1、微电子技术及应用 王德明dmwang 集成运算放大器及其应用 2 第一节集成运放的基本使用方法1 集成运放的电源供给方式集成运放原则上由二个电源接线脚V 和V 但有不同的电源供给方式 虽电源供给方式不同 但原则上输入脚回归线务必固定于V V 间某一点电位上 第三章模拟集成电路和集成运算放大器第二部分集成运算放大器及其应用 集成运算放大器及其应用 3 对称双电源供给方式 集成运算放大器及其应用 4 非对称双电源供给方式 集成运算放大器及其应用 5 单电源供给方式 集成运算放大器及其应用 6 2 输入 输出间相位关系 虚短路为了正确分析有运放的电路的工作原理 必须弄清楚运放的输入 输出电压的相位关
2、系以及输入端虚短路的概念 输入 输出间相位关系 同相输入端的电压相对反相端的电压是正方向增大 则输出电压是正方向增大 即正极性输出 反相输入端的电压相对同相端的电压是正方向增大 则输出电压是负方向增大 即负极性输出 集成运算放大器及其应用 7 虚短路 运放使用时一般加负反馈 选定外电路的常数可获得任意值的放大倍数 实际电路中输出电压为有限值 而运放自身 开环增益 放大倍数非常大 因此 同相与反相输入间差动输入电压接近于零 在正常工作状态下 可以认为同相与反相输入端是同电位 即为虚短路 集成运算放大器及其应用 8 3 反相放大情况 电路与放大倍数 集成运算放大器及其应用 9 电压放大倍数AV 反
3、相放大电路的电压放大倍数取决于R2和R1的比值 集成运算放大器及其应用 10 电压放大倍数AV的频率特性一般来说 运放自身开环增益非常大 而频率特性较差 用通用运放构成电压放大倍数为10 100倍 20 40dB 的反相放大器 小信号放大时频率约100KHz 而大信号放大时频率约10 20KHz 放大倍数即开始降低 运放消耗电流越大或者R1和R2阻值越小 频率特性越好 集成运算放大器及其应用 11 输入阻抗 Ri 这是从输入信号源处看放大电路的电阻 所以 Ri Ei ii R1输出阻抗 RO 运放的输出阻抗非常低 应用时加有负反馈电路 因此 输出电阻可视为零 集成运算放大器及其应用 12 4
4、同相放大情况 电路与放大倍数 电压放大倍数AV 集成运算放大器及其应用 14 同相放大电路的电压放大倍数也取决于R2和R1的比值 反相放大电路的电压放大倍数可能小于1 同相放大电路的电压放大倍数不可能小于1 集成运算放大器及其应用 15 输入阻抗 Ri 从输入信号源Ei看输入电阻 等同于运放同相输入端的输入阻抗 这个阻抗非常大 输出阻抗RO 频率特性等与反相放大电路基本相同 集成运算放大器及其应用 16 5 差动放大情况 差动放大可看作是反相放大电路和同相放大电路的组合 集成运算放大器及其应用 17 6 电压跟随器 输入阻抗高 输出阻抗近似为零 电压放大倍数AV 1 容易自激 有的运放在内部加
5、有相位补偿电路 或者外接规定容量的补偿电容 集成运算放大器及其应用 18 7 零漂的调整 用运放放大微弱直流输入信号时 最突出的问题是零点漂移 调整的方法 有零漂调整管脚的运放在零漂调整管脚接入电位器RP 当输入端短路时 调整电位器RP使输出电压为零即可 集成运算放大器及其应用 19 有零漂调整管脚的运放 集成运算放大器及其应用 20 无零漂调整管脚的运放有些运放没有设置零漂调整管脚 尤其是双运放或四运放 因为管脚有限 几乎都省掉了 这时可在输入信号上叠加调零电压 所采用的方法应以不影响电压放大倍数AV为准 一般来说 运放零漂电压不会超过10 20mV 集成运算放大器及其应用 21 同相放大电
6、路调零方法 集成运算放大器及其应用 22 反相放大电路调零方法 集成运算放大器及其应用 23 8 单电源运放的使用 单电源运放的特点 由图可知 输入级VT1 VT4是P型晶体管 因此 输入电压即使与地同电位 输入电路也能工作 输出管脚与地之间接有50 A的恒流源电路 因此 如果输出管脚界的负载是在50 A以内 输出电压可工作到零 这样 零输入零输出就在运放有效范围内 集成运算放大器及其应用 24 单电源运放LM324内部电路 集成运算放大器及其应用 25 充分发挥单电源运放的特长 上述单电源运放在输入输出为零也能工作 因此在实际电路中 应充分利用这一特长 例如 有一种输出电压0 10V可调的稳
7、压源 如果采用一般的双电源运放 至少也要加 2 3V以上的辅助电源 集成运算放大器及其应用 26 0 10V可调稳压源 集成运算放大器及其应用 27 单电源运放和双电源运放的比较 集成运算放大器及其应用 28 第二节CMOS运放14573和电压比较器14574 14573 四可编程运放14574 四可编程电压比较器14575 可编程双运放 双电压比较器1 可编程功能 工作电流均可由外接电阻Rset进行随意编制 根据使用者对电路的压摆率SR 输出摆幅 传输延迟时间以及功耗等参数的综合要求 在一定的场合 选择适当的Rset 集成运算放大器及其应用 29 2 电源电压范围 双电源 1 5V 7 5V
8、单电源 3V 15V3 共模输入电压范围 0 VDD 2V 失调电压典型值 10mV4 输入阻抗 RIN 1010 开环增益 90dB压摆率 OP2 5V s比较器100V s 集成运算放大器及其应用 30 5 CMOSOP14573 由于其互补结构的特点 较其他MOS运放更适合处理模拟信号 互补结构直接对应于BipolarOP中的互补管 电压比较器14574 输出高电平约为VDD 低电平约为VSS转换时间100ns 延迟时间 100ns比较器单元电路如图所示 集成运算放大器及其应用 31 14574比较器单元电路原理图 集成运算放大器及其应用 32 T10和外偏置电阻Rbias构成两个比较单
9、元合用的偏置电流源基准电流电路 T1 T4和T11构成电流源负载差分输入级 T5和T12构成电流源负载共源放大器 T6 T7和T8 T9分别构成CMOS倒相放大器 可见比较单元具有四级放大器 增益AV很高 集成运算放大器及其应用 33 6 比较器与运放的区别 a 比较器比运放多二级倒相器 是一个差分输入 单端输出的高增益放大器 输出摆幅与数字电路的逻辑电平相匹配 b 比较器的输出电平一般与数字电路逻辑相匹配 故可以工作在开环状态下 电压增益大于1000倍 30dB 就可以了 集成运算放大器及其应用 34 而运放一般工作在闭环状态下 其电压增益越高越好 应用时可以施加负反馈 负反馈可改善失真 频
10、响和稳定性 c 比较器对增益和相位没有严格要求 无需补偿 d 为具备高的灵敏度和分辨率 比较器对失调电压与偏置电流准确性的要求比运放来得高 e 响应时间是重要指标 比较器一般高于运放 集成运算放大器及其应用 35 第三节CMOS运放和电压比较器典型应用 一 单窗口比较器 集成运算放大器及其应用 36 窗口比较器输入输出关系 集成运算放大器及其应用 37 两片14574和一片4011可构成的四窗口比较电路 基准电压电路由基准电压源ER和四个等值的分压电阻组成 获得的四个基准电压 Vth1 ER Vth2 3ER 4 Vth3 ER 2 Vth3 ER 4 二 四窗口比较器 集成运算放大器及其应用
11、 38 四窗口比较器 集成运算放大器及其应用 39 根据比较器和与非门电路的工作原理可知 当3ER 4 v1 ER时 vo1 0 LED1发光指示 当ER 2 v1 3ER 4ER时 vo2 0 LED2发光指示 当ER 4 v1 ER 2时 vo3 0 LED3发光指示 当0 v1 ER 4时 vo4 0 LED4发光指示 集成运算放大器及其应用 40 三 限幅指示器 本电路可监控功率放大器的过载状态 当输出电压峰 峰值 VPP VPP 分别超过VH VL时 LED指示灯点亮 指示输出功率超过额定值 集成运算放大器及其应用 41 限幅指示器电路 集成运算放大器及其应用 42 限幅指示器电路V
12、i Vo关系 集成运算放大器及其应用 43 四 施密特性比较器 特点 1 同施密特电路 具有正反馈 能加速转换过程 2 有两个门限 亦称迟滞性比较器 VT 集成运算放大器及其应用 44 施密特性比较器 集成运算放大器及其应用 45 VT VH VT VT 集成运算放大器及其应用 46 五 压控方波 三角波发生器 集成运算放大器及其应用 47 1 电路组成 运放A作为积分器 JFET3DJ6作为积分器的转换开关 运放C作为施密特比较器 运放B D连成跟随器 起到隔离和增强驱动能力的作用 RW1可调节积分输入电压的大小 从而调节输出频率 RW2 RW3可调节输出信号的幅度 集成运算放大器及其应用
13、48 2 电路原理 当运放C的输入端电压 VT 运放C输出为 VSS 二极管D导通 导致3DJ6夹断 等效电路如图所示 积分器输出 负向积分输出 集成运算放大器及其应用 49 当VA下降至VT 后 运放C输出翻转 VC输出上升至VDD 二极管D截止 而3DJ6导通 积分器换向积分 等效电路如图所示 积分器输出 正向积分输出 集成运算放大器及其应用 50 六 二相时钟发生器 1 振荡器 将电压比较器组成施密特型比较器 在反相输入端加上R C充放电回路 使输入端的电位在VT 和VT 之间来回充放电 则输出端在VOH VOL之间振荡 对比较器 VOH VDDVOL VSS 集成运算放大器及其应用 51 运放振荡器波形 集成运算放大器及其应用 52 2 将上述振荡器和窗口比较器组成二相时钟发生器 集成运算放大器及其应用 53 双电源情况下 波形图 集成运算放大器及其应用 54 7 下降沿触发的单稳态电路 集成运算放大器及其应用 55 运放单稳态波形图
