）两个输入端都有信号输入（差动输入）1123231)(1(iFiFouRRuRRRRRu fi2RFRou_+ 1 iu1i2iu2i3R1R3i当当 时时321,RRRRF )(121iiFouuRRu 112RRuuuAFiiouf 减法运算减法运算)(12iiouuu 例例1： iFouRRRuS21 断断：+iuou1R2RFR4R3R+_ASiFAFouRRRRRRRuRRu3213222/ 0 uuiuRRRRRu32132A/ +iuou1R2RFR4R3R+_Ai3i2i1233211RuRuiiRuuiAAAi S合上合上例例2：1R2R1 iu1ou2

15、 iu2ou3R4RFRouA1R2R3R4RA1ou2ouFRou11iouu 22iouu 1R2R3R4RA1ou2ouFRou求出求出uA，则，则uo 便可得出便可得出AouRRRuu434 1R2R3R4RA1ou2ouFRou432211RRuRuuRuuAAoAo 1R2R3R4RA1ou2ouFRou1R2R3R4RA1ouFRou14321432)/()/(oAuRRRRRRRu 1R2R3R4RA2ouFR ou24312431 )/()/(oAuRRRRRRRu AAAuuu 求求uA也可用叠加法也可用叠加法1R2R3R4RA1ou2ouFRou也可用戴维宁定理也可用戴维

16、宁定理3R4RFRouoRAou21/ RRRo 22oAouIRu 2121RRuuIoo 1R2RA1ou2ouAOuI443RRRRuuuoAoo 3R4RFRouoRAou估算估算VB、VC、VE（UBE=0.6V）测测量量电电路路 例例3：V12 K10K10K6V6V =？（2）若）若 电压表读数电压表读数 =200mV，VVVVVVCEB6 6 . 0 0 2010101020033AIB 501020101 63 BCII V12 K10K10K6V6VmAIC1106612 3 四、积分运算四、积分运算11Ruii dtduCdtduCioFcFc dtduCRuoFi 1积

17、积分分时时间间常常数数FCR1 iuci1i1R2Rou_+ CF+_cudtuCRdtuCRutiFtiFo 010111有负反馈，运放工作于线性区有负反馈，运放工作于线性区）（），则则（有有初初始始电电压压若若01001CtiFoCFUdtuCRuUC dtuCRdtuCRutiFtiFo 010111iuci1i1R2Rou_+ CF+_cutCRUuFio1 iuiUtoutT)(satoU dtuCRutiFo 011，则，则）（为阶跃电压，且为阶跃电压，且若若00 CiUu充电电流基本恒定充电电流基本恒定iuci1i1R2Rou_+ CF+_cu例：例：计算图示电路的输出电压，设运

18、放为理想的。计算图示电路的输出电压，设运放为理想的。解：解： dtRuRuCuo)(1212111 dtRRuuCR)(12112111 dtuu)2(1211加法积分加法积分1iu1R3Rou_+ 2iu2RF 1 M1 k500C例：例：理想集成运算放大器构成图示电路，求理想集成运算放大器构成图示电路，求 表达式。表达式。iouu 解：解：fFfFfFcoiRdtiCiRuuu 1 11Ruuii 0 uufii 1 dtuCRuRRuiFiFo111比例比例积分调节器（积分调节器（PI调节器）调节器）iufi1i1R2Rou_+ CF+_cuFR五、微分运算五、微分运算 （ 位置对调）位

19、置对调）1, RCFdtduCdtduCiic111 FofRui dtduCRuiFo1 稳定性不好稳定性不好iufi1iFR2Rou_+ C1+_cu 0 uuFR2R1Couiufi1RRiCi 11iFiFouRRdtduCRu 11FoiiRuRudtduC 比例比例微分调节器（微分调节器（PD调节器）调节器）例例iutUtouURRF1 fRCiii 3.3 有源滤波器有源滤波器一、滤波器的作用一、滤波器的作用3.3.1 滤波器的作用和分类滤波器的作用和分类滤波器：滤波器：使有用频率信号顺利通过使有用频率信号顺利通过同时同时抑制无用频率信号抑制无用频率信号的电路的电路滤波器滤波器无

20、源滤波器（由无源滤波器（由R、L、C等元件组成等元件组成）有源滤波器（由运放、有源滤波器（由运放、R、C等元件组成）等元件组成）有源滤波器的工作频率难以做得很高有源滤波器的工作频率难以做得很高而无源滤波器的工作频率很高而无源滤波器的工作频率很高二、有源滤波器的分类二、有源滤波器的分类 c 低通低通uA0A阻带阻带通带通带高通高通uA0Ac 通带通带阻带阻带0 带阻带阻uA0A 1 2 阻带阻带 通带通带通带通带1 带通带通uA0A 0 2 阻带阻带通带通带阻带阻带iUCjRCjU 11FORUURU 1设设 为某一频率正弦量为某一频率正弦量iu1、有源低通滤波器、有源低通滤波器iu1RRou_

21、+ C+_cuFR URCjUi 1 RCjURRUiFO 1)1(1011)(0ufFARRjT 时，时，)11()1()()()(1RCjRRjUjUjTFio 角频率角频率 为变量，则电路的传递函数为变量，则电路的传递函数 iu1RRou_+ C+_cuFRRCjURRUiFO 1)1(120)(1)(oufAjT 其模为：其模为：称称 为为截止角频率。截止角频率。o RCo1 令令)11()1()()()(1RCjRRjUjUjTFio 0)( arctg 其幅角为：其幅角为：0)( jT20)(1)(oufAjT ufoFARRjT 11)( 0 ufoAjT21)( 0 )( jT

22、ufoAufoA21 0 O 为改善滤波效果，常采用为改善滤波效果，常采用二阶低通滤波器二阶低通滤波器)( jTufoA O二阶二阶一阶一阶1RRouiuFRCCR2、有源高通滤波器、有源高通滤波器只需将低通滤波器的只需将低通滤波器的 R、C 互换互换iu1RRou_+ CFR 0111)()()(jRRjUjUjTFio 20)(1)(oufAjT 101RRAFuf 0)( arctg 20)(1)(oufAjT iu1RRou_+ CFR)( jTufoAufoA21 0 O3.4 采样保持电路采样保持电路物理量物理量采样保持器采样保持器传感器传感器A/D计算机计算机数据采集与处理：数据

23、采集与处理：对于变化缓慢的信号，则无需采样保持器对于变化缓慢的信号，则无需采样保持器对于快速变化的信号，必须满足：对于快速变化的信号，必须满足：max2 ffs 物理量物理量fs 是采样频率，是采样频率， fmax 是输入信号中的最高频率是输入信号中的最高频率）（断断：0tuuSio iouuS 合：合：ouHCSiu)(tuCA1A2)(tuo)(tuitt)(tuCt采样采样采样采样采样采样 保持保持保持保持保持保持3.5 电压比较器电压比较器电压比较器是用来比较电压比较器是用来比较 输入电压输入电压 和参考电压和参考电压 的电路的电路iuRU当运放工作于非线性区时，可构成电压比较器当运放

24、工作于非线性区时，可构成电压比较器单门限比较器单门限比较器电压比较器电压比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器RiUu )(satooUu RiUu )(satooUu 运放开环，工作于非线性区运放开环，工作于非线性区1、单门限比较器、单门限比较器iuou RURRiuouRU)(satoU )(satoU （a）信号从反相端输入）信号从反相端输入RiUu )(satooUu RiUu )(satooUu iuouRU)(satoU )(satoU （b）信号从同相端输入）信号从同相端输入iuou RURRDUZU稳压管限幅电路稳压管限幅电路RiUu ZoUu RiUu DoUu iu

25、ouRUZUDU iuou RURRR为使输出电压波形对称，采用双向稳压管限幅电路为使输出电压波形对称，采用双向稳压管限幅电路RiUu 21DZoUUu RiUu )(21ZDoUUu iuou RURR0R1ZU2DU1DU2ZUiuouRU21DZUU )(21ZDUU )( 0satooiUuu 器器时时，就就构构成成了了过过零零比比较较当当0 RU)( 0satooiUuu iuou)(satoU)(satoU iuou RR0Rtiutou)(satoU )(satoU iuou RR0R将正弦波转换成方波将正弦波转换成方波报警报警截止截止导通导通 )(DTUuUusatooRi 应

26、用实例应用实例iuouRURDTCCU ）导通（保护导通（保护截止截止TDTUuUusatooRi )( 限流限流R tutdtuCRucoo26311103)0( )15(1010501 1 Vuuoi1501 ，Vuuoi1501 ，61033 )10(10105015)10( 12631011 ttudtuCRuctoo)(Vuimst /102011 iu1R2RV15 01uR0u K50 C+cu例：试画出例：试画出 的波形。的波形。0)0( cuoouu 、1，F 1C )(Vuimst /102011 )(1Vuomst /10201515 )(Vuomst /1020V3tuo2103 Vuuoi1501 ，Vuuoi1501 ，tuo21036 iu1R2RV15 01uR0u K50 C+cutiutou)(satoU )(satoU iuou RR0R在过零点，如果有干扰在过零点，如果有干扰则很容易使输出误翻转则很容易使输出误翻转为克服这一点，为克服这一点，引入滞回比较器引入滞回比较器2、滞回比较器、滞回比较器正反馈正反馈非线性区，非线性区，)(satooUu uiuoUo(sat)Uo(sat)UTHUTL设加电源瞬间设加电源瞬间THsatoFsatooUURRRuUu )(22)(iuouR1