集成电路第2章讲义

1、第第2 2章模拟集成电路的线性应用章模拟集成电路的线性应用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积分电路积分电路2.3微分电路微分电路2.4集成仪器放大器集成仪器放大器2.5动态校零型斩波放大器动态校零型斩波放大器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反相放大器反相放大器同相放大器同相放大器差动放大器差动放大器2.1.1 反相放大器反相放大器1.反相放大器的理想特性反相放大器的理想特性(1)(1)基本型反相放大器基本型反相放大器R2R3i2运算放大器在线性应用运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断时同时存在虚短和虚断0 ii虚断虚断2 1 ii

2、-0 uu虚地虚地22ORiu11RRRiRiuuAF2122ioR3 = R1 / R 2当当 R1 R2 时，时，AF = - -1倒相器倒相器闭环增益：闭环增益：R2R3i2等效输入电阻：等效输入电阻：Rie = R1等效输出电阻：等效输出电阻：01doFARRoe特点：特点：1. .为深度电压并联负反馈，为深度电压并联负反馈，AF = R2 / R 12. 输入电阻较小，输入电阻较小，3. uIC = 0，CMRR的要求低的要求低,可忽可忽略略 输出电阻小输出电阻小例：例： 应用应用741设计放大倍数等于设计放大倍数等于10的反相放大电路，输入信号为的反相放大电路，输入信号为0-0.8

3、V。R2R3i2选择右图所示电路选择右图所示电路(1) 确定电源电压确定电源电压（2）选择）选择R2和和R1（3）选择）选择R3 反相放大器在要求闭环增益反相放大器在要求闭环增益AF很大时，要获得高的很大时，要获得高的输入电阻有困难输入电阻有困难 。 例如，要求例如，要求Ri=100K，Af=-100，应选，应选R1=100K，Rf=10M当选用当选用Rf=10M时时 ，阻值稳定性差而不适用，故采用以下电路。，阻值稳定性差而不适用，故采用以下电路。(2)(2)改进型反相放大器改进型反相放大器闭环增益：闭环增益：uo+R3R1Rf1Rf2Rf3uiA3 i4 i1 i2 i4 iM虚断虚断2 1

4、 ii 虚地虚地1211iRiRiu而而uO= (i2Rf1+i3Rf2)i3= i2+i4uM= i2Rf1= i4Rf32314iRRiff即：uo=i2Rf1+(i2+i4)Rf2= i2 (Rf1+Rf2+ )321fffRRR)(1321211fffffFRRRRRRA第一种：第一种：T型反馈电路型反馈电路)(1321211fffffFRRRRRRA+R3R1Rf1Rf2Rf3uiAuo同样要求同样要求Ri=100K，Af=-100则选则选R1=100K, Rf1=Rf2=100K, Rf3=1K相当于相当于Rf=10M 在电路中电阻阻值不必太高的情况下，可同在电路中电阻阻值不必太高

5、的情况下，可同时获得较高的电压增益和较高的输入电阻。时获得较高的电压增益和较高的输入电阻。 T型反馈电路的特点：型反馈电路的特点：+RP1R1R2RuiA第二种：自举电路反相放大器第二种：自举电路反相放大器+AR2RP22R1i i1 ii 输出信号正反馈至输入端输出信号正反馈至输入端iiuiuRiiii1缺点：噪声增大，不适用于缺点：噪声增大，不适用于低噪声放大电路低噪声放大电路uo+RP1R1R2RuiA+AR2RP22R1i i1 ii uoRuuiio1iOouRRRRuRRu)(222121211iu2Ruii则：11Ruiiiiii1111)(RRRRuRuRuiii11RRRRi

6、uRiii2.反相放大器的实际特性反相放大器的实际特性(1)(1)实际的闭环增益实际的闭环增益)111 (100FAAFAFAAAdFddFF实际闭环增益略小实际闭环增益略小,A,Ad d影响实际运放与理想运放计算影响实际运放与理想运放计算误差的大小误差的大小(2)(2)实际等效输出电阻实际等效输出电阻1312见式信号频率较高时，输出阻抗有很大变化信号频率较高时，输出阻抗有很大变化2.反相放大器的实际特性反相放大器的实际特性diii21ddoddiRuRuuRuu21ddoARRRARRRRRu)/(1)/(21121112ddFAFARR112ddFOFFAFAAA1即：R2R1R3RoRd

7、I1I2IdUiUo(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1R2RdR3R- +oRKIOI2IkooeIURooooIREU2RUREIook)()(3RRUUAUUAEdddo)/()/(32132RRRRRRRUUddiFARRdooe1 反相放大器的输出电阻与集成反相放大器的输出电阻与集成运放的输出电阻相比，下降了运放的输出电阻相比，下降了1+AdF3.反相加法器反相加法器RP“虚断虚断”i1 + i2 + i3 = iF“虚地虚地”，u = 0所以：所以：FO3I32I21I1RuRuRuRu FRRRRRP/321)(I33FI22FI11FOuRRuRR

8、uRRu 当当 R1 = R2 = R3 = R 时，时，)(I3I2I11FOuuuRRu 完成下列运算完成下列运算: y = (a1+b2 + c3) ,可增加输入端口数。可增加输入端口数。也可用叠加原理分析！也可用叠加原理分析！ 设计反相加法器，输入分别为设计反相加法器，输入分别为Ui1=1V,Ui2=0.01V。要求要求Uo=-(Ui1+2Ui2)。2.1.2 同相放大器同相放大器1.同相放大器的理想特性同相放大器的理想特性(1)(1)基本型同相放大器基本型同相放大器uiR2R3i2闭环增益：闭环增益： i uuu2 ii 1，2ioiRuuRu1i2ouRRu)1 (111RRAF2

9、平衡电阻：平衡电阻：R3 = R1 / R 2uiR2R3i2等效输入电阻：等效输入电阻：Rie = 等效输出电阻：等效输出电阻：01doFARRoe特点：特点：1. .为深度电压串联负反馈，为深度电压串联负反馈，AF = 1R2 / R 12. 输入阻抗高，输入阻抗高，3. uIC = ui ，CMRR的要求高的要求高,引起的误差不引起的误差不可忽略可忽略 输出阻抗小输出阻抗小阻抗变换器阻抗变换器+RRuiAuo+uiAuoAF = 1同相跟随器同相跟随器2.同相放大器的实际特性同相放大器的实际特性(1)(1)实际的闭环增益实际的闭环增益)111 (100FAAFAFAAAdFddFF实际闭

10、环增益略小实际闭环增益略小,A,Ad d影响实际运放与理想运放计算影响实际运放与理想运放计算误差的大小误差的大小(2)(2)实际等效输入电阻（自学）实际等效输入电阻（自学）分析分析A Ad d、R Rd d 、 R Ro o不为理想条件不为理想条件(3)(3)等效输出电阻等效输出电阻01doFARRoe)1 (diFARRie3.同相加法器同相加法器“虚断虚断”，i = 0：njjnRuRRuRuRuRu1ijIn2I21I1)(+AuoR1ReRfRpui1ui2uinR2Rn图图2-1-10其中：其中：112111)(/njjppnRRRRRRRouRRRufee“虚短虚短” u+ = u

11、 , , 解得：解得：njjeeRuRRRRu1ijfOpnRuRuuRuuRuuIn2I21I1njjRuRuRRR1ijfOfe则则：取取：/njnuRRuRRRR1ijfO21则则：若若反相加法电路应用最广泛反相加法电路应用最广泛2.1.3 差动放大器（减法运算）差动放大器（减法运算）1.差动放大器的理想特性差动放大器的理想特性图图2-1-11+AuoR1R4ui1ui2R2R3利用虚短、虚断利用虚短、虚断212I1211ORRRuRRRuu122I2344I2RRRuRRRuu uuo = R2 /R1( uI2 uI1 )匹配条件：匹配条件：R3 = R1， R4 = R 2+Auo

12、R1R4ui1ui2R2R3差动放大器的输入电阻差动放大器的输入电阻对于反相端对于反相端Ri = R1对于同相端对于同相端Ri= R3 R4输入阻抗较低输入阻抗较低易受信号源阻抗的影响易受信号源阻抗的影响4.实用高输入阻抗的差动放大器实用高输入阻抗的差动放大器图图2-1-13i1o11ummu)(+A2uoR1ui2mR2+A1uo1ui1mR1R2Rp1Rp2应用应用:叠加原理叠加原理)()(i1i2i22o111uumuRmmuuoRie = 3.增益可调的差动放大器增益可调的差动放大器+AuoRRui1ui2mRRmRpRnRnR图图2-1-12推导过程自学：推导过程自学：注意节点！注意

13、节点！)(i1i212uupmnnmuo通常选定通常选定m=n，调，调pR一个电位器即可一个电位器即可)(11 (2i1i2uupmmuo 应用集成运放设计差动放大电路应用集成运放设计差动放大电路,使其电路放大倍数为使其电路放大倍数为4-102, ,Ui1-Ui2=0.1V.+AuoR1ui1ui2R21R3R41R22R42Rd电路形式如右所示：电路形式如右所示：补充：运算电路的设计补充：运算电路的设计例：用集成运放实现以下运算关系例：用集成运放实现以下运算关系I3I2I1O3 . 1102 . 0uuuu 解：解：)3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRR

14、u )10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu)3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu )10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu比较得：比较得：10, 1,3 . 1,2 . 02F24F23F11F1 RRRRRRRR选选 RF1 = 20 k ，得：，得： R1 = 100 k ， R3 = 15.4 k ；选选 RF2 = 100 k ，得：，得： R4 = 100 k ， R2 = 10 k 。 k8/F1311RRRR k3 . 8/F2422RRRR2.2.1 基本积分电路及其理想特性基本积分电路及其理想特

15、性1.反相积分器反相积分器2.2 积分电路积分电路+AuoRRuiC+ uC 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt 1.反相积分器反相积分器（1 1）输出电压与输入电压的关系）输出电压与输入电压的关系1.反相积分器反相积分器(2)(2)传输函数传输函数2 i1 i+AuoRRuiC+ uCsTsRCRZsUsUsGC11io)()()(T T = RC 积分

16、时间常数积分时间常数(3)(3)频率特性频率特性幅频特性幅频特性TRCG1)(RCT1相频特性相频特性2)(图图2-2-1幅频特性幅频特性TRCG1)(相频特性相频特性2)(波特图波特图TGlg)(lg2020)(lgG20dBT)(2/图图2-2-2图图2-2-3积分电路应用积分电路应用A/D变换中的斜坡电压产生变换中的斜坡电压产生输入参考电压为矩形波输入参考电压为矩形波t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu 当当 t t0 时，时，uI = 0，uO = 0；当当 t0 t1 时，时， uI = 0，uo 保持保持 t = t1 时的输出电压值不变。时的输出电压值

17、不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。即输出电压随时间而向负方向直线增长。 积分时间常数决积分时间常数决定积分的速度定积分的速度10 k 10 nF 时间常数时间常数 = R1Cf = 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设设 uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/ms5d)5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5积分电路产生三角波积分电路产生三角波2.同相积分器同相积分器(1)(1)传输函数传输函数+AuoR1uiCR2R3R42 i1 i

18、3 i“虚断虚断”，i = 0：sCuRuuRuu/14o3i2-2-6可得可得u+的表达式的表达式2-2-7“虚短虚短” ：o211uRRRuu2-2-8图图2-2-4若满足匹配条件：若满足匹配条件：R3 = R1， R4 = R 2sRCsUsUsG1io)()()(2-2-92121RRRR其其中中(2)(2)频率特性频率特性幅频特性幅频特性TRCG1)(RCT1相频特性相频特性2)(RCjjG1)(波特图波特图)(lgG20dBT)(2/图图2-2-2图图2-2-3(3)(3)输出电压与输入电压的关系输出电压与输入电压的关系sRCsUsUsG1io)()()(若：若： R1= R 22

19、R12121RRRRCsRsG12)(dttuCRtu)()(i1o23.差动积分器差动积分器(1)(1)传输函数传输函数+AuoR1ui2C2R2C1ui1若满足匹配条件：若满足匹配条件： R1= R2 = R， C1= C2 = CsRCsUsUsUsG1i1i2o)()()()(2)(2)输出电压与输入电压的关系输出电压与输入电压的关系dttutuRCtu)()()(i1i2o1图图2-2-52-2-15缺点：时间常数（尤其电容）很难取得匹配缺点：时间常数（尤其电容）很难取得匹配2.2.2 UOS，IIB及其漂移对积分电路的影响及其漂移对积分电路的影响+AuoRRuiC+ UOSIIBM

20、i1if仅讨论仅讨论UOS,IIB引起的误差引起的误差令令ui 0在节点在节点M处，处， i1= if+ IIBRUiOS1dtUudCiOSof)(IBOSIRUdtICdtURCUuIBOSOSo11OSIBOSoUdtICdtURCu11即使无输入电压，也会有输出电压，应选择即使无输入电压，也会有输出电压，应选择UOS,IIB较小的运放较小的运放2.2.3 运放的增益和带宽对积分电路的影响运放的增益和带宽对积分电路的影响运放的开环增益为有限值，且与频率有关运放的开环增益为有限值，且与频率有关由于是直接耦合方式，故运放的增益具有低通特性由于是直接耦合方式，故运放的增益具有低通特性00000

21、01jAjAjA/)(00000001 TsTAsAsA/)(2-2-17当考虑开环增益的误差时，积分电路的实际传递当考虑开环增益的误差时，积分电路的实际传递函数与放大器的实际闭环增益具有相同的形式函数与放大器的实际闭环增益具有相同的形式)()()()(sFsAsGsG00111sRCsG10)(sCRRsF/)(1再将再将2-2-17一起代入一起代入G(s)的表达式，当的表达式，当A01, RCT0时时可近似为可近似为:)()(110000RCsAsATAsG+AuoRRuiC+ uC)()(110000RCsAsATAsG00000001 TsTAsAsA/)()(lgG20dB运放开环频

22、率特性运放开环频率特性01 T/octdB/200A理想积分特性理想积分特性sRCsG10)(RC100TA /RCA01/octdB/40图图2-2-7积分电路的频率特性积分电路的频率特性A01, RCT0O图图2-2-8 积分电路对阶跃信号的瞬态响应积分电路对阶跃信号的瞬态响应Uo(t)t理想积分响应理想积分响应时间滞后时间滞后OUo(t)t实际积分响应实际积分响应A0ui实际积分响应实际积分响应)()(110000RCsAsATAsG2.2.4 积分电路的保持误差积分电路的保持误差运放开环增益不稳定，使固定输出电压产生波动；有限运放开环增益不稳定，使固定输出电压产生波动；有限A0和输入电

23、阻使积分电容电压泄放；失调电压、电流及其漂和输入电阻使积分电容电压泄放；失调电压、电流及其漂移的影响。移的影响。Ouot实际保持特性实际保持特性理想保持特性理想保持特性图图2-2-9CIdtdudtduSOcoRmaxmax影响保持误差的主要因素：影响保持误差的主要因素：C2.2.5 几种典型的积分电路几种典型的积分电路1.比例积分电路比例积分电路图图2-2-10+AuouiCR1R2R3=R110 k 10 k 100 k 10 uFCsRRRRsCRsG1121211)(比例要素比例要素积分要素积分要素dtuCRuRRui1i12o12.2.5 几种典型的积分电路几种典型的积分电路1.比例

24、积分电路比例积分电路这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器 改变改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。2.求和积分电路求和积分电路图图2-2-11dtuCRdtuCRdtuCRui33i22i11o111+AuoR3Rui3CR2ui2R1ui13.改进型的一次积分电路改进型的一次积分电路(常用常用)+AuoRuiCRfRpC1)(/)(1f1f1f1111sRCCsRCsRsCRsCRsG1）让积分器稳定工作）让积分器稳定工作,接入反馈电阻接入反馈电阻Rf2）C1有效抑制低频干扰信号的增益有

25、效抑制低频干扰信号的增益 设计一方波到三角波变换电路设计一方波到三角波变换电路,方波频率为方波频率为500HZ,幅度为幅度为5V,三角波的幅度绝对值为三角波的幅度绝对值为5V.uoC+AR1uiR2R3C2.3.1 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2.3 微分电路微分电路图图2-3-1+AuoRRuiCFoi1ddRutuC tuCRuddi1Fo ifi1由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = ifuoC1uiR2RF+ (1)(1)输出电压与输入电压的关系输出电压与输入电压的关系(2)(2)传输函数传输函数图图2-3-1+AuoRRuiCsTsRCsCRsG/)(1T T = RC 微分时间常数微分时间常数(3)(3)频率特性频率特性幅频特性幅频特性TRCG)(RCT1相频特性相频特性2)(TRCG)(2)(波特图波特图图图2-3-2图图2-3-3)(lgG20dBT)(2/002.3.3 几种典型的微分电路几种典型的微分电路2.2.差动型微分电路差动型微分电路+AuoR2ui1Cui2CR2R1R1图图2-3-8111121212CsTCsTCsRCsRsCRRsG )(缺点：时间常数（尤其电容）很难取得匹配缺点：时间常数（尤其