模拟集成电路及其应用.ppt

1、集成运算放大器及其应用,6.1 集成运算放大器简介 6.2 模拟信号的运算电路 6.3 信号处理电路,集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,6.1 集成运算放大器及其简介,集成电路内部结构的特点,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十欧到几十千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4

2、. 二极管一般用三极管的发射结构成。,集成运算放大器的内部组成,集成运算放大器内部由五个部分组成,直流电源,+,同相输入端,-,反相输入端,输出端,集成运算放大器内部组成特点,无电感、无大容量电容、无大阻值电阻、由三极管代替二极管。,u-,u+,u-,u+,uo,uo,uo=Auo(u+-u-),uo=Auo(u+-u-),Auo开环电压放大倍数,集成运算放大器的电路符号及器件外形,双列直插式单运放外部引脚,标志,1）输入电阻很大,2）输出电阻很小,3）开环放大倍数Auo很大,集成运算放大器的电压传输特性,输出信号与输入信号之间的关系曲线,集成运算放大器的特点,集成运算放大器的主要参数,1）开

3、环电压放大倍数Auo,没有接反馈时所测出的差模电压放大倍数，通常数 值很高，在104107之间，理想状态：Auo=,6）输入失调电流I0S,集成运算放大器按其在电路中的工作状态分为： 线性应用和非线性应用,运放的电压传输特性,6.2 模拟信号的运算电路,线性应用电路结构上存在从输出端到反相输入端的 负反馈支路，以保证集成运算放大器的输 出在最大输出电压的范围内。,非线性应用电路结构上，集成运算放大器处于开环 （无反馈）或存在从输出端到同相输入端 的正反馈支路，输出总是处于饱和状态， 即输出在正、负最大值之间变化。,在分析运算放大器时,一般将它看成是一个理想运算放大器。,一、运算放大器理想化的条

4、件：,二、分析理想运算放大器线性应用的两个重要结论：,1）,u+ u-,2）,i 0 ，i 0,1：利用i+=0，由B电路求出同相输入端电压 u+,2：利用u+ = u-，确定反相输入端电压 u- = u+,3：利用已知电压u-，由A电路求出电流i1,4：利用i-=0，求出电流 if =i1,5：由电路F的特性和u-确定输出电压：uo=u-F(if ),6*：检验输出电压是否在线性范围内。,三、线性应用运放电路的一般分析方法,反相比例运算电路, i+=0 u+0V,u-=u+=0V,i1=ui /R1, i-=0， if =i1= ui /R1,由此可见：,四、比例运算电路,1）输出电压与输入

5、电压比值是一个负常数，所以这样 的电路称为反相比例运算器。,2）整个电路的电压放大倍数只与R1，Rf有关，与开环 Auo无关。,3）Rf=R1时，Au =-，称为反相器。,4）Au 与R2（平衡电阻R2）无关,6）R2 = R1/Rf ，作用是消除静态基极电流对输出电 压的影响。, i-=0， if =i1, i+=0 ,同相比例运算电路,可见：,1）输出电压uo与输入电压ui比值是正常数，称为同 相比例运算。,2）Au仅与R1，Rf 有关，而与Auo无关。,3）Rf=0，或R1=，或两者同时出现时，Au=1,输出 电压全部等于输入电压，是电压跟随器。,4）R2 = R1/Rf 。,同相比例运

6、算电路另一种接法,R2/R3=R1/Rf, i+=0 , i-=0， if =i1,构成要求,反相加法运算,i+=0 u+0V,u-=u+=0V,i1=ui1 /R1 i2=ui2 /R2, i-=0 if =i1+ i2 = ui1 /R1+ ui2 /R2,if,叠加法,u1单独作用时，,同相加法运算,叠加法,u2单独作用时，,同相加法运算,叠加法,同相加法运算, i+=0,减法运算电路, i-=0， if =i1,减法运算电路,叠加法,ui1单独作用，ui2接地。,反相输入,ui2单独作用，ui1接地。,同相输入,减法运算电路, i+=0, i-=0， if =i1,反向积分运算,反向积

7、分运算,如果积分器从某一时刻输入一直流电压， 输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,tTM时，uo= - uit/RC,t TM时，uo= - Uom,应用举例,应用举例,输入为方波 输出是三角波,如图所示积分电路中， ， ， 试求： (1)输出电压 由0到运放能输出的最大值 所需的时间是多少？ (2)超出这段时间，输出电压 会呈现怎样的变化规律？ (3)若将 与 保持积分运算关系的有效时间增大10倍，应如何 改变电路参数值。,(2)超出0到 这段时间，输出电压 将保持 不变;,即 则 ， 或 ，,(1),解:,(3)t =R1C Fuo,当t=0.1 10=1s, uo=

8、10V时：, i+=0,i-=0，if =i1,反向微分运算,例：某理想运算放大电路如图所示：求输出电压Uo?,解：,U01=2V,U3+=1V,U02=（1+RF/R1)Ui=(1+1)1=2V,例：电路如图所示，要求,（2）若RF1=R1，RF2=R2，R3=R4，写出此时uo与ui1，ui2的关系式。,（1）写出输出电压uo 与输入电压ui1，ui2之间运算关系的表达式。,解:(1),当u01单独作用时,当ui2单独作用时,解：,（2）若Rf1=R1，Rf2=R2，R3=R4,解:,ua = 6mV,ub = -0.2mV,u01 = 6mV,例：求输出电压u0=?,例：试推导 iL 和

9、 VS 的关系式, u-=u+=0, if = i1 =VS /R1,F点电位（即电阻 Rf 上电压）为,在 F 点应用 KCL 有：,电阻 RL 中电流与电阻值无关，因此，虚线框内电路等效为恒流源。,例：分析图示运算放大器应用电路中，输出电压与输入电压的关系。,u+1,u-1,解:,u01,输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），在线性输入范围外，出现两种饱和状态正饱和，输出为正最大值，负饱和，输出为负最大值。,运算放大器非线性工作状态的判断,负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。如果电路中不存在负反馈或接有正反馈，则运算放大器将工作在非线性状态。,6.3 信号处理电路,运放线性

10、应用与非线性应用比较,uo,比较器,比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，视输入信号是大于还是小于给定值来决定输出状态。它在测量、控制以及各种非正弦波发生器等电路中应用广泛。,有参比电压的比较器,过零比较器,参比电压等于零时，输入信号每次过零时、输出电压都会发生突变。利用过零比较器可以实现信号的波形变换。,： 电路如图所示，运算放大器的饱和电压为12V，晶体管T的=50，输入电压uI的波形如图2所示，则灯HL的情况为（）。 （a）亮1s，暗2s （b）暗1s，亮2s （c）亮3s，暗2s,例,b,有限幅的过零比较器,矩形波发生器,R1、R2构成正反馈电路，R2上的反馈电压UR是输出电压的一部分。