第三章 模拟电路设计.docx
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第三章模拟电路设计
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第3章集成运算放大器
第3章集成运算放大器章
3.1集成运放的简单介绍3.2运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用3.3基本运算电路应用举例多级放大电路基本运算电路应用举例多级放大电路基本运算电路应用举例3.4集成运算放大器应用注意事项集成运算放大器应用注意事项
3-1集成运放的简单介绍
集成电路:
集成电路将整个电路的各个元件做在同一个半导
体基片上。
体基片上。
集成电路的优点：
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。
功耗小。
集成电路的分类：
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；
……
3-1-1集成电路内部结构的特点
1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，向一致，温度均一性好。
向一致，温度均一性好。
2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到千电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千精度低。
欧，精度低。
高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。
替或外接。
3.几十pF以下的小电容用结的结电容构成、以下的小电容用PN结的结电容构成结的结电容构成、大电容要外接。
大电容要外接。
4.二极管一般用三极管的发射结构成。
二极管一般用三极管的发射结构成。
对输入级的要求：
尽量减小零点漂移,对输入级的要求：
尽量减小零点漂移,尽量提高KCMR,输入阻抗ri尽可能大。
尽可能大。
对中间级的要求：
足够大的电压放大倍数。
对中间级的要求：
足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：
主要提高带负载能力，对输出级的要求：
主要提高带负载能力，给出足够的输出电流i够的输出电流o。
即输出阻抗ro小。
集成运放的结构
（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）采用四级以上的多级放大器，级一般采用差动放大器。
级一般采用差动放大器。
（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）输入级常采用复合三极管或场效应管，小输入电流，增加输入电阻。
小输入电流，增加输入电阻。
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行）输出级采用互补对称式射极跟随器，功率放大，提高带负载的能力。
功率放大，提高带负载的能力。
3-1-3主要参数一、开环电压放大倍数Auo开环电压放大倍数无外加反馈回路的差模放大倍数。
无外加反馈回路的差模放大倍数。
一般之间。
理想运放的A在105～107之间。
理想运放的uo为∞。
二、共模抑制比KCMR共模抑制比常用分贝作单位，一般以上。
常用分贝作单位，一般100dB以上。
以上
三、通频带
AuAum0.7Aum
放大倍数随频率变化曲线
fL下限截止频率
通频带：
通频带：
fbw=fH–fL
上限截fH止频率
f
通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。
通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。
3-1-4理想运算放大器及其分析依据运放的特点理想运放：
理想运放：
ri大:
几十?
～几百k?
几十k?
?
KCMR很大ro小：
几十～几百?
几百?
Auo很大:
104～107ri→∞KCMR→∞ro→0Auo→∞
运放符号：
运放符号：
u－u+?
－＋
＋
Auo
uo
u－u+
－
＋
uo
uo_uiAuo++-UOM?
uo+UOMui
UOM=uomax≈EC
例：
若UOM=12V，Auo=106，，则|ui|<12μV时，运放处于时线性区。
线性区。
ε
线性放大区
Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入越大，运放的线性范围越小，必须在之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。
加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。
由于运放的开环放大倍数很大，由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻输出电阻小，在分析时常将其理想化，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。
称其所谓的理想运放。
理想运放的条件运放工作在线性区的特点
Ao=∞
ri=∞ro=0
uo=A（u+?
u?
）虚短路o
Ii=0虚开路
u+=u?
放大倍数与负载无关。
放大倍数与负载无关。
分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。
可以分别对每个运放进行。
由于运放的开环放大倍数很大，由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻输出电阻小，在分析时常将其理想化，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。
称其所谓的理想运放。
理想运放的条件运放工作在线性区的特点
Ao=∞
ri=∞ro=0
uo=A（u+?
u?
）虚短路o
Ii=0虚开路
u+=u?
放大倍数与负载无关。
放大倍数与负载无关。
分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。
可以分别对每个运放进行。
运放理想条件的应用举例R2uiR1_u+∞++u0?
?
?
?
求：
输出电压与输入电压之间的函数关系。
输出电压与输入电压之间的函数关系。
3-2
u+u–Ii
运算放大器在信号运算方面的应用
_
∞
+
虚短uo?
虚短?
虚断虚断
u+=u?
Ii=0
+
运放线性应用
3-2-1比例运算电路
信号的放大、信号的放大、运算
有源滤波电路
1、反相输入i2i1uiR1RP
结构特点：
结构特点：
负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。
入端，信号从反相端输入。
虚地
R2
u+=u?
=0
uo反馈方式i1=i2
虚短电压并联负反馈虚断输出电阻很小！
输出电阻很小！
_∞++
?
?
?
平衡电阻，平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。
态时输入级的对称性。
uiuo=?
R1R2
uoRA==?
2uuiR1
2、同相输入
R2
虚短
u-=u+=ui
uo
虚断虚断
_R1uiRP
∞+
uo?
uiui=R2R1
+结构特点：
结构特点：
负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，输入。
输入。
但共模输入大。
为电压串联负反馈。
输入电阻高，但共模输入大。
电压串联负反馈。
?
?
?
R2uo=（1+）uiR1
uoR2Au==1+u1R1
3、电压跟随器
_ui
∞+
uo
结构特点：
结构特点：
输出电压全部引到反相输入端，部引到反相输入端，信号从同相端输入。
号从同相端输入。
电压跟随器是同相比例运算跟随器是同相比例运算放大器的特例。
放大器的特例。
+
此电路是电压串联负反馈，此电路是电压串联负反馈，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。
?
?
?
uo=u?
=u+=ui
3-2-2加法运算1、反相求和运算i11
ui1ui2
RP=R//R//R21112
R11R12
iF
_+RP
R2∞+
u+=u?
=0
i11+i12=iF
uo
i12
R2R2uo=?
（ui1+ui2）R11R12
2、同相求和运算
R1R21R22+RF
∞
u+与ui1和ui2R1//RF=R21//R22的关系如何？
的关系如何？
uo
则输出为：
如果以u+为输入，则输出为：
uoRF=（1+）u+R1
ui1ui2
+
流入运放输入端的电流为0（虚断）流入运放输入端的电流为（虚断）
u+R22R21=ui1+ui2R21+R22R21+R22
RFR22R21uo=（1+）（ui1+ui2）RR21+R22R21+R221
R1R21R22-
RF
∞
ui1ui2
+R′
+
uo
左图也是同相求和运算电路，电路，如何求同相输入端的电位？
端的电位？
3-2-3减法运算RF
u+=u?
ui1ui2R1R2
_∞++
R3?
?
?
?
uo
uo?
u?
u?
?
ui1=RFR1
ui2?
u+u+=R2R3
解出：
解出：
R3RFRFuo=（1+）ui2?
ui1R1R2+R3R1
3-2-4积分运算
iFuii1RR2应用举例1应用举例1：
C
-∞++
duoiF=?
Cdt
uoui
0
uii1=R
1uo=?
∫uidtRC
t
输入方波，输出是三角波。
输入方波，输出是三角波。
uo
0
t
应用举例2：
如果积分器从某一时刻输入一直流电压，应用举例：
如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。
饱和。
u
i
1tuo=?
∫0UdtRC1?
Uom=?
UTMRC
RCUomTM=U
U
0
t积分时限
uo
0
TM
t
-Uom
积分电路的主要用途：
积分电路的主要用途：
1.在电子开关中用于延迟。
在电子开关中用于延迟。
2.波形变换。
例：
将方波变为三角波。
波形变换。
将方波变为三角波。
3.A/D转换中，将电压量变为时间量。
转换中，转换中将电压量变为时间量。
4.移相。
移相。
3-2-5
iFuii1CR2
若输入：
若输入：
ui
微分运算
R–∞++
uoiF=?
R
duii1=Cdt
u–=u+=0
uo
i1=iF
duiuo=?
RCdt
=sinωt
ui
o
u则：
o
=?
RCωcosωt
0
=RCωsin（ωt?
90）0uo
tt
3-3基本运算电路应用举例
一、仪器放大器求放大器的电压放大倍数。
求放大器的电压放大倍数。
2R2?
R1+2R2?
（ui1?
ui2）uo1?
uo2=uR1=?
1+?
R1R1?
?
?
R4uo=（uo2?
uo1）R3
uoR4Au==?
ui1?
ui2R3?
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