第六章2013-12-15

1、2022-6-251電子電路基礎(chǔ)n北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院n信息與電子技術(shù)研究室：王衛(wèi)東nEmail：n課件下載網(wǎng)址：2022-6-252推薦教材n電子電路基礎(chǔ)-劉寶玲-高等教育出版社n模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）-華成英、童詩(shī)白高等教育出版社n電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分第五版）-康華光高等教育出版社n電子線路（第五版）-謝嘉奎-高等教育出版社第六章模擬集成電路及其應(yīng)用集成電路管路。它以半導(dǎo)體單晶硅為基片，采用專門的制 造工藝，把晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、二極管、電阻等元器 件及連線全部制造在其中。 集成運(yùn)算放大電路：一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大電路。由于最初是用于數(shù)值運(yùn)算，所以稱為運(yùn)算放大電路。簡(jiǎn)稱集成

2、運(yùn)放或運(yùn)放。集成電路線性集成電路數(shù)字集成電路運(yùn)算放大電路集成穩(wěn)壓電路集成功率放大電路36.1.1集成運(yùn)算放大器的組成n集成運(yùn)放的一般組成框圖集成運(yùn)放的一般組成框圖4輸入電阻高；差模放大倍數(shù)大；抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)；靜態(tài)電流小使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力輸出電阻??；輸出電壓線性范圍寬；非線性失真小設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。6.1.1集成運(yùn)算放大器的組成nA741的內(nèi)部電路的內(nèi)部電路56.1.1集成運(yùn)算放大器的組成nA741的部分性能指標(biāo)的部分性能指標(biāo)66.1.1集成運(yùn)算放大器的組成n運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的特點(diǎn)運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的特點(diǎn)集成運(yùn)放的許多性能參數(shù)主要取決于差分輸入級(jí)的性能。集成

3、運(yùn)放的發(fā)展主要是以改進(jìn)差分輸入級(jí)的性能為主要標(biāo)志中間級(jí)的主要作用是提供足夠高的電壓增益，應(yīng)有高輸入電阻。多采用有源負(fù)載的共射或共源電路輸出級(jí)的主要要求是能向負(fù)載提供足夠的功率，輸出電阻要小，動(dòng)態(tài)范圍要大。為了使用安全，一般還應(yīng)附有過載保護(hù)電路由電流源代替無源元件作為偏置電路集成運(yùn)放的級(jí)間耦合均采用直接耦合方式電路中的二極管主要用于溫度補(bǔ)償、電平偏移、提供偏置電壓等，多使用三極管的發(fā)射結(jié)代替76.1.1集成運(yùn)算放大器的組成n集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào) 和調(diào)零電位器輸入端； 和反相和同相輸入端； 和負(fù)電源和正電源輸入端； 為輸出端86.1.2運(yùn)算放大器的傳輸特性直流傳輸特性96.1.

4、2運(yùn)算放大器的傳輸特性n理想運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)理想運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)00000vdidoCMRIOIOIBARRKVII 輸入失調(diào)的溫漂n理想運(yùn)放的電路符號(hào)理想運(yùn)放的電路符號(hào) 實(shí)際的集成運(yùn)放無法達(dá)到理想指標(biāo)，但隨著工藝的改進(jìn)，可在工程計(jì)算的簡(jiǎn)化分析時(shí)將實(shí)際運(yùn)放視為理想運(yùn)放進(jìn)行近似估算106.1.2運(yùn)算放大器的傳輸特性n理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸入電壓與運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓間存在線性關(guān)系。 一般情況下，運(yùn)放在線性區(qū)工作時(shí)都加有較深的負(fù)反饋。此時(shí)，亦可以使用虛短路和虛斷路的分析方法。11集成運(yùn)放的種類n1.按制造工藝分類 Bipolar雙極型運(yùn)放：一般

5、輸入偏置電流及器件功耗較大，但由于采用多種改進(jìn)技術(shù)，所以種類多、功能強(qiáng). CMOS型運(yùn)放：輸入阻抗高、功耗小，可在低電源電壓下工作，初期產(chǎn)品精度低、增益小、速度慢，但目前已有低失調(diào)電壓、低噪聲、高速度、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的產(chǎn)品. BiFET型運(yùn)放：采用雙極型管和單極型管混合搭配的生產(chǎn)工藝，以場(chǎng)效應(yīng)管作輸入級(jí)，使輸入電阻高達(dá)1012歐姆以上.12集成運(yùn)放的種類n2.按工作原理分類電壓放大型 實(shí)現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成由電壓uI控制的電壓源uo=AoduI.電流放大型 實(shí)現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成由電流iI控制的電流源io=AiiI.跨導(dǎo)型 將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，輸出回路等效成由電壓uI控制的電流源

6、io=AiuuI，Aiu的量綱為電導(dǎo)，它是輸出電流與輸入電壓之比，故稱跨導(dǎo)gm.互阻型 將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出回路等效成由電流iI控制的電壓源uo=AuiiI，Aui的量綱為電阻，故稱這種電路為互阻放大電路.13集成運(yùn)放的種類n3.按可控性分類可變?cè)鲆孢\(yùn)放 電壓控制增益的放大電路：由外接的控制電壓來uc來調(diào)整開環(huán)差模增益Aod。 也可利用數(shù)字編碼信號(hào)來控制開環(huán)差模增益Aod。選通控制運(yùn)放 此類運(yùn)放的輸入為多通道，輸出為一個(gè)通道，即只有一個(gè)對(duì)“地”輸出電壓信號(hào)。利用輸入邏輯信號(hào)的選通作用來確定電路對(duì)哪個(gè)通道的輸入信號(hào)進(jìn)行放大。14集成運(yùn)放的種類n4.按性能指標(biāo)分類通用型運(yùn)放：用于無特殊要

7、求的電路之中。特殊型運(yùn)放：為了適應(yīng)各種特殊要求，某一方面性能特別突出。 a、高阻型 具有高輸入電阻rid的運(yùn)放。適用于測(cè)量放大電路、信號(hào)發(fā)生器電路或取樣-保持電路。 b、高速型 單位增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)放為高速型運(yùn)放。適用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、 鎖相環(huán)電路和視頻放大電路。 c、高精度型 高精度型運(yùn)放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益等特點(diǎn)。適用于對(duì)微弱信號(hào)的精密測(cè)量和運(yùn)算，常用于高精度的儀器設(shè)備中。 d、低功耗型 低功耗型運(yùn)放具有靜態(tài)功耗低、工作電流電壓低等特點(diǎn)。適用于能源有嚴(yán)格限制的情況 還有高電壓（如100V）的高壓型運(yùn)放、大功率型運(yùn)放、儀表用放大器、隔離放大器、緩沖放大器、對(duì)

8、數(shù)/反對(duì)數(shù)放大器等等。156.2集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)n集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)包括：n輸入失調(diào)參數(shù)n差模特性參數(shù)n共模特性參數(shù)n大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性n電源特性參數(shù)166.2.1輸入失調(diào)參數(shù)n1.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 在室溫及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，靜態(tài)(輸入電壓為零)時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，需要在輸入端加補(bǔ)償電壓輸入失調(diào)電壓 ； 其大小反映了集成運(yùn)放中電路的對(duì)稱程度和電位配合情況，一般 n2.輸入偏置電流輸入偏置電流 輸出電壓為零時(shí)兩輸入端靜 態(tài)電流的平均值，即：當(dāng)0() / 2oIBBNBPvIII時(shí)，17VIOIIBIO0vdVv /AIOV為 （1-10）mVIOA741V的典型值為

9、1mV.IBIBI10nA 1 A,A741I 一般為的典型值為80nA.6.2.1輸入失調(diào)參數(shù)n3.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 輸出電壓為零時(shí)流入運(yùn)放兩輸入端靜態(tài)基極電流之差，即： 對(duì)于雙極型運(yùn)放，它反映了輸入級(jí)差動(dòng)放大管的不對(duì)稱程度。一般希望其越小越好。n4.輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電壓溫漂 指在規(guī)定溫度范圍 內(nèi)隨溫度的變化率，即 的溫度系數(shù)，是衡量運(yùn)放溫漂的重要指標(biāo)。|IOBNBPIII18IIOIOTVVIOVIOIOIOT1020) V / C,A741TV / C高質(zhì)量集成運(yùn)放 V /一般為 (的典型 V /值為5.IOIOI1nA0.1 A,A741I一般為的典型值為20nA.6.

10、2.1輸入失調(diào)參數(shù)n5.輸入失調(diào)電流溫漂輸入失調(diào)電流溫漂 指在規(guī)定溫度范圍內(nèi) 的溫度系數(shù)，是衡量電路電流漂移量度的重要指標(biāo)。 和 不能用外接調(diào)零電路來補(bǔ)償。關(guān)于參數(shù)的說明：關(guān)于參數(shù)的說明： 輸入失調(diào)參數(shù)是限制運(yùn)放能夠檢測(cè)微弱信號(hào)最小值的主要因素。 因此，在對(duì)微弱信號(hào)的精密檢測(cè)、精密模擬運(yùn)算和自動(dòng)控制儀表中對(duì)運(yùn)放的這類參數(shù)會(huì)有很高的要求.19IOTIIIOIOTVIOTIIOIOIT1 10pA/ C,A741IT1nA/ C高質(zhì)量集成運(yùn)放/一般為的典型/值為.6.2.2差模特性參數(shù)n1.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 運(yùn)放同相反相輸入端之間能承受的最大電壓值n2.最大輸出電流最大輸出電流 運(yùn)

11、放能輸出的最大峰值電流n3.開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 集成運(yùn)放在無外加反饋情況下對(duì)差模信號(hào)的電壓增益20VmaxIDImaxOvdAIDmax5VBJT30V利用平面工藝制成的NPN型晶體管的V約為而橫向可達(dá)以上vdvdA741A741的A=106dB,圖6.2.3給出了運(yùn)放A 的頻率響應(yīng).6.2.2差模特性參數(shù)n4.開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BW( ) 開環(huán)電壓增益下降3dB時(shí)的頻率n5.單位增益帶寬單位增益帶寬BWG( ) 運(yùn)放的開環(huán)差模電壓增益下降至0dB時(shí)的頻率21fHfTHA7417Hz的f 約為TA741Hz的f 約為1.4M6.2.3共模特性參數(shù)n1.最大共模輸入電壓最大共模輸入電

12、壓 運(yùn)放輸入端所允許施加的共模輸入電壓的最大值。超過此值共模抑制比將明顯下降。n2.共模電壓增共模電壓增 運(yùn)放輸入端加共模輸入電壓時(shí)的增益。n3.共模抑制比共模抑制比vcvdAAKCMR）（分貝BdAAlg20)(KvcvdCMR22VmaxICvcAKCMR6.2.4大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性n1.轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 代表集成運(yùn)放對(duì)大幅度階躍輸入信號(hào)的適應(yīng)能力，是在大信號(hào)條件下輸出電壓的最大變化率，即： 是運(yùn)放在大信號(hào)或高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。只有信號(hào)的變化速率的絕對(duì)值小于 時(shí)，輸出才能隨輸入信號(hào)線性變化m ax( )ORdvtSdt23SRSRSR6.2.4大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性n 對(duì)輸出電壓的影響對(duì)輸出

13、電壓的影響24SR集成運(yùn)放SR對(duì)輸出電壓波形的影響6.2.4大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性n2.全功率帶寬全功率帶寬 全功率帶寬用來表示運(yùn)放在頻域中的大信號(hào)特性，是轉(zhuǎn)換速率的另一種表現(xiàn)形式。 表示集成運(yùn)放工作 在大信號(hào)條件下時(shí)，時(shí) 域特性與頻域特性之間 的關(guān)系。2RPomSBWV25BWPBWP6.2.5電源特性參數(shù)n1.靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗 表示信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)放消耗的總功率n2.電源電壓抑制比電源電壓抑制比 用來衡量電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓影響的程度，通常定義為折合到輸入端的失調(diào)電壓變化與電源電壓變化的比值DCCCCEEEEPVIVI()IOSVRCCEEdVKd VV26PDKSVR*6.3其他集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)

14、介n超高精度單片集成運(yùn)算放大器OP177n高速寬帶集成運(yùn)算放大器LT1226nMC14573CMOS集成運(yùn)算放大器nBi_FET單片集成運(yùn)算放大器276.4.1集成運(yùn)放的線性與非線性應(yīng)用n1.集成運(yùn)放的線性應(yīng)用 線性應(yīng)用時(shí)，工作在傳輸特性的線性區(qū)，此時(shí)其差模輸入電壓極小。 深度負(fù)反饋使運(yùn)放的凈輸入趨近于零是保證運(yùn)放工作于線性狀態(tài)的關(guān)鍵。28通常以集成運(yùn)放作為基本放大電路配合外部反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成深度負(fù)反饋放大電路。6.4.1集成運(yùn)放的線性與非線性應(yīng)用u在深負(fù)反饋的條件下，運(yùn)放的凈輸入近似為零，存在： 虛短路：運(yùn)放兩輸入端的差模輸入電壓近似于零，即 。此時(shí)運(yùn)放兩輸入端可近似看成等電位，但不是真正的短

15、路。 虛斷路：運(yùn)放兩輸入端的輸入電流近似為零，即 0。此時(shí)運(yùn)放兩輸入端可視為不取電流，但不是斷開。只有電路在深負(fù)反饋條件下才能利用虛短虛斷的概念求解電路29PvNviPiNn2.運(yùn)放的非線性應(yīng)用 電路在非線性應(yīng)用時(shí)，運(yùn)放的差模輸入電壓較大，工作在傳輸特性的限幅區(qū)。此時(shí)集成運(yùn)放一般處于無反饋（開環(huán)）或正反饋的工作狀態(tài)。306.4.1集成運(yùn)放的線性與非線性應(yīng)用6.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式n1.反相輸入 在深負(fù)反饋條件下00PNPNvviiFoFIRviRvi,11所以Fii 11RRvvAFiovf31u反相輸入基本放大電路的特點(diǎn):1.深負(fù)反饋下的輸入電阻 0， ；輸出電阻 0 ；2.反相

16、輸入端為虛地點(diǎn)；3.無共模輸入信號(hào)，對(duì)共模抑制比無特殊要求。326.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式RifRif，R1Rof4.直流平衡電阻 直流平衡電阻的作用是減小或消除靜態(tài)時(shí)可能在運(yùn)放輸 入端產(chǎn)生的附加差模輸入電壓。 在設(shè)計(jì)運(yùn)放時(shí)，保持 336.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式RFRRR/1uT形反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的反相放大器深負(fù)反饋條件下，N點(diǎn)虛地，有OFFFFFFFFFFFFOIvRRRRRRRRRRRRviRviiiiii31312331331221134221)(/,且346.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式在基本反相輸入放大電路中，要提高輸入電阻 的同時(shí)保持放大倍數(shù)不變，必須成比例加大

17、 。而高阻值的電阻穩(wěn)定性差，因此用一個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)代替 ，網(wǎng)絡(luò)中的電阻阻值均很小。1RFRFR那么直流補(bǔ)償電阻為IFFFFFFOvRRRRRRRv1331312)()/(3211FFFRRRRR356.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式在基本電路中，IF=Ii,要想使放大倍數(shù)很大，則RF需很大。而在T形反饋反相放大器中，IF遠(yuǎn)大于Ii,因此可以用很小的電阻得到較大的放大倍數(shù)。若要求比例系數(shù)為-50且Ri=100k對(duì)基本反相放大，則R1=100k,RF=50*100=5000k對(duì)T形網(wǎng)絡(luò)反相放大，R1=100k,若RF1=RF4也取100k那么只要RF3取1.02k即可n2.同相輸入由虛短和虛斷，有又

18、 所以FInpiivvv1,且11RviRvviIFioF111)1(RRAvRRvFvfIFOFRRR/1366.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式u幾種常用的同相放大電路(1)輸入端接由分壓電阻的同相放大電路 為保持電路的平衡，必須滿足： 32311FOIRRvvRRR376.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式RRRRF132/u幾種常用的同相放大電路(2)電壓跟隨器 在基本同相放大電路中，若令 =，或同時(shí) =0，則有 =1，此時(shí)電路便成為電壓跟隨器。386.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式R1RFAvf反相輸入電路的特點(diǎn)1、電路是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，輸入電阻（不包 括外圍電阻） 0，輸出

19、電阻 0；2、由于 0，反相輸入端又稱為虛地端；3、兩輸入端電位近似為零，所以無共模信號(hào)。同相輸入電路的特點(diǎn)1、電路是深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，輸入電阻 很高 （無窮大或?yàn)橛邢拗担?，輸出電?0；2、存在虛短，但沒有虛地點(diǎn)， ，存在共模輸入電 壓（數(shù)值等于輸入電壓），需要較高的共模抑制比。396.4.2集成運(yùn)算放大器基本輸入方式RifRofuNRifRofuNuP6.5.1加法運(yùn)算電路求和運(yùn)算求和運(yùn)算1.反相加法電路反相加法電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路存在“虛地”和虛斷。輸入回路的電流之和等于反饋回路電流，因此構(gòu)成加法運(yùn)算。加法運(yùn)算輸入信號(hào)作用于同一個(gè)輸入端加法運(yùn)算輸入信號(hào)作用于同一個(gè)輸入端40（虛斷

20、）（虛短）FPNiiiuu210FOIIRuRuRu2211FIIFORRRRRuRuRu/)(2122116.5.1加法運(yùn)算電路41法一：利用虛短虛斷法二：線性系統(tǒng)可使用疊加原理。從前述分析可知，該電路是線性的，即輸出電壓是各個(gè)輸入電壓造成的電流通過RF的貢獻(xiàn)之和。首先分別求出各輸入電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將它們相加，便得到所有信號(hào)共同作用時(shí)輸出電壓與 輸入電壓的運(yùn)算關(guān)系。所謂單獨(dú)（獨(dú)立）作用其它輸入電壓源被短路。6.5.1加法運(yùn)算電路11111121000IfOfOIFuRRuRuRuiii同樣可以求出其它兩個(gè)輸入單獨(dú)造成的輸出電壓。222IfOuRRu所有輸入電壓共同作用時(shí)，221

21、121IfIfOOOuRRuRRuuu各個(gè)輸入電壓的電壓值和輸入電阻各不相同，因而對(duì)輸出電壓的貢獻(xiàn)也不同。6.5.1加法運(yùn)算電路6.5.1加法運(yùn)算電路2. 同相求和運(yùn)算電路同相求和運(yùn)算電路由于的存在，輸入電阻變小，0，存在共模輸入電壓。321iii43221RuRuuRuuPPIPI4323221/RRRRRuRuRuPIIPP44RifR4uNuPuP利用虛短虛斷：6.5.1加法運(yùn)算電路32213221322111RuRuRRuRuRRRRuRuRRRuRRuIIFIINPFIIPFPFO456.5.2減法運(yùn)算電路2I11I1323211uRRuRRRRRuuuFFooo應(yīng)用疊加定理及對(duì)同相

22、輸入及反相輸入放大電路的分析方法進(jìn)行分析：1. 差分輸入減法電路差分輸入減法電路1I1323121時(shí)，0uRRRRRuuFoI2I1F21時(shí)，0uRRuuoI輸入端直流電阻平衡： 且令： ，）（2I1I1uuRRuFo46減法運(yùn)算作用于不同的輸入端的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)減法減法運(yùn)算作用于不同的輸入端的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)減法RRRR32F1/RR21RR3F6.5.2減法運(yùn)算電路使用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成“加減運(yùn)算電路”的缺點(diǎn)： 電阻的選取和調(diào)整不方便；（調(diào)整任一電阻，都要影響到其他電阻） 對(duì)每個(gè)信號(hào)源輸入電阻均較小。（兩個(gè)輸入端的輸入電阻不同）因此，必要時(shí)可采用兩級(jí)電路。*左圖每一級(jí)電路的輸入電阻均為無窮大。47

23、第一級(jí)電路為同相比例運(yùn)算電路第二級(jí)電路為加減運(yùn)算電路11111IfOuRRu2321321IfOfOuRRuRRu若，則12321IIfOuuRRu和的輸入電阻均為無窮大。6.5.2減法運(yùn)算電路多級(jí)集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的加減運(yùn)算電路48u1Iu2IRR2f1RR1f36.5.2減法運(yùn)算電路2. 反相求和減法電路反相求和減法電路3111422I211I111IFoFoFFouRRuRRuuRRuRRu?。?，）（3I2I1I12uuuRRuFo49RR1F4RRR5216.5.3積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路互為逆運(yùn)算。利用電容（和電阻）構(gòu)成反饋回路。積分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路506.5.3積分運(yùn)

24、算電路1.基本積分電路基本積分電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋存在“虛地”和“虛斷”。RuiiIRCCOPNCNOuuuuuuu0電容上的電壓和電流之間的關(guān)系dtuRCdtiCuICO11求解到時(shí)間段的積分值時(shí)， 1211tudtuRCuOttIO積分的起始值51t1t26.5.3積分運(yùn)算電路tV11mRCdtuRCdtiCuICO輸入信號(hào)不同，積分運(yùn)算的輸出不同。當(dāng)uI為常量，t=0時(shí)刻，電容上電壓為0，t0時(shí)有：輸出電壓達(dá)到幅限時(shí)積分作用停止RCVVtmOL1526.5.3積分運(yùn)算電路輸入信號(hào)不同，積分運(yùn)算的輸出不同。 1121tuttuRCuOIO當(dāng)uI為常量（階躍信號(hào)）時(shí)，輸入為方波信號(hào)輸入為正弦波

25、信號(hào)正弦信號(hào)余弦信號(hào)536.5.3積分運(yùn)算電路1()()CCVsIss C可使用拉氏變換進(jìn)行分析可使用拉氏變換進(jìn)行分析( )( )( )iPiVsVsIsR( )( )( )oPfVsVsIsR( )( )( )ifPIsIsVs sC()()()2oPNVsVsVs2()()oiVsVss R C2( )( )oivtvtd tR C2.同相輸入積分電路同相輸入積分電路546.5.3 積分運(yùn)算電路,F1C,k10R,k100R1例6.5.1 電路如下圖，設(shè)各運(yùn)放為理想運(yùn)放，V1 . 5V5 . 2321IIIvvv，運(yùn)放的供電電源為15V，運(yùn)放的 =13V ， =-13V，當(dāng) t=0時(shí)， =

26、0V55VOHVOLVC56（1）請(qǐng)問運(yùn)放 各組成什么電路？（2）如果在t=0時(shí)刻接入輸入信號(hào)和電源，求t=4.9s時(shí)各運(yùn)放的輸出電壓。（3）在t=15.5s時(shí)，各運(yùn)放的輸出電壓為多少？A1A46.5.3 積分運(yùn)算電路VtCRvdtvCRvVvRRvRRRRRvVvvRRRRRvvvvtOOIIII9 . 411 . 0)1 (1 . 5)1 (5VV)5 . 2V5 . 213O03O14O123O332O211O（）（ A1 反相輸入加法 A2 同相放大 A3 比例運(yùn)算 A4 反相積分2. t=4.9s時(shí)576.5.3 積分運(yùn)算電路58V5 .15tCRvdtvCR1v13Ot03O14O

27、電路仍工作在線性區(qū)顯然積分電路超過積分時(shí)間限制，所以輸出3. t=15.5s時(shí)， ， ， 相同V13VvOL4OV1OV2OV3O6.5.4微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路互為逆運(yùn)算。利用電容（和電阻）構(gòu)成反饋回路。積分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路59將積分運(yùn)算電路中的電阻R和電容C的位置互換就得到了微分運(yùn)算電路6.5.4微分運(yùn)算電路ICNPuuuu0dtduCiiICRdtduRCRiuIRO1. 基本微分電路基本微分電路電容和電阻的位置與積分電路相反。606.5.4微分運(yùn)算電路ICNPuuuu0dtduCiiICRdtduRCRiuIRO)()(1)(jVRCjjVCjRjViio616.5

28、.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路v利用PN結(jié)伏安特性具有的指數(shù)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算v利用對(duì)數(shù)、指數(shù)運(yùn)算和加減運(yùn)算電組合，可實(shí)現(xiàn)乘法、除法、乘方和開方等運(yùn)算。1TUuSeIi626.5.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路SDTDUuSDIiUueIiTDlnRuiiuuIRDNP0RIuUuuSITDOln存在的問題運(yùn)算關(guān)系與和有關(guān)，因而運(yùn)算精度受溫度的影響；二極管在電流較小時(shí)內(nèi)部載流子的復(fù)合運(yùn)動(dòng)不可忽略電流較大時(shí)，內(nèi)阻不可忽略解決辦法采用三極管代替二極管1. 基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路63UTISRuiiIRCSCTBETBEIiUuUuln, 11TBEUuSEECeIiiiRIuUuuSITBEOl

29、n2. 利用三極管的對(duì)數(shù)運(yùn)算電路利用三極管的對(duì)數(shù)運(yùn)算電路節(jié)點(diǎn)方程：存在的問題存在的問題運(yùn)算關(guān)系受溫度影響，尤其是；輸入電壓較小和較大時(shí)，運(yùn)算精度差。6.5.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路64IS6.5.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路3. 集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路TBEUuSIICeIRuii13131lnRIuUuSITBE根據(jù)差分電路的基本原理，利用特性相同的兩只晶體管進(jìn)行補(bǔ)償，消去Is對(duì)運(yùn)算關(guān)系的影響。節(jié)點(diǎn)N1的電流方程為：22PNOuuuSRTBEUuSRCIIUueIIiTBEln2223122lnRIuUuuuRITBEBEN節(jié)點(diǎn)的電流方程為：35222ln)1 (RIuURRuuuRITO

30、NP為具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，可補(bǔ)償U(kuò)T的溫度特性。65N26.5.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路二二. 指數(shù)運(yùn)算電路（與對(duì)數(shù)運(yùn)算互逆）指數(shù)運(yùn)算電路（與對(duì)數(shù)運(yùn)算互逆）TIUuSEReIiiReIRiuTIUuSRO注意：注意：應(yīng)大于零，且只能在發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓范圍內(nèi)，故其變化范圍很小。指數(shù)運(yùn)算的精度與溫度有關(guān)（，）。66u1ISUT將對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中的電阻R和三極管T的位置互換就得到了指數(shù)運(yùn)算電路6.5.5對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路三三.利用對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)的乘法運(yùn)算電路和除法運(yùn)利用對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)的乘法運(yùn)算電路和除法運(yùn)算電路算電路RIuUuSITO11lnRIuUuSITO22ln123122(

31、)ln()IIOOOTSu uuuuUI R RIuueRIuSIIUuSOTO21367分析每種特定應(yīng)用電路時(shí)起主要作用的參數(shù)： 直流運(yùn)算電路中， 及其溫漂 交流小信號(hào)電路中， 及 同、反相電路中， 的不同影響6.6 集成運(yùn)算放大器參數(shù)對(duì)運(yùn)算誤差的影響將集成運(yùn)放看成理想增益器件的條件：,0,vDCMRidoHRAKRRfS IBIIOVIOI實(shí)際工作時(shí)，必然有運(yùn)算誤差。分析這些誤差可以將所得結(jié)論作為選用運(yùn)放和其它元件的依據(jù)及溫漂為零,vDidARHf,IBIOIOIVIC M RK686.6.1 集成運(yùn)算放大器的等效模型1212()/2,2()/IBBBIOBBvdPNovdidCMRNPI

32、OidIIIIIIAvvvA iRKivvVR696.6.2 和 為有限值引起閉環(huán)增益的誤差2(0)Iif v11(+)vfvfvfFidvDidAAARRRRA R R 得到反相放大電路：1111RRARRRRRRAidvdidFFvf閉環(huán)增益的相對(duì)誤差為70vdAidR 越大，反饋深度越深，誤差越小。idRvdA1(0)Iif v亦可推得增益相對(duì)誤差,vDidAR 及反饋系數(shù)越大，產(chǎn)生的誤差越小211111IidvdidFFOvRRARRRRRRv同相放大電路716.6.3 共模抑制比為有限值引起閉環(huán)增益的誤差 11CMRvDvKA F 和 越大，產(chǎn)生的運(yùn)算誤差越小CMRKvdACMRvd

33、FCMRFvfKARRRKRRA21112111111726.6.4 失調(diào)參數(shù)引起輸出電壓的誤差將左圖用戴維南定理和諾頓定理等效并進(jìn)行分析，可得： 和 越大， 及 引起的誤差電壓也越大1(1/)FRRRIOVIOI 、 對(duì) 的影響可由調(diào)零電路予以補(bǔ)償OVIOVIOI736.6.5 運(yùn)放的開環(huán)帶寬對(duì)閉環(huán)增益的影響設(shè)運(yùn)放的開環(huán)增益函數(shù)只有一個(gè)極點(diǎn)起主導(dǎo)作用，則其開環(huán)電壓增益函數(shù)可寫成：1/vDvDHAAjff21 (/)vDvDHAAff信號(hào)頻率越高，產(chǎn)生的誤差也越大74集成運(yùn)放損壞的主要原因輸入信號(hào)過大，使PN結(jié)擊穿電源電壓極性接反或過高輸出端直接接“地”或接“電源”一、輸入保護(hù)防止輸入差模信號(hào)

34、幅值過大防止輸入共模信號(hào)幅值過大6.6.6 保護(hù)措施二、輸出保護(hù)三、電源端保護(hù)6.6.6 保護(hù)措施6.7 模擬乘法器模擬乘法器的集成電路采用變跨導(dǎo)型變跨導(dǎo)型電路模擬乘法器是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘的非線性器件， 利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)乘、除、乘方和開方運(yùn)算電路。YXOukuu 說明ri1和ri2ro0k常數(shù)只要有一個(gè)輸入為零， 輸出電壓為零6.7 模擬乘法器模擬乘法器有單象限單象限二象限二象限四象限四象限6.7 模擬乘法器6.7模擬乘法器示意圖二象限模擬乘法器uX可正可負(fù)，uY必須大于零四象限模擬乘法器一、乘法運(yùn)算電路2IOkuu 理論上講，可以用多個(gè)模擬乘法器串聯(lián)組成uI的任意次冪的運(yùn)算電路6.7

35、模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)串聯(lián)的模擬乘法器超過三個(gè)時(shí)，運(yùn)算誤差積累得較大。實(shí)現(xiàn)高次冪運(yùn)算時(shí)，采用（模擬乘法器集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 指數(shù)運(yùn)算電路）IOulnku11IOulnNkku212kNINkkIOukuku33216.7 模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用二、除法運(yùn)算電路將模擬乘法器放在集成運(yùn)放的反饋通路中必須保證負(fù)反饋0NPuu21ii 22211RukuRuRuOIOI2112IIOuukRRu注意k和uI1、uI2的關(guān)系6.7 模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用三、開方運(yùn)算電路212OIOkuuRRu21RuRuOI12kRuRuIO0NPuu21ii 6.7 模擬乘法器在運(yùn)算電路

36、中的應(yīng)用四、防止閉鎖現(xiàn)象的平方根電路6.7 模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用當(dāng)出現(xiàn) 則 ，反饋極性變正，運(yùn)放內(nèi)部的晶體管工作到截止區(qū)或飽和區(qū)，輸出電壓接近電源電壓，以至于即使 變得小于零，也不能回到線性區(qū)，電路不能正常工作，運(yùn)放出現(xiàn)閉鎖閉鎖或稱鎖定現(xiàn)象鎖定現(xiàn)象。0Iu 0Ou Iu五、立方根運(yùn)算電路6.7 模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用6.8 電壓比較器電壓比較器(簡(jiǎn)稱比較器)的功能是比較兩個(gè)輸入電壓的大小，據(jù)此決定其輸出是高電平還是低電平。電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為開關(guān)模擬量，實(shí)際上是一位D/A轉(zhuǎn)換器，可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的接口電路。工作于開環(huán)或正反饋下的集成運(yùn)放具有比較功能，也可采

37、用單片集成電壓比較器。876.8.1 電壓比較器基本特性電壓比較器：輸入兩個(gè)端口電壓的比較，會(huì)對(duì)應(yīng)非此即彼的兩個(gè)輸出電壓值。閾值電壓（轉(zhuǎn)折電壓）：使從躍變?yōu)?，或從躍變?yōu)榈妮斎腚妷骸?8uouoHuoLuoLuoH6.8.1 電壓比較器基本特性89描述電壓傳輸特性的要素：輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值和；閾值電壓的數(shù)值；輸入電壓經(jīng)過閾值電壓時(shí)，輸出電壓的躍變方向，。OHVOLVthVthVIvOHVOLVOLVOHVov2 響應(yīng)速度右圖中 稱為比較器的響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)重要參數(shù)：1 靈敏度線性區(qū)邊緣所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸入電壓值的差值 即為比較器的靈敏度。 越小，靈敏度越高6.8.1 電壓比較器基本特性IVtI

38、V 越小響應(yīng)速度越快越小響應(yīng)速度越快t 906.8.1 電壓比較器基本特性91 靈敏度標(biāo)志著比較器對(duì)輸入信號(hào)電壓的分辨能力。為提高靈敏度，應(yīng)選擇開環(huán)增益大、失調(diào)與溫漂小的集成運(yùn)放或集成比較器構(gòu)成電壓比較器。6.8.1 電壓比較器基本特性 限幅電路：目的：1 保護(hù)運(yùn)放2 提高響應(yīng)速度(a)圖，限制輸入電壓，有效保護(hù)運(yùn)放；運(yùn)放工作在飽和狀態(tài)和 截止?fàn)顟B(tài)，不經(jīng)過線性區(qū)，響應(yīng)速度提高(b)圖電路存在負(fù)反饋，存在“虛斷”“虛短”； 運(yùn)放在線性區(qū)，輸出電壓的響應(yīng)速度快。 凈輸入電壓、電流均近似為零，從而輸入級(jí)得到保護(hù)926.8.1 電壓比較器基本特性 輸出限幅電路：通過在比較器的輸出端加一個(gè)由穩(wěn)壓管構(gòu)成的

39、限幅電路，形成較穩(wěn)定、精確的輸出電平若要求比較器輸出高、低電平的絕對(duì)值不等，則可選用兩只特性不同的穩(wěn)壓管反向串聯(lián)使用936.8.1 電壓比較器基本特性n例6.8.1 分析下圖所示電路的功能，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，畫出波形。已知AD711為工作于線性工作區(qū)的運(yùn)算放大器，AD790為電壓比較器。場(chǎng)效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)。94n解：AD790組成反相輸入過零比較器，輸出電平控制MOS管T，使MOS管起開關(guān)作用。 在 為正周期時(shí)，比較器輸出低電平，T截止，則 在 為負(fù)周期時(shí)，比較器輸出高電平，MOS管T導(dǎo)通，運(yùn)放的同相輸入端接地，則IIFIFovvRRvRRv)1 (11IIFovvRRv195VIVI

40、n所以電路實(shí)現(xiàn)了全波整流功能。 輸出波形如圖：966.8.2 單片集成電壓比較器單片集成電壓比較器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、工作原理與單片集成運(yùn)放十分相近，其大部分指標(biāo)與集成運(yùn)放也相同集成電壓比較器的特點(diǎn)：可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字電路器件通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，無需相位補(bǔ)償電容，大大提高了響應(yīng)速度976.8.2 單片集成電壓比較器98輸入級(jí)工作電流較大，從而輸入失調(diào)電流也較大，輸入電阻較低其開環(huán)電壓增益與共模抑制比一般不大高，且失調(diào)電壓也大些靈敏度往往低于集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路 一.單限比較器：反相輸入過零比較器0thV閾值電壓V0v0OHIOOLIVvVVvV工作在開環(huán)狀態(tài)1.

41、過零比較器：將信號(hào)與零電平進(jìn)行比較的比較器為過零比較器。若輸入信號(hào)為正弦波，則其輸出為方波。輸入輸出限幅過零比較器99反相輸入過零比較器傳輸特性6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路 2.一般反相輸入單限比較器：100thREFVV反相輸入單限電壓比較器傳輸特性反相輸入單限電壓比較器6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路 2.一般同相輸入單限比較器：101同相輸入單限電壓比較器傳輸特性反相輸入單限電壓比較器thREFVV可用于檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路 2.一般單限比較器：只有一個(gè)門限電平的比較器，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。1022

42、1thREFRVVR 單限比較器傳輸特性121212vVNIREFRRvRRRRREFthPNRRVvV0v12Vth的極性與 有關(guān)，大小與 和電阻有關(guān)；改變躍變方向，可交換輸入端。VREFVREF反相輸入滯回比較器6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路 二. 滯回比較器：滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，具有一定的抗干擾能力。103OZvV NIvv112PZRvVRR 112NPIthZRvvvVVRR zthVRRRV2111zthVRRRV2112與單限電壓比較器不同的是滯回比較器的閾值電壓是由輸出 確定的。thVov6.8.3 電壓比較器的應(yīng)用電路104。時(shí)，輸出跳變?yōu)樵黾拥?。直到輸出仍?/p>