学习情境4集成运算电路的设计与仿真

教学内容 4.1集成运放的组成及主要技术指标 4.2集成运放的两个工作区域

4.3基本运算电路 4.4有源滤波器

4.5电压比较器情景4集成运放电路的设计与仿真4.1集成运放的组成及主要技术指标本节教学目标 1.了解集成运放的基本组成。2.了解集成运放的主要技术指标。 3.了解集成运放的保护措施。1、集成电路把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。2、集成运放的组成输入级中间级输出级偏置电路4.1.1集成运放概述1）只能采用直接耦合方式；2）采用对称的差分放大电路、电流源电路等；3）采用电流源作为有源负载，代替大阻值的电阻；4）经常采用复合管。3、集成运放的特点4.1.1集成运放概述4、集成运放的电压传输特性AuOu－－+u+当输入信号很小时：uo=Aod(u+-u-)(u+-u-)正较大时，输出正限幅：uo=+UoM(u+-u-)负较大时，输出负限幅：uo=-UoM指运放输入端差放管的基极偏置电流的平均值。1、开环差模放大倍数2、共模放大倍数一般为104~107。3、共模抑制比一般大于80dB。4.1.2集成运放的主要技术指标4、输入偏置电流IIB5、差模输入电阻rid6、最大共模输入电压UIc(max)差模信号作用下的集成运放的输入电阻。在正常工作时所能加的最大共模电压，超过此值，KCMR将明显下降，甚至不能工作。7、最大差模输入电压UId(max)超过此值，将导致输入级差放管的PN结反向击穿。8、输入失调电流IIO和输入失调电压UIO两值越小，表明电路的对称性越好。4.1.2集成运放的主要技术指标8、输入失调电流温漂△IIO/△T9、输入失调电压温漂△UIO/△T指温度变化△T时所产生的失调电流变化△IIO和失调电压变化△UIO。10、上限截止频率fH与单位增益带宽fC

fH指运放20lg|Aod|下降3dB时的信号频率。

fC指运放Aod下降到1时与之对应的信号频率。

SR越大表明运放的高频性能越好。11、转换速率SR4.1.2集成运放的主要技术指标1、输入保护AuOuI－+RFRIN914S反相输入保护；AuOuI－+RFR+V-V同相输入保护集电极外接电源电压+VCC正常工作时，输入端对+VCC而言总是负值，所以输入级两个差分管C-B间不会出现正向偏置。但是，如果把VCC撤除，而②、③引脚仍保持正电位（即共模输入），晶体管的集电结将有一股电流由基极流向集电极，形成集电结电流很大，可能损坏输入级晶体管。另外，若信号源含有电容元件，当电容充电到高电位时，将电源电压和信号同时撤除，电容放电电流仍将损坏晶体管。4.1.3集成运放的保护措施2、输出保护使集成电路的输出电压被限制在DZ的稳压值，从而避免了过流或击穿而造成的损坏。防止正、负两路电源的极性接反。AuOu-－+Ru+DZAuOu-－+u++VCC-VCC3、电源端保护4.1.3集成运放的保护措施4.2集成运放的两个工作区域本节教学目标 1.熟悉集成运放的理想特性。2.掌握理想运放的虚短、虚地应用。4.2.1理想运放AuOu－－+u+国际符号1、开环差摸电压放大倍数Aod＝∞2、差模输入电阻Rid＝∞3、输出电阻Rod＝04、共模抑制比KCMR＝∞5、上限截止频率fH＝∞6、输入偏置电流IB1、IB2，失调电压UIO，失调电流IIO，以及它们的温漂dUIO/dT、dIIO/dT均为0。7、无干扰和噪声4.2.2理想运放的线性工作区－＋uI反馈网络－＋u＋uOu－Ai－i＋线性特性：uo=Aod(u+-u-)（1）由于Aod→∞，所以有：则有：虚短：u+=u-（2）又由于Rid→∞，所以有：则有：虚断：i+=i-=0注：线性应用时，集成运放必须引入深度负反馈，使输入输出之间形成线性关系。4.2.3理想运放的非线性工作区反馈网络－＋u＋uOu－A(b)正反馈(a)无反馈－＋u＋uOu－A1、根据：uo=Aod(u+-u-)，由于Aod→∞则：（1）u+＞u-时，输出正限幅：uo=+UoM（2）u+＜u-时，输出负限幅：uo=-UoM2、又由于Rid→∞，而u+-u-总是有限值时，有：虚断：i+=i-=0注：非线性应用时，集成运放工作在无反馈或正反馈状态。4.3基本运算电路本节教学目标 1.掌握反相比例器、同相比例器的组成、分析计算方法和特点。2.掌握加法运算和加法运算的组成、分析计算方法。 3.掌握积分线性应用。4.了解微分线性应用。4.3.1比例运算电路一、反相比例运算电路——虚地特点：（1）电压放大倍数：Aod=-RF/R，当Aod=-1时，称反相器（反号器）；（2）引入电压负反馈，Ro

→0，带负载能力强；（3）引入并联负反馈，Ri

小，通常认为Ri=R

，对输入员电流有一定的要求；（4）反相输入端虚地，共模输入电压可视为0，所以对KCMR要求低。补偿电阻，保证集成运放两输入端电阻的对称性。－＋uOARuIR'=R//RFi-i+iFiRRF二、同相比例运算电路特点：（1）电压放大倍数：Aod=1+RF/R＞1，且输入输出同相；（2）引入电压负反馈，Ro

→0，带负载能力强；（3）引入串联负反馈，Ri

非常高，通常认为Ri=∞

，最重要优点；（4）由于u-=u+=uI

，共模电压等于输入电压，所以对KCMR要求高。－＋uOARuIRFR'=R//RFi-i+iFiR4.3.1比例运算电路电压跟随器－＋uOAuI4.3.1比例运算电路求解图所示电路的运算关系解：－＋uOAR1uIRFR2R3又4.3.2加减运算电路一、加法运算电路－＋uOAR2uI2RFR'=R1//R2//R3//RFiFi2R3uI3i3R1uI1i1【方法一】用节点∑处的电流方程【方法二】用叠加原理uI1单独作用时，uI2单独作用时，uI3单独作用时，二、减法运算电路用叠加原理仅uI1单独作用时，仅uI2单独作用时，－＋uOAuI1RFRFiFRuI2i1Ri3i2用途：该电路在工业自动控制、精密测量、数据采集等系统中对各种传感器送来的信号加以放大，然后送给系统。4.3.2加减运算电路加减电路用叠加原理，反相输入端对输出的影响：同相输入端对输出的影响：共同作用时：－＋uOAuI2RFR5iFR3uI3i2R2i3uI1i1R1uI4i4R4求解图所示电路的运算关系。解：－＋uO1A1R1uI1RF1R5R2uI2－＋uOA2R4RF2R6R3uI34.3.3积分运算电路和微分运算电路一、积分运算电路1、RC积分运算电路CRUo+-+-Ui(a)τOt(b)UiUo当输入电压ui为一阶跃电压时，输出电压uo只有在开始部分随时间线性增长，近似与输入电压成积分关系。随着C的充电电压uc不断增长，使充电电流不断衰减，充电速度变慢，输出电压不再随时间直线增长，而按指数规律上升。怎么办？2、集成运放积分运算电路－＋uOARuICRiRiC特点：（1）输入信号从反相端输入；（2）反馈引入电容元件。当uI为常数UI时，上式为用途：若输入为正弦波，则输出为——余弦波。实现了输入信号移相。若输入为矩形波，则输出为——三角波。实现了波形的变换。4.3.3积分运算电路和微分运算电路解：设uO上升到+6V所需的时间为T1，电路如图所示，R=10kΩ,C=0.05μF。t=0时，电容两端电压为0，且输入电压由0跃到-3V。试问经过多长时间输出电压uO上升到+6V。(a)uItO-3VuOtO+6VT1解得：T1=1ms。应用：若用输出电压控制电子开关的动作，且uO=+6V时，开关断开或闭合，则T1即为从输入产生跃变到开关动作的延时时间，可见积分运算电路可用于延时电路。电路如图所示，R=10kΩ,C=0.05μF。已知输入电压周期为4ms，幅值为±3V的方波信号：且在t=0时uI=-3V，t=1ms时uI跃变为3V，t=3ms时uI跃变为-3V升，如图所示。设电容初始电压为0。试求输出电压uO的波形。uIt/msO(b)uOtO-3V+3V1357+6V+6V解：当t=0时，方波电压为-3V，1/4周期（1ms）输出电压uO为，此后，方波跃变为+3V，输出电压从+6V开始下降，经1/2周期（2ms）输出电压uO为，波形如右图所示。可知，方波变成了三角波。二、微分运算电路用途：若输入为矩形波，则输出为——尖脉冲。实现了波形的变换。－＋uOARuICRiRiCuItOuOtO缺点：（1）易受高频噪声干扰；（2）容易产生自激振荡。4.3.3积分运算电路和微分运算电路4.3节练习11、为了得到电压放大倍数为100的放大电路，应选用

。A、反相比例运算电路

B、同相比例运算电路C、积分运算电路

D、微分运算电路

2、为了得到电压放大倍数为-50的放大电路，应选用

。A、反相比例运算电路

B、同相比例运算电路C、积分运算电路

D、微分运算电路

3、图所示电路，当输入方波信号时，电路的输出波形为

。A、正弦波B、矩形波C、三角波 D、尖脉冲

－＋uOARuICRiRiC4.3节练习24、实现积分运算的电路是

。－＋uOARuICR(B)－＋uOARuICR(A)＋－uOARuICR(C)＋－uOARuICR(D)4.4有源滤波器本节教学目标 1.熟悉有源滤波这种信号处理电路的作用和工作原理。 2.了解有源滤波器的选频特性及应用。 4.4.1滤波电路基础知识一、滤波的概念滤波器：是一种能使某部分频率比较顺利地通过，而另一部分频率受到较大衰减的装置。常用在信息处理、数据的传递和干扰的抑制等方面。二、滤波器的种类20lg|Au|Of(a)通阻20lg|Au|Off0(b)阻通20lg|Au|Of(c)阻阻通20lg|Au|Off0(d)通阻通f1f2(a)

低通滤波器（LPF）:低频能通过而高频不能通过。(b)

高通滤波器（HPF）:高频能通过而低频不能通过。(d)

带阻滤波器（BEF）:频率在某一定范围之内不能通过，而其余都能通过。(c)

带通滤波器（BPF）:频率在某一定范围之内能通过，而其余都能不通过。4.4.1滤波电路基础知识4.4.2有源低通滤波器一、一阶低通滤波器电路和波特图3dB-20dB/十倍频f020lg|Au|/dBOf(b)(a)－＋AR1CRFRUiUo20lgAup——通频带电压放大倍数。二、二阶低通滤波器电路图(a)－＋AR1C1=CRFRUiUoRC2=CM波特图0.1-401(b)20lg

/dB10-30-20-1001020Q=10Q=2Q=1Q=0.7.7Q=0.5-40dB/十倍频——等效品质因数。注意：当Aup=3，Q=∞，电路将发生自激振荡。4.4.2有源低通滤波器一阶和二阶低通滤波器的对数幅频特性-40120lg

/dB0.110-200-20dB/十倍频-40dB/十倍频123实线1:一阶滤波器特性实线2:二阶滤波器特性虚线3:理想特性4.4.2有源低通滤波器(a)－＋AR1RFRUiRCMCUo140dB/十倍频(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-1001020Q=10Q=2Q=1Q=0.7.7Q=0.54.4.3有源高通滤波器4.4.4有源带通滤波器一、组成原理(a)低通高通UiUo20lg|Au|Of通阻20lg|Au|Off01(b)阻通20lg|Au|Of阻阻通f02二、常用电路(a)－＋AR1RFUiUoMC1=CC2=CR2＝RR3＝RR1(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-100Q=1Q=5Q=10f0——带通滤波器中心频率。当f=f0时，电压放大倍数为Aup。Q越大，通带宽度越窄4.4.4有源带通滤波器4.4.5有源带阻滤波器一、组成原理(a)高通UiUo低通＋－ARR20lg|Au|Of低通阻20lg|Au|Off01(b)阻高通20lg|Au|Of通通阻f02二、常用电路Q越大，阻带宽度越窄(a)－＋AR1RFUiUoM2CCRCRR/21(b)20lg

/dB0.110-40-30-20-100Q=1Q=5Q=10

f0——带阻滤波器中心频率。当f=f0时，电压放大倍数为0。4.4.5有源带阻滤波器4.4节练习11、为了从信号中提取高频部分，应选用

。A、低通滤波器B、高通滤波器C、带通滤波器D、带阻滤波器

2、为防止50Hz电网电压干扰混入信号之中，应选用

。A、低通滤波器B、高通滤波器C、带通滤波器D、带阻滤波器

3、为了获取信号中的直流成分，应选用

。A、低通滤波器B、高通滤波器C、带通滤波器D、带阻滤波器

4、为了提取10Hz的信号，应选用

。A、低通滤波器B、高通滤波器C、带通滤波器D、带阻滤波器

5、收音机用于选台的滤波器应为

。A、低通滤波器B、高通滤波器C、带通滤波器D、带阻滤波器

4.5电压比较器本节教学目标 1.掌握单限比较器的作用和工作原理。 2.熟悉滞回比较器的作用的工作原理。3.了解窗口比较器的作用和工作原理。4.了解电压比较输出轨迹的作图及运放工作状态的区分。4.5.1电压比较器概述1、定义将一个模拟输入电压和基准电压（称为阈值电压）进行比较，根据比较结果输出两个不同的电平：高电平和低电平。2、特点集成运放工作在非线性区。3、分析方法

4、种类单限比较器，电路只有一个UTH。滞回比较器，电路有两个UTH。且UTH1>UTH2。双限比较器，电路有两个UTH。且UTH1<UTH2。UTH1——增大方向的跃变；UTH2——减小方向的跃变；输出电压产生跳变的方向。阈值电压UTH：也称转折电压、门槛电压。是u+=u-时的输入电压。

输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值4.5.2单限比较器一、过零比较器－＋uOAuIuOuIO+UOM-UOM(b)－＋uOAuI(a)uOuIO+UOM-UOM阈值电压UTH

=0阈值电压UTH

=0作轨迹三要素：（1）+UOM，-UOM；（2）阈值电压UTH；（3）上行线（u+>u-）和下行线（u+<u-）。利用过零比较器可以将正弦波变为方波uOuIOOωtωt具有输入过压保护、输出限幅的电路－＋uIuOAR1R2DDDDZ－＋uIuOAR1R2DDDZuOuIO+UZ-UDuOuIO+UZ-UZ输出限幅的电路uOuIO+UZ-UZ－＋uOARuIDZ二、一般单限比较器增加了一个参考电压UREF－＋uIuOAR2RDZUREFR1uOuIO+UZ-UZUTH4.5.2单限比较器4.5.3滞回比较器一、滞回比较器的特点特点：可以有效抑制干扰和噪声的影响。uItOUTHtOuO+UZ-UZ(a)特点：动作十分灵敏，稳定性很低。uItOUTH1UTH2tOuO+UZ-UZ(b)二、滞回比较器的电路分析－＋uIuOAR2RDZR1(a)+UZ-UZUTH2UTH1uOuIO(b)当输出为上限幅时：当输出为下限幅时：反相滞回比较器4.5.3滞回比较器二、滞回比较器的电路分析+UZ-