1、 任务3 1基本运算电路分析 任务3 2电压比较器电路分析 任务3 3滤波器电路的分析研究 情境任务 任务3 4冰箱温控器功能的仿真测试 什么是集成运算放大器 在半导体制造工艺的基础上 把整个电路中的元器件及其连接导线 制作在一块硅片上 构成特定功能的电子电路 称为集成电路 集成电路按其功能来分 可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类 数字集成电路用来产生和处理各种数字信号 模拟集成电路用来产生和处理各种模拟信号 集成运算放大器 集成功率放大器 集成模拟乘法器 集成稳压器 集成运算放大器 高增益的直接耦合的集成的多级放大器 集成电路的工艺特点 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 温度均一性
2、好 因而特别有利于实现需要对称结构的电路 2 集成电路的芯片面积小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大电阻 需要大电阻时 往往使用有源负载 4 只能制作几十pF以下的小电容 PN结电容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大电容 只有外接 5 不能制造电感 如需电感 也只能外接 6 二极管用三极管的发射结构成 直耦耦合放大器存在的问题 零点漂移 零漂现象 1 产生零漂的原因 2 零漂的衡量方法 由温度变化引起的 当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时 这种变化量会被后面的电路逐级放大 最终在输出端产生较大的电压漂移 因而零点漂移也叫温漂 输入ui 0时 输出有缓
3、慢变化的电压产生 将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算 例如 若输出有1V漂移电压 则等效输入有100uV的漂移电压 假设 抑制第一级是关键 3 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差动放大电路 等效100uV 漂移1V 差动放大电路 即 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 差动放大电路抑制零漂的原理 Uo UC1 UC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 UC1 UC2 设T ic1 ic2 uc1 uc2 uo uc1 uc2 0 典型差动放大电路 2020 6 18 1 差动放大电路一般有两个输入端
4、双端输入 从两输入端同时加信号 单端输入 仅从一个输入端对地加信号 2 差动放大电路可以有两个输出端 双端输出 从C1和C2输出 单端输出 从C1或C2对地输出 二 几个基本概念 差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式 1 双端输入 双端输出 双入双出 2 双端输入 单端输出 双入单出 3 单端输入 双端输出 单入双出 4 单端输入 单端输出 单入单出 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 3 差模信号与共模信号 差模分量 共模分量 差模电压增益 共模电压增益 总输出电压 比较信号 1 共模输入 若两个输入信号电压和的大小相等 极性相同 即
5、 这样的输入称为共模输入 图3 19差分放大电路的典型电路 在共模输入信号作用下 对于完全对称的差分放大电路来说 显然两管的集电极电位变化相同 即 因而输出电压为 可见 差分放大电路对共模信号没有放大能力 共模电压放大倍数为 实际上 差分放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共摸信号的一个特例 因为折合到两个输入端的等效漂移电压如果相同 就相当于给放大电路加了一对共模信号 所以 差分放大电路抑制共模信号能力的大小 也反映出它对零点漂移的抑制水平 2 差模输入 若两个输入信号电压和的大小相等 极性相反 即这样的输入称为差模输入 图3 19差分放大电路的典型电路 设ui1 0 ui2 0 则VTl
6、管集电极电流的增加量等于VT2管集电极电流的减小量 这样 两个集电极电位一增一减 呈现异向变化 因而VTl管集电极输出电压uo1与VT2管集电极输出电压uo2大小相等 极性相反 即uo1 uo2 输出电压为 可见在差模输入信号的作用下 差分放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍 即差分放大电路对差模信号有放大能力 差模电压放大倍数为 与共发射极单管放大电路的电压放大倍数相同 式中 差模输入电阻 差模输出电阻 3 比较输入 两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的 既非共模 又非差模 这种输入称为比较输入 比较输入在自动控制系统中是常见的 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的
7、组合 即 式中 为共模信号 为差模信号 由以上两式可解得 例如比较输入信号为 10mV 4mV 则共模信号 3mV 差模信号 7mV 对于线性差分放大电路 可用叠加定理求得输出电压 输出电压的大小仅与输入电压的差值有关 而与信号本身的大小无关 这就是差分放大电路的差值特性 对于差分放大电路来说 差模信号是有用信号 要求对差模信号有较大的放大倍数 而共模信号是干扰信号 因此对共模信号的放大倍数越小越好 对共模信号的放大倍数越小 就意味着零点漂移越小 抗共模干扰的能力越强 当用作差动放大时 就越能准确 灵敏地反映出信号的偏差值 理想情况差模信号是有用信号 共模信号是无用信号 温度或电源电压变化引起
8、的零点漂移 必须抑制 要抑制共模信号须电路完全对称 但实际不能做到 反映实际差动电路的对称性 共模抑制比越大 表示差分电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强 衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力 4 共模抑制比 五 带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式 加大Re 可以提高共模抑制比 为此可用恒流源T3来代替Re 等效很大的交流电阻 直流电阻并不大 恒流源使共模放大倍数减小 而不影响差模放大倍数 从而增加共模抑制比 恒流源的作用 集成运算放大器 一 集成运算放大器件的识读常见的集成运算放大器有圆形 扁平型 双列直插式等 有8管脚 14管脚等 二 集成运放的组成及其符号
9、集成运放内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器 输入级 要求零漂小 输入电阻大 一般用差动放大器 中间级 要求高电压增益 有时还完成从双端到单端输出的转换 同时还向输出级提供较大推动电流 输出级 要求输出电阻低 带负载能力强 偏置电路 为各级提供稳定偏置 常用恒流源组成 一 简单的集成运放 原理电路 二 典型运放电路内部结构示意图 三 集成运算放大器符号 国际符号 国内符号 集成运放的特点 电压增益高 输入电阻大 输出电阻小 1 输入失调电压UIO输入电压为零时 将输出电压除以电压增益 即为折算到输入端的失调电压 是表征运放内部电路对称性的指标 集成运算放大器的主要参数一 主要参数 2 输入失
10、调电压温漂dUIO dT在规定工作温度范围内 输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值 4 输入失调电流IIO 在零输入时 差分输入级的差分对管基极电流之差 用于表征差分级输入电流不对称的程度 3 输入偏置电流IIB 输入电压为零时 运放两个输入端偏置电流的平均值 与第一级管子性能有关 nA级 5 输入失调电流温漂dIIO dT 在规定工作温度范围内 输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值 6 最大差模输入电压Uidmax运放两输入端能承受的最大差模输入电压 超过此电压时 差分管将出现反向击穿现象 7 最大共模输入电压Vicmax在保证运放正常工作条件下 共模输入电压的允许范围 共模
11、电压超过此值时 输入差分对管出现饱和 放大器失去共模抑制能力 8 开环差模电压放大倍数Aod 无反馈时的差模电压增益 一般Aod在100 120dB左右 高增益运放可达140dB以上 9 差模输入电阻rid 双极型管输入级约为105 106欧姆 场效应管输入级可达109欧姆以上 10 共模抑制比KCMR KCMR 20lg Avd Avc dB 其典型值在80dB以上 性能好的高达180dB 11 3dB带宽fH 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH 12 转换速率SR 压摆率 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力 转换速率SR的表达式为 二 集成运放的理想化 1 开环
12、电压放大倍数Aod 2 输入电阻rid ric 3 输入偏置电流IB1 IB2 0 4 失调电压UIO 失调电流IIO以及它们的温漂均为零 5 共模抑制比KCMR 6 输出电阻rod 0 7 3dB带宽fh 8 无干扰 噪声 1 理想集成运算放大器 2 理想运放工作于线性状态的重要特点 1 同相与反相输入端电压相同 即U U 称 虚短 原因 Aod 而Uo为有限值 2 流进两输入端电流为0 即I I 0 称 虚断 原因 rid 3 理想运放工作于非线性状态的重要特点 1 2 rid 因此I I 0 即流进理想运放两输入端的电流仍为0 一 预备知识 集成运放的两种工作状态 1 运放的电压传输特性
13、 设 电源电压 VCC 10V 运放的Aod 104 Ui 1mV时 运放处于线性区 Aod越大 线性区越小 当Aod 时 线性区 0 2 理想运算放大器 开环电压放大倍数Aod 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 0 为了扩大运放的线性区 给运放电路引入负反馈 理想运放工作在线性区的条件 电路中有负反馈 运放工作在线性区的分析方法 虚短 u u 虚断 ii ii 0 3 线性区 4 非线性区 正 负饱和状态 运放工作在非线性区的条件 电路开环工作或引入正反馈 比例运算电路 一 反相比例运算 虚地点 i1 if 虚断 因为有负反馈 利用虚短和虚断 u 0 u u 0 虚地 反馈方式 电压并联负反
14、馈 电压放大倍数 任务3 1基本运算电路分析 例题1 R1 10k Rf 20k ui 1V 求 uo Ri 说明R0的作用 R0应为多大 特点 共模输入电压 0 u u 0 缺点 输入电阻小 Ri R1 R0为平衡电阻 使输入端对地的静态电阻相等 R0 R1 Rf 二 同相比例运算电路 u u ui i1 if 虚断 平衡电阻R Rf R1 因为有负反馈 利用虚短和虚断 反馈方式 电压串联负反馈 特点 输入电阻高缺点 共模输入电压 0 u u ui 电压放大倍数 Au 1 三 电压跟随器 此电路是同相比例运算的特殊情况 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分立元件的射极输出器相同 但是电压
15、跟随性能好 ui u u uo 因为有负反馈 利用虚短和虚断 练习 在如图所示电路中 已知R1 100k Rf 200k ui 2V 求输出电压u 并说明输入级的作用 在如图4 16所示电路中 己知R1 100k Rf 200k R2 100k R3 200k 求输出电压 1 反相加法器 若R1 R2 R 平衡电阻R0 R1 R2 Rf i1 i2 if 一 加法运算电路 虚地 2 同相求和运算 当R1 R2 Rf R时 同相比例运算 二 减法运算电路 1 利用加法器和反相比例器 叠加原理 2 差动减法器 ui1作用 ui2作用 综合 则有 试推导输出电压u0与输入电压ui1 ui2的关系 写
16、出所示如图电路的输出电压uo与输入电压ui1 ui2的关系 试推导出如图所示电路的输出电压uo与输入电压ui1 ui2的关系 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路 实现以下运算关系 例5 1 如图所示 求输出电压 解 例5 2 如图所示 求输出电压 解 例5 3 如图所示 求输出电压 解 例5 4 如图所示 求负载电流与输入电压的关系 例5 5 如图所示 求输出电压 分析 为跟随器 则为双端输入差动电路 构成加法 减法运算电路 分析 为跟随器 则为双端输入差动电路 构成加法 减法运算电路 5 1 2求和运算电路 解 例5 6 如图所示 求输出电压 A1 A2为同相并联差值比例放大电路 A3为
17、减法运算放大电路 5 1 2求和运算电路 解 1 积分电路 三 积分和微分电路 反相积分器 如果ui 直流电压 输出将反相积分 经过一定的时间后输出饱和 积分时间 设Uom 15V ui 3V R 10k C 1 F 求积到饱和值的时间 应用举例 输入方波 输出是三角波 2 微分电路 u u 0 微分电路常用作波形变换 如把矩形波变换为尖顶脉冲 任务3 1基本运算电路分析 任务3 2电压比较器电路分析 任务3 3滤波器电路的分析研究 情境任务 任务3 4冰箱温控器功能的仿真测试 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较 输出一定的高低电平 功能 构成 运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系
18、uo f ui 是非线性函数 任务3 2电压比较器电路分析 1 运放工作在非线性状态的判定 电路开环或引入正反馈 运放工作在非线性状态基本分析方法 2 运放工作在非线性状态的分析方法 若U U 则UO UOH 若U U 则UO UOL 虚断 运放输入端电流 0 注意 此时不能用虚短 1 过零比较器 门限电平 0 一 单门限电压比较器 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF UREF为参考电压 当ui UREF时 uo UOH当ui UREF时 uo UOL 运放处于开环状态 例 在上图电路中 输入电压ui为正弦波 画出UR 0 UR 0 UR 0时的输
19、出电压波形 1 用稳压管稳定输出电压 忽略了UD 3 限幅电路 使输出电压为一稳定的确定值 当ui 0时 uo UZ当ui 0时 uo UZ 4 具有输入保护和输出限幅的比较器 1 输入 ui UR 大于运放最大允许差模输入电压可能导致运放损坏 通常输入端串电阻及并接两二极管 使ui UR限制 0 7V 2 有时需减小比较器输出幅值 可用两背靠背稳压管串联 并串R限流电阻 噪声干扰对单门限比较器的影响 二 迟滞比较器 1 工作原理 两个门限电压 特点 电路中使用正反馈 运放工作在非线性区 1 当uo UZ时 2 当uo UZ时 UT 称上门限电压UT 称下门限电压UT UT 称为回差电压 迟滞
20、比较器的电压传输特性 设ui 当ui UT 时 uo从 UZ UZ 这时 uo UZ u UT 设初始值 uo UZ u UT 设ui 当ui UT 时 uo从 UZ UZ 例 设电路及参数如图a所示 输入信号ui的波形如图c所示 试画出传输特性和输出电压uo的波形 解 由于UR 0 所以阈值电压为 由此可画出传输特性和波形图 例题 Rf 10k R2 10k UZ 6V UREF 10V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 任务3 1基本运算电路分析 任务3 2电压比较器电路分析 任务3 3滤波器电路的分析研究 情境任务 任务3 4冰箱温控器功能的仿真测试 滤波器的功能
21、 对频率进行选择 过滤掉噪声和干扰信号 保留下有用信号 任务3 3滤波器电路的分析研究 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器 滤波器的分类 低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 各种滤波器理想的幅频特性 1 低通 2 高通 3 带通 4 带阻 1 一阶RC低通滤波器 无源 一 低通滤波器 传递函数 截止频率 幅频特性 此电路的缺点 1 带负载能力差 2 无放大作用 3 特性不理想 边沿不陡 幅频特性 2 一阶有源低通滤波器 传递函数 通带增益 截止频率 幅频特性及幅频特性曲线 传递函数 幅频特性 缺点 阻带衰减太慢 3 二阶有源低通滤波器 幅频特性 幅频特性曲线 当Ao 3时 滤波器可以稳定工作 此时特性与Q有关 当Q 0 707时 幅频特性较平坦 当f fL时 幅频特性曲线的斜率为 40dB dec 传递函数 通带增益 截止频率 二 高通有源滤波器 1 一阶有源高通滤波器 幅频特性 缺点 阻带衰减太慢 幅频特性及幅频特性曲线 传递函数 2 二阶有源高通滤波器 可由低通和高通串联得到 低通截止频率 高通截止频率 必须满足 三 有源带通滤波器 可由低通和高通并联得到 必须满足 四 有源带阻滤波器
