44集成运算放大电路

(4--1)第3章集成运算放大电路(4--2)§3.1集成运算放大电路将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路(4--3)集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十μF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。(4--4)输入级中间级输出级-vEE+vCCuPuouNT3T4T5T1T2IS基本原理框图反相端同相端(4--5)T3T4T5T1T2ISuPuN反相端同相端uo与uo反相与uo同相(4--6)-vEE+vCCuPuouN反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMR,输入电阻Ri尽可能大。(4--7)-vEE+vCCuPuouN反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级足够大的电压放大倍数(4--8)-vEE+vCCuPuouN反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出电阻Ro小。(4--9)ri高:几十k几百k运放的特点：KCMR很大ro小：几十~几百Aod很大:104以上~107理想运放：riKCMRro0Aod运放符号＋－uNuPuo运放的特点和符号－＋＋uNuPuoA0d(4--10)集成运放的电压传输特性“同相”和“反相”指运放的输入电压与输出电压之间的相位关系。(4--11)可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能很好抑制温漂的差动放大电路(4--12)(4--13))(NPuufuo(4--14)线性区)(NPuufuo非线性区)(NPuuAuodoOMoUuOMUOMUAod：差模开环放大倍数＋－uNuPuo(4--15)运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，运放工作于线性状态。(4--16)由于集成运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件：dA0ir0ro)(0NuuAuPdoNPuu0Ii放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚开路＋－uNuPuoAod(4--17)输入电阻ri共模抑制比KCMR输出电阻ro0开环差模增益Aod＋－uNuPuo3.3集成运放在信号运算方面的应用一、理想运放的两个工作区1.理想运放的性能指标上限截止频率fH_++A0(4--18)uiuo+UOM-UOMAod越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。二、理想运放工作在线性区＋－uNuPuo(4--19)＋－uNuPuo)(NPodOuuAU开环差模增益Aod，所以NPNPuuuu即0称两个输入端“虚短路”输入电阻ri，所以输入端电流为零。0NPii称两个输入端“虚断路”(4--20)3.2.1比例运算电路(1)反相比例运算放大器_++R2R1RPuiuo0NPuui1i2i1=i22o1iRuRu1210uRRuuA(4--21)_++R2R1RPuiuo电路的输入电阻：Ri=R1反馈方式：电压并联负反馈输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。RP=R1//R2(4--22)_++R2R1RPuiuo电位为0，虚地。输入电阻小和“虚地”是反相输入的特点。(4--23)(2)同相比例运算放大器_++R2R1RPuiuouN=uP=ui1i2ioRuRuui12ou)RR1(u电压串联负反馈输入电阻高。共模电压：ui没有虚地概念。(4--24)(3)电压跟随器_++uiuoiPNouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，电压跟随性能好。(4--25)以上电路计算的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.对于单一信号作用的运算电路，分析运算关系时，先列出关键节点的电流方程，如P点和N点；然后根据“虚断”和“虚短”原则进行整理。(4--26)3.2.2加减运算电路(1)反相求和运算：_++R2R11R12ui2uoRPui1i11i12iF0NPuuFiii1211)uRRuRR(u2i1221i11202211111000RURURUOii(4--27)(2)同相求和运算：此电路如果以uP为输入，则输出为：PFuRRu)(101uP~ui1、ui2？22221211222122iipuRRRuRRRuR1RF++ui1+_uoR21R22ui2-0222211RuuRuupipi所以：))((2121111112111211iiFOuRRRuRRRRRu(4--28)(3)加减运算电路_++R2R1R1ui2uoR2ui1NPuu211RuuRuuONNi212RuRuuPPi)uu(RRu1i2i12o解出：(4--29)3.2.3微积分运算电路(1)微分运算：uN=uP=0RuioFdtduCiiCFCiidtduRCuioui－++uoRR2iCiFC(4--30)应用举例：tui0(2)积分运算：RuiiRdtduCioCdtuRC1uiotuo0a、输入方波，输出是三角波。iRiCui-++RR2Cuo(4--31)b、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0t0oUdtRC1uU-UomMomUTRC1UURCUTomMTM积分时限(4--32)c、PID调节器ICFiii1dtduCRuRRRiuIIFR121222111RuidtduCiIIICdtuCRuCCdtRudtdtduCCdtiCuuIIIIFOR2121112221)(11dtuCRdtduCRuCCRRuIIIO211221121)(2Ru(4--33)iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/VPN结V-I特性表达式)1(/STUueIi其中IS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTUTmV263.2.4对数指数运算电路利用PN结伏安特性的指数规律实现对数指数运算电路。(4--34)(1)采用二极管的对数运算：TDTDuuSuuSDeIeIi)1(SDTDIiuulnRuiiIRDRIuuuuSITDOln(4--35)(2)采用三极管的对数运算：TBETBEuuSuuSECeIeIii)(1SCTBEIiuulnRuiiIRCRIuuuuSITBEOln(4--36)(3)集成对数运算：31lnRIuuuSITBESRTBEIIuuln2111CuuSEieIiTBERuuSEIeIiTBE2231222lnRIuuuuuPRITBEBEP点的电位352252ln)1()1(RIuuRRuRRuuuRITPOPN122BEBEPuuuP2E31RuiI(4--37)(4)指数运算电路RuuSuuSEieIeIiTITBEIBEuuReIRiuTIUuSRO(4--38)(5)集成指数运算电路TBEuuSECREFeIiiI11121BEBEPuuu12BEPBEuuuTBEuuSECeIii222fCORiu2fuuSReITBE2SREFTIIIuuRRRln313fSREFuuRRRSRIIeITI313fuuRRRREFReITI313(4--39)3.2.5乘法和除法运算电路RIuUuSITO11lnRIuUuSITO22ln221213)(ln)(RIuuUuuuSIITOOORIuuIuSIIUuSOTO213Re(4--40)3.3理想集成运放的非线性应用—电压比较器所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。电路特征：开环或正反馈(4--41)电路中的运放处于非线性状态。比如：运放开环应用特点：uo有两种可能状态uon或-uonrid趋向∞，iid=0，虚断路uouon-uon＋－uNuPuo(4--42)电压比较器简介功能：比较两个电压大小用途：越限报警、模数转换、波形变换发生。特性：输入电压uI是模拟信号，输出电压uO不是高电平UOH，就是低电平UOL。使uO从UOH跃变为UOL或从UOL跃变为UOH的输入电压称为阈值电压UT。(4--43)uoui0UOM-UOM++uoui3.3.1单限电压比较器一、过零比较器(4--44)电压比较器输入级的保护电路：电压比较器输出限幅电路（一）：(4--45)++uiuoUZuoui0+UZ-UZ电压比较器输出限幅电路（二）(4--46)++uiuoUZR´R_电压比较器输出限幅电路（三）(4--47)++uouituituo+UOM-UOM例：利用电压比较器将正弦波变为方波。(4--48)二、一般单限比较器ZREFIPNUURRuu＝－即o12u,u,0REFINURRRuRRRu212211ZREFIPNUURRuu＝即o12u,u,0(4--49)二、一般单限比较器ZREFIPNUURRuu＝－即o12u,u,0REFINURRRuRRRu212211ZREFIPNUURRuu＝即o12u,u,0REFURR12(4--50)3.3.2滞回比较器ZoUuZTPNURRRUuu211令ZpURRRu211(4--51)3.3.2滞回比较器ZoUuZTPNURRRUuu211令ZpURRRu211(4--52)tuiUT-UTtuoUZ-UZ输入正弦波的情况(4--53)ZREFTURRRURRRU2112121加上参考电压后的上下限ZREFPURRRURRRu211212ZREFTURRRURRRU2112122(4--54)ZREFTURRRURRRU2112121加上参考电压后的上下限ZREFPURRRURRRu211212ZREFTURRRURRRU2112122(4--55)3.3.3窗口比较器ZOOMOOMORLRHiUuDDUuUuUUu止通2121ZOOMOOMORHRLiRHUuDDUuUuUUuU通止212102121OOMOOMORHiRLuDDUuUuUuU止止(4--56)3.3.3窗口比较器OMOOMOOMORLRHiUuDDUuUuUUu止通2121OMOOMOOMORHRLiRHUuDDUuUuUUuU通止212102121OOMOOMORHiRLuDDUuUuUuU止止