第6章-模拟集成电路及其应用

第六章：模拟集成电路及其应用邓钢denggang@内容提要内容提要介绍集成运算放大器的组成、工作原理、主要性能指标、特性参数介绍集成运放的基本应用电路及分析方法集成运放的模拟运算电路电压比较器模拟乘法器的原理及应用集成运算放大器的特点第一节：集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器(OperationalAmplifier)，简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路特点：增益高输入电阻大、输出电阻低共模抑制比高失调与漂移小输入电压为零时输出电压也为零适用于正、负两种极性的输入和输出信号集成运算放大器的组成第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的外部连接2、3引脚分别为反相和同相输入端6脚为输出端7、4脚分别接正、负直流电源1、5脚之间接调零电位器第一节：集成运算放大器的组成及基本特性集成运放的符号及输入、输出信号集成运放有两个输入端，一个输出端分别为反相输入端与同相输入端运放两输入端所加信号电压之差即为差模输入电压。假定运放的共模抑制比极高，其共模输出可以忽略，则运放的输出与输入函数关系可以表示为 。其中，为集成运放的开环差模电压增益第一节：集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器的传输特性静态时加入差模输入电压后输入电压增加到一定程度后故运放的传输特性大体上可分为线性区与饱和区第一节：集成运算放大器的组成及基本特性理想集成运放的技术参数第一节：集成运算放大器的组成及基本特性理想运放是指分析集成运放时将各种参数理想化此时的技术参数有：实际的集成运放无法达到理想指标，但随着工艺的改进，可在工程计算的简化分析时将实际运放视为理想运放进行近似估算理想集成运放工作在线性区时的特点第一节：集成运算放大器的组成及基本特性集成运放工作在线性区时，输入电压与运放两个输入端的电压间存在线性关系一般情况下，运放在线性区工作时都加有较深的负反馈。此时，亦可以使用虚短路和虚开路的分析方法，即：差模输入电压为零差模输入电流为零集成运算放大器的主要参数(一)输入失调参数第二节：集成运算放大器的主要参数输入失调电压输入偏置电流输入失调电流输入失调电压的温漂输入失调电流的温漂差模特性参数最大差模输入电压最大输出电流开环差模电压增益开环带宽BW()单位增益带宽集成运算放大器的主要参数(二)共模特性参数第二节：集成运算放大器的主要参数共模抑制比最大共模输入电压共模电压增益大信号动态特性转换速率(摆率)全功率带宽静态功耗电源电压抑制比输出电阻、最大输出电压电源特性及其他参数MC14573CMOS集成运算放大器及特点P沟道T3-T4为差分输入级第三节：其他集成运算放大器简介N沟道T5-T6为有源负载P沟道T1、T2、T7为多路电流源T8、T7为有源负载共源放大电路输入级和第二级具有高增益；输出电阻较大器件互补的电平移动功能易于消除衬底调制效应缺点：工艺较复杂，占用芯片面积较大CMOS电路的优点：其他集成运算放大器第三节：其他集成运算放大器简介原理图及分析略，请自行参照课本的说明学习其电路图超高精度单片集成运算放大器OP177高速宽带集成运算放大器LT1226Bi_FET单片集成运算放大器集成运放的线性应用(一)运放线性应用时，工作在传输特性的线性区，此时其差模输入电压极小应以集成运放作为基本放大电路配合外部反馈网络，构成深度负反馈放大电路深度负反馈使运放的净输入趋近于零是保证运放工作于线性状态的关键第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路集成运放的线性应用(二)由于深度负反馈使运放的净输入近似为零，有：虚短路：运放两输入端的差模输入电压近似于零，即。此时运放两输入端可近似看成等电位，但不是真正的短路虚断路：运放两输入端的输入电流近似为零，即。此时运放两输入端可视为不取电流，但不是断开虚短路与虚开路同时存在，并且可写成第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路集成运放的非线性应用运放的差模输入电压较大，工作在传输特性的限幅区，输出电压为或，输入、输出之间成非线性关系从电路角度看，集成运放处于无反馈(开环)或正反馈的工作状态，如电压比较器第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路基本反相输入放大电路电路结构说明只要不是十分大，必满足深负反馈的条件}特点：深负反馈下的输入电阻输出电阻反相输入端为虚地点无共模输入信号，对共模抑制比无特殊要求第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路直流平衡电阻的原理静止条件下：两个输入端偏流所产生的电压：设温度变化时的偏流变化相等输出端没有因温度变化而产生的温漂。且输入级偏流的影响也相互抵消第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路T型反馈网络的原理求电压放大倍数和输入电阻电压并联负反馈电路虚断：虚地：第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路T型反馈网络的特点在阻值不致太高的情况下，可同时获得较高的电压放大倍数和较高的输入电阻但由于R4的引入使反馈系数减小，所以为保证足够的反馈深度，应选用开环增益更大的运放第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路基本同相输入放大电路电路结构说明}又称为同相放大电路或同相比例运算电路特点：输入电阻很高，输出电阻电路不存在虚地点，集成运放有共模输入电压且与输入电压相同，因而对运放的共模抑制比有较高要求第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路几种常用的同相放大电路输入端接有分压电阻的同相放大电路第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路电压跟随器同反相运算电路-总结反相输入同相输入电路组成性能特点低低反相比例运算电压并联虚地输入输出电阻同相比例运算电压串联无虚地，共模输入输出电阻第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路加法运算电路-反相加法电路第五节：集成运算放大器的模拟运算电路电路结构说明N为虚地点故电路具有反相相加的功能本电路中改变电阻(或)并不影响其它输入电压与输出电压的比例关系加法运算电路-同相加法电路电路结构说明若直流电阻平衡，则可进一步简化缺点：各输入信号间相互影响，估算和调节麻烦输入端的共模电压较高第五节：集成运算放大器的模拟运算电路减法运算电路-差分输入减法电路电路结构说明应用叠加定理及对同相输入及反相输入放大电路的分析方法进行分析第五节：集成运算放大器的模拟运算电路减法运算电路-两级运放构成的高输入阻抗减法电路第五节：集成运算放大器的模拟运算电路减法运算电路-反相求和减法电路电路结构说明两级的输入与输出关系可以分开计算的原因第五节：集成运算放大器的模拟运算电路例1当R1、R2、R3、R4相等时，求输出信号表达式第五节：集成运算放大器的模拟运算电路例2：三运算电路-分析方法由虚短路及虚开路可得：R1、R2必须采用高精度电阻，且要精确匹配第五节：集成运算放大器的模拟运算电路例2：三运算电路-特点及应用是差动放大器，放大倍数可调由于输入均在同相端，因而输入电阻高例：温度测量电路第五节：集成运算放大器的模拟运算电路例3例题基本积分电路(一)电路结构说明第五节：集成运算放大器的模拟运算电路若使用传输函数表示：输入电阻：基本积分电路(二)要保持正常的积分关系，对积分时间应有所限制利用积分电路，把方波电压变换为三角波电压第五节：集成运算放大器的模拟运算电路若输入信号移相半周期？同相输入积分电路可使用拉式变换进行分析要求正反馈恰到好处第五节：集成运算放大器的模拟运算电路微分运算电路电路结构说明根据虚地与虚断的概念可得：上图存在的问题：可能引起自激振荡突变时可能使电路不能正常工作第五节：集成运算放大器的模拟运算电路基本对数运算电路利用半导体PN结的指数型伏安特性，可以实现对数运算电路结构说明由虚短路、虚开路可得：输出电压幅度不能超过0.7V，且要求输入电压为正，以保证晶体管处于导通状态受温度影响很大第五节：集成运算放大器的模拟运算电路指数运算电路电路结构说明故该电路可以实现反对数运算为了消除温度对运算精度的影响，也需要进行温度补偿第五节：集成运算放大器的模拟运算电路利用指数、对数电路构成其他运算第五节：集成运算放大器的模拟运算电路还可利用以上电路实现模拟信号的乘方、开方等运算，请自行思考实现方式总结：对运算电路的基本要求熟记反相放大、同相放大(含电压跟随器)、加减法、微分、积分等几种基本运算电路的电路图及传输特性公式会对以上基本运算电路级联后的输出进行计算并绘制相应时域波形图，必须考虑输出限幅会用“虚短”、“虚断”概念分析给定非标准电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、输入输出的表达式等第五节：集成运算放大器的模拟运算电路模拟乘法器简介第七节：模拟乘法器及其应用：乘积系数理想乘法器的条件：输入阻抗无穷大输出阻抗为零乘积系数为常数有一个输入为零时输出为零，且无失调电压、电流按照允许输入信号的极性，模拟乘法器有单象限、二象限和四象限之分变跨导二象限乘法器的工作原理(一)第七节：模拟乘法器及其应用变跨导型模拟乘法器利用输入电压控制差放差分管的发射极电路，使之跨导作相应的变化，从而达到与输入差模信号相乘的目的变跨导二象限乘法器的工作原理(二)第七节：模拟乘法器及其应用可正可负，但必须大于零，故左图为二象限模拟乘法器变跨导二象限乘法器的工作原理(三)第七节：模拟乘法器及其应用的值必须小于左图电路缺点：的值越小，运算误差越大与有关，即受温度变化的影响电路只能工作在二象限双平衡四象限变跨导乘法器(一)第七节：模拟乘法器及其应用电路结构说明双平衡四象限变跨导乘法器(二)第七节：模拟乘法器及其应用双平衡四象限变跨导乘法器(三)第七节：模拟乘法器及其应用可通过上图将左图的双端输出转变为单端输出，乘积系数可通过反馈电阻进行调节该电路的输入信号最大值仍然受限模拟乘法器的应用-乘方运算电路第七节：模拟乘法器及其应用模拟乘法器的应用-除法运算电路第七节：模拟乘法器及其应用左图中，与必须是同相的，从而才能引入负反馈，使得电路正常工作利用深负反馈条件下的虚短路与虚开路，可得：由于的极性受限制，故该电路为二象限除法运算电路模拟乘法器的应用-开方运算电路第七节：模拟乘法器及其应用模拟乘法器的应用-例第七节：模拟乘法器及其应用电压比较器的基本特性电压比较器(简称比较器)的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平第九节：电压比较器电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量，实际上是一位A/D转换器，可作为模拟电路与数字电路之间的接口电路工作于开环或正反馈下的集成运放具有比较功能，也可采用单片集成电压比较器电压比较器的两个重要参数(一)线性区边缘所对应的两个输入电压值的差值即为比较器的灵敏度越小，灵敏度越高灵敏度标志着比较器对输入信号电压的分辨能力。为提高灵敏度，应选择开环增益大、失调与温漂小的集成运放或集成比较器构成电压比较器第九节：电压比较器电压比较器的两个重要参数(二)右图中称为比较器的响应时间越小响应速度越快提高响应速度的方法：运放不加相位补偿电容也可提高响应速度第九节：电压比较器比较器的输出限幅电路第九节：电压比较器通过在比较器的输出端加一个由稳压管构成的限幅电路，形成较稳定、精确的输出电平若要求比较器输出高、低电平的绝对值不等，则可选用两只特性不同的稳压管反向串联使用分析电压比较器电压传输特性的要素电压比较器的输入电压为模拟信号，输出电压只有两种可能状态。使输出电压发生跳变的输入电压称为阈值电压，或转折电压为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：输出电压高、低电平数值阈值电压的数值输入电压变化且经过阈值电压时输出电压跃变的方向第九节：电压比较器过零电压比较器第九节：电压比较器将信号与零电平进行比较的比较器为过零比较器若输入信号为正弦波，则其输出为方波精密全波整流器一般单限电压比较器只有一个门限电平的比较器，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平第九节：电压比较器滞回电压比较器(一)电路结构说明输出限幅电