第12章 运算放大器
微型计算机原理及应用第12章AD及DA转换
31
编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量 化电平的整数倍)用二进制数码、BCD码或其他 码来表示。 至此，即完成了A/D转换的全过程，将 各采样点的模拟电压转换成了与之一一对应的 二进制数码。
32
实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、 双积分法及电压频率转换法等。 . 逐次逼近法A/D转换器 逐次逼近法A/D转换是一个具有反馈回路的闭路系 统。A/D转换器可划分成3大部分：比较环节、控制环节 、比较标准(D/A转换器)。 下 图就是逐次逼近法A/D转换器的原理电路。其主 要原理为：将一个待转换的模拟输入信号VIN与一个“推 测”信号V1相比较，根据推测信号是大于还是小于输入 信号来决定减小还是增大该推测信号，以便向模拟输入 信号逼近。推测信号由D/A变换器的输出获得，当推测 信号与模拟输入信号“相等”时，向D/A转换器输入的 数字即为对应的模拟输入的数字。 33
17
2.1 8位数模转换器DAC0832 例2 用DAC0832控制绘图仪 X-Y绘图仪由X、Y两个方向的电机驱动，其中一个电
机控制绘图笔沿X方向运动,另一个电机控制绘图笔沿Y方 向运动，从而绘出图形。因此对X-Y绘图仪的控制有两点 基本要求：一是需要两路D/A转换器分别给X通道和Y通道 提供模拟信号，二是两路模拟量要同步输出。
28
29
保持
所谓保持，就是将采样得到的模拟量值 保持下来，即是说，s(t)=0期间，使输出不是 等于0，而是等于采样控制脉冲存在的最后瞬 间的采样值。可见，保持发生在s(t)=0期间。 实际中进行A/D转换时所用的输入电压，就是 这种保持下来的采样电压，也就是每次采样结 束时的输入电压。
30
量化和编码
stack segment stack stack dw 32 dup(0) ends segment proc far assume ss：stack，cs：code „„ MOV DX，380H INC AL OUT DX，AL PUSH AX MOV AH，11 ；11号功能调用 INT 21H CMP AL，0 ；有键入AL=FFH，无键入AL=0 POP AX JE AGAIN ；无键入继续 ret endp ends end start
第12章 共射极放大电路
iC iB ( I BQ ib ) I BQ iB I CQ ic uCE U CEQ uce
uBE U BEQ ui
四、静点工作点的选择与波形 失真 当放大电路静态工作点设置不得当时，会造成放大电路的波
形失真，本节通过实验来观察波形失真的现象。 （一）操作 1．框图：
3．现象：
（1）由于静态工作点已经调整适当，此时观察到的波形图 并无失真。
（2）通过两个信号输入调节旋钮 YA 和 YB 上标示的电压刻 度（V / 格）以及荧光屏上的波形幅度可以测出输入电压和输出 电压的幅值，并可以算出放大器的电压放大倍数。 （3）两波形的相位相差为 180，这是单管发射极放大电 路的倒相作用。
结论 （1）共发射极单管放大电路的输出波形的正半周（波形上 半周）出现平顶，是截止失真；若输出波形的负半周（即波形 下半部）出现平顶，是饱和失真。
（2）出现失真的原因：
Q 点设置不当，应调整放大管基极偏置电阻，使静态工作 点处于适当的位置。
3．双向失真 （1）现象 Rb适中，输出波形无失真，增大信号源 的电压幅度，使放大器的输入信号增大，这 时输出电压信号波形的上、下部分都出现平 顶，同时产生了饱和失真和截止失真——称 为双向失真，如图所示。 （2）原因
由晶体管的放大原理有：
再根据直流通路可得
二、共发射极放大电路
[例1] 在下图中，设 UE = 12 V，Rb = 200 k，Rc = 2.4 k， = 50，试计算静态工作点。 解：根据静态工作点计算公式
Ib
U E U BEQ Rb
UE 12 A 60 μA 3 Rb 20010
输入信号的电压幅度太大，在信号的正半造成饱和失真， 负半周造成截止失真。
第12章运算放大器
电工电子技术
第12章
运算放大器
集成运放的种类
（1）通用型。性能指标适合一般性使用，其特点是电 源电压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如 CF741 等。 （2）低功耗型。静态功耗≤2mW，如 XF253 等。 （3）高精度型。失调电压温度系数在 1μ V／℃左 右， 能保 证 组成 的 电路 对 微弱 信号 检 测的 准 确性 ， 如 CF75、CF7650 等。 （4）高阻型。输入电阻可达 1012 Ω ，如 F55 系列等。 还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手 册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。
由此可得：
R 1 F u i uo R1
输出电压与输入电压的相位相同。
电工电子技术
第12章
运算放大器
－ ui +
∞
+ uo
同反相输入比例运算电路一样，为 了提高差动电路的对称性，平衡电 阻 R p R1 // R F 。 闭环电压放大倍数为： uo RF Auf 1 ui R1 可见同相比例运算电路的闭环电压 放大 倍 数 必定 于 或等 于u 1 。 当 大 Rf 0 R1 uo i 或 时， ，即
电工电子技术
第12章
运算放大器
12.3.3 同相输入运算放大电路的分析方法
1、同相比例运算电路
根据运放工作在线性区的两条分析 依据可知： i1 i f ， u u u i 而
ui 0 u i1 R1 R1
+ uo
if R1 i1 ui Rp
RF
－ +
∞
Δ
u u o ui u o if RF RF
RF uo (u i 2 u i1 ) R1
最新半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)第1章 集成电路的基本制造工艺1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r ，其图形如图题2.2所示。
提示：先求截锥体的高度up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： ba ab WL Tr c -•=/ln 1ρ ， 212••=--BL C E BL S C W L R rba ab WLTr c -•=/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。
2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。
给出设计条件如下：答： 解题思路⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图①先画发射区引线孔；②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边； ⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。
【电工学期末考试习题】第12章 集成运算放大器 习题参考答案
第12章 集成运算放大器 习题参考答案一、填空题：1. 理想运放同相输入端和反相输入端的“虚短”指的是 同相输入端与反相输入端两点电位相等，在没有短接的情况下出现相当于短接时的现象。
2. 将放大器 输出信号 的全部或部分通过某种方式回送到输入端，这部分信号叫做 反馈 信号。
使放大器净输入信号减小，放大倍数也减小的反馈，称为 负 反馈；使放大器净输入信号增加，放大倍数也增加的反馈，称为 正 反馈。
放大电路中常用的负反馈类型有 并联电压 负反馈、 串联电压 负反馈、 并联电流 负反馈和 串联电流 负反馈。
3. 若要集成运放工作在线性区，则必须在电路中引入 负 反馈；若要集成运放工作在非线性区，则必须在电路中引入 开环 或者 正 反馈。
集成运放工作在线性区的特点是 输入电流 等于零和 输出电阻 等于零；工作在非线性区的特点：一是输出电压只具有 高电平、低电平两种稳定 状态和净输入电流等于 零 ；在运算放大器电路中，集成运放工作在 线性 区，电压比较器集成运放工作在 非线性 区。
4. 集成运放有两个输入端，称为 同相 输入端和 反相 输入端，相应有 同相输入 、 反相输入 和 双端输入 三种输入方式。
5. 放大电路为稳定静态工作点，应该引入 直流 负反馈；为提高电路的输入电阻，应该引入 串联 负反馈；为了稳定输出电压，应该引入 电压 负反馈。
6. 理想运算放大器工作在线性区时有两个重要特点是“虚短”和 “虚断” 。
三、选择题：（每小题2分，共16分）1.集成运算放大器能处理（ C ）。
A 、直流信号；B 、交流信号；C 、交流信号和直流信号。
2. 为使电路输入电阻高、输出电阻低，应引入（ A ）。
A 、电压串联负反馈；B 、电压并联负反馈；C 、电流串联负反馈；D 电流并联负反馈。
3. 在由运放组成的电路中，运放工作在非线性状态的电路是（ D ）。
A 、反相放大器；B 、差值放大器；C 、有源滤波器；D 、电压比较器。
(射频功率放大器)第12章射频信号功率检测控制电路
基于RFID技术的功率检测系统设计
总结词
RFID技术利用射频信号进行非接触式通信 ，适用于远距离和快速读取标签信息。
详细描述
基于RFID技术的功率检测系统通过读取标 签的响应信号，利用RFID阅读器测量射频 信号的功率。该设计适用于需要快速、远距 离检测射频信号功率的场景，如物流、仓储 管理等。
基于智能天线的自动增益控制设计
总结词
智能天线能够自动调整信号的接收方向和增 益，提高通信质量和抗干扰能力。
详细描述
基于智能天线的自动增益控制设计通过智能 天线对射频信号进行定向接收和自动增益调 整，实现射频信号功率的自动检测和控制。 该设计能够提高通信系统的性能和稳定性，
适用于移动通信、卫星通信等领域。
基于FPGA的数字功率控制电路设计
总结词
FPGA具有高度的可编程性和并行处理能力，适用于实现 复杂数字控制逻辑。
详细描述
基于FPGA的数字功率控制电路通过接收数字控制信号， 利用FPGA实现数字控制逻辑，驱动功率放大器调整射频 信号的输出功率。该设计具有高精度和快速响应的特点 ，适用于需要精确控制射频信号功率的应用场景。
历史与发展趋势
历史
射频信号功率检测控制电路的发展经历了从模拟电路到数字电路、从单一功能到多功能集成的发展过 程。
发展趋势
随着电子技术和计算机技术的不断发展，射频信号功率检测控制电路正朝着高精度、高稳定性、智能 化和集成化的方向发展。未来，随着5G、6G等新一代无线通信技术的普及，其应用前景将更加广阔 。
射频信号功率检测控制电路设计实例
基于运算放大器的功率检测电路设计
总结词
运算放大器具有高放大倍数和低输入阻抗的特点，适用于对微弱信号进行放大和检测。
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
(1)当 时，欲使 =0.3V，驱动管应取何尺寸?
答：
7.2有一E/D NMOS反相器，若 =2V, =-2V, =25, =5V。
(1)求此反相器的逻辑电平是多少?
答：
第8章MOS基本逻辑单元
复习思考题
8.2图题8.2为一E/D NMOS电路。
(1)试问此电路可实现何种逻辑运算?
第13章集成运算放大器
13.2对于图题13.2所示差分对，设 =100, =0.7V，试求其 和 。
答：
9.5
13.4图题13.4为一个级联射耦对放大器，设 时， , , 。求：
(1) , 及 ；
(2) 和 (若 , )。
答：(1)
(2)
13.5已知射耦对差分放大器电路如图题13.5所示，晶体管的 ， ，试求当 =130mV时的 值。
所示。
提示：先求截锥体的高度
-
然后利用公式： ，
注意：在计算W、L时,应考虑横向扩散。
2.3伴随一个情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大?
答：当横向PNP管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA的电流负载下
由 画出隔离槽的四周；
验证所画晶体管的 是否满足 的条件，若不满足，则要对所作
的图进行修正，直至满足 的条件。（ 及己知
）
第3章集成电路中的无源元件
复习思考题
3.3设计一个4kΩ的基区扩散电阻及其版图。
试求：(1)可取的电阻最小线宽 =?你取多少?
答：12μm
(2)粗估一下电阻长度，根据隔离框面积该电阻至少要几个弯头?
电子电路中复习试卷
第10章电子电路中常用的元件习题参考答案一、填空题：1. PN结的单向导电性指的是PN结正向偏置时导通，反向偏置时阻断的特性。
2. 硅晶体管和锗晶体管工作于放大状态时，其发射结电压U BE分别为0.7V 和0.3 V。
3. 晶体三极管有两个PN结，分别是发射结和集电结，分三个区域饱和区、放大区和截止区。
晶体管的三种工作状态是放大状态、饱和状态和截止状态。
4. 一个NPN三极管发射结和集电结都处于正偏，则此三极管处于饱和状态；其发射结和集电结都处于反偏时，此三极管处于截止状态；当发射结正偏、集电结反偏时，三极管为放大状态。
5. 物质按导电能力强弱可分为导体、绝缘体和半导体。
6. 本征半导体掺入微量的三价元素形成的是P型半导体，其多子为空穴。
7. 某晶体三极管三个电极的电位分别是：V1＝2V，V2＝1.7V，V3＝－2.5V，可判断该三极管管脚“1”为发射极，管脚“2”为基极，管脚“3”为集电极，且属于锗材料PNP型三极管。
8. 稳压管是一种特殊物质制造的面接触型硅二极管，工作在特性曲线的反向击穿区。
二、判断题：1.在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
（对）2. 二极管两端加上正向电压就一定会导通。
（错）3. 用万用表测试晶体管好坏时，应选择欧姆档中比较大的量程。
（错）4. PNP管放大电路中，U CC的极性为负，说明发射结反偏，集电结正偏。
（错）5. 晶体管可以把小电流放大成大电流。
（对）6. 晶体管可以把小电压放大成大电压。
（错）7. 晶体管可用较小电流控制较大电流。
（对）8. 如果晶体管的集电极电流大于它的最大允许电流I CM，则该管被击穿。
（错）9. 二极管若工作在反向击穿区，一定会被击穿。
（错）三、选择题：1. 处于截止状态的三极管，其工作状态为（B）。
A、发射结正偏，集电结反偏；B、发射结反偏，集电结反偏；C、发射结正偏，集电结正偏；D、发射结反偏，集电结正偏。
2. P型半导体是在本征半导体中加入微量的（ A ）元素构成的。
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uI
跟随器
–– ++
++
uo
uO uI
同相比例运算主要特点：
（1）输入与输出信号同相。
（2）输入电阻大，输出电阻小。 （3）存在共模输入信号，对 KCMR 的要求高。 例12.3 如图所示电路，计算输出电压uo 的大小。
15V
7.5kΩ
u+
15kΩ
–– ++
++
15kΩ
解：该电路是一电压跟随器。
3. 反相积分电路
iF
uI R1
i1
Cf
u- –– u+ ++
++
R
当uI为阶跃uu电oI 压时Ru，1ICt则f
+
U
–uo
0
uo
t
iu1 oRuI1R1=1C
iF
f
C
uIdt
duO dt
0
t
UOM
uo随时间线性
R1 Cf 称为积分时间常数。
下降，最后达 到负饱和值。
iF
R2
–– ++
++
+ uo –
uo
UOM
o
–UOM
UREF
ui
若ui为正弦波，画出uo的波形。
ui
ui
1V
o
to
t
UOMuo
o
–UOM
UREF = 0
UOuMo
to
t
–UOM
UREF = 1V
在输出端与反相输入端接一个双向稳压管 ， 即可把输出电压限制在某一特定值。
R1
DZ
+ ui –
R2
–– ++
R2 Rf UREF
–UOM 滞回特性
设u+电：路上输门出限为电U平OM时可改变设参电考路电输压出改为变 U门OM限时电平 uΔu u ：RRuf2下U R门REFuf限 电RR：22平U回OR差Mf 电压u（ 改RR变f2URRR2ERFf f改R变R2 (2回U差ROfM）)
–– ++
u+
++
uo
o
ui u u uO Audui Aud (u u )
Aud 很大
UO负饱和区
实际运放电
当 ui 很小时，运放工作
在线性区。
压传输特性
UO- 、UO+为负、正饱和电压。
uo 正饱和区
UO+
u–
–– ++
u+
++
uo
o
ui u u uO Audui Aud (u u )
（1）取 R1 10kΩ 为信号源内阻的20倍。
（2） Rf 50R1 500kΩ （3）R R1 // Rf 9.8kΩ
（4） 运放采用LM741，10V对称电源供电。
（5）Rf2 R12 50kΩ （6）R2 R12 // Rf2 25kΩ
2. 反相加法运算电路
12.1 集成运算放大器
12.1.1 集成运算放大器的基本组成 12.1.2集成运算放大器的主要参数
引言
集成电路: 把整个电路的各个元件以及相互之 间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个 不可分的整体。
集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、 可靠性高、灵活性高、价格低。
集成运算放大器：具有很高开环电压放大倍数 的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测 量技术、自动控制等领域。
12.2 理想集成运算放大器的分析方法
12.2.1 理想运算放大器 12.2.2 反相输入运算电路的分析方法 12.2.3 同相输入运算电路的分析方法 12.2.4 差分输入运算电路的分析方法 12.2.5 非线性电路的分析方法
12.2.1 理想运算放大器
在分析运算放大器的电
路时，一般把运算放大器看 u–
uI1 R1 uI2 R2
uI2
Rf R1
iF
i1
Rf
u- –– u+ ++
++
R3
uI1
+ –uo
当
R1
R2和 Rf R3 时，
则上式为
uO
Rf R1
(uI2
uI1 )
当 Rf R1 时，则得 uO uI2 uI1
例12.5 如图所示电路，是用运放构成的测量电路，
US 为恒压源，若 Rf是某个非电量（如压力或温度） 的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出
u+=7.5V
+ –uo
输出电压 uo=7.5V
由若uu2IIui21.1R同RRR2123=相uiRiiiF13加2可3 u法推ORu运出–+–+i-1FR算12fu++(O电1u路-+(–Ru1RRfou1f )OiRR(i2u2u1fiuI1)1(uRI(1iRuRRuu2R3R13II221u2u1)RIR1ui若31则uFRIR1IiR32再f3u)R2u(RuO有O2Ruu2=R-uR2IR2u2IRRf2RIf=u133R3+uuO)R3Iu21)RI23u
++
+ uo –
限幅电压比较器
当ui > 0时， uO = – UZ ui 0 时， uO = +UZ
uo
UZ
o
ui
–UZ
电压传输特性
2. 滞回比较器
滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电
路，广泛应用于自动控制电路中。
uI
R1 uu+
–– ++
++
+ uo
–
uo UOM
u o u+ ui
uO Rf
ri
uo
Rf R1
uI
i1
Rf
u- –– u+ ++
++
R
+ –uo
平衡电阻 R R1 // Rf
输入电阻:
ri
uI i1
R1
若 R1 Rf 则 uO uI
例12.1 有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500， 测量范围是（0~10）Mpa,其灵敏度是+1mV/ 0.1Mpa, 现在要用一个输入0V~5V的标准表来显示这个传感器 测量的压力变化，需要一个放大器把传感器输出的信 号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定 各元件参数。
1. 同相比例运算
iF
R1 i1
Rf
uI
u- –– R2 u+ ++
++
uo
u- u uI i1 iF
当 R1 = 时，
Rf
uI R2
–– ++
++
uo
或当R1 = ，Rf = 0 时 ，
uI uO uI ,
R1
Rf
uO
(1
Rf R1
)uI
平衡电阻 R2 = R1 // Rf
UO-
负饱和区
理想运放传输特性
理想运放 Aud 当 u u 时， uO UO
u u
uO UO
为了让运放工作在线性区，必须加负反馈， 限制其闭环电压放大倍数。
工作在线性区的理想运放
i+
1. u+= u（– 虚短）
u– i– –– ++
由于 Aud ,而uo是有限值,u+
++
uo
故从式 uO Aud (u u ),可知 (u u ) 0
相当于两输入端之间短路, 但又未真正短路，故
称 “虚短” 。 2. i+= i– = 0 （虚断）
运放开环输入电阻 rid
相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故
称 “虚断”。
注意：工作在饱和区的理想运放 uO Aud (u u )
3. 输入失调电流 IIO
UO = 0 时，输入级两输入端
的静态电流之差。
1 nA 0.1 A
4.差模输入电阻 r id 输出电阻 ro
几百千欧 几兆欧 几十欧 几百欧
5.共模抑制比 KCMR KCMR 20lg Aud (dB)> 80 dB Auc
6. 最大差模输入电压 UIdmax 两输入端间允许加的最大差模输入电压。Βιβλιοθήκη uO 与Rf 之间的关系式。
Rf + Rf
解：由差分运算电路的输
u整可o 理得(入1Ru、ofR输Rf Δ1RR出ΔΔR11关fRRURf系f )Sf R可U1S得RfR元f U输件S 出阻U+S–信值号变RR电化11 压量uuR与成-+f –+传正–+ 感比++。
+ –uo
12.2.5 非线性电路的分析方法
u
i1
iF
整理 可得
u
uI2 R3 R2 R3
uI1 u-
u- R1uO Rf
uo (1
i1 Rf ) R1
iF R3
R2 R3
uI1 R1 uI2 R2