模拟集成电路33235.pptx

第四讲第四讲 模拟集成电路模拟集成电路1.1 集成运算放大器集成运算放大器集集成成运运算算放放大大器器是是一一种种高高放放大大倍倍数数的的直直接接耦耦合合放放大大器器。在在该该集集成成电电路路的的输输入入与与输输出出之之间间接接入入不不同同的的反反馈馈网网络络，可可实实现现不不同同用用途途的的电电路路，例例如如利利用用集集成成运运算算放放大大器器可可非非常常方方便便的的完完成成信信号号放放大大、信信号号运运算算（加加、减减、乘乘、除除、对对数数、反反对对数数、平平方方、开开方方等等）、信信号号的的处处理理（滤滤波波、调调制制）以以及及波波形形的的产产生生和和变变换换。集集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。集成运算放大器可分为如下几类。集成运算放大器可分为如下几类。1通用型运算放大器通用型运算放大器通通用用型型运运算算放放大大器器就就是是以以通通用用为为目目的的而而设设计计的的。这这类类器器件件的的主主要要特特点点是是价价格格低低廉廉、产产品品量量大大面面广广，其其性性能能指指标标能能适适合合于于一一般般性性使使用用。例例m mA741（单单运运放放）、LM358（双双运运放放）、LM324（四四运运放放）及及以以场场效效应应管管为为输输入入级级的的LF356都都属属于于此此种种。它它们们是是目目前前应应用用最最为为广广泛泛的集成运算放大器。的集成运算放大器。2高阻型运算放大器高阻型运算放大器这这类类集集成成运运算算放放大大器器的的特特点点是是差差模模输输入入阻阻抗抗非非常常高高，输输入入偏偏置置电电流流非非常常小小，一一般般rid（1091012）W W，IIB为为几几皮皮安安到到几几十十皮皮安安。实实现现这这些些指指标标的的主主要要措措施施是是利利用用场场效效应应管管高高输输入入阻阻抗抗的的特特点点，用用场场效效应应管管组组成成运运算算放放大大器器的的差差分分输输入入级级。用用FET作作输输入入级级，不不仅仅输输入入阻阻抗抗高高，输输入入偏偏置置电电流流低低，而而且且具具有有高高速速、宽宽带带和和低低噪噪声声等等优优点点，但但输输入入失失调调电电压压较较大大。常常见见的的集集成成器器件件有有LF356、LF355、LF347（四四运运放放）及更高输入阻抗的及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。等。1.1.1 集成运算放大器的使用要点1集成运放的电源供给方式集成运放的电源供给方式集集成成运运放放有有两两个个电电源源接接线线端端+VCC和和-VEE，但但有有不不同同的的电电源源供供给给方方式式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。（1）对称双电源供电方式）对称双电源供电方式运运算算放放大大器器多多采采用用这这种种方方式式供供电电。相相对对于于公公共共端端（地地）的的正正电电源源（+E）与与负负电电源源（-E）分分别别接接于于运运放放的的+VCC和和-VEE管管脚脚上上。在在这这种种方方式式下下，可可把把信信号号源源直直接接接接到到运运放放的的输输入入脚脚上上，而而输输出出电电压压的的振振幅可达正负对称电源电压。幅可达正负对称电源电压。（2）单电源供电方式）单电源供电方式单单电电源源供供电电是是将将运运放放的的-VEE管管脚脚连连接接到到地地上上。此此时时为为了了保保证证运运放放内内部部单单元元电电路路具具有有合合适适的的静静态态工工作作点点，在在运运放放输输入入端端一一定定要要加加入入一一直直流流电电位位，如如图图3.2.1所所示示。此此时时运运放放的的输输出出是是在在某某一一直直流流电电位位基基础础上上随随输输入入信信号号变变化化。对对于于图图3.2.1交交流流放放大大器器，静静态态时时，运运算算放放大大器器的的输输出出电电压压近近似似为为VCC/2，为为了了隔隔离离掉掉输输出出中中的的直直流流成成分分接接入入电电容容C3。2集成运放的调零问题集成运放的调零问题由由于于集集成成运运放放的的输输入入失失调调电电压压和和输输入入失失调调电电流流的的影影响响，当当运运算算放放大大器器组组成成的的线线性性电电路路输输入入信信号号为为零零时时，输输出出往往往往不不等等于于零零。为为了了提提高高电电路路的的运运算算精精度度，要要求求对对失失调调电电压压和和失失调调电电流流造造成成的的误误差差进进行行补补偿偿，这这就就是是运运算算放放大大器器的的调调零零。常常用用的的调调零零方方法法有有内内部部调调零零和和外外部部调调零零，而而对对于于没没有有内内部部调调零零端端子子的的集集成成运运放放，要要采采用用外外部部调调零零方方法法。下下面面以以m mA741为为例例，图图3.2.2给给出出了了常常用用调调零零电电路路。图图3.2.2(a)所所示示的的是是内内部调零电路；图（部调零电路；图（b）是外部调零电路。）是外部调零电路。3集成运放的自激振荡问题集成运放的自激振荡问题运运算算放放大大器器是是一一个个高高放放大大倍倍数数的的多多级级放放大大器器，在在接接成成深深度度负负反反馈馈条条件件下下，很很容容易易产产生生自自激激振振荡荡。为为使使放放大大器器能能稳稳定定的的工工作作，就就需需外外加加一一定定的的频频率率补补偿偿网网络络，以以消消除除自自激激振振荡荡。图图3.2.3是是相相位补偿的使用电路。位补偿的使用电路。另另外外，防防止止通通过过电电源源内内阻阻造造成成低低频频振振荡荡或或高高频频振振荡荡的的措措施施是是在在集集成成运运放放的的正正、负负供供电电电电源源的的输输入入端端对对地地一一定定要要分分别别加加入入一一电电解解电电容容（10m mF）和和一一高高频频滤滤波波电电容容（0.01m mF0.1m mF）。如如图图3.2.3所示。所示。4.集成运放的四个重要参数：集成运放的四个重要参数：(1)增益带宽积增益带宽积（GBW)GBW=Avd.fH其中其中，Avd为中频开环增益，为中频开环增益，fH为开环上为开环上限截止频率。限截止频率。以以uA741为例，为例，Avd=100dB即即100000倍。倍。fH=10Hz,GBW=10100000=1MHz。即该运放的。即该运放的 fT=1MHz。Avd(dB)ffHfTAvo若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上限频率限频率 fHF=GBW/AVFAvd(dB)ffHfTAvoAVFfHF(2)压摆率（转换速率）压摆率（转换速率）SR压摆率压摆率SR表示运放所允许的输出电压表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。对时间变化率的最大值。若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。则：若已知若已知 V0m，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率对于对于uA741，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为Vin=2V，f=100KHz的正弦信号，其输出波形如何？的正弦信号，其输出波形如何？+-vinvo为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于0.8V。vinvo(3)共模抑制比共模抑制比CMRR该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）的抑制能力。定义的抑制能力。定义Avd 为开环差模增益，为开环差模增益，Avc为开环共模增益。共模抑制比这一指为开环共模增益。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。着共模干扰信号。假设某一放大器的差模输入信号假设某一放大器的差模输入信号Vidm为为10uV，而放大器的输入，而放大器的输入端存在着端存在着10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的共模抑制比呢？大的共模抑制比呢？设该放大器的输出端的共模电压为设该放大器的输出端的共模电压为Vocm,则则 Vocm=Vicm.Avc则将其折合到输入端的共模信号为：则将其折合到输入端的共模信号为：Vicm=Vocm/Avc折合到输入端的误差电压为：折合到输入端的误差电压为：在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：则则 运放的共模抑制比运放的共模抑制比 要求运算放大器的共模抑制比大于要求运算放大器的共模抑制比大于120dB4.4.运算放大器的应用运算放大器的应用（1）反相比例运算电路）反相比例运算电路R1RFRPRW10k该电路的电压放大倍数该电路的电压放大倍数输入电阻：输入电阻：RiF=R1输出电阻：输出电阻：R0F=0平衡电阻：平衡电阻：RP=RF/R1该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻RF一般小于一般小于1M，RF过大会影响阻值的精度；但过大会影响阻值的精度；但RF也不能太小，过小会从信号也不能太小，过小会从信号源或前级吸取较大的电流。源或前级吸取较大的电流。运算放大器的共模输入电压：运算放大器的共模输入电压：ViC=0（2）同相比例放大器电路同相比例放大器电路RFViV0该电路的电压放大倍数该电路的电压放大倍数输入电阻：输入电阻：RiF=输出电阻：输出电阻：R0F=0平衡电阻：平衡电阻：RP=R1/RF由于运算放大器在该电路中不是由于运算放大器在该电路中不是“虚地虚地”，其输入端存在着，其输入端存在着较大的共模信号，共模输入电压为：较大的共模信号，共模输入电压为：ViC=Vi在应用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于在应用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于Vi的最大的最大值。值。（3）由三运放组成的仪表放大器由三运放组成的仪表放大器当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。例如用于对温度、流量、压力等物理量的测量，一般传感例如用于对温度、流量、压力等物理量的测量，一般传感器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的变化，如图。变化，如图。E输出输出RXRRR仪表放大器具有的特征是：仪表放大器具有的特征是：具有高的输入阻抗，低的偏置电流。具有高的输入阻抗，低的偏置电流。平衡差动输入，高的共模抑制比。平衡差动输入，高的共模抑制比。单端输出，较低的输出电阻。单端输出，较低的输出电阻。具有较小的失调电压与漂移。具有较小的失调电压与漂移。改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。满足以上要求的电路原理图如下。满足以上要求的电路原理图如下。R4=R5，R6=R7条件下，该电路的差模电压放大倍数为：条件下，该电路的差模电压放大倍数为：为了提高仪用放大器的共模抑制比（为了提高仪用放大器的共模抑制比（CMRR），要求），要求相相差差尽尽可可能能小小，一一般般选选用用金金属属膜膜或或线线绕绕电电阻阻。调调节节增增益益时时，不不要要调调节节R4R7这这些些电电阻阻。如如果果希希望望调调节节增增益益，必必须须用用改改变变电电阻阻R2实实现现，这样对这样对仪用仪用放大器的放大器的CMRR影响不大。影响不大。一实际测量放大器电路一实际测量放大器电路:（4）交流放大器）交流放大器 双电源供电的交流放大器双电源供电的交流放大器若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器（也可用反相式）。（也可用反相式）。电容电容C1、C2、C3为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：AVF=1+RFR2R1接地是为了保证运算放大器有一合适的静态工作点，即当信接地是为了保证运算放大器有一合适的静态工作点，即当信号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：Ri=R1R1不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出。但也不能太小，不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出。但也不能太小，否则将影响前级信号源输出。一般选几十千欧。否则将影响前级信号源输出。一般选几十千欧。耦合电容耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率可根据交流放大器的下限频率fL来确定。一来确定。一般取般取 C1=C3=（310）1(2RLfL)反馈支路的隔直电容反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。注意电容在电路中一般取几微法。注意电容在电路中的极性。的极性。为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为1+RFR2；但；但由于反馈电压由于反馈电压VA与输入电压与输入电压VB近似相等，故流过近似相等，故流过R1的电流近的电流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。单电源供电的交流电压放大器单电源供电的交流电压放大器对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：在下图的反相交流电压放大器中，在下图的反相交流电压放大器中，R2、R3为偏置电阻。为为偏置电阻。为了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态工作点了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态工作点 V+=(R3R3+R2)Vcc=Vcc/2静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。电容电容C1、C2为隔直电容，有关为隔直电容，有关C1、C2的选择有放大器的下的选择有放大器的下限频率限频率fL决定。该放大器的电压放大被数决定。该放大器的电压放大被数 AVF=RFR1下图是自举式同相交流放大器下图是自举式同相交流放大器（5）精密整流电路）精密整流电路 半波整流电路半波整流电路精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。当当 （正半周）时，（正半周）时，D1导通，导通，D2截止，输出电压截止，输出电压:当当 （负半周）时，（负半周）时，D1截止，截止，D2导通，输出电压导通，输出电压:精密全波整流电路（绝对值电路）精密全波整流电路（绝对值电路）如如果果需需要要对对小小信信号号进进行行绝绝对对值值运运算算，可可采采用用图图3.2.13所所示示电电路路。在电路中，电阻元件选择在电路中，电阻元件选择R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。当当 （正半周）时，二极管（正半周）时，二极管D2截止，截止，D1导通，导通，故故 当当 （负半周）时，二极管（负半周）时，二极管D1截止，截止，D2导通，导通，故故 可可见见输输出出形形成成全全波波整整流流。同同理理，若若将将D1、D2极极性性反反接接，可可得得到到输输出极性相反的全波整流。出极性相反的全波整流。（6）通用窗口比较器通用窗口比较器在在元元件件选选择择与与分分类类，或或对对生生产产现现场场进进行行监监视视与与控控制制时时，窗窗口口比比较较器器是是很很有有用用的的。图图 3.2.14所所示示即即是是一一典典型型的的窗窗口口比比较较器器电电路路。其其中中UH为为上上限限电电压压，UL为为下下限限电电压压，Vi为为输输入入电电压压；当当ViUH或或ViUL时时，运运算算放放大大器器A1或或A2输输出出高高电电平平，三三极极管管T饱饱和和导导通通，输输出出V00V；当当ULViUH时，运算放大器时，运算放大器A1和和A2均输出低电平，三极管均输出低电平，三极管T截止，。截止，。输出输出V0=5V。电路中。电路中A1、A2的输入端所加的双向的输入端所加的双向嵌位嵌位二极管，二极管，其保护作用。图中其保护作用。图中R3是一电阻，如需要，它可以是一个继电器是一电阻，如需要，它可以是一个继电器或指示灯或指示灯（7）三角波）三角波方波发生器方波发生器 虽然产生三角波的电路很多，但用运算放大器构成的三角波虽然产生三角波的电路很多，但用运算放大器构成的三角波发生器却具有许多优点：产生波形的线性度好、稳定性好，且可发生器却具有许多优点：产生波形的线性度好、稳定性好，且可以同时产生方波；输出频率范围极宽以同时产生方波；输出频率范围极宽，其低，其低频可达频可达10-4Hz，高频，高频方面约方面约106Hz，且在十个数量级的频带范围内，可以连续地改变，且在十个数量级的频带范围内，可以连续地改变输出频率，同时可保证频输出频率，同时可保证频率改变率改变时，输出电压的幅度恒定不变。时，输出电压的幅度恒定不变。图图3.2.15所示电路即是一典型的三角波所示电路即是一典型的三角波方波发生器。率。在给方波发生器。率。在给定的参数条件下，该电路的输出频率为定的参数条件下，该电路的输出频率为45Hz500Hz。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH