第二章： 微电子与电力电子器件..

第二章：微电子与电力电子器件山东科技大学机械电子装置中的电子器件一、集成电路与电子器件模拟IC：处理模拟信号数字IC：处理数字信号功率电子器件ICSSI-MSI-LSI-VLSI-ULSI二、电子器件的应用第一节：模拟器件的使用一、模拟器件在机械电子装置中的作用1.信号放大2.模拟运算3.信号变换4.功率放大5.调制与解调6.滤波7.稳压8.提供基准电压波形二、电路的种类与功能1.运算放大器的基本放大电路反相放大电路同相放大电路差动放大电路加法电路集成运算放大器：OPAMP集成运算放大器是一种采用多级直接耦合的高放大倍数的放大电路，它既能放大缓慢变化的直流信号，又能放大交流信号。用运算放大器及其反馈网络，可以组成多种运算电路，模拟数学运算，还广泛用于信号处理、波形发生等电路中。典型集成运算放大器μA741分析μA741是属于第二代集成电路中有代表性的产品它内部有19个晶体管，2个二极管，9个电阻，电路由四部分组成：输入级、偏置电路、中间放大级、输出级。输入级T1~T8中间级T13T16T17输出级T14T15T18T19偏置电路T9~T12②③⑥输入级采用带恒流源的差动放大电路，输入电阻高；输出级采用互补对称电路，输出电阻低，带负载能力强。整个电路差模电压增益高，共模抑制比高。μA741的外部接线图及管脚图：调零电位计μA74112348765μA741为8脚双列直插式芯片，⑧脚为空脚。反相输入端（－）（＋）同相输入端输出端＋15V－15V∆∞3154672μA741运算放大器的分析方法在一般分析计算中，都将集成运算放大器看成理想运算放大器，即将集成运算放大器的各项技术指标理想化。即认为：1开环电压放大倍数Aod；2差模输入电阻rid；3输出电阻ro0；4共模抑制比KCMRR1.运放工作在线性区的特点当|uo|Uopp时，输入电压和输出电压有线性关系：(1）由于开环差模增益Aod→∞，而输出电压uo为有限值，有u+-u-≈0，(2)由于差模输入电阻rid→∞,输入电流约等于0++∞uou–u+i+i––u+–u–uo–UoppO线性区uo=Aod（u+–u–)+Uopp理想运放工作在线性区有两个重要特点：即u+=u-，即i+=i-≈0，2.运放工作在饱和区的特点(1)输出电压uo只有两种可能,+Uopp或–Uopp：(2)由于rid→∞，仍然有：当u+u–时，uo=+Uoppu+u–时，uo=–Uopp+Uopp–UoppO饱和区u+–u–uo当运放处于开环工作状态或引入了正反馈时，工作在饱和区。此时，uo=Aod（u+–u–)线性关系不再成立。i+=i-≈01.反相放大电路ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–R2为平衡电阻，为保证运放输入级的对称性，取R2=R1//RF由后述计算可知，R2与运算公式无关。输入电压ui经R1从反相输入端对地输入，同相端经R2接地，RF为反馈电阻，跨接于输出端与反向输入端之间。1iRuRuui1i1FoFfRuRuuio电压放大倍数因u–=u+，而u+=-i+R2，因i+=i–=0，ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if，所以u-≈0，称为反相输入端“虚地”，这是反相输入的重要特点。所以：负号表示输入输出反相。2.同相输入电路oF11uRRRu因i+=i-=0,所以i1=iF，u-=u+=ui，而：i1Fo)1(uRRu（1）电路组成（2）电压放大倍数1Fiof1RRuuAu注意，同相输入时，反相输入端不“虚地”。平衡电阻R2=R1//RFuouiRFR2R1++––++–u+u–i1iF特例：当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器或同号器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–3.差动输入电路2i323uRRRu分析方法1：1i12i3231o1(uRRuRRR)RRuFF1F11io1iRRRuuu1R1iuuuui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––因u+=u-，所以：分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。uRRu)1(1Fo2i3231F)1(uRRRRR1i1F2i3231F)1(uRRuRRRRR1i1FouRRuooouuuRFuou+ui2ui1R3R2++–R1+–++––②如果取R1=R2，R3=RF③如R1=R2=R3=RF输出与两个输入信号的差值成正比。1i12i3231o1(uRRuRRR)RRuFFui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––①一般：这时又称减法器。动画4.加法电路u–=u+=0平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RI3∥RF因i+=i–=0，所以if=ii1+ii2+ii3画)uRRuRRuRR(ui3FFF3i2i2i1i1ioui3uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–·Ri3ui2ii1ii2ii3ifuo=－ＲFif，所以可实现比例加法运算当Ri1=Ri2=Ri3=RF=R时，可实现加法运算，但注意相位相反。反相求和平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RI3∥RF动画)uRRuRRuRR(ui3FFF3i2i2i1i1ioui3uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–·Ri3ui2ii1ii2ii3if)uuu(u3i2i1io2.模拟运算电路积分电路微分电路5.积分运算电路因i+=i-=0,u+=u-=0，有i1=if，而tuCRud1iF1o1i1Ruiifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–动画dtuCRdtiCuuiFFFco111若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则tduCRuFi1o1FOPPCRUUt1i1积分饱和线性积分时间线性积分时间uitOuotO输出电压随时间线性变化τ=R1CF+Ui)0(11itttCRUF-UOPPt1uitOuotO-UiUOPPt11.ui=+Ui2.ui=-UiuitOuotO+Ui-UOPPt1输出电压随时间线性变化τ=R1CF1.当ui=Ui时，则在线性区有tCRUuFo1iuo与t成线性关系，这是由于反馈电容C在这种情况下以近似恒流充电的缘故，1RUiiF这与阻容串联电路在阶跃电压作用下充电电流以指数曲线减少不同。2.当t≥t1时，运放工作在饱和区，uo=±UOPP。积分饱和ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–例：在积分电路中，若R1=10KΩ，R2=10KΩ，C=0.2μF，（1）若输入信号为100Hz,峰值为5mV的正弦波，试画出ui和uo的波形。解：先写出uo和ui的输出表达式，dtudtudtuCRuiiiFo500102.0101011631（1）因f=100Hz,则tVuisin1053tVtdtuocos5.2)sin105(5003其周期T=1/f=10ms,由此可画出uo和ui的波形图，u1(mv)uo(v)00tt5101520(ms)55101520(ms)-52.5-2.5510152051015204-4-10（2）若输入信号为100Hz,峰值为±4V的矩形波，试画出ui和uo的波形。解（2）f=100Hz，仍有T=10ms,当ui=+4v时和ui=-4v时，积分时间各为5ms，在5ms内积分值为：|uo|=|-500uit|=|-500×4×5×10-3|=10Vu1(v)uo(v)00t(ms)t(ms)下图为比例-积分运算电路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1)d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1FtuCRuRR)(fFoCuiRu上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。所以因,0,uRuii1i1f比例-积分运算电路当输入为阶跃电压ui=Ui时，)CRtUuRR(FiF1i1)tduCRuRR(uFFoi1i11uitOuotO+Ui-UOPPt1输出电压随时间线性变化τ=R1CF积分饱和iFURR1i1FoURRut时，0OPPoUutt时，1)CRtUuRR(uttFiFo1i110时，6微分电路dtduCtdudCiicc11tdudCRiRuFFi1Fo因u-=0,ic=if,uoificC1uiR2RF++––++–uitOuotO动画+Ui1.ui=+Uit=0时很大dtduiuo产生较大跃变随着电容C的充电uo衰减为0微分运算电路tuCRuddi1Foifi1uoC1uiR2RF++––++–uitOuotO–Ui2.ui=-UI比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRuCRfiiituCRuddi11i)dd(i1Fi1FotuCRuRRu—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC3.信号处理电路电压比较器电路简单比较器窗口比较器滞回比较器（施密特触发器）功能:比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系);用途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。2．运放的工作状态比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用。1．电压比较器的功能常用的电压比较器有：零电平比较器(过零比较器)非零电平比较器(单限比较器)迟滞比较器（滞回比较器）窗口比较器(双限比较器)3．电压比较器的类型简单比较器电压比较器的分析方法按理想情况分析(1)输出电压uo只有两种可能,+Uopp或–Uopp：(2)由于rid→∞，仍然有：当u+u–时，uo=+Uoppu+u–时，uo=–Uoppi+=i-≈03.1简单电压比较器Dz为双向稳压管，起双向稳压作用。设稳压管的稳定电压为UZ，则u0输出为±UZ当uIUR，uo=–UZuiUR，uo=UZUZ–UZuiUR时，uo'=+UOPPuo'RDZURuouiR2++–R1+–+–图中UR为比较电压，由于运放工作在开环状态，当ui略大于UR时，uo’立即变为负饱和值-UOPP，当ui略小于UR时，uo’立即变为正饱和值+UOPP。uiUR时，uo′=－UOPP电压传输特性uiuo’O+UOPP–UOPPUR(uo)2vuitOOuot6v–6vt1t2例：设ui为峰值为4V，周期为T=80ms的三角波，比较电压UR=2V，稳压管的稳定电压UZ=±6V，试画出输出电压波形。8040(ms）4v解：ui2V时,uo=－UZ=－6V，ui2V时，uo=+UZ=6V,t1=10ms,t2=30msui+–uo'RDZuoR2++–R1+–当比较电压UR为零时为过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波电压传输特性–UZ+UZuiuoOUR=0tuiOtuo+UZ–UZO动画电压比较器用作整形电路：tuI0uO0tuR参考电压3.2窗口比较器（双限比较器）其中：UAUBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限简单比较器在输入电压单一