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

2.2积分电路

2.3微分电路

2.4集成仪器放大器

2.5动态校零型斩波放大器第2章模拟集成电路的线性应用2/4/20231集成电路原理及应用能源工程学院2.1.1反相型放大器1.反相型放大器的理想特性(1)基本型反相放大器利用理想集成运放的条件：虚短和虚断，即闭环增益为即2.1模拟集成电路的基本放大电路图2-1-1

基本反相放大器+-++-ui+-uoR1R2i1i2∞iB-iB+u-=u+

，iB-=iB+

2/4/20232集成电路原理及应用能源工程学院输入电压与输出电压之间的关系为或也称比例放大器。

当两个电阻的比值为1时，称为倒相器。

等效输入电阻为等效输出电阻为图2-1-1

基本反相放大器+-++-ui+-uoR1R2i1i2∞iB-iB+2/4/20233集成电路原理及应用能源工程学院①理想条件下，(1+AdF)很大,Ro很小，Roe≈0；②一般R1、R2取值范围为1k～1M；

③对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。

说明：2/4/20234集成电路原理及应用能源工程学院(2)改进型反相放大器之一目的：提高输入电阻。

图2-1-2用T型网络代替R2的反相放大器闭环增益为②避免使用超过1M的大电阻。特点：①满足了Ri

=R1不取大值；

2/4/20235集成电路原理及应用能源工程学院图2-1-3采用自举电路的反相放大器输入电阻为要使Ri增大，设法使Ii减小。目的：提高输入电阻

(2)改进型反相放大器之二2/4/20236集成电路原理及应用能源工程学院2.反相型放大器的实际特性分析Ad、Rd、RO

不为理想条件时等效电路(1)反相放大器的

实际闭环增益图2-1-4考虑了Ad、Rd和Ro的反相放大器电路或2/4/20237集成电路原理及应用能源工程学院式中AF反相放大器的实际闭环增益

AF0反相放大器的理想闭环增益

Ad集成运放的开环增益

F实际反馈系数，一般FF0F0理想反馈系数

2/4/20238集成电路原理及应用能源工程学院(2)反相放大器的实际等效输出电阻图2-1-5输出电阻等

效计算电路等效输出电阻是在无负载时输出开路电压UO除以短路电流Ik

Uo

=

Eo

-

RoIoEo

=

-Ad(U-

-

U+)2/4/20239集成电路原理及应用能源工程学院若考虑Ro<<R2、Ro<<R1，则当用阻抗代替电阻时当信号频率<<n时，当信号频率比较高时，其输出阻抗将有很大变化。2/4/202310集成电路原理及应用能源工程学院3.反相型加法器图2-1-6

反相型加法器输出电压与输入电压关系为则输出电压为可实现对输入电压的求和运算。令R1=R2==Rn

=R2/4/202311集成电路原理及应用能源工程学院2.1.2同相型放大器1.同相型放大器的理想特性利用理想集成运放的条件：虚短和虚断

闭环增益为即图2-1-7基本同相型放大器u-=u+,iB+=iB-

U+=Ui

,2/4/202312集成电路原理及应用能源工程学院输出电压与输入电压关系为或称之为同相跟随器。

图2-1-8同相跟随器在理想条件下uo

=ui

或Uo

=Ui

Ro≈0R1

断开(放大倍数为1)图2-1-7基本同相型放大器2/4/202313集成电路原理及应用能源工程学院2.同相型放大器实际特性Ad、Rd、Ro

不为理想条件时的等效电路

(1)实际闭环增益或AF同相放大器的实际闭环增益；

AF0同相放大器的理想闭环增益；

Ad集成运放的开环增益；

F实际反馈系数，一般FF0。F0理想反馈系数；

Rd++--RoEoUo+-R2R1R3Ui+-IiU-U+图2-1-9考虑了Ad、Rd和Ro的同相放大器电路2/4/202314集成电路原理及应用能源工程学院(2)同相放大器等效输入电阻输入电压与输入电流之比即为等效输入电阻Ui

=(R3+Rd)Ii

+

U-E0

=

IiRdAdRie

=[R3+Rd+R1//(R2+R0)](1+

AdF)≈Rd(1+

AdF)通常Rd

>>R3

，Rd

>>

(R2+R0)//R1

同相放大器的优点：输入电阻很高。(3)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。2/4/202315集成电路原理及应用能源工程学院3.同相加法器理想运放时由以上三式得输出电压与输入电压关系为图2-1-10同相型加法器U+

=

U-2/4/202316集成电路原理及应用能源工程学院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Re//Rf

=Rp//R1//…//Rn

。输出电压与输入电压关系为若取R1=R2=…=Rn=

R当考虑实际运放Ad、Rd、Ro后实际输出电压与输入电压的关系为2/4/202317集成电路原理及应用能源工程学院若取Re//Rf=Rp//R1//…//Rn

的条件

若同时取R1=R2=…=Rn=R有可见因Ad、Rd

引起求和运算相对误差为2/4/202318集成电路原理及应用能源工程学院2.1.3差动型放大器1.差动放大器理想特性理想运放时当满足匹配条件R3=R1、R4=R2时输入电压与输出电压关系为图2-1-11差动放大器2/4/202319集成电路原理及应用能源工程学院2.差动放大器实际特性分析Ad和ACM对放大特性影响，其余条件均为理想若取R1=R3，R2=R4再考虑到AdF0>>1，Ad>>ACM第一项为理想放大器的输出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2/4/202320集成电路原理及应用能源工程学院由理想运放基本条件可导出以下关系式图2-1-12增益可调的差动放大器3.增益可调差动放大器I1=

I3，I2=

I4，UA-

UB=m(Ui2-

Ui1)，I3=

I5+

I6，2/4/202321集成电路原理及应用能源工程学院通常选m=n,所以当m、n的值选定后，只需调节(pR)一个电位器即可调节差动放大器增益。

缺点：①输入电阻不高；②增益与电位器阻值呈非线性关系。实用时，加补偿电容以提高稳定性。图2-1-12增益可调的差动放大器I7=

I4+

I5，2/4/202322集成电路原理及应用能源工程学院4.高输入阻抗差动放大器第一级运放为同相放大器，其输出电压为用叠加原理求第二级运放的输出电压

因两个输入信号均从同相端输入，所以输入电阻比较高。图2-1-13高输入阻抗差动放大器Uo

=(1+m)Ui2-

mUo1

=(1+m)(Ui2-

Ui1)2/4/202323集成电路原理及应用能源工程学院1.反相型积分器理想集成运放时(1)传输函数2.2积分电路图2-2-1基本反相型积分器2.2.1基本积分电路及其理想特性T=RC，T为积分时间常数。2/4/202324集成电路原理及应用能源工程学院(2)频率特性幅频特性

为幅频特性的交接频率。相频特性2/4/202325集成电路原理及应用能源工程学院(3)输出电压与输入电压的关系图2-2-2基本积分器的幅频特性图2-2-3基本积分器的相频特性2/4/202326集成电路原理及应用能源工程学院2.同相型积分器(1)传输函数I1+I2=I3即U+=U-，若满足电阻匹配条件R1R4=R2R3，例如选取R3=R1，R4=R2，则可导出理想传输函数为：图2-2-4基本同相型积分器2/4/202327集成电路原理及应用能源工程学院(2)频率特性其中，幅频特性为为幅频特性的交接频率式中相频特性为(3)输出电压与输入电压关系此积分器的波特图与反相积分器相同。2/4/202328集成电路原理及应用能源工程学院3.差动型积分器(1)传输函数取R1=R2=R，C1=C2=C，即满足匹配条件时有：(2)输出电压与输入电压的关系图2-2-5差动型积分器uo+-+AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I12/4/202329集成电路原理及应用能源工程学院2.2.2UOS、IB及其漂移对积分电路的影响输出电压为积分电容C值越小，产生的误差越大；C值越大，误差越小。图2-2-6考虑了Uos、IB的

积分电路2/4/202330集成电路原理及应用能源工程学院2.2.3集成运放的增益和带宽对积分电路影响集成运放的开环频率特性为T0—是集成运放的时间常数A0—是低频增益当A0>>1,RC>>T0时，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。实际积分器在低频范围内，因集成运放开环增益是有限值；在高频范围内，因带宽又是有限值，所以都是不理想情况。积分电路的传输函数为2/4/202331集成电路原理及应用能源工程学院图2-2-8

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RC时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。图2-2-7

积分电路的频率特性2/4/202332集成电路原理及应用能源工程学院2.2.4积分电路的保持误差产生保持误差的原因是：集成运放和积分电容某些特性。如①开环增益的不稳定，会使积分电路固定输出电压产生波动；影响保持误差的主要因素是积分电容，所以要根据实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。图2-2-9积分电路的保持误差②有限值A0和输入电阻产生的泄漏电流使积分电容器电压泄放；③电压和电流的漂移。2/4/202333集成电路原理及应用能源工程学院2.2.5几种典型的积分电路图2-2-10比例积分电路1.比例积分电路输出电压为输入失调电压和输入失调电流产生的误差电压为uo+-+AR3R1R2Cui2/4/202334集成电路原理及应用能源工程学院2.求和积分电路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。由输入失调电压和输入失调电流所产生的误差除比例项外，各积分项与上式相似。输出电压为图2-2-11求和积分电路uo+-+ARR2R1Cui2R3ui1ui32/4/202335集成电路原理及应用能源工程学院3.重积分电路输出电压为由输入失调电压和输入失调电流产生误差电压为图2-2-12重积分电路uo+-+A2RRRC/2uiC/2R/2C2/4/202336集成电路原理及应用能源工程学院理想传输函数为幅频特性为为幅频特性的交接频率2.3微分电路频率特性为2.3.1基本微分器及其理想微分特性图2-3-1基本微分器式中T=RC为微分时间常数=

sRC

=

sT2/4/202337集成电路原理及应用能源工程学院相频特性为图2-3-2基本微分器的幅频特性图2-3-3基本微分器的相频特性输出电压与输入电压的关系缺点：稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。2/4/202338集成电路原理及应用能源工程学院2.3.2微分器的实际微分特性1.实际频响特性传输函数为Ad(s)—增益函数F(s)—反馈函数从上式看出，实际微分器传输函数是由一个理想微分器的传输函数和一个二阶振荡环节的传输函数构成。

2/4/202339集成电路原理及应用能源工程学院二阶振荡环节的传输函数

图2-3-4实际微分器的幅频特性幅频特性

直线1为理想微分特性

曲线2为二阶振荡环节

曲线3为实际微分器的幅频特性

曲线4为运放开环增益的幅频特性

2/4/202340集成电路原理及应用能源工程学院2.实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性假设输入电压为负斜坡电压ui(t)=-at(t≥0)理想的输出响应函数为图2-3-5微分器对斜坡输入

电压的时间响应特性曲线1是理想输出响应特性。曲线2是在理想的输出响应aT上迭加了一个衰减振荡响应。

由拉氏反变换得时域输出响应为uo(t)=ℒ-1[Uo(s)]=aT(t≥0)2/4/202341集成电路原理及应用能源工程学院2.3.3几种典型的微分电路1.改进型的微分电路加入R1，自然频率下降，阻尼比明显增大，作用是消除自激，减小高频谐振峰。并联反馈电容Cf，作用是降低不必要高频增益。

传输函数为假设则幅频特性为图2-3-6改进型的微分电路2/4/202342集成电路原理及应用能源工程学院图2-3-7

改进型微分器

的幅频特性改进型微分器幅频特性当

<<时，为理想微分工作区，

当

>>时，为非微分的高频衰减区，

当

=时，幅频特性达到最大增益，

当

<时，是理想微分工作区，

在

<<时，其响误差为

2/4/202343集成电路原理及应用能源工程学院2.差动型的微分电路传输函数为频率特性为图2-3-9幅频特性式中：T2=R2C,T1=R1C

当

<

1时，为理想微分工作区，

当

>

1时，增益为R2/R1，高于微分工作区增益，为了降低其影响，可在两个电阻上并联小电容。

图2-3-8差动微分电路2/4/202344集成电路原理及应用能源工程学院3.比例微分电路传输函数为图2-3-10比例微分电路2/4/202345集成电路原理及应用能源工程学院2.4.1集成仪器放大器的工作原理1.基本仪器放大器电路2.工作原理(1)当Ui1单独作用，即Ui2=0时2.4集成仪器放大器图2-4-1仪器放大器电路Ui2=0，UN=02/4/202346集成电路原理及应用能源工程学院(2)当Ui2单独作用(Ui1=0)时(3)当Ui1、Ui2同时作用时

Ui1=0，UM=0图2-4-1仪器放大器电路2/4/202347集成电路原理及应用能源工程学院(4)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R5

=R4,R7

=R6,R3=R2

输出电压

仪器放大器增益为通常选R2～R6=R，只要调节R1

，即可改变AI，调节增益很方便。仪器放大器是具有高增益、高增益精度、高共模抑制比、高输入电阻、低噪声、高线性度的集成放大器；主要应用于小信号放大。所以

2/4/202348集成电路原理及应用能源工程学院2.4.2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(1)主要特点失调电压低：25V

失调电压温漂小：0.25V/ºC

非线性小：0.002％噪声小：13nV/共模抑制比高：106dB（60Hz）输入电阻高：10102/4/202349集成电路原理及应用能源工程学院(2)电路框图及其引脚图2-4-2INA101G/INA101P功能框图与封装引脚2/4/202350集成电路原理及应用能源工程学院(3)应用时的连接方法图2-4-3INA101基本应用电路输出电压为Uo=AI(Ui2

-

Ui1)外接RG调节增益：

2/4/202351集成电路原理及应用能源工程学院图2-4-4INA101输出部分调零电路改变R1、R2的比值，可以扩大调节范围。2/4/202352集成电路原理及应用能源工程学院2.LH0038/LH0038C精密集成仪表放大器(1)基本特点能够放大非常微弱的信号；能方便地将闭环增益由100调至2000；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；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、失调电压温漂和输入噪声电压等特性；采用16脚陶瓷密封双列直插式封装。2/4/202353集成电路原理及应用能源工程学院图2-4-5LH0038/LH0038C功能框图(2)功能框图2/4/202354集成电路原理及应用能源工程学院(3)应用说明(a)防护驱动端图2-4-6LH0038防护驱动端应用图2-4-7远程读出的电路(b)远程输出读出直接在负载端接通加缓冲器提高电流能力2/4/202355集成电路原理及应用能源工程学院2.5.1动态校零型斩波放大器的一般技术图2-5-1斩波放大器采用的双通道放大电路框图若A1、A2的失调电压分别为Uos1、Uos2

，将其折算到输入端，其等效失调电压为2.5动态校零型斩波放大器主放大器辅助放大器则因失调电压引起零位输出电压为Uo

=-Ad1Uos1

-Uos2Ad2Ad12/4/202356集成电路原理及应用能源工程学院2.5.2动态校零型斩波放大器的工作原理图2-5-2动态校零型斩波放大器原理图斩波放大器工作过程分两个工作期：①误差检测和记忆期

②校零和信号放大期2/4/202357集成电路原理及应用能源工程学院1.误差检测和记忆期当斩波开关S1、S2、S3同时打向“1”位置时在存贮电容C1上记忆了失调电压。图2-5-2动态校零型斩波放大器原理图Uo1=Ad1(Uos1

-Uc1)Uo2=Uc1=Ad2(Uo1

+Uos2)2/4/202358集成电路原理及应用能源工程学院2.校零和信号放大期当斩波开关S1、S2、S3同时打向“2”位置时存贮电容C2上的保持电压为完成了零位校正和信号放大。

运放A1的失调电压对输入电压影响被降低了（1+Ad1Ad2）倍。Uo

=Ad1(Ui

+Uos1-Uc1)