函數(shù)發(fā)生器的制作

集成運算放大器12/11/2023運算放大器（OperationalAmplifier）運算放大器（簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合，差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。目前運算放大器廣泛應(yīng)用于家電，工業(yè)以及科學(xué)儀器領(lǐng)域。一般用途的集成電路運算放大器售價大約一元錢，且現(xiàn)在運算放大器的設(shè)計已經(jīng)非?？煽浚词馆敵龆酥苯佣搪返较到y(tǒng)的接地端（ground）也不至于被短路電流（short-circuitcurrent）破壞。運算放大器（OperationalAmplifier）通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端（invertinginputnode）連接，形成一負反饋（negativefeedback）組態(tài)。原因是運算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)百萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正反饋（positivefeedback）組態(tài)，相反地，在很多需要產(chǎn)生振蕩信號的系統(tǒng)中，正反饋組態(tài)的運算放大器是很常見的組成元件。運算放大器有許多的規(guī)格參數(shù)，例如：低頻開環(huán)增益、單位增益頻率（unity-gainfrequency）、擺率（slewrate）、共模抑制比（common-moderejectionratio）、輸入失調(diào)電壓、輸出擺幅、共模輸入范圍（inputcommon-moderange）、功耗以及噪聲等。運算放大器的歷史第一個使用真空管設(shè)計的運算放大器大約在1930年前后完成，這個放大器可以執(zhí)行加與減的工作。運算放大器最早被設(shè)計出來的目的是用電壓模擬數(shù)字，用來進行加、減、乘、除的運算，同時也就成為了實現(xiàn)模擬計算機（analogcomputer）的基本建構(gòu)方塊。例如中國坦克火控系統(tǒng)早期在79式坦克上就安裝了模擬彈道計算機；當(dāng)然現(xiàn)在的99式坦克安裝的是數(shù)字化的彈道計算機。然而，理想運算放大器在電路系統(tǒng)設(shè)計上的用途卻遠超過加減乘除的計算。今日的運算放大器，無論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuumtube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integratedcircuits）元件，運算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設(shè)計，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件，但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的性能時，常常會利用分立式元件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運算放大器。運算放大器的歷史1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體（FairchildSemiconductor）推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器，型號為μA709，設(shè)計者則是鮑伯·韋勒（BobWidlar）。但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的效能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個獨一無二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741，而且在元件的型號上一定會加上“741”以資區(qū)別。但事實上后來仍有很多效能比741更好的運算放大器出現(xiàn)，利用新的半導(dǎo)體元件，如1970年代的場效應(yīng)晶體管（JFET）或是1980年代早期的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等。這些元件常常能直接使用在741的電路架構(gòu)中，而獲得更好的效能。運算放大器的歷史通常運算放大器的規(guī)格都會有嚴格的限制，而封裝和對電源供應(yīng)的需求也已經(jīng)標(biāo)準化。通常只需要少量的外接元件（externaldevices），運算放大器就能執(zhí)行各種不同的模擬信號處理任務(wù)。在售價方面，雖然今日的標(biāo)準型或是通用型（generalpurpose）運算放大器因為需求量及產(chǎn)量皆大的緣故而跌至一元錢左右，但是特殊用途的運放售價仍然有可能是通用型的一百倍以上。運算放大器基礎(chǔ)運算放大器（簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合差模（差動模式）輸入（Differential-in）通常為單端輸出（

single-endedoutput）的高增益電壓放大器常用符號V+：同相輸入端（non-invertinginput）V?：反相輸入端（invertinginput）Vout

:輸出端（output）VS+:正電源端（亦可能以VDD、VCC或VCC+

表示）VS?:負電源端（亦可能以VSS、VEE或VCC?

表示）運算放大器基礎(chǔ)國標(biāo)符號－＋＋

∞反相輸入端u－同相輸入端u+

輸出端uo運算放大器基礎(chǔ)理想運算放大器的工作原理一個理想的運算放大器（idealOP-AMP）應(yīng)具備下列特性：

無限大的輸入阻抗（Zin=∞）：理想的運算放 大器輸入端不容許任何電流流入，即上圖中的V+與V-兩端點的電流信號恒為零，亦即輸入阻抗無限大。趨近于零的輸出阻抗（Zout=0）：理想運算放大器的輸出端是一個完美的電壓源，無論流至放大器負載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，亦即輸出阻抗為零。無限大的開環(huán)增益（Ad=∞）：理想運算放大器的一個重要性質(zhì)就是開環(huán)的狀態(tài)下，對輸入端的差動信號有無限大的電壓增益，這個特性使得運算放大器十分適合在實際應(yīng)用時加上負反饋組態(tài)。無限大的共模抑制比（CMRR=∞）：理想運算放大器只能對V+與V-兩端點電壓的差值有反應(yīng)，亦即只放大V+?V?

的部份。對于兩輸入信號的相同的部分（即共模信號）將完全忽略不計。無限大的帶寬：理想的運算放大器對于任何頻率的輸入信號都將以一樣的差動增益放大之，不因為信號頻率的改變而改變。失調(diào)為零：即輸入為零時輸出也為零運算放大器基礎(chǔ)開環(huán)組態(tài) 當(dāng)一個理想運算放大器采用 開環(huán)的方式工作時，其輸出與輸 入電壓的關(guān)系式如下： 其中，Ad代表運算放大器的開環(huán)差動增益（open-loopdifferentialgain）。 由于運算放大器的開環(huán)增益非常高，因此就算輸入端的差動信號很小，仍然會讓輸出信號“飽和”（saturation），導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運算放大器很少以開環(huán)組態(tài)出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運算放大器做比較器（comparator），比較器的輸出通常為邏輯電平的“0”與“1”。開環(huán)組態(tài)的運算放大器可作為比較器使用運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài) 將運算放大器的反向輸入端與輸出端通過某種方式連接起來，放大器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此時通?？梢詫㈦娐泛唵蔚胤Q為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入信號進入放大器的端點，又可分為反相（inverting）與同相（non-inverting）兩種。 必須注意的是，所有閉環(huán)放大器都是運算放大器的負反饋組態(tài)。

運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài) 運算放大器的開環(huán)增益非常大，閉環(huán)時，由于深度負反饋的作用，會使得運算放大器的凈輸入量趨近于0。 分析閉環(huán)的理想運算放大器時， 有兩個重要法則：虛短：

V+=V?虛斷：

I+=0，I?=0運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)反向放大器注意對此種電路有：虛地RPR1vi+-Rfvo運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)同向放大器注意對此種電路有：R1vi+-RfvoRP運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)電壓跟隨器vi+-vo故有很好的隔離作用運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)積分器與微分器積分、微分運算利用電容的VCR特性：積分器RPRvivoC設(shè)vc(0)=0，若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui

>0

ui=–Ui

<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo

是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)積分器與微分器積分、微分運算利用電容的VCR特性：微分器RPvivoCR運算放大器基礎(chǔ)負反饋組態(tài)

如果元件A有如下特性：

i=f1(vi)那么輸出電壓為

vo=f2(f1(vi))根據(jù)元件A和F的選擇，可以構(gòu)建出有特定函數(shù)功能的放大器。

而元件F的特性為

vo=f2(i).運算放大器基礎(chǔ)正反饋組態(tài)施密特觸發(fā)器（遲滯比較器）RPvivoRfRvrefRPvivoRfRvref電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo

=–

Uo

(sat)可見，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。參考電壓12/11/2023uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZuo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

12/11/2023滯回比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當(dāng)uo=+Uo(sat)，則當(dāng)uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2uoui++

–

R1+–+–－

－12/11/2023上門限電壓U'+

：ui

逐漸增加時的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時的門限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++

–

R1+–+–根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動?？梢姡簜鬏斕匦圆辉賹ΨQ于縱軸，+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UR不等于零時定義：回差電壓與過零比較器相比具有以下優(yōu)點：1.改善了輸出波形在躍變時的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，

U越大，抗干擾能力越強。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2

可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影回差電壓

U。電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測、自動控制、超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用。解：對圖（1）

上門限電壓

下門限電壓例：電路如圖所示，

Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k

，R2=10k

，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）解：對圖（2）

例：電路如圖所示，

Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k

，R2=10k

，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）uiuoO-6-226圖(1)的電壓傳輸特性圖(2)的電壓傳輸特性uouiO

-661.335.33運算放大器基礎(chǔ)實際運算放大器的局限 理想的運算放大器并不存在于這個世界上，所有的運算放大器電路都會遇到下列的問題，影響了它們的應(yīng)用，也讓設(shè)計者在使用運算放大器時必須考量到更多可能會發(fā)生的問題。直流的非理想問題有限的開環(huán)增益有限的輸入阻抗不等于零的輸出阻抗不等于零的輸入失調(diào)電壓和電流 不等于零的共模增益交流的非理想問題有限的帶寬運算放大器基礎(chǔ)實際運算放大器的局限非線性的問題有限的輸出擺幅 實際運放的輸出電壓最高時，要比正電源電壓低2V左右 實際運放的輸出電壓最低時，要比負電源電壓高2V左右有限的擺率

實際運放的輸出電壓從一個值變化到另一個值需要一定時間，最大變化速率稱為壓擺率，簡稱擺率。非線性的轉(zhuǎn)移函數(shù)功耗的問題輸出功率的限制輸出電流的限制 運放的主要參數(shù)InputOffsetVoltage,VOS輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓的定義是：放大器輸出為零時，在輸入端所必須輸入的補償電壓。輸入失調(diào)電壓實際上反映了運放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運放的一個十分重要的指標(biāo)，特別是精密運放或是用于直流放大時。運放的主要參數(shù)InputOffsetVoltageDriftandAgingEffects輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流是指輸出端為零電平時，兩輸入端基極電流的差值，用IIO表示。顯然，IIO的存在將使輸出端零點偏離，且信號源阻抗越高，輸入失調(diào)電流影響越嚴重。運放的主要參數(shù)InputBiasCurrent,IB輸入偏置電流IB輸入偏置電流定義為當(dāng)運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值。輸入偏置電流對進行高阻信號放大、積分電路等對輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關(guān)系，其中雙極型工藝（即上述的標(biāo)準硅工藝）的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間；采用場效應(yīng)管做輸入級的，輸入偏置電流一般低于1nA。運放的主要參數(shù)Theinputoffsetcurrent,IOS,輸入失調(diào)電流IOS=IB+–IB–.輸入失調(diào)電流定義為當(dāng)運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。輸入失調(diào)電流同樣反映了運放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流是運放的一個十分重要的指標(biāo)運放的主要參數(shù)InputImpedance差模輸入阻抗定義為，運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端的電壓變化量與對應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級的運放的輸入電阻不大于10兆歐；場效應(yīng)管做輸入級的運放的輸入電阻一般