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第3章集成運(yùn)算放大器3.1.1基本差動(dòng)放大電路⒈多級(jí)直流放大電路的零點(diǎn)漂移問題直接耦合方式電路的最大缺點(diǎn)是零點(diǎn)漂移問題。解決零漂問題的辦法是采用差動(dòng)放大電路。3.1差動(dòng)放大電路⒉基本差動(dòng)放大電路的工作原理⑴電路組成圖3-1差動(dòng)放大電路a)基本電路b)差模交流通路c)共模交流通路⑵差模信號(hào)和共模信號(hào)①差模信號(hào):大小相等、極性相反的輸入信號(hào),用Uid表示。②共模信號(hào):大小相等、極性相同的輸入信號(hào),用Uic表示。差模信號(hào)是有用的或需要放大的信號(hào);共模信號(hào)是無用的或需要抑制的信號(hào)。⑶差模增益公共射極電阻REE對(duì)V1、V2管的差模信號(hào)無電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。其中,RL'=RC//(RL/2)。⑷共模增益公共射極電阻REE對(duì)V1、V2管具有2REE的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。在V1、V2電路完全對(duì)稱的理想狀態(tài)下,Auc=0⑸共模抑制比用分貝表示:3.1.2具有電流源的差動(dòng)放大電路⒈電流源電路⑴常用電流源電路1)鏡像電流源2)微電流源3)比例電流源4)多路電流源圖3-2集成電路中的電流源a)鏡像電流源b)微電流源c)比例電流源d)多路電流源⑵電流源的作用1)用作有源負(fù)載。圖3-3有源負(fù)載a)用作集電極負(fù)載b)用作射極輸出器負(fù)載2)提供靜態(tài)偏置。⒉具有電流源的差動(dòng)放大電路圖3-4具有電流源的差動(dòng)放大電路a)電路b)簡化等效電路⒊差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式⑴單端輸入方式在REE足夠大條件下,單端輸入與雙端輸入狀態(tài)相同。⑵單端輸出方式單端輸出的差模增益約為雙端輸出時(shí)的一半,其中“約”的原因是RL'計(jì)算方式不同。差模增益:共模增益:3.2集成運(yùn)放電路3.2.1集成運(yùn)放基本概念⒈集成運(yùn)放組成框圖符號(hào):組成框圖:⒉集成運(yùn)放主要參數(shù)⑴開環(huán)差模電壓增益Aod⑵共模抑制比KCMR
⑶差模輸入電阻Rid⑷輸出電阻Ro⑸輸入失調(diào)電壓UIO⒊理想化集成運(yùn)放⑴理想化集成運(yùn)放的參數(shù)要求①開環(huán)電壓增益Aod→∞;②共模抑制比KCMR→∞,即無零漂,各種失調(diào)電壓失調(diào)電流為0;③差模輸入電阻Rid→∞;④輸出電阻Ro→0;⑵理想化集成運(yùn)放的特點(diǎn)①虛短(條件:集成運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài))②虛斷3.2.2集成運(yùn)放基本輸入電路⒈反相輸入輸入電阻:Ri=R1輸出電阻:Ro→0圖3-11差動(dòng)輸入電路⒉同相輸入輸入電阻:Ri→∞輸出電阻:Ro→0圖3-11差動(dòng)輸入電路⒊差動(dòng)輸入圖3-11差動(dòng)輸入電路【例3-3】試按下列電壓增益要求設(shè)計(jì)由集成運(yùn)放組成的放大電路。(設(shè)Rf=20kΩ)⑴Aud=2;⑵Aud=-2;⑶Aud=-0.5;⑷Aud=0.5。解:⑴Aud=2,既為正值,又大于1,應(yīng)選用同相輸入電路。,當(dāng)Rf=20kΩ時(shí),取R1=20kΩ,R2=R1//Rf=10kΩ。⑵Aud=-2,Aud為負(fù)值,應(yīng)選用反相輸入電路。,當(dāng)Rf=20kΩ時(shí),取R1=10kΩ,R2=R1//Rf=6.67kΩ。⑶Aud=-0.5,Aud為負(fù)值,且小于1,應(yīng)選用反相輸入電路。,當(dāng)Rf=20kΩ時(shí),取R1=40kΩ,R2=R1//Rf=13.3kΩ。⑷Aud=0.5,Aud既為正值,又小于1,應(yīng)選用反相輸入電路,反相再反相獲得正極性,如圖3-12a所示。當(dāng)Rf=20kΩ時(shí),取R11=2Rf1=40kΩ,R12=R11//Rf1=13.3kΩ,R21=Rf2=20kΩ,R22=R21//Rf2=10kΩ,uO=-uO1=0.5uI
。圖3-12b是利用R2、R3分壓,減小凈輸入電壓uP值,當(dāng)Rf=20kΩ時(shí),取R1=20kΩ,R3=10kΩ,則R2=30kΩ。圖3-12例3-3電路3.2.3集成運(yùn)放基本運(yùn)算電路⒈比例運(yùn)算①反相輸入能反相,比例系數(shù)可大于1、等于1或小于1。②同相輸入能同相,比例系數(shù)只能大于1或等于1,若要小于1,可采用例3-3⑷方法。③相位要求有出入時(shí),可再加一級(jí)集成運(yùn)放反相。⒉電壓跟隨器Aud=1。圖3-13電壓跟隨器a)Rf=0b)R1=∞c)Rf=0,R1=∞⒊加法運(yùn)算⒋減法運(yùn)算若取R1=R2=R3=Rf
,可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算:【例3-4】電路如圖3-11所示,R1=R2=R3=Rf=51kΩ,uI1、uI2波形如圖3-15a、b所示,試畫出輸出電壓uO(t)波形。②再將uI2與(-uI1)相加。解:圖3-11電路,當(dāng)R1=R2=R3=Rf時(shí),電路構(gòu)成減法器,uO=uI2-uI1=uI2+(-uI1)。畫出uO(t)波形如圖3-15c所示。解題步驟:①先畫出-uI1波形(將uI1反相);圖3-15例3-4波形a)uI1b)uI2c)uO⒌積分運(yùn)算圖3-16積分電路【例3-5】已知電路如圖3-16所示,R1=R2=10kΩ,Cf=10nF,uC(0-)=0,uI
(t)波形如圖3-17a所示,試求輸出電壓uO(t),并畫出uO
(t)波形。解:式(3-24)為積分電路不定積分表達(dá)式,考慮到初始條件,uO(t)表達(dá)式應(yīng)寫為定積分形式:由于uI
(t)為方波,屬分段函數(shù),在一定區(qū)間內(nèi)為直流(常數(shù)),因此,上式可寫為:上式表明,在一定區(qū)間內(nèi),uO
(t)為t的一次函數(shù),即為一條直線。線性函數(shù)只需求解其中二點(diǎn),分段(區(qū)間)求解如下:uO
(0.5ms)=uO(0.3ms)-10000×5×(0.5-0.3)×10-3=-5VuO
(0.1ms)=uO
(0)-10000×5×(0.1-0)×10-3=-5V0~0.1ms:0.1~0.3ms:uO
(0.3ms)=uO
(0.1ms)-10000×(-5)×(0.3-0.1)×10-3=5V0.3~0.5ms:依次類推,畫出uO(t)波形為三角波,如圖3-17b所示。圖3-17例3-5輸入輸出波形a)輸入波形b)輸出波形3.3集成運(yùn)放非線性應(yīng)用
在非線性應(yīng)用中,“虛短”和“虛地”等概念一般不再適用,但“虛斷”概念仍成立。3.3.1電壓比較器⒈電壓比較器的工作原理圖3-20電壓比較器及其傳輸特性a)電壓比較器電路b)傳輸特性⑴uI由反相輸入端輸入,UREF由同相輸入端輸入,其傳輸特性如圖3-19b中實(shí)線所示。⑵uI由同相輸入端輸入,UREF由反相輸入端輸入,其傳輸特性如圖3-20b中虛線所示。⒉滯回電壓比較器圖3-24滯回比較器a)電路b)傳輸特性⑴有二個(gè)閾值:①②⑵輸入電壓上升和下降時(shí),運(yùn)行路徑不同:①輸入電壓uI從低→高變化時(shí),輸出電壓uO沿圖3-24b傳輸特性中的abcef路徑,即uI需上升到UTH1時(shí),輸出電壓uO從+UZ→-UZ。②輸入電壓uI從高→低變化時(shí),輸出電壓uO沿圖3-24b傳輸特性中的fedba路徑,即uI需下降到UTH2時(shí),輸出電壓uO從-UZ→+UZ。3.3.2方波發(fā)生器⒈方波發(fā)生器⑴工作原理圖3-26方波發(fā)生器a)電路b)波形⑵振蕩周期⒉矩形波發(fā)生器改變電容C充放電時(shí)間常數(shù),可使方波變?yōu)榫匦尾?,調(diào)節(jié)Rf1、Rf2,即可調(diào)節(jié)矩形波占空比。圖3-27矩形波發(fā)生器3.3.3有源濾波器⒈濾波器的基本概念②高通濾波器⑴濾波器功能⑵有源濾波和無源濾波⑶低通濾波器和高通濾波器①低通濾波器圖3-30RC無源低通濾波器a)RC電路b)幅頻特性圖3-31RC無源高通濾波器a)RC電路b)幅頻特性圖3-32帶通和帶阻濾波器幅頻特性a)帶通濾波器b)帶濾阻波器④帶阻濾波器③帶通濾波器⑷濾波器的傳遞函數(shù)①無源RC低通濾波器的傳遞函數(shù):其中f0稱為高通濾波器的上限截止頻率。②無源RC高通濾波器的傳遞函數(shù):其中f0稱為高通濾波器的下限截
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