微电子技术及应用精.ppt

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1、微电子技术及应用第1页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用2 第一节第一节 集成运放的基本使用方法集成运放的基本使用方法1.集成运放的电源供给方式集成运放的电源供给方式集成运放原则上由二个电源接线脚集成运放原则上由二个电源接线脚V+和和V-，但，但有不同的电源供给方式。虽电源供给方式不同，有不同的电源供给方式。虽电源供给方式不同，但原则上输入脚回归线务必固定于但原则上输入脚回归线务必固定于V+V-间某间某一点电位上。一点电位上。第三章模拟集成电路和集成运算放大器第三章模拟集成电路和集成运算放大器第二部分第二部分 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用第2页，本讲稿共55页集成运算放大器

2、及其应用3l 对称双电源供给方式对称双电源供给方式 第3页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用4非对称双电源供给方式非对称双电源供给方式 第4页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用5v 单电源供给方式单电源供给方式第5页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用6 2.输入输入/输出间相位关系，虚短路输出间相位关系，虚短路为了正确分析有运放的电路的工作原理，必须弄为了正确分析有运放的电路的工作原理，必须弄清楚运放的输入清楚运放的输入/输出电压的相位关系以及输入输出电压的相位关系以及输入端虚短路的概念。端虚短路的概念。输入输入/输出间相位关系输出间相位关系-同相输入端的电压相对反相端的电压是同相

3、输入端的电压相对反相端的电压是正方向增正方向增大大，则输出电压是，则输出电压是正方向增大正方向增大，即正极性输出。，即正极性输出。反相输入端的电压相对同相端的电压是反相输入端的电压相对同相端的电压是正方向增正方向增大大，则输出电压是，则输出电压是负方向增大负方向增大，即负极性输出。，即负极性输出。第6页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用7l 虚短路虚短路 -运放使用时一般加负反馈，选定外电路的常数可运放使用时一般加负反馈，选定外电路的常数可获得任意值的放大倍数。实际电路中输出电压为获得任意值的放大倍数。实际电路中输出电压为有限值，而运放自身（开环增益）放大倍数非常有限值，而运放自身（开环增

4、益）放大倍数非常大，因此，同相与反相输入间差动输入电压接近大，因此，同相与反相输入间差动输入电压接近于零。于零。在正常工作状态下，可以认为同相与反相输入端在正常工作状态下，可以认为同相与反相输入端是同电位，即为是同电位，即为虚短路虚短路。第7页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用83.反相放大情况反相放大情况l电路与放大倍数电路与放大倍数第8页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用9电压放大倍数电压放大倍数AV反相放大电路的电压放大倍数取决于反相放大电路的电压放大倍数取决于R2和和R1的比值。的比值。第9页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用10电压放大倍数电压放大倍数AV的频率特性的频率

5、特性一般来说，运放自身开环增益非常大，而频率特性较差。一般来说，运放自身开环增益非常大，而频率特性较差。用通用运放构成电压放大倍数为用通用运放构成电压放大倍数为10 100倍（倍（20 40dB）的反相放大器，小信号放大时频率约）的反相放大器，小信号放大时频率约100KHz，而，而大信号放大时频率约大信号放大时频率约1020KHz，放大倍数即开始降低。，放大倍数即开始降低。运放消耗电流越大或者运放消耗电流越大或者R1和和R2阻值越小，频率特性阻值越小，频率特性越好。越好。第10页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用11l输入阻抗（输入阻抗（Ri）l这是从输入信号源处看放大电路的电阻，这是从输

6、入信号源处看放大电路的电阻，所以，所以，Ri=Ei/ii =R1l输出阻抗（输出阻抗（RO）l运放的输出阻抗非常低，应用时加有负反馈电路，运放的输出阻抗非常低，应用时加有负反馈电路，因此，输出电阻可视为零。因此，输出电阻可视为零。第11页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用124.同相放大情况同相放大情况l电路与放大倍数电路与放大倍数第12页，本讲稿共55页电压放大倍数电压放大倍数AV第13页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用14l同相放大电路的电压放大倍数也取决于同相放大电路的电压放大倍数也取决于 R2和和R1的比值。的比值。l反相放大电路的电压放大倍数可能小于反相放大电路的电压放大倍

7、数可能小于1；l同相放大电路的电压放大倍数不可能小于同相放大电路的电压放大倍数不可能小于1。第14页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用15l输入阻抗（输入阻抗（Ri）l从输入信号源从输入信号源Ei看输入电阻，等同于运放同相看输入电阻，等同于运放同相 输入端的输入阻抗。这个阻抗非常大。输入端的输入阻抗。这个阻抗非常大。l输出阻抗输出阻抗RO、频率特性等频率特性等 与反相放大电路基本相同。与反相放大电路基本相同。第15页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用165.差动放大情况差动放大情况l差动放大可看作是反相放大电路和同相放大电路差动放大可看作是反相放大电路和同相放大电路的组合。的组合。第1

8、6页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用176.电压跟随器电压跟随器 l输入阻抗高，输出阻抗输入阻抗高，输出阻抗近似为零，电压放大倍近似为零，电压放大倍数数 AV=1。l容易自激，有的运放在容易自激，有的运放在内部加有相位补偿电路，内部加有相位补偿电路，或者外接规定容量的补或者外接规定容量的补偿电容。偿电容。第17页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用187.零漂的调整零漂的调整 l用运放放大微弱直流输入信号时，最突出的问题用运放放大微弱直流输入信号时，最突出的问题是零点漂移。是零点漂移。l调整的方法调整的方法l有零漂调整管脚的运放有零漂调整管脚的运放 在零漂调整管脚接入电位器在零漂调整管

9、脚接入电位器RP，当输入端短路时，当输入端短路时，调整电位器调整电位器RP使输出电压为零即可。使输出电压为零即可。第18页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用19有零漂调整管脚的运放有零漂调整管脚的运放第19页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用20无零漂调整管脚的运放无零漂调整管脚的运放有些运放没有设置零漂调整管脚，尤其是双运放有些运放没有设置零漂调整管脚，尤其是双运放或四运放，因为管脚有限，几乎都省掉了。或四运放，因为管脚有限，几乎都省掉了。这时可在输入信号上叠加调零电压。这时可在输入信号上叠加调零电压。所采用的方法应以不影响电压放大倍数所采用的方法应以不影响电压放大倍数AV为准。为准

10、。一般来说，运放零漂电压不会超过一般来说，运放零漂电压不会超过1020mV。第20页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用21同相放大电路调零方法同相放大电路调零方法第21页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用22反相放大电路调零方法反相放大电路调零方法第22页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用238.单电源运放的使用单电源运放的使用单电源运放的特点：单电源运放的特点：由图可知，输入级由图可知，输入级VT1VT4是是P型晶体管，因型晶体管，因此，输入电压即使与地同电位，输入电路也能工此，输入电压即使与地同电位，输入电路也能工作。作。输出管脚与地之间接有输出管脚与地之间接有50A的恒流源电

11、路，因的恒流源电路，因此，如果输出管脚界的负载是在此，如果输出管脚界的负载是在50A以内，输出以内，输出电压可工作到零。电压可工作到零。这样，零输入零输出就在运放有效范围内。这样，零输入零输出就在运放有效范围内。第23页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用24单电源运放单电源运放LM324内部电路内部电路第24页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用25 充分发挥单电源运放的特长充分发挥单电源运放的特长l上述单电源运放在输入输出为零也能工作，因此上述单电源运放在输入输出为零也能工作，因此在实际电路中，应充分利用这一特长。在实际电路中，应充分利用这一特长。l例如，有一种输出电压例如，有一种输出

12、电压010V可调的稳压源，如可调的稳压源，如果采用一般的双电源运放，至少也要加果采用一般的双电源运放，至少也要加-2-3V以上的辅助电源。以上的辅助电源。第25页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用26010V可调稳压源可调稳压源第26页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用27单电源运放和双电源运放的比较单电源运放和双电源运放的比较第27页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用28第二节第二节 CMOS运放运放14573和电压比较器和电压比较器1457414573-四可编程运放四可编程运放14574-四可编程电压比较器四可编程电压比较器14575-可编程双运放、双电压比较器可编程双运放、双

13、电压比较器 1.可编程功能：可编程功能：工作电流均可由外接电阻工作电流均可由外接电阻Rset进行随意编制，根进行随意编制，根据使用者对电路的压摆率据使用者对电路的压摆率SR、输出摆幅、传输、输出摆幅、传输延迟时间以及功耗等参数的综合要求，在一定的延迟时间以及功耗等参数的综合要求，在一定的场合，选择适当的场合，选择适当的Rset。第28页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用292.电源电压范围：电源电压范围：双电源双电源-1.5V7.5V 单电源单电源-3V15V3.共模输入电压范围：共模输入电压范围：0（VDD-2V)失调电压典型值：失调电压典型值：10mV4.输入阻抗输入阻抗-RIN101

14、0，开环增益开环增益-90dB 压摆率压摆率-OP 2.5V/s 比较器比较器 100V/s 第29页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用305.CMOS OP 14573:由于其互补结构的特点，较其他由于其互补结构的特点，较其他MOS运放更适合运放更适合处理模拟信号，互补结构直接对应于处理模拟信号，互补结构直接对应于Bipolar OP中的互补管。中的互补管。电压比较器电压比较器14574：输出高电平约为输出高电平约为 VDD，低电平约为，低电平约为 VSS 转换时间转换时间 100ns，延迟时间，延迟时间 100ns 比较器单元电路如图所示。比较器单元电路如图所示。第30页，本讲稿共55

15、页集成运算放大器及其应用3114574比较器单元电路原理图第31页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用32T10和外偏置电阻和外偏置电阻Rbias构成两个比较单元合用的偏构成两个比较单元合用的偏置电流源基准电流电路。置电流源基准电流电路。T1T4和和T11构成电流源负载差分输入级。构成电流源负载差分输入级。T5和和T12构成电流源负载共源放大器。构成电流源负载共源放大器。T6、T7和和T8、T9分别构成分别构成CMOS倒相放大器。可倒相放大器。可见比较单元具有四级放大器，增益见比较单元具有四级放大器，增益AV很高。很高。第32页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用336.比较器与运放的区别

16、：比较器与运放的区别：a.比较器比运放多二级倒相器，是一个差分输入，比较器比运放多二级倒相器，是一个差分输入，单端输出的高增益放大器，输出摆幅与数字电路单端输出的高增益放大器，输出摆幅与数字电路 的逻辑电平相匹配。的逻辑电平相匹配。b.比较器的输出电平一般与数字电路逻辑相匹配，比较器的输出电平一般与数字电路逻辑相匹配，故可以工作在开环状态下，电压增益大于故可以工作在开环状态下，电压增益大于1000倍倍（30dB）就可以了。）就可以了。第33页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用34l而运放一般工作在闭环状态下，其电压增益越高而运放一般工作在闭环状态下，其电压增益越高 越好，越好，应用时可以施

17、加负反馈，负反馈可改善失应用时可以施加负反馈，负反馈可改善失真、频响和稳定性。真、频响和稳定性。lc.比较器对增益和相位没有严格要求，无需补偿。比较器对增益和相位没有严格要求，无需补偿。ld.为具备高的灵敏度和分辨率，比较器对失调电为具备高的灵敏度和分辨率，比较器对失调电压与偏置电流准确性的要求比运放来得高。压与偏置电流准确性的要求比运放来得高。le.响应时间是重要指标，比较器一般高于运放。响应时间是重要指标，比较器一般高于运放。第34页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用35第三节第三节 CMOS运放和电压比较器典型应用运放和电压比较器典型应用一、单窗口比较器一、单窗口比较器 第35页，本

18、讲稿共55页集成运算放大器及其应用36窗口比较器输入输出关系窗口比较器输入输出关系第36页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用37v两片两片14574和一片和一片4011可构成的四窗口比较电路。可构成的四窗口比较电路。v基准电压电路由基准电压源基准电压电路由基准电压源ER和四个等值的分压和四个等值的分压电阻组成，获得的四个基准电压电阻组成，获得的四个基准电压-Vth1=ER、Vth2=3ER/4、Vth3=ER/2、Vth3=ER/4。二、四窗口比较器二、四窗口比较器 第37页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用38四四窗窗口口比比较较器器第38页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用39

19、l根据比较器和与非门电路的工作原理可知：根据比较器和与非门电路的工作原理可知：l当当3ER/4v v1 ER时，时，v vo1=“0”，LED1发光指示；发光指示；l当当ER/2v v1 3ER/4 ER时，时，v vo2=“0”，LED2发光指示；发光指示；l当当ER/4v v1 ER/2时，时，v vo3=“0”，LED3发光指示；发光指示；l当当0v v1 ER/4时，时，v vo4=“0”，LED4发光指示。发光指示。第39页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用40三、限幅指示器三、限幅指示器 本电路可监控功率放大器的过载状态，当输出本电路可监控功率放大器的过载状态，当输出 电压峰电

20、压峰-峰值（峰值（+VPP-VPP)分别超过分别超过VH、VL时，时，LED指示灯点亮，指示输出功率超过额定值。指示灯点亮，指示输出功率超过额定值。第40页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用41限幅指示器电路限幅指示器电路第41页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用42限幅指示器电路限幅指示器电路ViVo关系关系第42页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用43四、施密特性比较器四、施密特性比较器l特点：特点：l1.同施密特电路，具有正反馈，能加速转换过程。同施密特电路，具有正反馈，能加速转换过程。l2.有两个门限，亦称迟滞性比较器。有两个门限，亦称迟滞性比较器。lVT+第43页，本讲稿

21、共55页集成运算放大器及其应用44施密特性比较器施密特性比较器第44页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用45VT-VH=VT+-VT-=第45页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用46五、压控方波、三角波发生器五、压控方波、三角波发生器第46页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用471.电路组成电路组成运放运放A作为积分器，作为积分器，JFET 3DJ6作为积分器的作为积分器的 转换开关。转换开关。运放运放C作为施密特比较器。作为施密特比较器。运放运放B、D连成跟随器，起到隔离和增强驱动连成跟随器，起到隔离和增强驱动 能力的作用。能力的作用。RW1可调节积分输入电压的大小，从而调节输可

22、调节积分输入电压的大小，从而调节输 出频率。出频率。RW2、RW3可调节输出信号的幅度。可调节输出信号的幅度。第47页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用482.电路原理电路原理当运放当运放 C的输入端电压的输入端电压VT+，运放，运放 C 输出为输出为-VSS，二极管二极管D导通，导致导通，导致3DJ6夹断，等效电路如图所示。夹断，等效电路如图所示。积分器输出：积分器输出：负向积分输出负向积分输出 第48页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用49当当VA下降至下降至VT-后，运放后，运放C输出翻转，输出翻转，VC输出上输出上升至升至VDD,二极管二极管D截止，而截止，而3DJ6导通，积分

23、器换导通，积分器换向积分。等效电路如图所示。向积分。等效电路如图所示。积分器输出：积分器输出：正向积分输出正向积分输出第49页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用50六、二相时钟发生器六、二相时钟发生器1.振荡器：将电压比较器振荡器：将电压比较器组成施密特型比较器，在组成施密特型比较器，在反相输入端加上反相输入端加上R、C充充放电回路，使输入端的电放电回路，使输入端的电位在位在 VT+和和 VT-之间来之间来回充放电，则输出端在回充放电，则输出端在 VOH、VOL 之间振荡。之间振荡。对比较器，对比较器，VOHVDD VOLVSS第50页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用51运放振荡器波形第51页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用522.2.将上述振荡器和窗口比较器组成二相时钟发生器将上述振荡器和窗口比较器组成二相时钟发生器第52页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用53双电源情况下，波形图？双电源情况下，波形图？第53页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用547.下降沿触发的单稳态电路下降沿触发的单稳态电路第54页，本讲稿共55页集成运算放大器及其应用55运放单稳态波形图运放单稳态波形图第55页，本讲稿共55页