集成运算放大器的分析与应用.ppt

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1、1/921.1.引言引言2.2.晶体二极管及应用电路晶体二极管及应用电路3.3.晶体三极管及基本放大电路晶体三极管及基本放大电路4.4.场效应管及基本放大电路场效应管及基本放大电路5.5.放大电路的频率响应放大电路的频率响应6.6.负反馈放大电路负反馈放大电路7.7.双极型模拟集成电路双极型模拟集成电路8.8.双极型模拟集成电路的分析与应用双极型模拟集成电路的分析与应用9.9.MOSMOS模拟集成电路模拟集成电路10.10.直流稳压电源电路直流稳压电源电路11.11.电子电路的计算机辅助设计电子电路的计算机辅助设计 （自学）（自学）课程主要内容主讲:刘颖问题：问题：1.1.集成运算放大器的由来

2、？集成运算放大器的由来？2.2.如何判断电路是否是运算电路？有哪如何判断电路是否是运算电路？有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关系？的运算关系？3.3.如何分析集成运算放大器？如何分析集成运算放大器？4.4.集成运算放大器有哪些应用？集成运算放大器有哪些应用？第第8 8章章 集成运算放大器的分析及应用集成运算放大器的分析及应用3/92第第8章章 集成运放的分析及应用集成运放的分析及应用8.1 8.1 集成运算放的组成及基本特性集成运算放的组成及基本特性8.2 8.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数8.3 8.3 运放的线性应用及理想运放

3、模型运放的线性应用及理想运放模型8.4 8.4 基本运算电路基本运算电路8.5 8.5 电压比较器电压比较器8.6 8.6 波形发生器波形发生器8.7 8.7 集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路 小结小结4/928.1 8.1 集成运算放的组成及基本特性集成运算放的组成及基本特性一、一、概述概述二、集成电路的基本结构二、集成电路的基本结构三、三、模拟集成运放的典型电路模拟集成运放的典型电路5/921）通用集成电路）通用集成电路 2）模拟信号处理电路）模拟信号处理电路3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等可控硅控制电路等.4）通信

4、系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。用电路等。5）测试系统专用集成电路，测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。）仪器专用电路等。8.1 8.1 集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器的组成及基本特性1.模拟集成电路分类模拟集成电路分类按照应用领域进行分类：按照应用领域进行分类：一、一、概述概述6/92按照电路的功能进行分类按照电路的功能进行分类1）运算放大器）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器对数放大器4）函数发

5、生器函数发生器5）滤波器滤波器6）压控振荡器）压控振荡器 7）集成功率放大器）集成功率放大器8）集成）集成 稳压电源稳压电源一、一、概述概述(续）续）8.1 8.1 集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器的组成及基本特性集成电路集成电路通用型通用型专用型专用型按照集成电路分类按照集成电路分类7/921 1 集成电路的基本结构集成电路的基本结构二二 集成电路的基本结构集成电路的基本结构8/92二二 集成电路的基本结构集成电路的基本结构(续）续）2 2 模拟集成电路组成模拟集成电路组成输入级中间级输出级偏置电路9/92组成：组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的运算放大器是由直接

6、耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。高增益放大器，它的组成框图如图所示。运放组成差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U+U-Uo三、三、模拟集成运放的典型电路模拟集成运放的典型电路运放旧符号运放国标符号10/921.输入级输入级:高性能的差动放大电高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个路。运放有两个输入端，一个称为称为同相输入端同相输入端，即输出与该即输出与该端输入信号相位相同，用符号端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为表示；另一个称为反相输反相输入端入端，即输出与该端输入信号即输出与该端输入信号相位相反，用符号相位相反，用符号U表示。表示。4.恒

7、流源偏置：恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。流，以稳定工作点。3.低阻输出级：低阻输出级：由由PNP和和NPN两种极性的三极管或复合管组成，两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。大器。2.中间放大级：中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+运放

8、组成运放组成11/92集成运放集成运放F007的的电路原理电路原理12/922单极型集成运放单极型集成运放 第一级是以第一级是以P沟道管沟道管T3和和T4为放大管、以为放大管、以N沟道管沟道管T5和和T6管构成的电管构成的电流源为有源负载。流源为有源负载。第二级是共源放大电路，以第二级是共源放大电路，以N沟道管沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。为放大管，漏极带有源负载。13/9214/92集成运放的性能指标集成运放的性能指标-主要参数如下：主要参数如下：1电源电压电源电压2开环差模电压增益开环差模电压增益AUd3共模抑制比共模抑制比KCMR4差模输入电阻差模输入电阻rid5输入失调电压输入失

9、调电压Uos6输入失调电压的温漂输入失调电压的温漂dUos/dT7输入失调电流输入失调电流Ios8输入失调电流的温漂输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流输入偏置电流IB10最大共摸输入电压最大共摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽带宽13单位增益带宽单位增益带宽BWG-fT14转换速率转换速率SR(摆率摆率)|duo/dt|max15/928.3 8.3 线性应用及理想运放模型线性应用及理想运放模型一、一、线性应用和非线性应用线性应用和非线性应用二、理想运放模型二、理想运放模型16/928.3 8.3 线性应用及理想运放模型线性应

10、用及理想运放模型运放模型分类运放模型分类按精度分类按精度分类理想模型理想模型非理想模型非理想模型运放宏模型运放宏模型按功能分类按功能分类直流模型直流模型交流小信号模型交流小信号模型大信号模型大信号模型噪声模型噪声模型17/928.3 8.3 线性应用及理想运放模型（续）线性应用及理想运放模型（续）运放分析特点运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。运放分析内容运放分析内容传输特性传输特性(输入与输出信号关系特性输入与输出信号关系特性)频域特性频域特性时域特性时域特性温度特性温度特性噪声特性噪声特性主要分析主要分析内容内容18/921.线性

11、应用：线性应用：运放输入输出运放输入输出成线性关系的应用。闭环应成线性关系的应用。闭环应用，如用，如“运算电路运算电路”、“有有源滤波电路源滤波电路”等。等。一、一、线性应用和非线性应用线性应用和非线性应用2.非线性应用：非线性应用：运放输入输运放输入输出成非线性关系的应用。开出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。环应用，如比较器。输入输入输出输出输入输入输出输出电压放大器电压放大器电压比较器电压比较器19/92二、理想运放模型二、理想运放模型1.理想运放的性能理想运放的性能1)开环电压增益开环电压增益Aud=;2)输入电阻输入电阻Rid=;3)输出电阻输出电阻Ro=0;4)频带宽度频带宽

12、度 F=;5)共模抑制比共模抑制比CMRR=;6)失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。主要条件主要条件条件较难满足，条件较难满足，可采用专用运放可采用专用运放来近似满足。来近似满足。20/92二、理想运放模型（续）二、理想运放模型（续）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1）同相端与反相端呈开路状态。同相端与反相端呈开路状态。2）输出回路为一受控电压源）输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-)，由于输出电阻由于输出电阻ro=0,所以所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想运放模型理想运放模型21/923.线性运用状态时主要特征线性运用状态时主要特征1.理想运放的同

13、相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ，称虚断。，称虚断。I+=I-02.理想运放的同相和反相输入端电位近似相等理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 ，称虚短。，称虚短。U+=U-Rid虚断虚断虚短虚短在分析运算放大器处于线性状态时，可把在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端两输入端视为等电位视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称，这一特性称为虚假短路，简称虚短虚短。虚地虚地如将运放的同相端接地如将运放的同相端接地U+=0，则，则U-=0,即反相端是一即反相端是一 个不接个不接“地地”的的“地地”，称为，称为“虚地虚地”。虚地点对地的电阻为虚地点对地的电阻为

14、“0”由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视两输入端视为等效开路为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。，这一特性称为虚假开路，简称虚断。U+-U-=Uo/AU0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)22/924.饱和工作状态时特征（非线性工作状态）饱和工作状态时特征（非线性工作状态）1)理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2)当当U+U-时，时，Uo为正饱和值；为正饱和值；当当U+UR时，时，输出应为负饱和

15、值，输出应为负饱和值，Uo为低电平为低电平-VOL。UoRoDz当当UiUR时，输出为正饱和值，时，输出为正饱和值，Uo为高电平为高电平VOM。-UOLURUoUiUOM输出电压被限定在输出电压被限定在（UZ+UD)原理原理例例:电路如图电路如图(a)所示，当所示，当Ui如图如图(b)所示时，试画出所示时，试画出Uo及及Uo 的波形。的波形。图（图（a)电路电路图图(b)波形图电路波形图电路一、单门限比较器（续）一、单门限比较器（续）52/92二、迟滞比较器二、迟滞比较器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈起加引入正反馈起加速输出电压变化速输出电压变化 UoUiUomUonU2U1原理原理:

16、当输出当输出Uo为高电平为高电平Uo=Uom时，同相端受到时，同相端受到Uom和和UR同时作用同时作用当当UiU 1时，输出将由高电平时，输出将由高电平Uom跳变到低电平跳变到低电平Uon。U 1称为上门限电压，也称正向阈值电压。称为上门限电压，也称正向阈值电压。迟滞比较器迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。53/92二、迟滞比较器（续）二、迟滞比较器（续）-+R1UiR2URUoRf UoUiUomUonU2U1原理原理

17、:当输出当输出Uo为低电平为低电平Uo=Uon时，同相端受到时，同相端受到Uon和和UR同时作用同时作用当当UiU 2时，输出将由低电平时，输出将由低电平Uon跳变到高电平跳变到高电平Uom。U 2称为下门限电压，也称负向阈值电压。称为下门限电压，也称负向阈值电压。U 154/92迟滞比较器迟滞比较器上门限电压：上门限电压：下门限电压：下门限电压：门限宽度：门限宽度：小结：小结：1.改变基准电压改变基准电压UR可改变上、下门限电压可改变上、下门限电压U 1、U 2，但不影响门限宽度但不影响门限宽度 U。2.改变正反馈系数改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响将影响 U和和 U 1、U 2。

18、3.Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。UoUiUomUonU2U155/92三、三、比较器的特点及应用比较器的特点及应用1.工作在工作在开环开环或或正反馈正反馈状态。状态。2.开开关关特特性性，因因开开环环增增益益很很大大，比比较较器器的的输输出出只只有有高高电电平平和低电平两个稳定状态。和低电平两个稳定状态。3.非线性非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。特点：特点：56/92应应用用：比比较较器器主主要要用用来来对对输输入入波波形形进进行行整整形形，可可以以将将不不规则的输

19、入波形整形为方波输出。规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波三、三、比较器的特点及应用（续）比较器的特点及应用（续）有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波57/92一、矩形波发生电路一、矩形波发生电路二、三角波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路58/921.基本组成部分基本组成部分 1)开关电路开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。为两种状态；因而采用电压比较器。2)反馈网络反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成：自控，在输出为某一状态时孕育

20、翻转成另一状态的条件。应引入反馈。另一状态的条件。应引入反馈。3)延迟环节延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。振荡频率。利用利用RC电路实现。电路实现。一、矩形波发生电路 输出特点：输出特点：输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。59/922.2.电路组成电路组成正向充电：正向充电：uO（+UZ）RC地地反向充电：反向充电：地地C R uO（UZ）RC 回路回路滞回比较器滞回比较器一、矩形波发生电路（续）60/923

21、.3.工作原理工作原理分析方法：分析方法：（1）初始态：）初始态：设合闸通电时电容上电压为设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程：uO up uO，直至直至 uOUZ，uP+UT，第一暂态。第一暂态。一、矩形波发生电路（续）up61/923.3.工作原理（续）工作原理（续）原理：原理：电容正向充电，电容正向充电，t uN，t，uN UZ；但当但当uN+UT时，时，再增大再增大uN，uO从从+UZ跃变为跃变为-UZ，uP-UT，电路进入第二暂态电路进入第二暂态。原理：电容反向充电，电容反向充电，t uN，t，uN-UZ；但当但当uN-UT时，时，再减小再减

22、小uN，uO从从-UZ跃变为跃变为+UZ，uP+UT，电路返回第一暂态。电路返回第一暂态。（2）第一暂态第一暂态：uOUZ，uP+UT。up（3）第二暂态第二暂态：uO-UZ，uP-UT。upuN62/924.4.波形分析波形分析一、矩形波发生电路（续）63/92推导过程推导过程（了解）：（了解）：利用一阶利用一阶RC电路的三要素法列出方程如下：电路的三要素法列出方程如下：T164/92推导过程（续）：推导过程（续）：T265/925.5.占空比可调电路占空比可调电路 思考题思考题:为了占空为了占空比调节范围大，比调节范围大，R3应如何取值？应如何取值？正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就

23、可调。正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。一、矩形波发生电路（续）T1T266/92T1占空比可调电路分析过程：占空比可调电路分析过程：67/92 1.电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二而一环节合二而一为什么采用同相输为什么采用同相输入的滞回比较器？入的滞回比较器？uO要取代要取代uC，必须改变输入端。，必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。化整为零（分块），分析功能（每块），统观整

24、体，性能估算。二、三角波发生电路uC68/92滞回比较器滞回比较器积分运算电路积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素uOH、uOL，UT。二、三角波发生电路(续）2.2.工作原理工作原理up169/92三角波发生电路的振荡原理三角波发生电路的振荡原理初始态：初始态：合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。设。设uO1 uP1 uO1，直至直至uO1 UZ（第一暂态）；（第一暂态）；第一暂态：第一暂态：积分电路反向积分，积分电路反向积分，t uO，一旦，一旦uO过过-UT，uO1从从+UZ跃变为跃变为-UZ（第二暂态）（第二暂态）。第二暂态：

25、第二暂态：积分电路正向积分，积分电路正向积分，t uO，一旦一旦uO过过+UT，uO1从从-UZ跃变为跃变为+UZ，返回第一暂态。，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。电路状态翻转时，电路状态翻转时，uP1=?up170/923.3.波形分析波形分析思考题：如何调整三思考题：如何调整三角波的幅值和频率？角波的幅值和频率？振荡振荡中间中间过程过程71/92三、锯齿波发生电路三、锯齿波发生电路72/921.RW的滑动端在最上端的滑动端在最上端和最下端时的波形？和最下端时的波形？2.R3短路时的波形？短路时的波形？三、锯齿波发生电路（续）三、

26、锯齿波发生电路（续）思考题：思考题：73/92一、电压一、电压电流变换电路电流变换电路二、二、RC有源滤波器有源滤波器三、测量放大电路三、测量放大电路四、单电源供电放大电路四、单电源供电放大电路五、线性稳压电路五、线性稳压电路74/92一、电压一、电压电流变换电路电流变换电路 电流电流电压变换电路电压变换电路IsUo=-IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 电压电压电流变换电路电流变换电路IL=Us/R175/921.一阶低通有源滤波一阶低通有源滤波根据反相比例运算电路的分析根据反相比例运算电路的分析频率特性频率特性截止频率截止频率滤波增益滤波增益|A|=R2/R1二、二、RCRC

27、有源滤波器有源滤波器76/92特性曲线：特性曲线：77/922.2.一阶高通有源滤波一阶高通有源滤波据反相比例运算电路的分析据反相比例运算电路的分析:频率特性频率特性截止频率：截止频率：滤波增益：滤波增益：|A|=R2/R1二、二、RCRC有源滤波器（续）有源滤波器（续）78/92特性曲线特性曲线:79/921.一阶低通有源滤波和积分器一阶低通有源滤波和积分器(有直流负反馈）电路形有直流负反馈）电路形式相同，工作原理有区别吗？式相同，工作原理有区别吗？思考题目思考题目截止频率截止频率滤波增益滤波增益|A|=R2/R1作为低通源滤波器时：作为低通源滤波器时：作为积分器时：作为积分器时：滤波器强调

28、频域特性。滤波器强调频域特性。积分器强调时域特性。积分器强调时域特性。80/92分析：当信号频率较低时，信号积分过程可以忽略，输分析：当信号频率较低时，信号积分过程可以忽略，输出失真可忽略。出失真可忽略。ui(t)tuo(t)t81/92分析：高频时，输出严重失真，输出是输出的积分。分析：高频时，输出严重失真，输出是输出的积分。ui(t)tuo(t)t82/922.2.一阶高通有源滤波一阶高通有源滤波和微分器实用电路形式相同，工作和微分器实用电路形式相同，工作原理有区别吗？原理有区别吗？思考题目思考题目截止频率：截止频率：滤波增益：滤波增益：|A|=R2/R1做为高通源滤波器时：做为高通源滤波

29、器时：做为微分器时：做为微分器时：83/92分析：高频时，输出失真可以忽略。分析：高频时，输出失真可以忽略。84/92分析：低频时，输出严重失真，输出是输入信号的微分。分析：低频时，输出严重失真，输出是输入信号的微分。85/92三、测量放大电路三、测量放大电路 电桥放大器电桥放大器RfRRR RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量物体的变化而变，的阻值随被测量物体的变化而变，RX=R+R。当当RX=R时电桥平衡，时电桥平衡，Ui=0,Uo=0。当当RX产生产生 R变化时，输出电压

30、将变化变化时，输出电压将变化 Uo，Uo正比于正比于 R。当电阻当电阻RfR,且相对变化且相对变化=R/RU-时，时，Uo为正饱和值；为正饱和值；当当U+U-时，时，Uo为负饱和值。为负饱和值。92/92 闭环运放的两种基本电路闭环运放的两种基本电路1.反相放大器：它实质上是一个电压并联负反馈放大器，反相放大器：它实质上是一个电压并联负反馈放大器，主要特点是反相输入端呈主要特点是反相输入端呈“虚地虚地”。电压增益电压增益:AUf-RfRl式中，式中，Rf是反馈电阻，是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。是反相输入端电阻。反相放大器的反相放大器的输入电阻输入电阻rif=R1，输出电阻，输出电阻rof

31、=0。2.同相放大器：它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电同相放大器：它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电压增益压增益:AUf1+RfRl注意：式中注意：式中Rl是反相端电阻，是反相端电阻，Rf是反馈电阻。是反馈电阻。同相放大器的同相放大器的输入电阻输入电阻rif=，输出电阻，输出电阻rof=0。小小 结结93/92重点难点重点难点重点重点：运放构成的电路系统分析：运放构成的电路系统分析。难点难点：理解虚短、虚断和虚地的概念；：理解虚短、虚断和虚地的概念；理解迟滞比较器的工作原理；理解迟滞比较器的工作原理；理解方波和三角波发生器的工作原理。理解方波和三角波发生器的工作原理。94/92第第8 8章结束章结束