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1、微电子技术及应用,王德明,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/输出电压的相位关系以
2、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,
3、反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1020KHz，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
5、激，有的运放在内部加有相位补偿电路，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1020mV。,集成运算放大器及
6、其应用,21,同相放大电路调零方法,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VT1VT4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50A的恒流源电路，因此，如果输出管脚界的负载是在50A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
7、压010V可调的稳压源，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,26,010V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
8、电源-1.5V7.5V 单电源-3V15V3.共模输入电压范围：0（VDD-2V)失调电压典型值：10mV4.输入阻抗-RIN1010，开环增益-90dB 压摆率-OP 2.5V/s 比较器 100V/s,集成运算放大器及其应用,30,5.CMOS OP 14573: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Bipolar OP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,3
9、2,T10和外偏置电阻Rbias构成两个比较单元合用的偏置电流源基准电流电路。T1T4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
10、高 越好，应用时可以施加负反馈，负反馈可改善失真、频响和稳定性。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、Vt
11、h3=ER/4。,二、四窗口比较器,集成运算放大器及其应用,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/4v1 ER时，vo1=“0”，LED1发光指示；当ER/2v1 3ER/4 ER时，vo2=“0”，LED2发光指示；当ER/4v1 ER/2时，vo3=“0”，LED3发光指示；当0v1 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
12、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ViVo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，JFET 3DJ6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
13、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,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，VOHVDD VOLVSS,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,
