集成电路原理与应用第二章

1、集成电路原理及应用集成电路原理及应用电子工业出版社电子工业出版社谭博学谭博学 主编主编 2.1 2.1 模拟集成电路的基本放大电路模拟集成电路的基本放大电路 2.2 2.2 积分电路积分电路 2.3 2.3 微分电路微分电路 2.4 2.4 集成仪器放大器集成仪器放大器 2.5 2.5 动态校零型斩波放大器动态校零型斩波放大器 运算放大器要完成放大功能必须加负反馈。运算放大器要完成放大功能必须加负反馈。不论信号输入方式如何都必须先构成负反馈。不论信号输入方式如何都必须先构成负反馈。根据输入信号方式不同，运放可构成反相端输根据输入信号方式不同，运放可构成反相端输入、同相端输入和双端输入三种基本组

2、态，即入、同相端输入和双端输入三种基本组态，即构成三种类型放大器。构成三种类型放大器。2.1 2.1 模拟集成电路的基本放大电路模拟集成电路的基本放大电路2.1.1 反相型放大器反相型放大器1.反相型放大器的理想特性反相型放大器的理想特性利用理想集成运放的条件：利用理想集成运放的条件：虚短虚短和和虚断虚断，即，即 闭环增益闭环增益为为 121122ioFRRIRIRUUA12FRRA即即 图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+ + + + + ui+ + uoR1R2i1i2iB-iB+u = u+ + ， iB = iB+ + (1)基本型反相放大器基本型反相放大器输入电压与输出电压

3、输入电压与输出电压之间的关系为之间的关系为 i12ouRRu或或 i12oURRU也称也称比例放大器。比例放大器。 当两个电阻的比值为当两个电阻的比值为1 1时，时，称为称为倒相器。倒相器。 等效输入电阻等效输入电阻为为 11111iieRIIRIUR等效输出电阻等效输出电阻为为 oe0R图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+ + + + + ui+ + uoR1R2i1i2iB iB+ + 反相放大器的闭环增益可大于反相放大器的闭环增益可大于1或小于或小于1，其值取决于反馈，其值取决于反馈网络的电阻比。网络的电阻比。(2)改进型反相放大器改进型反相放大器 目的：目的：提高输入电阻。提

4、高输入电阻。 闭环增益闭环增益为为 避免使用超过避免使用超过1M 的大电阻。的大电阻。 特点特点：满足了满足了 Ri = R1 不取大值；不取大值； ioFUUA )(1f3f2f1f2f11RRRRRR+ + + 用用T T型电阻网络代替型电阻网络代替R R2 2自举电路的反相放大器自举电路的反相放大器图图2-1-3 采用自举电路的反相放大器采用自举电路的反相放大器IIUIUR 1iiii11R RRR所谓自举：利用所谓自举：利用A2对对A1构成正反馈，是整个电路向信号源索构成正反馈，是整个电路向信号源索取的电流减小。取的电流减小。121i11ooVFUURAUUR 2212i22ooVFo

5、UURAUUR 221ii2oVFVFUAAUU2iioUUUIRRii1111iiUURRIIIURRRR分析分析Ad、Rd、Ro不为理想条件时等效电路不为理想条件时等效电路 图图2-1-4 考虑了考虑了Ad、Rd和和 Ro的反相放大器电路的反相放大器电路2132F11()1dddR RRRRARA R R+ )111 (dF0FAA+0212322312()ddodddoidddddUA UI RIIIUI RUIRUUI RIRUI R +dF0d1A FAA F+(1)反相放大器的实际闭环增益反相放大器的实际闭环增益式中式中 AF反相放大器的实际闭环增益反相放大器的实际闭环增益 AF0

6、反相放大器的理想闭环增益反相放大器的理想闭环增益 Ad集成运放的开环增益集成运放的开环增益 F实际反馈系数，一般实际反馈系数，一般F F0 F0理想反馈系数理想反馈系数 )()(111)()(dF0FsFsAsAsA+ + 结论：集成运放的开环电压放大倍数结论：集成运放的开环电压放大倍数Ad，差模输入电阻越，差模输入电阻越大，闭环电压放大倍数的误差越小。大，闭环电压放大倍数的误差越小。(2)反相放大器的实际等效输出电阻反相放大器的实际等效输出电阻图图2-1-5 输出电阻等输出电阻等 效计算电路效计算电路等效输出电阻等效输出电阻是在无是在无负载时输出开路电压负载时输出开路电压Uo除以短路电流除以

7、短路电流Ik kooeIUR 2ookRUREI + + )/()/(3d213d2iRRRRRRRUU+ + + + Uo Eo Ro Io)(3d3dRRURUA+ + Eo Ad(U U+ +) )()()()(od321o23dd1dd3213d2okooeRRRRRRRRRARRRRRRRRRRIUR+ + + + + + + + + + + + 若考虑若考虑Ro R2、Ro R1，则，则FARRdooe1+ + ooed1(j )ZZAF+ooed1RZA F+当用阻抗代替电阻时当用阻抗代替电阻时当信号频率当信号频率 R3 ，Rd (R2+ R0)/R1 同相放大器的同相放大器的优

8、点：输入电阻很高。优点：输入电阻很高。(3)等效输出电阻等效输出电阻表达式与反相放大器等效输出电阻表达式相同。表达式与反相放大器等效输出电阻表达式相同。理想运放时理想运放时 feoeRRURU+ + 由以上三式得输出电压与输入电压关系为由以上三式得输出电压与输入电压关系为 + + n1jjijefePn21o)/(RURRRRRRRU图图2-1-10 同相型加法器同相型加法器U+ U 11jjP1jjij)11)( + + + + nnRRRUU为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选择各电阻满足择各电阻满足 Re/Rf Rp/R1/Rn 。输出电压与输

9、入电压输出电压与输入电压关系变为关系变为 n1jjijfoRURU若取若取R1 R2 Rn R n1jijfoURRU特点：特点： 输出电压等于三个输入电压分别乘以不同比例系输出电压等于三个输入电压分别乘以不同比例系数之和，若改变其中一个电阻，则其他路传输系数数之和，若改变其中一个电阻，则其他路传输系数也随之改变，各输入信号之间有相互影响。也随之改变，各输入信号之间有相互影响。在输入端存在着较大的共模电压。在输入端存在着较大的共模电压。理想运放时理想运放时 i2434URRRU+ + + +o211i1212URRRURRRU+ + + + 当满足匹配条件当满足匹配条件 R3=R1、 R4=R

10、2 时时输入电压与输出电压输入电压与输出电压关系为关系为 )(i1i212oUURRU 图图2-1-11 差动放大器差动放大器优点：结构简单。优点：结构简单。缺点：输入电阻低，共模抑制能力差，增益调节不便。缺点：输入电阻低，共模抑制能力差，增益调节不便。分析分析Ad和和ACM对放大特性影响，其余条件均为理想对放大特性影响，其余条件均为理想CMdo)(21)(AUUAUUU + + + + + + 若取若取R1=R3，R2=R4再考虑到再考虑到AdF01，AdACMi2dCM12odi1i212o)111)(UAARRFAUURRU + + + 第一项为理想放大器的输出电压第一项为理想放大器的输

11、出电压 第二项为环路增益为有限值时引起误差电压第二项为环路增益为有限值时引起误差电压 第三项为共模增益引起误差电压第三项为共模增益引起误差电压 由理想运放基本条件由理想运放基本条件可导出以下关系式可导出以下关系式mRUURUUAi1 mRUURUUBi2 + + +nRUUpRRUUmRUUOABAA + + + 图图2-1-12 增益可调增益可调的差动放大器的差动放大器I1 I3 ，I2 I4 ，UA UB m(Ui2 Ui1 ) ， I3 I5 + + I6 ，)(11(2i1i2oUUpmmU + + + 通常选通常选 m n , , 所以所以当当m、n的的值选定后，只需调节值选定后，只

12、需调节(pR)一一个电位器即可调节差动放大器增益。个电位器即可调节差动放大器增益。 缺点：缺点：输入电阻不高；输入电阻不高； 增益与电位器阻值呈非线性关系。增益与电位器阻值呈非线性关系。 实用时，实用时，加补偿电加补偿电容容以提高以提高稳定性。稳定性。图图2-1-12 增益可调增益可调的差动放大器的差动放大器I7 I4 + + I5 ，nRUpRRUUmRUUBBAB + + + + + +)(12(i1i2oUUpmnnmU + + + + 在实际运放中，此电路可选择在实际运放中，此电路可选择uA709.第一级运放为第一级运放为同相放大器，同相放大器，其输出电压为其输出电压为i1o11Umm

13、U+ + 用叠加原理求第二用叠加原理求第二级运放的级运放的输出电压输出电压 因两个输入信号均从同相端输入，所以输入电阻因两个输入信号均从同相端输入，所以输入电阻比较高。比较高。 高输入阻抗差动放大器高输入阻抗差动放大器Uo (1 + + m)Ui2 mUo1 (1 + + m)(Ui2 Ui1)集成芯片可选用集成芯片可选用OP-200高精度双运放。高精度双运放。1.反相型积分器反相型积分器理想集成运放时理想集成运放时 (1)传输函数传输函数)()()()()()()(1122iosZsIsZsIsUsUsG RsCsZsZ1)()(12 sTsRC11 基本反相型积分器基本反相型积分器T=RC

14、T=RC，T T为积分时间常数为积分时间常数(2)频率特性频率特性幅频特性幅频特性 为幅频特性的交接频率。为幅频特性的交接频率。 相频特性相频特性RCUUA j1)j (io T1)j ( RCGRC1T 2)( (3) 输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系oi1( )( )du tu ttRC 图图2-2-2 基本积分基本积分器的幅频特性器的幅频特性图图2-2-3 基本积分基本积分器的相频特性器的相频特性(1)传输函数传输函数I1 + + I2 I3 即即oi341/()UUUUURRSC+SCRRRURUU+434o3i11o211URRRU+U+=U ，若满足电阻匹配条件，若

15、满足电阻匹配条件R1R4=R2R3，例如选取，例如选取R3=R1，R4=R2，则可导出，则可导出理想传输函数理想传输函数为为：sRCsG1)(2112RRRR+图图2-2-4 基本基本同相型积分器同相型积分器(2)频率特性频率特性oi(j )UAU其中，其中，幅频特性幅频特性为为( )(j )GGRC1T为幅频特性的交接频率为幅频特性的交接频率 式中式中 相频特性相频特性为为2)(3)输出电压与输入电压输出电压与输入电压关系关系oi12( )( )du tu ttRC1j RCT1RC(1)传输函数传输函数oi2i1( )( )( )( )UsG sUsUs取取R1=R2=R，C1=C2=C，

16、即，即满足匹配条件时有：满足匹配条件时有：(2)输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系 oi2i11( )( )( )du tututtRC1( )G ssRC图图2-2-5 差动型积分器差动型积分器uo+ + + +AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I12.2.2 2.2.2 U UOSOS、I II IB B及其漂移对积分电路的影响及其漂移对积分电路的影响输出电压输出电压为为 oosBosi111ddduu tUtItURCRCC + 措施：选用输入失调电压、输入偏置电流较小的措施：选用输入失调电压、输入偏置电流较小的运放。运放。图图2-2-6 考虑了考虑了Uos、 IIB 的的

17、 积分电路积分电路11111os()fIBiofiiIUUiRd UUiCdtUU+集成运放的开环频率特性为集成运放的开环频率特性为000000011)(TsTAsAsA+T0是集成运放的时间常数是集成运放的时间常数 A0是低频增益是低频增益 当当A01, RCT0时，时，) 1)(1()(0000+RCsAsATAsG理想积分电路在实轴上仅有一个位于原点的极点，理想积分电路在实轴上仅有一个位于原点的极点，增益和带宽为有限值积分电路在实轴上有两个极点。增益和带宽为有限值积分电路在实轴上有两个极点。 积分电路的传输函数为积分电路的传输函数为 图图2-2-7 2-2-7 积分电路的频率特性积分电路

18、的频率特性 实际积分器在实际积分器在低频低频范围内，因集成运放范围内，因集成运放开环增开环增益是有限值益是有限值；在；在高频高频范围内，因范围内，因带宽又是有限值带宽又是有限值，所以都是所以都是不理想不理想情况。情况。图图2- -2- -8 积分电路的瞬态响应积分电路的瞬态响应实用中，为获得理想积分特性，积分响应在远小于实用中，为获得理想积分特性，积分响应在远小于RC时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。 实际积分电路对阶跃信号的瞬态响应特性实际积分电路对阶跃信号的瞬态响应特性产生保持误差的原因是：集成运产生保持误差的原因是：集成运放和积分电容某些

19、特性。放和积分电容某些特性。如如开环增益的不稳定，会使积分开环增益的不稳定，会使积分电路固定输出电压产生波动；电路固定输出电压产生波动；影响保持误差的影响保持误差的主要因素是积分电容主要因素是积分电容，所以要根据，所以要根据实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。 图图2-2-9 积分电积分电路路的保持误差的保持误差有限值有限值A0和输入电阻产生的泄和输入电阻产生的泄漏电流使积分电容器电压泄放；漏电流使积分电容器电压泄放；电压和电流的漂移。电压和电流的漂移。 图图2-2-10 比例比例积分电路积分电路输出电压输出电压为为 2oii111dRuu tuRC

20、R 输入失调电压和输入失调输入失调电压和输入失调电流产生的电流产生的误差电压误差电压为为 oos11duUtRCuo+ + + +AR3R1R2Cuios1dItC+2osos11RUI RR+oi111duutR C 电路的各时间常数是分别确定的，它可用电路的各时间常数是分别确定的，它可用于对两个以上的输入信号积分相加。于对两个以上的输入信号积分相加。输出电压输出电压为为 图图2-2-11 求和求和积分电路积分电路uo+ + + +ARR2R1Cui2R3ui1ui3i221dutR Ci331dutR C输出电压输出电压为为 oi224duu tR C 由输入失调电压和输入失由输入失调电压

21、和输入失调电流产生调电流产生误差电压误差电压为为 oosososos2222444ddduUtUItItR CR CC+图图2-2-12 重积分电路重积分电路uo+ + + +A2RRRC/2uiC/2R/2C理想传输函数理想传输函数为为 oi( )( )( )U sG sU s幅频特性幅频特性为为 T(j )GRCRC1T为幅频特性的交接频率为幅频特性的交接频率 2.3 微分电路微分电路频率特性频率特性为为 oi(j )jUARCU 2.3.1 基本微分器及其理想微分特性基本微分器及其理想微分特性图图2-3-1 基本微分器基本微分器式中式中 T=RC 为微分时间常数为微分时间常数 sRC s

22、T相频特性相频特性为为 2)(图2-3-2 基本微基本微分器的幅频特性分器的幅频特性图图2-3-3 基本微基本微分器的相频特性分器的相频特性输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系iod ( )( )du tu tRCt 缺点：缺点：稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。2.3.2 微分器的实际微分特性微分器的实际微分特性1.1.实际频响特性实际频响特性传输函数传输函数为为 Ad(s)增益函数增益函数 F(s)反馈函数反馈函数 实际微分运算电路，所使用的运放并非理想运放，其实际微分运算电路，所使用的运放并非理想运放，其开环电压放大倍数、通频带和输入

23、电阻都是又有限值，开环电压放大倍数、通频带和输入电阻都是又有限值，因此会给运算带来误差和不良影响。因此会给运算带来误差和不良影响。0d0020d1)()()(1)()()(TTAsTTTTsTTAsTsFsAsFsAsRCsGdd+二阶振荡环节的二阶振荡环节的传输函数传输函数 0d0020d21)(TTAsTTTTsTTAsG+2222222)2()()(nnnG+幅频特性幅频特性 n特征角频率特征角频率阻尼系数阻尼系数图图2-3-4实际微分器的幅频特性实际微分器的幅频特性直线直线1为为理想微分特性理想微分特性 曲线曲线2为为二阶振荡环节二阶振荡环节 曲线曲线3为为实际微分器的幅频特性实际微分

24、器的幅频特性 曲线曲线4为为运放开环增益的幅频特性运放开环增益的幅频特性 nnn假设假设输入电压输入电压为负斜坡电压为负斜坡电压 ui(t) at (t0) 理想的理想的输出响应函数输出响应函数为为 saTsGsUsU)()()(io图图2-3-5 微分器对斜坡输入微分器对斜坡输入 电压的时间响应特性电压的时间响应特性曲线曲线1是是理想输出响应特性。理想输出响应特性。曲线曲线2是在理想的输出响应是在理想的输出响应aT上上迭加了迭加了一个衰减振荡响应。一个衰减振荡响应。 由拉氏反变换得由拉氏反变换得时时域输出响应域输出响应为为uo(t) 1Uo(s) aT (t0) 图图2-3-5 微分器对斜坡

25、输入微分器对斜坡输入 电压的时间响应特性电压的时间响应特性n11CjZi因此对于基本微分运算电路而言，不采取改善措施是无法完因此对于基本微分运算电路而言，不采取改善措施是无法完成微分运算的。成微分运算的。1.改进型的微分电路改进型的微分电路加入加入R1：消除自激，减小高频谐消除自激，减小高频谐 振峰。振峰。反馈电容反馈电容Cf：降低不必要高频增降低不必要高频增益。益。 传输函数传输函数为为 )1)(1 ()(1fCsRsRCsRCsG+假设假设 RC1T01111R CRC f111CR则则幅频特性幅频特性为为 20T)(1)(+G图图2-3-6 改进型的微改进型的微分电路分电路图图2-3-7

26、 改进型微分器改进型微分器 的幅频特性的幅频特性改进型微分器幅频特性改进型微分器幅频特性在在 时，其频响误差为时，其频响误差为 0%100)(2020T)(1)(+G2. 差动型的微分电路差动型的微分电路 传输函数传输函数为为 oi2i1( )( )( )( )U sG sUsUs频率特性频率特性为为 oi21(j )iUGUU图图2-3-9 幅频特性幅频特性式中：式中：T2=R2C , T1=R1C 当当 1时，增益为时，增益为 R2/R1，高于高于微分工作区增益微分工作区增益，为了降低其影响，为了降低其影响，可在两个电阻上并联小电容。可在两个电阻上并联小电容。 图图2-3-8 差动微分电路

27、差动微分电路21j1jR CRC+211sTsT+3.比例微分电路比例微分电路传输函数传输函数为为 oi( )( )( )U sG sU s图图2-3-10 比例微分电路比例微分电路2213()1sR CRsRCR +2.4 集成仪器放大器集成仪器放大器 集成仪器放大器又称集成仪表放大器，它是一集成仪器放大器又称集成仪表放大器，它是一种经过优化处理、专门设计的种经过优化处理、专门设计的精密电压模式放大精密电压模式放大器。器。凡是仪用放大器都有差动双端输入和一个单凡是仪用放大器都有差动双端输入和一个单端输出，它是一个闭环增益组件。其两个输入端端输出，它是一个闭环增益组件。其两个输入端的阻抗完全匹

28、配对称，且输入阻抗很大。的阻抗完全匹配对称，且输入阻抗很大。 仪用放大器的闭环增益仪用放大器的闭环增益由与输入端隔离内部由与输入端隔离内部反馈电阻决定反馈电阻决定，如果在其输入端输入信号，则增，如果在其输入端输入信号，则增益既可以内部预置又可以由用户通过引出脚外部益既可以内部预置又可以由用户通过引出脚外部设置或通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。设置或通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。2.4.1 集成仪器放大器的工作原理集成仪器放大器的工作原理1.基本仪器放大器电路基本仪器放大器电路2. 工作原理工作原理(1)当当Ui1单独作用单独作用， 即即Ui2 = 0时时 i1121o1URRRU

29、+i113o2URRU2.4 集成仪器放大器集成仪器放大器图图2-4-1 仪器放大器电路仪器放大器电路Ui2 = 0， UN = 0(2)当当Ui2单独作用单独作用(Ui1= 0)时时 i2121o2URRRU+ i212o1URRU (3)当当Ui1、Ui2同时作用时同时作用时 o1o1o1UUU+o2o2o2UUU+Ui1 = 0， UM = 0图图2-4-1 仪器放大器电路仪器放大器电路122i1i211RRRUURR+133i2i111RRRUURR+(4)仪器放大器的总输出电压及其增益仪器放大器的总输出电压及其增益当满足电阻匹配条件，即当满足电阻匹配条件，即 R5 = R4 , R7

30、 = R6 , R3 = R2 输出电压输出电压 6oo2o14()RUUUR仪器放大器仪器放大器增益增益为为 413216I)(RRRRRRA+通常选通常选 R2R6=R， 1I21RRA+只要只要调节调节R1 ，即可，即可改变改变AI，调节增益很方便。，调节增益很方便。 仪器放大器是具有高增益、高增益精度、高共仪器放大器是具有高增益、高增益精度、高共模抑制比、高输入电阻、低噪声、高线性度的集成模抑制比、高输入电阻、低噪声、高线性度的集成放大器；主要放大器；主要应用于小信号放大、遥控换能器放大应用于小信号放大、遥控换能器放大器、医用设备和仪器仪表等许多领域器、医用设备和仪器仪表等许多领域。6

31、123i2i114()()R RRRUUR R+所以所以 2.4.2 集成仪器放大器的特性及其应用集成仪器放大器的特性及其应用1. INA101超高精度集成仪器放大器超高精度集成仪器放大器(1)主要特点主要特点失调电压低：失调电压低：25 V 失调电压温漂小：失调电压温漂小：0.25 V/C 非线性小：非线性小：0.002 噪声小：噪声小：13nV/0Hz(1kHz)f 共模抑制比高：共模抑制比高：106dB（60Hz） 输入电阻高：输入电阻高：1010 (2)电路框图及其引脚电路框图及其引脚图图2-4-2 INA101G/INA101P功能框图与封装引脚功能框图与封装引脚(3) 应用时的连接

32、方法应用时的连接方法图图2-4-3 INA101基本应用基本应用电路电路输出电压输出电压为为 GIk401RA+Uo = AI (Ui2 Ui1 )外接外接RG调节增益：调节增益： （2 2）应用举例）应用举例心电信号放大电路心电信号放大电路 如图所示为实用的心电信号放大电路。心电信号由安置在如图所示为实用的心电信号放大电路。心电信号由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。在电极和人体间涂手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。其中上导电液，以减小接触电阻。其中R1R1、C1C1和和R2R2、C2C2用以预防电用以预防电极悬空而引入干扰信号。第二级

33、为同相比例放大，与极悬空而引入干扰信号。第二级为同相比例放大，与C6C6一起组一起组成低通滤波电路，这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后成低通滤波电路，这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后一级采用带阻滤波器，构成一级采用带阻滤波器，构成50Hz50Hz陷波器陷波器, ,减小工频干扰。减小工频干扰。2. LH0038/LH0038C精密集成仪表放大器精密集成仪表放大器(1) 基本特点基本特点 能够放大非常微弱的信号；能够放大非常微弱的信号； 能方便地将闭环增益由能方便地将闭环增益由100调至调至2000； 几乎可以完美地跟踪及有效地消除闭环增益几乎可以完美地跟踪及有效地消除闭环增益随温度的变化；随温度的变化； 有极好的共模抑制比、电源电压抑制比、增有极好的共模抑制比、电源电压抑制比、增益线性度以及非常低的输入失调电压、失调益线性度以及非常低的输入失调电压