第二章： 微电子与电力电子器件

uo uo uo
R3 RF RF (1 ) ui 2 ui 1 R1 R2 R3 R1
RF + ui1 + ui2 R2 – – ①一般：
② 如果取 R1 = R2 ，R3 = RF
+ uo –
R1
– + + R3

R3 RF RF uo (1 ) ui 2 ui 1 R1 R2 R3 R1
动画
i1 R1
R2
– +

因 i+=i-=0 , u+=u-=0 ， 有 i1 = if ，而
+ uo –
1 uo uc CF
1 uo ui dt R1CF

+
ui i1 R1
1 iF dt R1CF
u dt
i
若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，则 1 Ui U OPP uo u d t t ( 0 t t1 ) t1 R1C F i R1C F R1C F Ui +Ui
其周期T=1 / f =10ms ,由此可画出uo和ui的波形图，
u1(mv)
5
0
-5
5
10
15
20
t (ms)
uo(v)
2.5
0
-2.5
5
10
15
20
t (ms)
u1(v)
4
0
-4
uo(v) 0
（2）若输入信号为100Hz,峰值为±4V的矩 形波，试画出ui和uo的波形。 解（2） f=100Hz， 仍有 T=10ms,当 t(ms) 5 10 15 20 ui=+4v时和 ui=-4v时，积分 时间各为5ms， 在5ms内积分值 5 10 15 20 t(ms) 为： |uo|=|-500uit|=

3.差动输入电路 RF + ui1 + ui2 R2 – – R1
分析方法1：
– + + R3

+ uo –
R3 u ui 2 R2 R3
因 u+=u- ，所以：
R3 RF RF uo (1 ) ui 2 ui 1 R1 R2 R3 R1

u ui 1 uR 1 uo ui 1 ui 1 R1 R1 RF
-UOPP
Ui iF R1 积分饱和 这与阻容串联电路在阶跃电压作 用下充电电流以指数曲线减少不同。
2.当 t ≥ t1时，运放工作在饱和区， uo=±UOPP 。
输出电压随时 间线性变化τ=R1CF
if
+ ui – i1 R1 R2
uC C + – F
– +

+
例：在积分电路中，若 R1=10KΩ，R2=10KΩ， C=0.2μF，（1）若输入信号为 + 100Hz,峰值为5mV的正弦波， uo – 试画出ui和uo的波形。
t
dui uo RF i F RF C1 dt
随着电容C的充电 uo 衰减为0
微分运算电路
if RF i1 C1 + ui – R2 – +


2. ui= -UI ui
O
+
uo –
+
t
–Ui uo
dui uo RF C1 dt
O
t
比例-微分运算电路 —PD调节器
uo RF if
典型集成运算放大器μ A741分析
μ A741是属于第二代集成电路中有代表性的产品它内部有 19个晶体管，2个二极管，9个电阻，电路由四部分组成： 输入级、偏置电路、中间放大级、输出级。
② ③
输入级
T1~T8
中间级
T13T16T17
输出级
T14T15T18T19
⑥
偏置电路
T9~T12
输入级采用带恒流源的差动放大电路，输入电阻 高；输出级采用互补对称电路，输出电阻低，带负载 能力强。整个电路差模电压增益高，共模抑制比高。
2. 运放工作在饱和区的特点
uo
+Uopp
O
u +– u –
饱和区 –Uopp
当运放处于开环工 作状态或引入了正反馈 时，工作在饱和区。此 时， uo = Aod（u+– u–) 线性关系不再成立。
(1) 输出电压uo只有两种可能, +Uopp 或–Uopp ： 当 u+> u– 时， uo = + Uopp u+< u– 时， uo = – Uopp (2) 由于rid→∞，仍然有： i+=i-≈0
-10
|-500×4×5×10-3|=10V
下图为比例-积分运算电路。 C if F RF + ui – i1 R1 R2
ui 因i f i1 , u 0, 所 以 R1 uo ( RF if uC )
1 ( RF i1 i1dt ) CF RF 1 ( ui ui dt ) R1 R1CF
ui1 ui2 ui3
ii2 Ri2
ii3 Ri3
·
R2
– +

平衡电阻： R2= Ri1 // Ri2 // RI3∥RF

+
uo ( ui1 ui 2 ui 3 )
可实现加法运算，但注 意相位相反。

2. 模拟运算电路

积分电路 微分电路
5. 积分运算电路
if + ui – uC C + – F
1. 反相放大电路
if + ui – RF – +


i1 R1 i–
R2 i+
+
+ uo –
输入电压 ui 经R1 从反相输入端对地输 入，同相端经R2接地， RF为反馈电阻，跨接 于输出端与反向输入 端之间。
R2为平衡电阻 ，为保证运放输入级的对称性， 取 R2 = R1 // RF 由后述计算可知，R2 与运算公式无关 。
1. 运放工作在线性区的特点
u– u+ i– ∞ – + i+ +
uo
当 |uo |<Uopp时，输入电压和输 出电压有线性关系： uo = Aod（u+– u–)
+Uopp
O

理想运放工作在线性区有两个 uo 重要特点： (1）由于开环差模增益 Aod →∞ ，而输出电压uo为 u+– u– 有限值，有u+-u-≈0 ， 即 u+=u- ， (2) 由于差模输入电阻 线性区 rid→∞ ,输入电流约等于 0 –Uopp 即 i+=i-≈0，
μ A741的外部接线图及管脚图：
＋15V
8 7 2 6 3 5 4
反相输入端
（－）
∞
2 μ A741 6 3 1 5 4
∆
7
1
μ A741
（＋）
同相输入端
输出端 μ A741为8脚双 列直插式芯片， ⑧脚为空脚。
－15V
调零电位计
运算放大器的分析方法
在一般分析计算中，都将集成运算放大器 看成理想运算放大器，即将集成运算放 大器的各项技术指标理想化。即认为： 1开环电压放大倍数 Aod ； 2差模输入电阻 rid ； 3输出电阻 ro 0 ； 4共模抑制比 KCMRR
u uo uo if RF RF
负号表示输 入输出反相。
2. 同相输入电路
（1）电路组成 iF i1 R1 + ui – R2 u–
（2）电压放大倍数
RF

因 i+=i- =0,
所以 i1=iF ， u-=u+ =ui ， 而： R1 u uo R1 RF 注意，同相输入时，反 相输入端不“虚地” 。 RF uo (1 )ui R1
分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相 比例运算电路的叠加。 RF RF R1 uo ui 1 + R1 + u+ – + uo RF + + u i1 (1 uo )u ui2 R2 R – R1 3 – – R3 RF (1 ) ui 2 R1 R2 R3
– +

上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分 这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以 保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF， 可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的 要求。

+
+ uo –
比例-积分运算电路
+Ui
O
当输入为阶跃电压ui=Ui时，
ui t
电压放大倍数 if
因 i += i – = 0 ， 所以 i1 if ，
RF
– +

i1
+ ui –
R1
i–
因 u–=u+ ，而u+= - i+R2 ，
+ + uo – 所以 u-≈0 ，称为反相输入 端“虚地”，这是反相输入 的重要特点。所以：
R2 i+
ui u ui i1 R1 R1
③ 如 R1 = R2 = R3 = RF
这时又称减法器。

输出与两个输入信号 的差值成正比。
动画
画
4.加法电路
ii1 Ri1 if R F
因 i+= i– = 0 ，u–= u+= 0 所以 if = ii1+ ii2+ii3
ui1 ui2 ui3
ii2 Ri2
ii3 Ri3
·
R2
– +

平衡电阻： R2= Ri1 // Ri2 // RI3∥RF
t1 t
RF 1 uo ( ui R1 R1C F
u dt )
i
uo
RF Ui R1 -UOPP
O
Ui t RF ( ui ) R1 R1C F
积分饱和
RF t 0时 ，uo Ui R1
Ui t RF 0 t t1时，uo ( ui ) R1 R1C F
O
1. u =+ U i i ui
线性积分时间
ui uo t t1 t
O
2. ui= -Ui t
-Ui UOPP
O
O
uo
-UOPP
输出电压随时 间线性变化τ=R1CF
t
积分饱和
t1
1. 当 ui= Ui 时，则在线性区有
+Ui
O
ui t
t1 t
Ui uo t R1C F
uo
O
uo与 t 成线性关系，这是 由于反馈电容C在这种情况下 以近似恒流充电的缘故，
解：先写出uo和ui的输出表达式， 1 1 uo ui dt u dt 500 ui dt 3 6 i R1C F 10 10 0.2 10
（1）因 f=100Hz , 则
3
ui 5 10 sintV
3
uo 500 (5 10 sin t )dt 2.5 cos tV
– u++
+
+ uo –
平衡电阻R2=R1//RF
uo RF Auf 1 ui R1
RF
R1 – + +

特例：

+ ui –
R2
+ uo –
当 R1= 且 RF = 0 时，
uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器或同号器。
+ ui –
– + +

+ uo –
由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。

+
+ uo –
uo=－ＲFif ，所以
RF RF RF uo ( ui 1 ui 2 ui3 ) Ri 1 Ri 2 Ri 3
动画
反相求和 ii1 Ri1 if R F
RF RF RF uo ( ui 1 ui 2 ui3 ) Ri 1 Ri 2 Ri 3
可实现比例加法运算 + 当Ri1 =Ri2 =Ri3=RF=R uo – 时，
输出电压随时 间线性变化τ=R1CF
t t1时，uo UOPP
6 微分电路
if RF ic C1 + ui – R2
动画
1. ui=+Ui ui t uo
dui 很大 t=0时 dt
+Ui – +


+
+ uo –
O
因u-=0, ic = if ,
uo产生较大跃变
O
duc dui ic C1 C1 dt dt
iC C1 iRR1 R2
if RF – +

if iR iC ui dui C1 R1 dt

+ ui –
+
uo –
+
RF dui uo ( ui RFC1 ) R1 dt
第二章： 微电子与电力电子器件
山东科技大学
机械电子装置中的电子器件

一、集成电路与电子器件



模拟IC： 处理模拟信号 数字IC： 处理数字信号 功率电子器件IC SSI->MSI->LSI->VLSI->ULSI

二、电子器件的应用
第一节：模拟器件的使用

一、模拟器件在机械电子装置中的作用

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
信号放大 模拟运算 信号变换 功率放大 调制与解调 滤波 稳压 提供基准电压波形
二、电路的种类Fra Baidu bibliotek功能

1. 运算放大器的基本放大电路



反相放大电路 同相放大电路 差动放大电路 加法电路
集成运算放大器：OP AMP 集成运算放大器是一种采用多级直接耦合的高放 大倍数的放大电路，它既能放大缓慢变化的直流信号， 又能放大交流信号。用运算放大器及其反馈网络，可 以组成多种运算电路，模拟数学运算，还广泛用于信 号处理、波形发生等电路中。