模拟集成电路的分析与应用

第一节集成运放的组成及根本特性第二节运放的线性应用及理想运放模型第三节根本运算电路第四节电压比较器第五节波形发生器第八章集成运放分析与应用第一节集成运算放大器的组成及根本特性模拟集成电路分成通用集成电路：模拟信号处理电路。专用集成电路：1〕控制系统专用集成电路〔如电机控制电路、可控硅控制电路等〕；2〕通信系统专用集成电路〔如电路、无线通信电路、交换专用电路等〕。3〕测试系统专用集成电路〔ATE电路、信号变换和处理电路等〕、仪器专用电路等。一．概述二集成电路的根本结构1．集成电路的根本结构2．数字集成电路的根本结构运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如下图。运放组成及符号差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+Uo三、模拟集成运放的典型电路

1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U－表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U＋表示。

4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。

2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。集成运放F007的电路原理2．单极型集成运放第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。D3D2R12200T2R8180uIR71kRL8uOR130.5R140.5T7-15V15VT6T4T5BRP31kR94.7kAR114.7kR1027kC310pFRP24.7kT3C210pFR612kT1C11uFR1100R52kR42kD4D0（14V）D1R327kR227kRP112k1〕RP3的作用是克服交越失真。RP2的作用是调节静态工作点。RP1的作用是调节静态工作点。2〕输出功率大于等于14W。3〕C2、C3的作用是防止高频自激。4〕级间负反响元件是R10、R7。假设反响深度很大,电压增益等于R10/R7。5〕电路属于电压/电流、串联/并联、直流/交流、负反响/正反响。〔请在四个对的地方大对勾。6〕此电路共模抑制比是大还是小大。7〕AB两点间电压是多少2.8V?此功率放大器是甲类还是乙类甲乙。8〕低频功率放大器的效率能大于60%吗？〔√〕由前面介绍可知：集成运放原理及内部结构，而应用时常采用线性应用：闭环应用，集成运放可用理想模型来代替。非线性应用：开环应用，如：比较器。第三节线性应用及理想运放模型运放模型分类：1.按精度分类：理想模型：非理想模型：运放宏模型：2.按功能分类：直流模型：交流小信号模型：大信号模型：噪声模型：1、集成运算放大器的转移特性:uou-

-

u+0线性工作范围正饱和负饱和输入差模电压的线性工作范围很小〔一般仅十几毫伏〕，所以常将特性理想化2、运放线性工作的保障:两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否那么，运放将进入饱和状态。运放应用电路中：负反响是判断是否线性应用的主要电路标志。一、集成运算放大器的线性应用运放的输出幅度有限〔比电源低2V左右〕;运放的开环电压增益一般>10000;u-u+uo二、理想运放模型：理想运放具有如下性能：1、开环电压增益——AUd;2、输入电阻——Rid;3、输出电阻——Ro=0;4、频带宽度——BW

;5、共模抑制比——CMRR

;6、失调、漂移和内部噪声为零

;运放的主要特点根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性三、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：1、u+=u-(虚短)2、i+=i-=0(虚断)同相和反向输入端电流近似为零；两输入端电压近似相等；Ui=U+-U-=Uo/AU0Ui=Uo/AU0;Ui=IiRi0;Ii0;理想运放的开环电压增益;-U-I-+U+I+Uo+-AU(U+-U-)1.同相端与反相端呈开路状态。2.输出回路为一受控电压源AU(U+-U-)，由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-)3、输出端呈电压源特性：二、理想运放模型：理想运放具有如下性能：1、开环电压增益——AUd;2、输入电阻——Rid;3、输出电阻——Ro=0;4、频带宽度——BW

;5、共模抑制比——CMRR

;6、失调、漂移和内部噪声为零

;运放的主要特点根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性三、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：1、u+=u-(虚短)2、i+=i-=0(虚断)同相和反向输入端电流近似为零；两输入端电压近似相等；Ui=U+-U-=Uo/AU0Ui=Uo/AU0;Ui=IiRi0;Ii0;理想运放的开环电压增益;-U-I-+U+I+Uo+-AU(U+-U-)1.同相端与反相端呈开路状态。2.输出回路为一受控电压源AU(U+-U-)，由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-)3、输出端呈电压源特性：反相比例运算同相比例运算一、比例运算电路三、积分微分电路四、对数指数电路根本反相积分根本反相微分对数电路二、加、减法运算电路反相加法运算同相加法运算减法运算第四节根本运算电路指数电路1．反相比例运算电路1〕实际电路分析法:(1)电压增益由理想运放“虚短〞和“虚断〞的概念可知UP=UN=0IP=IN=0其中UN被称为“虚地点〞。因此有If=I1将相应变量代入后得为了保证集成运放输入的对称性，要求Rp=R1//Rf。〔2〕输入电阻和输出电阻根据输入电阻的定义：反相比例电路的输出电阻为Ro=Rf//0

0上述结果说明：虽然理想运放的输入电阻为无穷大，但是反相比例运算电路的输入电阻却不大。为了提高输入电阻，必须适当增大R1。反相比例运算电路的输出电阻近似为0，说明其带负载能力较强。2〕小信号模型分析法可把上述反相比例运算电路改画成小信号模型等效电路：如图6-17所示。由于：U+=U-=0故有:If=I1即：那么电压增益为：上式说明：采用两种分析方法所得结论一致，但模型分析法分析过程更直观、更简单。在实际应用中，采用那种分析方法读者可自主选择。2．同相比例运算电路为了保证集成运放输入的对称性，要求R2=R1//Rf。1)电压增益由理想运放的“虚短〞和“虚断〞的概念可知，集成运放的净输入信号为零，即UP=UN=Ui那么有If=I1将相应变量代入后得：2)输入电阻与输出电阻Ri=∞Ro=Rf//0

0结论：Auf的大小决定于Rf和R1的比值，Auf为正值，说明输出电压与输入信号电压是同相的。那么电压增益为在极限情况下:有AUf=1，Ui=Uo；Ri→∞和Ro=0。称为电压跟随器：作用：阻抗变换。

输出电阻

Ro=Rf//0

0输入电阻为电压增益为输入电阻电压增益为输出电阻Ro=Rf//0

0Ri=∞此处不加电阻是否可以？为什么？二加减运算电路1．加法电路〔反相〕由于：I1=U1/R1I2=U2/R2I3=U3/R3又由“虚断〞可得：If=I1+I2+I3因而输出电压同理对于有n个输入端的加法电路有：结论：(1)反相加法器的输出电压与输入电压之和成正比。(2)比例系数由各输入电阻比值决定与运放参数无关。(3)输入电压与输出电压的极性成反比。Rp=R1//R2////Rn//Rf构成要求即：〔R+=R-〕【例6—1】试用叠加原理，计算图6—21所示由同相放大器组成的加法电路的输出电压Uo表达式。解：而UP可用叠加原理求出。令U2=0，那么由U1产生的UP’为同理，令U1=0，那么由U2产生的UP〞为：与反相加法电路相比较，同相加法电路共模输入较高，且调节不大方便，因此运用较少。因此故2.有n个输入端的同相加法电路在同相比例运算电路的根底上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如下图。同相加法电路

因运放具有虚断的特性；对运放同相输入端的电位可用叠加原理。求得：结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压U1Un之和成正比。(2).优点：输入阻抗高。3.减法电路减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：减法电路

1.只考虑U1作用时：2.只考虑U2作用时：同相端输入电压为：3.总输出电压为：结论：(1)减法器的输出电压与输入电压之差成正比。(2)减法器又称差分放大器。(3)为减小运放失调误差影响设计时应保持：R1//Rf=R2//R3。实例：双端输入求和电路双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图：其输出电压表达式的推导方法与同相加法电路相似。双端输入求和运算电路当Ui1=Ui2=0时，用叠加原理分别求出:Ui3和Ui4

时作用时的输出电压Uop。当Ui3=Ui4=0时，分别求出:Ui1和Ui2作用时的Uon。先求式中Rp=R3//R4//R,Rn=R1//R2//Rf再求于是U+=U-

I+=I-=0行为特性分析放大型组态v2vOZ3Z4Z1Z2v1+-v+v-行为特性分析振荡组态v2vOZ3Z4Z1Z2v1+-v+v-【例6—2】图6—23所示电路是一个具有高输入阻抗、低输出阻抗的测量放大器，其增益可通过改变R4值进行调节。假设运放是理想的，试证明：解：直接应用虚短和虚断的概念求解。由虚短的概念可知：U2=UN2、U1=UN1，所以有又由虚短的概念可知：

I1=I4=I2由此可导出对于A3与R1、R1

构成差动式减法电路,因此有三、积分电路积分运算电路的分析方法与反相比例电路类似，反相积分运算电路如下图：i1(t)=if(t)i1(t)=ui(t)/R1.利用虚地的概念：3.电容两端的电压：Rf可抑制直流漂移限制低频增益2.利用虚断的概念：当输入信号是阶跃直流电压E时:图07.05积分运算放大电路〔动画12-1〕3.输出电压电压：反映了输入输出的积分关系。假设输入信号电压是直流电压E：那么输出电压uo(t)随时间t按负斜率下降，如下图。积分器除了进行数学运算外，在电子技术中常用作波形变换。假设输入信号是一方波电压信号，其幅值为5V，频率为1kHz，电路元件R=10k，C=0.1F，输出信号变成三角波，如图6-25〔b〕所示，三角波的幅值为由于Uim=5V，T=1/1kHz=10-3s，可求得：结论:1.现精确积分的关键是确保运放反相端为“虚地〞。〔这样能保证C的充电电流正比于输入电压。〕2.假设反响回路接入大阻值电阻Rf可抑制直流漂移、直流增益。3.设计时应满足：输出电压输出电流负载电流且输出电压的幅值要小于等于Uom，由此可知，输出电压可表示为

Uo=(

Ui/RC)TUom【例6-2】如图6-24所示积分器，输入矩形波电压幅值U1=1V，T=10ms，见图6-25〔b〕，运放最大输出电压Uom=10V，求电路元件R和C的值。【解】由于：即：UiTUom

RC由上式可求出RC乘积为RCUiT/Uom=1×10×lo-3/10=1ms可取电阻：R10k；电容：C0.1F

四、微分电路微分运算电路如下图:反映了输入输出的微分关系。实用微分电路R1的作用是:适当减小放大器高频增益;以抑制高频噪声。微分器除了可作数学运算外，在电子技术中也可用作波形变换，如下图。假设在微分器输入端参加一个三角波信号电压，其频率为1kHz，幅值为2.5V，不计R1的影响，变化率.微分器输出电压是一方波信号，它的幅值电压为在设计微分器时，元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制，即最大输出电压Uom满足五、对数电路对数运算电路对数运算电路见图:图中二极管可用三极管发射接代替。1.输入电压与输出电压的对数成正比。2.由于结论中包含有反向饱和电流IS，IS是温度的函数，故温度稳定性差。结论六、指数运算电路指数运算电路如下图。指数运算电路相当反对数运算电路。

图07.10指数运算电路图中二极管可用三极管发射接代替。第五节、电压比较器一、单门限比较器二、迟滞比较器三、单片集成电压比较器*四、窗口比较器*五、比较器的应用1.比较器的功能:是将一个模拟电压信号与一个参考电压相比较的电路。2.比较器的应用:波形变换;过零检测;越线报警;模数转换;3.比较器的种类很多如:问：1.什么是集成运放的线性应用？2.什么是集成运放的非线性应用？一、单门限比较器(1)单门限电压比较器和过零比较器：如下图：由于集成运放的开环电压增益AU很大：当输入信号Ui小于参考电压UREF，即Uid=〔Ui－UREF〕＜0时，运放输出Uo为低电平VOL；当输入信号Ui大于参考电压UREF，当Ui升高到略大于UREF，即Uid=〔Ui－UREF〕＞0时，Uo为高电平VOH。【例6—2】电路如图6—31(a)所示，当Ui如图6—32(a)所示时，试画出Uo及Uo'的波形。门限电压的估算根据输出电压Uo的不同取值〔VOL和VOH〕，可分别求出下门限电压、上门限电压为门限宽度或回差电压为：二、迟滞比较器设电路参数如下图：且VOH=－VOL=5V，求得：UT－=0.94V，UT+=1.04V；ΔUT=0.1V。*五、比较器的应用比较器一个重要作用是：用来对输入波形进行整形：可以将不规那么的输入波形整形为方波输出。(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波图07.06用比较器实现波形变换(2)比较器的根本特点工作在开环或正反响状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。第六节、集成运放的其他应用一电流-电压变换器二测量放大器三增益可调放大器四稳压电源一电流-电压变换器由图可知:可见输出电压与输入电流成比例。二电压-电流变换器由图〔a〕可知所以输出电流与输入电压成比例。RfRRRRX=R+RURUo-+三、测量放大器如下图电路为典型的测量电路：常用于非电量测量。如温度，压力等。RX的阻值随被测量变化而变：RX产生R变化时：输出电压将变化Uo。RX=R时：电桥平衡；Ui=0；Uo=0。=R/R<<1时，输出电压为：

Uo≈URRf

/(2R)一、正电压可调电源Uo-+WR2EcR3DZR1调节W，可调节R2局部的阻值比，改变输出电压四、稳压电源二、串联型稳压电源：是典型的稳压电路。当负载、输入电压变化时输出稳定。Uo↑取样电压U2↑Udi↓→UB1↓→IB1Ic1↓→Uce↑→Uo=Ui-Uce↓U2=UoR2/(R1+R2)=UZ；Uo=UZ(1+R1/R2)Uo-+T1R2RLDZR1UiU2Uce因为：U2UZ因此可调节输出电压。理想运放有两种工作作态。线性工作状态特点：1.理想运放的同相和反相输入端“虚断〞，I+=I-≈02.理想运放的同相和反相输入端“虚短〞，U+=U-非线性工作状态特点：1.当U+>U-时，Uo为正饱和值。2.当U+<U-时，Uo为负饱和值。小结闭环运放的两种根本电路1.反相放大器：实质上是一个电压并联负反响放大器，主要特点是反相输入端呈“虚地〞.电压增益:AUf＝-Rf／Rl输入电阻rif=R1；输出电阻rof=0。2.同相放大器：实质上是一个电压串联负反响放大器；电压增益:AUf＝1+Rf／Rl输入电阻rif=∞；输出电阻rof=0第四节、波形发生器二、脉冲波、锯齿波振荡一、方波、三角波发生器一、方波、三角波发生器1.vo1输出为方波。2.vo2输出为三角波〔C的冲放电时间相同〕。二、脉冲波、锯齿波振荡在方波—三角波振荡电路中:积分电路两个积分方向采用不同的时间常数;可改变上升沿和下降沿的斜率，形成锯齿波;对应的方波也成了脉冲波。一电流-电压变换器由图