2010-6-集成运算放大器的分析与应用.ppt
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1、第1章 绪论 第2章 半导体器件基础 第3章 双极型模拟集成电路的基本单元电路 第4章 MOS模拟集成电路的基本单元电路 第5章 负反馈放大电路 第6章 集成运算放大器的分析与应用 第7章 直流电源电路,课程章节,主讲:刘颖,问题: 集成运算放大器的由来? 如何判断电路是否是运算电路?有哪些基本运算电路?怎样分析运算电路的运算关系? 如何分析集成运算放大器? 集成运算放大器有哪些应用?,第6章 集成运算放大器的分析及应用,第6章 集成运放的分析及应用,6.1 集成运算放的组成及基本特性 6.2 集成运算放大器的主要参数 6.3 运放的线性应用及理想运放模型 6.4 基本运算电路 6.5 电压比
2、较器 6.6 波形发生器 6.7 集成运放的其他应用电路 小结,6.1 集成运算放的组成及基本特性,一、 概述 二、集成电路的基本结构 三、 模拟集成运放的典型电路,1)通用集成电路 2)模拟信号处理电路 3)控制系统专用集成电路,如电机控制电路、可控硅控制电路等. 4)通信系统专用集成电路,如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。 5)测试系统专用集成电路,ATE电路、信号变换和处理电路等。 6)仪器专用电路等。,6.1 集成运算放大器的组成及基本特性,1. 模拟集成电路分类 按照应用领域进行分类:,一、 概述,按照电路的功能进行分类 1)运算放大器 2)模拟乘法器(除法器) 3)对数放大
3、器 4)函数发生器 5)滤波器 6)压控振荡器 7)集成功率放大器 8)集成 稳压电源 ,一、 概述(续),6.1 集成运算放大器的组成及基本特性,集成电路,通用型,专用型,按照集成电路分类,1 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构(续),2 模拟集成电路组成,输入级,中间级,输出级,偏置 电路,组成:运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器,它的组成框图如图所示。,运放组成,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U+,U-,Uo,三、 模拟集成运放的典型电路,运放旧符号,运放国标符号,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个
4、输入端,一个称为同相输入端,即输出与该端输入信号相位相同,用符号U 表示;另一个称为反相输入端,即输出与该端输入信号相位相反,用符号U表示。,4.恒流源偏置:可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流,以稳定工作点。,3.低阻输出级:由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成,以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级:提供高的电压增益,以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U-,U+,运放组成,集成运放F007的电路原理,2单极型集成运放,第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、
5、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。,第二级是共源放大电路,以N沟道管T8为放大管,漏极带有源负载。,6.2 集成运算放大器的主要参数,集成运放的性能指标-主要参数如下:,1电源电压 2开环差模电压增益AUd 3共模抑制比KCMR 4差模输入电阻rid 5输入失调电压Uos 6输入失调电压的温漂dUos/dT 7输入失调电流Ios,8输入失调电流的温漂dIos/dT 9输入偏置电流IB 10最大共摸输入电压Uic,max 11最大差模输入电压Uid,max 12-3dB带宽 13单位增益带宽BWG-fT 14转换速率SR(摆率) |duo/dt|max,6.3 线性应用及理想运放模型
6、,一、 线性应用和非线性应用 二、理想运放模型,6.3 线性应用及理想运放模型,运放模型分类,按精度分类,理想模型,非理想模型,运放宏模型,按功能分类,直流模型,交流小信号模型,大信号模型,噪声模型,6.3 线性应用及理想运放模型(续),运放分析特点:芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。,运放分析内容,传输特性(输入与输出信号关系特性),频域特性 时域特性 温度特性 噪声特性 ,主要分析内容,1. 线性应用:运放输入输出成线性关系的应用。闭环应用,如“运算电路”、“有源滤波电路”等。,一、 线性应用和非线性应用,2. 非线性应用:运放输入输出成非线性关系的应用。开环应用,如比较器。,输入,
7、输出,输入,输出,电压放大器,电压比较器,二、理想运放模型,1. 理想运放的性能,1) 开环电压增益Aud=; 2) 输入电阻Rid=; 3)输出电阻Ro=0; 4)频带宽度F=; 5)共模抑制比CMRR=; 6)失调、漂移和内部噪声为零。,主要条件,条件较难满足, 可采用专用运放 来近似满足。,二、理想运放模型(续),1) 同相端与反相端呈开路状态。 2)输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-) , 由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。,2.理想运放模型,3. 线性运用状态时主要特征,1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ,称虚断。,I+=I-0,2. 理想运放的
8、同相和反相输入端电位近似相等 ,称虚短。,U+=U-,Rid,虚断,虚短,在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。,虚地,如将运放的同相端接地U+=0,则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”,称为“虚地”。,虚地点对地的电阻为“0”,由于理想运放的输入电阻非常高,输入端电流近似为0,在分析处于线性状态运放时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性称为虚假开路,简称虚断。,U+-U-=Uo/AU0,4. 饱和工作状态时特征(非线性工作状态),1) 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零,2)当U+U-时,Uo为正饱和值; 当U+U-时,Uo为
9、负饱和值。,I+=I-0。,饱和状态的运放通常工作在开环或正反馈状态,主要用于数字电路,比较器电路等。,二、理想运放模型(续),6.4 基本运算电路,一、比例运算电路 二、加法器 三、减法器 四、积分器 五、微分器 六、对数方大器 七、指数放大器 八、乘、除法器,一、比例运算电路,1. 反相放大电路,平衡电阻 RpR1/Rf,电压并联负反馈,由I+=I- 0 (虚断),I1=If,U+= 0,U+=U-(虚短), U-= 0,虚地点对地的电阻为“0”,一、比例运算电路(续),1. 反相放大电路(续),平衡电阻 RpR1/Rf,小结:电路的输出Uo与输入Ui呈比例关系,且相位相反,比例因子为 R
10、f/R1 ,因此,该电路常用于反相比例运算。,Auf只与Rf、R1有关, 而与运放的参数无关。,输入电阻 rif,=R1,输出电阻 rof= 0,电压增益,ui= uo =0,非理想情况下,考虑两输入端之间的等效电阻。,若u+= u- ,i+= i-,克服输入偏置电流引起的输入失调电压。,一、比例运算电路(续),2. 同相放大电路,电压串联负反馈,I- = I+ 0,U+=U-,rif,rid ,rof= 0,小结:同相放大电路输出Uo与输入Ui呈比例关系,且相位相同,比例因子为 1+Rf/R1 ,因此,该电路常用于同相比例运算。,一、比例运算电路(续),2. 同相放大电路(续),电压跟随器,
11、rif,rid ,rof= 0,当Rf=0时,,二、加法器,1. 反相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=If,U+= 0,U+=U-,U-= 0,平衡电阻 RpR1/R2/Rn/Rf,当R1=R2=Rn=Rf时,Uo= -(U1+U2+Un),2.同相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=0,U+=U-,二、加法器(续),2. 同相加法器(续),二、加法器(续),三、减法器,运放工作在线性放大时,可用叠加原理来推导输出表达式。 当U2=0时,在输入信号U1的作用下,产生的输出为Uo,当U1=0时,在输入信号U2的作用下,产生的输出为Uo 根据叠加原理:Uo= Uo + Uo,当U1
12、单独作用时:,Uo,当U2单独作用时:,Uo,当U1和U2共同作用时:,若R1=R2 R3=Rf,小结: 当R1=R2,R3=Rf时,减法器的输出电压为两个输入信号 之差乘以放大系数Rf/R1, 故又称它为差分放大器。 2)为减小失调误差,需 R1/Rf=R2/R3。,三、减法器(续),四、积分器,I+=I- 0,i1(t) = if(t),U+= 0,可得,积分器的输出电压与输入电压呈积分 关系,积分时间常数为RC。 ,当ui(t)=E时,uo(t)t按负斜率下降,最终达到负饱和值。, U+= U-, U- =0,积分器应用, 数学运算, 波形变换。如将一方波变换成三角波, 实现波形变换,将
13、一方波变换成三角波,积分器应用(续),加入直流反馈Rf 的作用:抑制直流漂移,提高控制精度,防止低频、直流增益过大 。,积分器应用(续),五、微分器,I+=I- 0,ic(t) = if(t),U+=U-=0,R1的作用是: 适当减小放大器高频增益; 抑制高频噪声。,微分器实用电路,微分器应用, 数学运算, 波形变换,微分器应用,注意:在设计微分器时,元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制,即最大输出电压Uom满足,六、对数放大器,原理:利用PN结结电压与电流 之间的对数关系而构成的。,I+=I- 0,Ii = Ic,U+=U-,U+=0,U-=0,由电路可看出:, 输出电压与输入电压的关系
14、呈对数关系; Uo的最大输出电压不会超过Ube; 温度稳定性差。,七、指数放大器, 输出电压与输入电压的关系呈指数关系; 温度的稳定性差.,原理:利用PN结结电流与电压 之间的指数关系而构成的。,八、乘、除法器(了解内容),乘法原理:利用对数和指数运算电路可以实现乘法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,求和运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,八、乘、除法器(续,了解),除法原理:利用对数和指数运算电路可以实现除法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,减法运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,要求输出电压的幅值要小于
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