集成运算电路的应用

1.集成电路与集成运算放大器,集成电路是利用半导体制造工艺，将整个电路所含有的元器件及相互连接导线全部制作在一块半导体基片上，封装在管壳内，能完成特定功能的电路块。,集成运算放大器实质上是一种高放大倍数、多级直接耦合的放大电路。,集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路品种繁多，主要分为集成运算放大器、集成功率放大器和集成稳压器等，其中应用最为广泛的是集成运算放大器。,集成运算放大电路,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，范围在几十到20千欧，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。,4.二极管一般用三极管的发射结构成。,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。,1.集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式(DIP)CF741,DIPDualIn-LinePakage,2.1集成运放的封装形式与电路符号,集成运放外形结构示意图,运算放大器外形图,2集成运放的电路符号,集成运放有两个输入端，N端称为反相输入端，用“”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位反相。P端称为同相输入端，用“+”表示，说明输入信号由此端加入时，由它产生的输出信号与输入信号相位相同。,习惯用符号,国家标准符号,2.2集成运放的分类,集成运放种类较多，按性能不同可分为通用型和专用型两大类。专用型又有高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型等。,1.通用型2.高速型和宽带型3.高精度(低漂移型）4.高输入阻抗型5.低功耗型6.功率型,通用型,专用型,性能指标比较适中,某些技术指标比较突出,集成运放的使用常识,1、集成电路器件命名,1)国标GB-3430-82对集成电路的规定,2)型号命名数字序号(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。)其它例如:集成功率放大器的型号命名CD集成稳压器的型号命名CW,4理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,Auo，rid，ro0，KCMR,2.理想运放工作在线性区的特点,因为uo=Auo(u+u),所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于0即i+=i0,称“虚断”,虚短虚断,2运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,2.1比例运算,1.反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,（2）电压放大倍数,因虚短,所以u=u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因虚断，i+=i=0，,所以i1if,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,结论：,Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。,Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。,|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。,因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,例：电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不变，要求Auf为10，则RF、R2应为多少？,解：1.Auf=RFR1=5010=5,R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k,2.因Auf=RF/R1=RF10=10故得RF=AufR1=(10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1k,2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,因虚短，所以u=ui，,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,结论：,Auf为正值，即uo与ui极性相同。因为ui加在同相输入端。,Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。,Auf1，不能小于1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,当R1=且RF=0时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。,2.2加法运算电路,1.反相加法运算电路,因虚短,u=u+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以ii1+ii2=if,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,方法2：,平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出u和u+的表达式，利用u=u+的性质求解。,1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,2.3减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,如果取R1=R2，R3=RF,如R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,2.4积分运算电路,由虚短及虚断性质可得i1=if,if=?,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,2.5微分运算电路,由虚短及虚断性质可得i1=if,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,3运放在信号处理方面的应用,3.1电压比较器,电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。,用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+Uo(sat)或Uo(sat)当u+u时，uo=+Uo(sat)u+u-,-UOM当u+Uth2,滞回电压比较器（4）,第四步：,分析传输特性,（1）ui由-逐渐增大,ui=-时，uo=+UOM，阈值为Uth1,-uiUth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth1,+UOM,-UOM,（2）ui由+逐渐减小,ui=+时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth2ui+时，uo=-UOM,ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM,uiUth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1,Uth2,定义：回差电压uth=Uth1-Uth2,滞回电压比较器（5）,0,t,uo,回差电压越大，比较器抗干扰能力越强。,Uth1,Uth2,+UOM,-UOM,只要干扰大小在回差以内，电路不受影响,滞回电压比较器（6）,同相滞回比较器,结构特点：,运放工作于正反馈状态,比较信号加入同相输入端,(1)阈值计算,对图示电路，有u-=UR,用叠加原理求u+,uo单独作用,ui单独作用,注意：对于不同的输出值，U+有两个取值,滞回电压比较器（7）,当uo=-UZ时，u+1=u-=UR、Uth=ui，即,所以,当uo=+UZ时，u+2=u-=UR、Uth=ui，即,所以,滞回电压比较器（8）,(2)分析传输特性,ui由-逐渐增大,ui=-时，uo=-UZ，阈值为Uth1,-uiUth1时，uo=+UZ，阈值为Uth2,Uth1,+UZ,-UZ,（2）ui由+逐渐减小,ui=+时，uo=+UZ，阈值为Uth2,Uth2ui+时，uo=+UZ,ui=Uth2时，跳变，uo=-UZ,uiUth2时，uo=-UZ，阈值为Uth1,Uth2,矩形波发生电路,一、电路结构:,二、工作原理:,（1）阈值电压计算：,滞回比较器，负反馈网络,6.3非正弦波发生电路,矩形波发生电路,（2）波形发生过程分析：,1.设uo=+UZ,uC=0,此时，输出给C充电!,则：u+=Uth1,一旦uc=Uth1,在ucUth1时，,u-u+;,uo保持+UZ不变；,uo立即由UZ变成UZ,此时，C经输出端放电。,2.当uo=-UZ时，,u+=Uth2,当uc=Uth2时，uo=UZ。,当uo重新回到UZ以后，电路又进入另一个周期性的变化。,矩形波发生电路,0,输出波形：,矩形波发生电路,矩形波发生电路,矩形波发生器各部分的作用：,RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。,滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。,三、周期与频率的计算,f=1/T,uc上升阶段表示式:,uc下降阶段表示式:,矩形波发生电路,三角波发生电路,电路一：方波发生器方波积分电路三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,uo,三角波的周期由矩形波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,三角波发生电路,三角波发生电路,电路二：,特点：由滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为滞回比较器的输入。,滞回比较