模拟集成电路及其应用课件

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。4.二极管一般用三极管的发射结构成。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。AuoAuou-u+u-u+uououo=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87654321-VCC+VCCuou+u-调零调零空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uou-

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u+0线性工作范围正饱和负饱和5）静态功耗无输入信号时，运放的功率损耗。7）输入失调电压U0S当输入为0时，输出不为0。要使输出为0，在输入端加一个很小的补偿电压，这个补偿电压称为Uos6）输入失调电流I0S8）输入偏置电流IB越小越好。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线性工作范围正饱和负饱和uou-

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u+0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。∞u-u+uoFABi1if1：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i14：利用i-=0，求出电流if=i15：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。∞u-u+uoFABi1if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+＝0Vu-=u+=0Vi1=ui/R1∵i-=0，∴if=i1=ui/R1由此可见：四、比例运算电路ui∞R1R2Rfuoi1if1）输出电压与输入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=-１，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。5）u-≈0常称为“虚地”点，即电位可以认为是0，但不是真正接地。∵i-=0，∴if=i1∵i+=0∴∞uiR1Rfuoi1ifR2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。∞uiR1Rfuoi1ifR24）R2=R1//Rf。同相比例运算电路

另一种接法∞uiR1R3Rfuoi1ifR2R2//R3=R1//Rf∵i+=0∴∵i-=0，∴if=i1构成要求叠加法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，∴if=i1Rf∞ui2R1R3uoi1ifR2ui1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。Rf∞ui2R1R3uoi1ifR2ui1同相输入减法运算电路i1if∵i+=0∵i-=0，∴if=i1反向积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。tui0tuo0U-UomTM积分时限tTM时，uo=-uit/RCtTM时，uo=-Uom应用举例应用举例tui0tuo0输入为方波输出是三角波i1iFui-++RR2Cuo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)例解:(3)∵t=R1CFuo∴当t=0.1×10=1s,uo=10V时：i1∵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=2VU3+=1VU02=（1+RF/R1)Ui=(1+1)1=2V-++-++-++2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I-++-++-++2RR2R2R2R2R2RU1=1VU2=2VU0123I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。∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2

解:(1)当u01单独作用时当ui2单独作用时∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2解：∞ui1R1RF1∞Ruou01ui2R2R4R3RF2（2）若Rf1=R1，Rf2=R2，R3=R4解:ua=6mVub=-0.2mVu01=6mV例：求输出电压u0=?123+-++--6mV-0.2mVi112K36Ki2i3i48K2Kuaubu01u02u0123+-++--6mV-0.2mVi112K36Ki2i3i48K2Kuaubu01u02u0例：试推导iL和VS的关系式VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF∵u-=u+=0∴if=i1=VS/R1F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。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLF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。∞uiR1R1RF∞RRFRuoA1A2Cu+1u-1解:∞uiR1R1RF∞RRFRuoA1A2Cu+1u-1iFu01ic∞uiR1R1RF∞RRFRuoA1A2u+1u-1u01C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。集成运算放大器的转移特性∞u-u+uouou-

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u+0线性工作范围正饱和负饱和UoLUoH§6.3信号处理电路运放线性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。-+uiURuo有参比电压的比较器R1R2uit0URuot0+Uom-Uom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。-+uiURuoR1R2uit0URuot0+Uom-Uom+Uom-Uomuot0：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UZuo0ui-UZ-+uiuoR1-+uiuoR1RuoRuo5V0.7V5.7V矩形波发生器-++ucu-u+RFR1R3DZURuoR2R1、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