集成運算放大器(高職院)武漢吳淑霞編.ppt
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模擬集成電路的工藝特點：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，電路具有對稱性。（2）芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，采用直接耦合方式，并用差動放大電路克服直接耦合的零點漂移。（5）不能制造電感，電感只能外接。,集成電路,集成電路：將整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。,,一.集成運放的特性1、基本結(jié)構(gòu)與符號,任務(wù)4-3集成運算放大器,集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。,圖4-20集成運放內(nèi)部組成原理框圖,,簡單集成運放原理電路圖：,（1）輸入級：,輸入級也稱為差動輸入級，是提高運放質(zhì)量的關(guān)鍵部分，要求輸入電阻高。采用具有恒流源的差動放大電路，為了減小零點漂移和擬制共模干擾信號。,,,,（2）中間級中間級也稱為電壓放大級，主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。,,（3）輸出級：主要作用是輸出足夠的電流。低輸出電阻和高輸入電阻，使放大級與負載隔離。,（4）偏置電路：作用：為各級提供合適的工作電流。,,,,集成運算放大器的電路符號,常用符號：,國際標準符號：,集成運放的特點：,電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,2、理想集成運放的性能指標及傳輸特性,理想集成運放：具有理想?yún)?shù)的集成運算放大器。主要性能指標：1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au0→∞2）輸入電阻Rid→∞3）輸出電阻Ro→04）共模擬制比KCMRR→∞,集成運算放大器的傳輸特性,,ui,線性區(qū)：輸入信號的絕對值較小。集成運放線性應(yīng)用。飽和區(qū)：輸入信號的絕對值大于某一數(shù)值，集成運放非線性應(yīng)用。,,在線性應(yīng)用中，集成運放工作在深度負反饋狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈線性關(guān)系（比例關(guān)系）。有信號運算、信號變換和正弦波發(fā)生器等多種電路。,在非線性應(yīng)用中，集成運放工作在開環(huán)（無反饋）狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈非線性關(guān)系。有電壓比較器和非正弦波發(fā)生器等電路。,理想運放工作在線性區(qū)的重要特點：,虛短：兩輸入端的電位相同（兩輸入端之間電壓為零），認為“虛假短路”，簡稱“虛短”。虛斷：集成運放兩輸入端的電流幾乎為零，認為“虛假斷路”，簡稱“虛斷”。,虛地：若反相端有輸入，同相端接“地”，則反相輸入端的電位接近“地”電位。稱為“虛假接地”，簡稱“虛地”。,1、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo：集成運放在開環(huán)（無反饋）、線性區(qū)工作時的差模電壓增益。一般在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。2、輸入失調(diào)電UIO為使輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓，即輸出端折算到輸入端的失調(diào)電壓。表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。,二、集成運算放大器的主要性能指標,,,3、輸入失調(diào)電流Iio：在零輸入、零輸出時，流入運放兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，用于表征差動級輸入電流不對稱的程度。,4、最大差模輸入電壓UidmaxUidmax是指運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。若超過此電壓時,差動管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。,5、最大共模輸入電壓VicmaxVicmax是指運放在線性工作范圍內(nèi)，所能承受的最大共模輸入電壓。若共模電壓超過此值時，放大器失去共模抑制能力，運放不能正常工作。,6、差模輸入電阻Rid：Rid是指運放兩輸入端之間的交流輸入電阻。一般比較大。雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達109歐姆以上。,8、共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)越大越好。一般在80dB以上，性能好的高達180dB。,7、輸出電阻Ro：Ro是指運放開環(huán)工作時，從輸出端對地之間看進去的等效電阻。一般比較小。,三、集成運算放大器應(yīng)用電路,1、比例運算電路,(1)反相比例運算電路,根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點，可得,又有：If=Ii=Ui/R1只要輸入電壓Ui恒定，則輸出電流If將恒定不變。（即反相輸入電壓-電流變換器）,,電壓放大倍數(shù),平衡電阻R2，R2=R1//Rf,,,(2)同相比例運算電路,又有：UN=UP=Ui則If=Ii=Ui/R1（即同相輸入電壓-電流變換器，與反相時相同。）,,,,因為有負反饋，利用虛短和虛斷.,u-=u+=ui,i1=if（虛斷）,此電路是同相比例運算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,ui=u+=u-=uo,因為有負反饋，利用虛短和虛斷：,若Auf=1,則具有電壓跟隨作用：,2、加減運算電路,（1）加法運算電路有同相加法電路和反相加法電路。這里分析反相加法電路。,反相加法運算電路,反饋信號通過反饋電阻Rf加到反相輸入端，同相輸入端通過平衡電阻R’接地。,虛地,如果取Rf=R則：UO=-(Ui1+Ui2+Ui3),輸出電壓正比于各輸入電壓之和，且相位相反，所以，該電路又叫反相加法比例運算電路。,R’=R1∥R2∥R3∥Rf根據(jù)虛短和虛斷的概念，可得：If=I1+I2+I3,若：R1=R2=R3=R則：,,反相加法器：,若R1=R2=R,,i1+i2=if,虛地,平衡電阻R0=R1//R2//Rf,（2）減法運算電路,減法運算電路用差動輸入方式來實現(xiàn)，又稱為“差分運算電路”。,,輸入信號Ui1通過R1加到反相輸入端，Ui2通過R2加到同相輸入端，說明該電路是同相比例運算放大電路和反相比例運算放大電路的組合。通常R1=R2,R=Rf。,根據(jù)“虛短”的概念，UP=UN，而R=Rf,R1=R2,所以,如果Rf=R1，則UO=Ui2-Ui1,當Ui1單獨作用，即,Ui2單獨作用，即Ui2加到同相輸入端，故Up≠0，N點不是“虛地”點。,,,,,Ui1、Ui2同時作用，根據(jù)疊加定理，則：U0=Ui1+Ui2,例題：電路如圖所示，求Uo1和Uo？,Uo,,,,,∞,,+,+,-,,,,,,R3,R’,Rf2,,,,,,,Ui1,Uo1,∞,,+,+,-,,,,R1,R,Rf1,,,,,,,,R2,,Ui2,反相比例運算電路,加法運算電路,第一級為反相比例運算電路，有：Uo1=-Rf1Ui1/R1,第二級為加法運算電路，得：Uo=-Rf2(Uo1+Ui2)/R,,即：利用加法器和反相比例器實現(xiàn)減法運算。,,例題：電路如圖所示，寫出相應(yīng)的輸入、輸出關(guān)系式。,3、積分與微分電路(1)積分電路由于i+=i-=0u+=u-=0則iR=iC,積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。,積分電路中的電容和電阻交換位置,,,,,,（2）微分電路,微分電路將方波轉(zhuǎn)換為尖脈沖。,小結(jié),1、集成運算放大器：高增益的直接耦合的集成的多級放大器。具有組合與數(shù)學運算功能。2、集成運放的基本結(jié)構(gòu)、特點。3、集成運算放大器的傳輸特性，在線性應(yīng)用中，集成運放工作在深度負反饋狀態(tài)，在非線性應(yīng)用中，集成運放工作在開環(huán)（無反饋）狀態(tài)。4、理想運放工作在線性區(qū)的重要特點。5、集成運算放大器的主要性能指標6、集成運算放大器線性應(yīng)用。（1）反相比例運算電路、同相比例運算電路、反相加法器、減法運算電路（2）積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。微分電路將方波轉(zhuǎn)換為尖脈沖。,二、集成運放的非線性應(yīng)用,非線性應(yīng)用是電路往往處于開環(huán)工作狀態(tài)，或指引入正反饋。由于理想集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)趨于無窮大，所以只要兩個輸入端之間存在微小的電壓差值，就足以使輸出電壓飽和。其正向飽和值Uo+接近正電源電壓值，負向飽和值Uo-接近負電源電壓值，即在非線性區(qū)域內(nèi)，輸出電壓uo只有兩個狀態(tài)：,當u+>u-時uo=Uo+,當u+0時，uo=Uo-,當ui0時,uo=-UZ;ui0，由于集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，就有：當ui>UR時，uo=Uo-；當ui0，輸入ui為正弦波，輸出uo為矩形波，當ui>UR時，uo=Uo-；當ui下載提示(請認真閱讀)
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