模拟集成电路及实际有效应用

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简单介绍模拟乘法器及其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-总图第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路-输入级T1-T9为差分输入级T1、T3和T2、T4组成共集-共基组合差放T5-T7为改进型镜像电流源作该级的有源负载，以提高电压增益并完成单端-双端输出的转换T8-T9为镜像电流源，为输入级提供偏置电流第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路-中间级T16、T17和T13组成中间级T16为射极跟随器T17为共射放大管，T13(B路)作为其有源负载该级电压增益可达55dB以上，其输入电阻很高，故对前级的影响较小第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路-输出级T14、T15及T18-T24等组成输出级T24、T13(A路)及其作用T14、T20、T18、T19及其作用T15、R9及其作用R10和T21-T23的作用第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路-偏置电路T12、R5、T11构成主偏置电路，提供参考电流输入级的偏置，注意存在的负反馈作用中间级的偏置输出级的偏置？第一节：集成运算放大器的组成及基本特性uA741的原理电路-总结第一节：集成运算放大器的组成及基本特性运算放大器内部电路的特点(一)集成运放的许多性能参数主要取决于差分输入级的性能。集成运放的发展主要是以改进差分输入级的性能为主要标志中间级的主要作用是提供足够高的电压增益，应有高输入电阻。该级还常担任电平移动的任务。多采用有源负载的共射电路第一节：集成运算放大器的组成及基本特性输出级的主要要求是能向负载提供足够的功率，输出电阻要小，动态范围要大。为了使用安全，一般还应附有过载保护电路集成运放的组成及各部分特点(二)直流偏置电路的作用第一节：集成运算放大器的组成及基本特性集成运放的级间耦合均采用直接耦合方式电路中的二极管主要用于温度补偿、电平偏移、提供偏置电压等，多使用三极管的发射结代替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8、9脚之间接校正电容第一节：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输入失调参数(一)输入失调电压在室温及标准电源电压下，静态(输入电压为零)时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端所加的补偿电压其大小反映了集成运放中电路的对称程度和电平配合情况输入偏置电流输出电压为零时两输入端静态电流的平均值，即：第二节：集成运算放大器的主要参数输入失调参数(二)输入失调电流输出电压为零时流入运放两输入端静态电流之差，即：输入失调电压的温漂对于双极型运放，它反映了输入级差动放大管的不对称程度。一般希望其越小越好指在规定温度范围内随温度的变化率，即的温度系数。是衡量运放温漂的重要指标第二节：集成运算放大器的主要参数输入失调参数(三)第二节：集成运算放大器的主要参数输入失调电流的温漂指在规定温度范围内的温度系数和不能用外接调零电路来补偿输入失调参数是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。因此，在对微弱信号的精密检测、精密模拟运算和自动控制仪表中对运放的这类参数会有很高的要求差模特性参数最大输出电流运放所能输出的正向或负向的峰值电流最大差模输入电压运放两输入端所能承受的最大差模输入电压第二节：集成运算放大器的主要参数开环差模电压增益集成运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增益开环带宽BW下降3dB时的频率单位增益带宽运放的开环差模电压增益下降至0dB时的频率共模特性参数(一)共模抑制比集成运放开环差模电压增益与共模电压增益的比值，即：一般情况下，集成运放共模抑制比的频响特性主要取决于差动输入级共模抑制比的频响特性，因而其共模抑制比也会随频率的增加而下降第二节：集成运算放大器的主要参数共模特性参数(二)共模电压增益最大共模输入电压运放输入端所允许施加的共模输入电压的最大值。超过此值共模抑制比将明显下降第二节：集成运算放大器的主要参数运放输入端加共模输入电压时的增益大信号动态特性(一)转换速率(摆率)代表集成运放对大幅度阶跃输入信号的适应能力，是在大信号条件下输出电压的最大变化率，即：是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。只有信号的变化速率的绝对值小于时，输出才能随输入信号线性变化第二节：集成运算放大器的主要参数大信号动态特性(二)全功率带宽表征运放在频域中的大信号特性。设运放工作在线性状态且输入为正弦信号，在额定负载和全功率输出时，能满足的最高信号频率即为全功率带宽。即为：该式表示集成运放工作在大信号条件下时，时域特性与频域特性之间的关系第二节：集成运算放大器的主要参数电源特性及其它参数静态功耗当输入信号为零时，运放消耗的总功率即为静态功耗，显然：电源电压抑制比用来衡量电源电压波动对输出电压影响的程度，通常定义为折合到输入端的失调电压变化与电源电压变化的比值，即：此外还有输出电阻、最大输出电压等指标，其意义与一般电路的相同第二节：集成运算放大器的主要参数其他集成运算放大器简介第三节：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LT1226MC14573CMOS集成运算放大器Bi_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补偿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可转变为电压跟随器第四节：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-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集成对数运算电路选择T1、T2参数对称，，则R4应具有正的温度系数，以进行VT的温度补偿调节R3的值可使输出电压超过0.7V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分析误差的意义第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响将集成运放看成理想增益器件时有：、、及其温漂为零实际工作时，必然有运算误差。分析这些误差可以将所得结论作为选用运放和其它元件的依据分析每种特定应用电路时起主要作用的参数：直流运算电路中，及其温漂交流小信号电路中，及同、反相电路中，的不同影响常根据实际情况来决定应考虑的参数类型，而将其它参数看成理想的闭环反相放大电路的直流或低频等效模型第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响、为有限值引起闭环增益的误差亦可推得增益相对误差及反馈系数越大，产生的误差越小说明忽略其它因素后的实际增益小于理想值第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响为有限值引起闭环增益的误差和越大，产生的运算误差越小第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响失调参数引起输出电压的误差将左图用戴维南定理和诺顿定理等效并进行分析，可得：和越大，及引起的误差电压也越大、对的影响可由调零电路予以补偿第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响运放的开环带宽对闭环增益的影响设运放的开环增益函数只有一个极点起主导作用，则其开环电压增益函数可写成：信号频率越高，产生的误差也越大第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响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可回顾习题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D/A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