模拟集成电路及其应用.ppt

电子电路基础 信息与通信工程学院 厚德 博学 敬业 乐群 第六章 模拟集成电路及其应用 第六章 模拟集成电路及其应用 集成运算放大器 模拟集成电路种类很多，常用的有集成运算放大器、集成功率放 大器、集成模拟乘法器、集成电压比较器等。 按工艺 双极型、CMOS型、混合型 按工作原理 电压放大型、电流放大型、跨导型、 按电源 单电源、双电源 6.1 集成运放的组成及基本特性 集成运放是一种高增益(100dB180dB)直接耦合放大电路， 输入电阻高，输出电阻低，共模抑制比高(60dB170dB)，失调 与漂移小，广泛应用于各种电子电路中。 集成运放的组成 集成运放的一般组成框图 6.1 集成运放的组成及基本特性 典型的集成运算放大器 A741 30pF 39k 10k 3k 50k50 1k50k1k 25 50 24只晶体管 10个电阻 1个电容 共集 - 共基共集 - 共基 共集 共集 共射互补输出级 改进电流源 做有源负载 电流源电流源 电流源 偏 置 电 路 微电流源 互补输出级 密勒补偿 电容 取样电阻 取样电阻 过 载 保 护 过 载 保 护 调零电路 拉 电 流 灌 电 流 6.1 集成运放的组成及基本特性 集成运放的符号 同相输入端 vP : 输出与输入信号同相 反相输入端 vN : 输出与输入信号反相 输出端 vo : 输出电压信号 (a) 国标符号 (b) 常用符号 模拟集成放大器的符号 6.1 集成运放的组成及基本特性 集成运放的传输特性 线性区输出与输入的函数关系 6.1 集成运放的组成及基本特性 理想集成运放模型 开环差模电压增益 Avd 通常要求 Avd80dB 差模输入电阻Rid 通常要求Rid比输入端外电路的电阻大23个量级 输出电阻 Ro 0， 通常要求Ro比输出端外电路的电阻小1 2个量级 共模抑制比 KCMR 输入失调足够小 6.1 集成运放的组成及基本特性 集成运放工作在线型区的特点 n虚短 n运放处于线性状态时，可把两输 入端视为等电位，称为虚短。显 然不能将两输入端真正短路。 n虚断 n运放处于线性状态时，可把两输 入端视为等效开路，称为虚断。 同样不能将两输入端真正断路。 6.1 集成运放的组成及基本特性 vN=0vN=vI 反向输入同向输入 工作在线型区的运放 6.1 集成运放的组成及基本特性 反向输入 vN=0 工作在线型区的运放 工作于非线性区 电压比较器 6.2 集成运放的主要参数 运放的技术指标很多，一部分与差放电路 和功率放大电路相同，另一部分则是根据运放 电路本身的特点而设立。 各种主要参数均比较适中的是通用型运放, 对某些项技术指标有特殊要求的是各种专用型 运放。 6.2.1 输入失调参数 输入失调电压VIO A741典型值：1mV n输入电压为零时，为使运放输出电压为零，在输入端所加的补偿 电压，是表征运放内部电路对称程度和电平配合情况的指标。 输入偏置电流IIB A741典型值：80nA n当输出电压为零时两输入端静态电流的平均值。 输入失调电流 IIO A741典型值：20nA n输出电压为零时流入运放两输入端静态电流之差，用于表征 差动放大管的不对称的程度。 6.2.1 输入失调参数 输入失调电压温漂 VIO / T A741典型值：5V/C n在规定工作温度范围内 输入失调电压VIO的温度系数， 不能用外接调零装置补偿。 输入失调电流温漂 IIO / T A741典型值：1nA/C n在规定工作温度范围内 输入失调电流 IIO的温度系数， 不能用外接调零装置补偿。 6.2.2 差模特性参数 最大差模输入电压VIDmax n运放两输入端能承受的差模输入电压的最大值，超过此值 差分管将出现发射结反向击穿现象。 最大输出电流IOmax n运放输出的峰值电流，通常是指输出端短路电流。 开环差模电压增益Avd n运放工作在线性区、接入规定的负载、无反馈情况下的 直流差模电压增益。 A741典型值：106dB 6.2.2 差模特性参数 开环带宽 BW(fH) A741典型值：7Hz n一般指3dB带宽，运放的开环差模电压增益下降至3dB时对 应的频率为fH。 单位增益带宽BWG(fT) A741典型值：1.4M Hz n随信号频率上升，开环电压增益下降到 Avd=1 时的频率称为 fT，BWG(fT)是 f = 0 到 fT 之间 的带宽。 6.2.3 共模特性参数 最大共模输入电压VICmax A741典型值：13V n在保证运放正常工作条件下共模输入电压的最大值。超过 此值，共模抑制比将明显下降。 共模抑制比KCMR A741典型值：90 dB n差模电压增益与共模电压增益比值的绝对值。 共模电压增益Avc n运放输入端加共模电压时的增益。 6.2.4 大信号动态特性 转换速率S R (摆率) 放大电路在闭环状态下，输入信号 为大信号时(如阶跃信号)，输出电压对时间的最大变化率： 全功率带宽BWP 表征运放在频域中的大信号特性，是转换 速率的另一种表示形式。 A741典型值：0.5V/s 6.2.5 电源特性参数 电源电压抑制比KSVR: 衡量电源电压波动对输出电压的 影响程度。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。 静态功耗 PD : 当输入信号为零时，运放消耗的总功率。 6.4 集成运放的同相和反相放大电路 运放的线性应用 运放的非线性应用 n工作在传输特性的线性区 n构成深度负反馈电路 n线性放大电路：实现信号的放大。 n运算电路：实现信号的运算。 n利用虚短、虚断的概念解题。 n工作在传输特性的限幅区 n处于开环或者正反馈工作状态 6.4.1 运放的线性与非线性应用 6.4.2 集成运放的基本输入方式 反相输入 基本反相输入放大电路 输出量与输入量存在比例关系 ，可实现反相比例运算。 电压并联负反馈 虚短： 虚断： 6.4.2 集成运放的基本输入方式 基本反相输入放大电路 n电压并联负反馈，Rif R1，Rof 0 nAvf 与运放的内部参数无关，只取决 于RF、R1 n输出和输入信号反相，当RFR1时 ， Avf-1，称为单位增益倒相器。 n理想情况下 vN=0，共模输入电压趋 于0，对运放的KCMR要求较低 nR 称为直流平衡电阻 反相输入 6.4.2 集成运放的基本输入方式 T型反馈网络构成的反相放大电路 为提高输入电阻，加大R1 ；为保持增益不变，用T型网络 取代RF。 电压并联负反馈 反相输入 6.4.2 集成运放的基本输入方式 基本同相输入放大电路 输出量与输入量存在比例关系 ，可实现同相比例运算。 同相输入 电压串联负反馈 虚短： 虚断： 6.4.2 集成运放的基本输入方式 基本同相输入放大电路 同相输入 n电压串联负反馈， Rif ， Rof 0 nAvf与运放的内部参数项无关，保证 了运算的精度和稳定性 n输入vN= vP = vI ，输入端存在共模 信号，要求运放具有较高的KCMR n当 R1 或 RF0时， Avf1，称 为电压跟随器 6.4.2 集成运放的基本输入方式 n电压串联负反馈， Rif ， Rof 0 nAvf与运放的内部参数项无关，保证 了运算的精度和稳定性 n输入vN= vP = vI ，输入端存在共模 信号，要求运放具有较高的KCMR n当 R1 或 RF0时， Avf1，称 为电压跟随器 电压跟随器 6.4.2 集成运放的基本输入方式 分压同相输入 运放的四种反馈组态 电压并联负反馈 反相输入放大电路 电压串联负反馈 同相输入放大电路 运放的四种反馈组态 电流并联负反馈 II 变换 电流放大 电流串联负反馈 VI 变换 电压源变电流源 iL 应用举例 例：电路如图所示，A为理想运放，试求 (1) 流过电阻R2的电流I2为多少? (2) 写出vo的表达式。 应用举例 说明下面电路的功能，若输入信号如右图所示，画出输出电压波形 。 1. 带限幅的反向比例放大电路。 2. 当 |vI| 1V时，电路增益Avf = -5 当 |vI| 1V时， |vo|被限制在5V 当 t=0.1s 时， vI = 1V，输出波形如图 6.5. 由集成运放构成的模拟运算电路 比例运算电路 加法/减法运算电路 积分/微分运算电路 对数/指数运算电路 乘/除/开方运算电路 比例运算电路 基本同相输入放大电路 反相比例运算同相比例运算 基本反相输入放大电路 6.5.1 加法运算电路 两输入端反相加法电路 在反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路。 若 R1=R2 反向加法电路 6.5.1 加法运算电路 在同相比例运算电路的基础 上，增加一个输入支路。 若 R1/RF= RP= R2/R3/R4 两输入端同相加法电路 同向加法电路 6.5.2 减法运算电路 R1/RF=R2/R3 当 vI1 =0 时： 当 vI2 =0 时： 若 n实现模拟减法运算 n电压增益 差分输入减法电路 6.5.2 减法运算电路 若 第一级输出阻抗近似为零，后级对 它的负载作用可以忽略。两级电路的输 出与输入关系可分开计算，互不影响。 高输入阻抗减法电路 6.5.2 减法运算电路 若 反相求和减法电路 将加法电路中的某一输入反相， 也能实现减法运算。 应用举例 例：在下图所示的电路中，A1、A2 、A2为理想运放，求vo 应用举例 电路如下图所示，求输出vO表达式, 并分析R1的作用。 解：vS1和vS2为 差模输入信号，因此vO1和vO2 也是差模信号，R1的中点为交流零电位 。 A3是双端输入放大电路。 调节R1可以改变放大 电路的增益. 例：在下图所示的电路中，A1、A2为理想运放，求vo N IR2 IR1 N点为虚地，A2为电压跟随器 应用举例 应用举例 试指出运放A2引回的反馈极性，求电路的输入电阻Rivi/ii A2引回的是正反馈 应用举例 例：在下图所示的电路中，A1、A2为理想运放， ，求vo vI1 vI2 vo1 vi = vIi -vI2 6.5.3 积分运算电路 n电路的组成 用电容C引入深负反馈 ，运放工作在线性区. 根据虚短，N点虚地 综合以上两式，可得： 其中：RC 为积分时间常数 为积分初始条件 + - 6.5.3 积分运算电路 当输入为阶越函数时 假设电容C上初始电压为0，则： 积分时间限制： 6.5.3 积分运算电路 当输入信号为零时，由于虚地原因 ，电阻R两端无电位差，C不能放电，积 分器的输出电压保持不变。 当输入为矩形波时 6.5.3 积分运算电路 当输入为正弦波时 输出为余弦波 输出比输入超前90，电路的 作用是移相。 积分运算电路举例 例：输入为矩形波，集成运放 的最大输出幅度为14V， t=0时vO为零, 积分参数为 (1) R=100K, C=0.5F (2) R=50K, C=0.5F (3) R=10K, C=0.5F 画出输出波形。 应用举例 例: 电路如图所示，设运放为理想运放。请问A1A4各组成什么电路 ？ 若在t=0时刻接入信号源和电源，求t=4.9s时各运放的输出电压。 在t=15.5s时，各运放的输出电压为多少？ 100 k 10 k 1 F -2.5 V -2.5 V 5.1 V 假设运放电源为15V, VOH=13V, VOL=-13V, 当 t=0时，vC=0V. 10 k (1) 4.9V (2) 计算值为-15.5V，实际值为-13V 6.5.4 微分运算电路 基本微分运算电路 缺点： 功能： (1) 波形变换，把矩形波变为尖脉冲 (2) 移相：正弦波变余弦波，滞后90 1. vO与vI的变化率成正比，对vI突变部 分敏感，抗干扰能力差； 2. vI发生突变时，vO立刻进入限幅区， 为保证电路实现微分功能，需限制 输入信号的频率。 3. RC构成滞后的移相环节，与运放原 有滞后环节作用，容易自激。 输出电压vO正比于vI 对时间的微分 + - 6.5.5 对数与反对数运算电路 对数运算电路 PN结伏安特性方程: 输出电压vO与输入电压vI的对数 成正比 具有温度补偿的对数运算电路 两只三极管共同作用，抵消IES的影响；VT的温度补偿由热敏电阻 R5承担。 热敏电阻，补偿 VT的温度特性 6.5.5 对数与反对数运算电路 指数运算电路相当于反对数运算电路 。 指数运算电路 如何实现如下运算？ 乘法电路 设： 信号倍频 乘法电路 减法 电路 开方电路： 6.7 模拟乘法器及其应用 模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的电子器件，利用模拟乘 法器以及运算放大器可实现乘法、除法、乘方、开方等运算。 6.7.1 模拟乘法器简介 模拟乘法器的输入信号为两个互不相关的模拟量，输出为它们的乘积。 理想模拟乘法器应具备： n输入阻抗 Rix，Riy 为无穷大； n输出阻抗 Ro 为零； n乘积系数 k 为常数; n当 vx 或 vy 为零时 vo 为零。 模拟乘法器的等效电路 模拟乘法器的符号 由vx 和 vy 的极 性所确定的四 个象限 6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理 差分放大电路 利用输入电压控制差分管发射极电路，使跨导变化，实现差模 信号的相乘。 当vx0，求vO= ？ 6.7.3 模拟乘法器的应用 乘方运算电路 6.7.3 模拟乘法器的应用 电路正常工作时，必须引入负反馈，即vO和vO同相。当k为 正值时vI2必须也是正值。 除法运算电路 6.7.3 模拟乘法器的应用 平方根运算电路 由于vO为大于零的值，所以vI必须小于零，且根号下的值必 须为正，即k值为正。 开方运算电路 6.7.3 模拟乘法器的应用 立方根运算电路 开方运算电路 应用举例 例：某运算电路如下图所示，运放及乘法器均为看成理想器件， 乘法器的乘积系数为0.1，求输出与输入间的运算关系。 6.9 电压比较器 电压比较器的基本特性 电压比较器的应用电路 单限比较器 过零比较 过任意电平比较 滞回比较器 窗口比较器 采用滞回比较器去除噪声 6.9.1 电压比较器的基本特性 n输入：连续变化的模拟量vI 、基准电压VREF n输出：数字量，即高、低电平，数字信号1或0 n功能：比较两输入电压的大小 n特点：工作在开环或正反馈状态。 n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。 n非线性 - 因是大幅度工作，输出和输入不 成线性关系。 n参数: 灵敏度、响应速度 n可用于越限报警、模数转换，以及各种非线性 波形的产生和变换等。 6.9.1 电压比较器的基本特性 n响应速度 若输入端加理想阶跃信号，其 输出电压vO的跳变需要一定时间t ，称为响应时间。为提高响应速度 ，应选择高速、宽带集成运放。 n灵敏度 VI 表征比较器对输入信号的分辨 能力。为提高灵敏度，应选择开环 增益大、失调与温漂小的运放。 6.9.1 电压比较器的基本特性 电阻R1、R2和二极管D1、D2组成限幅电路，将运放的输入 电压限制在VD之间，从而提高工作速度，防止因输入电压过大 而损坏器件。 输入端限幅电路 6.9.1 电压比较器的基本特性 输出值限幅措施 利用两个背靠背的稳压二极管 vI 0, vO = - Vz, 深负反馈 在跳变点vI = 0处, 运放开环工作 在运放输出端接两个稳压二级管 运放处于开关工作状态，始终 在非线性区 输出端限幅电路 6.9.3 电压比较器的应用电路 n电路构成 n反相输入过零比较电路 n同相输入过零比较电路 n阈值电压：门限电平 n比较器的输出电压从一种状 态跳变到另一种状态时相应 的输入电压值。 n转换条件 过零比较器 6.9.3 电压比较器的应用电路 输入、输出限幅的反相输入过零比较器 过零比较器 过零比较器应用 波形变换 过零比较器应用 全波整流电路 信号正半周 信号负半周 6.9.3 电压比较器的应用电路 将过零比较器的一个输入端从接地改接到固定电压值VREF ，就得到单限电压比较器，调节VREF可方便地改变阈值电压。 单限电压比较器 6.9.3 电压比较器的应用电路 一般反相/同相输入单限幅电压比较器 单限电压比较器 6.9.3 电压比较器的应用电路 VREF与vI加在同一个输入端的单限电压比较器 求和型单限电压比较器 单限电压比较器用于波形变换 滞回比较器 单限比较器电路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差，在门限 值附近的干扰会使比较器输出产生误跳变。 存在干扰时输出波形 传输特性有两个分支, 类似磁滞回线 有两个不同的阈值, 具有迟滞特性 滞回比较器特性曲线 反相输入滞回比较器 1. vO发生状态跳变的条件 vN = vP 在左图所示电路中： vI = vN vP = f (vO，VREF) 有两种可能的状态： +VZ，- VZ 形成两个不同的门限电平 这使其传输特性形成滞回特性 Vth1 Vth2 反相输入滞回比较器 2. 两个门限电平值的估算 n门限宽度 (回差) 指Vth1和Vth2两个门限电平之差： 门限宽度取决于VZ，R1，R2。改变 VREF，传输特性曲线整体左右移动，但 滞回曲线的宽度将保持不变。 反相输入滞回比较器 VREF=0 的情况 反相输入滞回比较器 例：试分析如下电路的特性，其中D为理想二极管，若D反接呢？ VREF0 同相输入滞回比较器 n对于同相输入端： n对于反相输入端： n阈值电压： 滞回比较器 单限比较器与滞回比较器抗干扰 能力的比较。 原始输入信号 混入噪声 单限比较器输出 滞回比较器输出 双限比较器 用于检测模拟输入信号的电平是否处于两个门限电平之间 有两个门限，称作双限比较器 窗口比较器 反相输入 单限比较器 同相输入 单限比较器 用二极管将横 轴以下部分去掉 一