模拟集成电路的线性应用.ppt

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1、模拟集成电路的线性模拟集成电路的线性应用应用2.1.1 反相型放大器反相型放大器1.反相型放大器的理想特性反相型放大器的理想特性(1)基本型反相放大器基本型反相放大器利用理想集成运放的条件：利用理想集成运放的条件：虚短虚短和和虚断虚断，即，即 闭环增益闭环增益为为 即即 2.1 模拟集成电路的基本放大电路模拟集成电路的基本放大电路图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+-+-ui+-uoR1R2i1i2iB-iB+u-=u+，iB-=iB+2输入电压与输出电压输入电压与输出电压之间的关系为之间的关系为 或或 也称也称比例放大器。比例放大器。当两个电阻的比值为当两个电阻的比值为1 1时，时

2、，称为称为倒相器。倒相器。等效输入电阻等效输入电阻为为 等效输出电阻等效输出电阻为为 图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+-+-ui+-uoR1R2i1i2iB-iB+3理想条件下，理想条件下，(1+AdF)很大很大,Ro很小，很小，Roe0；一般一般R1、R2取值范围为取值范围为1k 1M；对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。说说明明：4(2)改进型反相放大器之一改进型反相放大器之一 目的：目的：提高输入电阻。提高输入电阻。图图2-1-2 用用T型网络代型网络代 替替R2的反相放大器的反相放大器闭环增益闭环增益为为 避免使用超过避免使用超过1

3、M 的大电阻。的大电阻。特点特点：满足了满足了 Ri=R1 不取大不取大值值；5图图2-1-3 采用自举采用自举电路的反相放大器电路的反相放大器输入电阻输入电阻为为 要使要使Ri增大，增大，设法使设法使Ii i减小。减小。目的：目的：提高输入电阻提高输入电阻 (2)改进型反相放大器之二改进型反相放大器之二 62.反相型放大器的实际特性反相型放大器的实际特性分析分析Ad、Rd、R O 不为不为理想条件时等效电路理想条件时等效电路 (1)(1)反相放大器的反相放大器的 实际闭环增益实际闭环增益图图2-1-4 考虑了考虑了Ad、Rd和和 Ro的反相放大器电路的反相放大器电路或或 7式中式中 AF反相

4、放大器的实际闭环增益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反相放大器的理想闭环增益 Ad集成运放的开环增益集成运放的开环增益 F实际反馈系数，一般实际反馈系数，一般F F0 F0理想反馈系数理想反馈系数 8(2)反相放大器的实际等效输出电阻反相放大器的实际等效输出电阻图图2-1-5 输出电阻等输出电阻等 效计算电路效计算电路等效输出电阻等效输出电阻是在无负是在无负载时输出开路电压载时输出开路电压UO除以短路电流除以短路电流Ik Uo=Eo-Ro IoEo=-Ad(U-U+)9若考虑若考虑Ro R2、Ro R1，则，则当用阻抗代替电阻时当用阻抗代替电阻时 当信号当信号频频率率

5、R3，Rd (R2+R0)/R1 同相放大器的同相放大器的优点：输入电阻很高。优点：输入电阻很高。(3)等效输出电阻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。表达式与反相放大器等效输出电阻表达式相同。153.同相加法器同相加法器理想运放时理想运放时 由以上三式得输出电压与输入电压关系为由以上三式得输出电压与输入电压关系为图图2-1-10 同相型加法器同相型加法器U+=U-16为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选择各电阻满足择各电阻满足 Re/Rf=Rp/R1/Rn。输出电压与输入电压输出电压与输入电压关系为关系为 若取若取R1=R2=Rn

6、=R当考虑实际运放当考虑实际运放Ad、Rd、Ro后后 实际输出电压与输入电压实际输出电压与输入电压的关系为的关系为 17若取若取 Re/Rf=Rp/R1/Rn 的条件的条件 若同若同时时取取 R1=R2=Rn=R 有有 可见因可见因Ad、Rd 引起求和运算引起求和运算相对误差相对误差为为 18图图2-1-11 差动放大器差动放大器2.1.3 差动型放大器差动型放大器1.差动放大器理想特性差动放大器理想特性理想运放时理想运放时 当当满满足匹配条件足匹配条件 R3=R1、R4=R2 时时输入电压与输出电压输入电压与输出电压关系为关系为 192.差动放大器实际特性差动放大器实际特性分析分析Ad和和A

7、CM对放大特性影响，其余条件均为理想对放大特性影响，其余条件均为理想若取若取R1=R3，R2=R4再考再考虑虑到到AdF01，AdACM第一项为理想放大器的输出电压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第三项为共模增益引起误差电压 20由理想运放基本条件由理想运放基本条件可导出以下关系式可导出以下关系式图图2-1-12 增益可调的增益可调的差动放大器差动放大器3.增益可调差动放大器增益可调差动放大器I1=I3，I2=I4，UA-UB =m(Ui2-Ui1)，I3=I5+I6，21通常选通常选 m=

8、n,所以所以当当m、n的的值选值选定后，只需定后，只需调节调节(pR)一一个个电电位器即可位器即可调节调节差差动动放大器增益。放大器增益。缺点：缺点：输入电阻不高；输入电阻不高；增益与电位器阻值呈非线性关系。增益与电位器阻值呈非线性关系。实用时，实用时，加补偿电加补偿电容容以提高以提高稳定性。稳定性。图图2-1-12 增益可调增益可调的差动放大器的差动放大器I7=I4+I5，224.高输入阻抗差动放大器高输入阻抗差动放大器第一级运放为第一级运放为同相放大器，同相放大器，其输出电压为其输出电压为用叠加原理求第二用叠加原理求第二级运放的级运放的输出电压输出电压 因两个输入信号均从同相端因两个输入信

9、号均从同相端输入，所以输入电阻比较高。输入，所以输入电阻比较高。图图2-1-13 高输入阻抗差动放大高输入阻抗差动放大器器Uo=(1+m)Ui2-mUo1 =(1+m)(Ui2-Ui1)231.反相型积分器反相型积分器理想集成运放时理想集成运放时(1)传输函数传输函数2.2 积分电路积分电路图图2-2-1 基基本反相型本反相型积分器积分器2.2.1 基本基本积积分分电电路及其理想特性路及其理想特性T=RC，T为积分时间常数。为积分时间常数。24(2)频率特性频率特性幅频特性幅频特性 为幅频特性的交接频率。为幅频特性的交接频率。相频特性相频特性放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为放大电路的电压

10、放大倍数与频率的关系称为幅频特性幅频特性,输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为相频特性相频特性。两者统称频率特性。两者统称频率特性。25(3)输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系图图2-2-2 基本积分基本积分器的幅频特性器的幅频特性图图2-2-3 基本积分基本积分器的相频特性器的相频特性262.同相型积分器同相型积分器(1)传输函数传输函数I1+I2=I3 即即U+=U-，若，若满满足足电电阻匹配条件阻匹配条件R1R4=R2R3，例如，例如选选取取R3=R1，R4=R2，则则可可导导出出理想理想传输传输函数函数为为：图图2-

11、2-4 基本基本同相型积分器同相型积分器27(2)频率特性频率特性其中，其中，幅频特性幅频特性为为为幅频特性的交接频率为幅频特性的交接频率 式中式中 相频特性相频特性为为(3)输出电压与输入电压输出电压与输入电压关系关系此积分器的波特图与反相积分器相同。此积分器的波特图与反相积分器相同。283.差动型积分器差动型积分器(1)传输函数传输函数取取R1=R2=R，C1=C2=C，即，即满满足匹配条件足匹配条件时时有：有：(2)输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系 图图2-2-5 差动型积分器差动型积分器uo+-+AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I1292.2.2 UOS、IB及其漂移

12、对积分电路的影响及其漂移对积分电路的影响输出电压输出电压为为 积分电容积分电容C值越小，产生的误差值越小，产生的误差越大；越大；C值越大，误差越小。值越大，误差越小。图图2-2-6 考虑了考虑了Uos、IB的的 积分电路积分电路302.2.3 集成运放的增益和带宽对积分电路影响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集成运放的开环频率特性为T0是集成运放的时间常数是集成运放的时间常数 A0是低频增益是低频增益 当当A01,RCT0时，时，理想积分电路在实轴上仅有一个位于原点的极点，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。增益和

13、带宽为有限值积分电路在实轴上有两个极点。实际积分器在实际积分器在低频低频范围内，因集成运放范围内，因集成运放开环增开环增益是有限值益是有限值；在；在高频高频范围内，因范围内，因带宽又是有限值带宽又是有限值，所以都是所以都是不理想不理想情况。情况。积分电路的传输函数为积分电路的传输函数为 31图图2-2-8 积分电路的积分电路的瞬态响应瞬态响应实用中，为获得理想积分特性，积分响应在远小于实用中，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。时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。图图2-2-7 积分电路积分电路的频率特性的频率特性322.2.4 积分电路的保

14、持误差积分电路的保持误差产生保持误差的原因是：集成运产生保持误差的原因是：集成运放和积分电容某些特性。放和积分电容某些特性。如如开环增益的不稳定，会使积分开环增益的不稳定，会使积分电路固定输出电压产生波动；电路固定输出电压产生波动；影响保持误差的影响保持误差的主要因素是积分电容主要因素是积分电容，所以要根据，所以要根据实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。图图2-2-9 积分电路积分电路的保持误差的保持误差有限值有限值A0和输入电阻产生的泄和输入电阻产生的泄漏电流使积分电容器电压泄放；漏电流使积分电容器电压泄放；电压和电流的漂移。电压和电流的漂移。33

15、2.2.5 几种典型的积分电路几种典型的积分电路图图2-2-10 比例比例积积分分电电路路1.比例比例积积分分电电路路输出电压输出电压为为 输入失调电压和输入失调输入失调电压和输入失调电流产生的电流产生的误差电压误差电压为为 uo+-+AR3R1R2Cui342.求和积分电路求和积分电路 电路的各时间常数是分别确定的，它可用于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，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。各积分项与上式相似。输出电压输出电压为为 图图2-

16、2-11 求和求和积分电路积分电路uo+-+ARR2R1Cui2R3ui1ui3353.重积分电路重积分电路输出电压输出电压为为 由输入失调电压和输入失调由输入失调电压和输入失调电流产生电流产生误差电压误差电压为为 图图2-2-12 重积分电路重积分电路uo+-+A2RRRC/2uiC/2R/2C36理想传输函数理想传输函数为为 幅频特性幅频特性为为 为幅频特性的交接频率为幅频特性的交接频率 2.3 微分电路微分电路频率特性频率特性为为 2.3.1 基本微分器及其理想微分特性基本微分器及其理想微分特性图图2-3-1 基本微分器基本微分器式中式中 T=RC 为微分时间常数为微分时间常数 =sRC

17、=sT37相频特性相频特性为为 图2-3-2 基基本本微微分器的幅频特性分器的幅频特性图图2-3-3 基基本本微微分器的相频特性分器的相频特性输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系缺点：缺点：稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。382.3.2 微分器的实际微分特性微分器的实际微分特性1.实际频响特性实际频响特性传输函数传输函数为为 Ad(s)增益函数增益函数 F(s)反馈函数反馈函数 从上式看出，实际微分器传输函数是从上式看出，实际微分器传输函数是由一个由一个理想微分器理想微分器的传输函数的传输函数和一个和一个二阶二阶振荡环节振荡环节的传输函数

18、构成。的传输函数构成。39二阶振荡环节的二阶振荡环节的传输函数传输函数 图图2-3-4 实实际际微微分器的幅频特性分器的幅频特性幅频特性幅频特性 直线直线1为为理想微分特性理想微分特性 曲线曲线2为为二阶振荡环节二阶振荡环节 曲线曲线3为为实际微分器的幅频特性实际微分器的幅频特性 曲线曲线4为为运放开环增益的幅频特性运放开环增益的幅频特性 402.实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性假设假设输入电压输入电压为负斜坡电压为负斜坡电压 ui(t)=-=-at (t0)理想的理想的输出响应函数输出响应函数为为 图图2-3-5 微分器对斜坡输入微分器对斜坡输入

19、电压的时间响应特性电压的时间响应特性曲线曲线1是是理想输出响应特性。理想输出响应特性。曲线曲线2是在理想的输出响应是在理想的输出响应aT上迭加了上迭加了一个衰减振荡响应。一个衰减振荡响应。由拉氏反变换得由拉氏反变换得时时域输出响应域输出响应为为uo(t)=-1Uo(s)=aT (t0)412.3.3 几种典型的微分电路几种典型的微分电路1.改进型的微分电路改进型的微分电路 加入加入R1，自然频率下降，阻尼，自然频率下降，阻尼比明显增大，作用是比明显增大，作用是消除自激，消除自激，减小高频谐振峰。减小高频谐振峰。并联反馈电容并联反馈电容Cf，作用是，作用是降低不必要高频增益。降低不必要高频增益。

20、传输函数传输函数为为 假设假设 则则幅频特性幅频特性为为 图图2-3-6 改进型改进型的微分电路的微分电路42图图2-3-7 改进型微分器改进型微分器 的幅频特性的幅频特性改进型微分器幅频特性改进型微分器幅频特性当当 时时，为为非微分非微分的高的高频频衰减区，衰减区，当当 =时时，幅，幅频频特性特性达到最大增益，达到最大增益，当当 时时，是理想微分工作区，是理想微分工作区，在在 时时，其响，其响误误差差为为 432.差动型的微分电路差动型的微分电路 传输函数传输函数为为 频率特性频率特性为为 图图2-3-9 幅频特性幅频特性式中：式中：T2=R2C,T1=R1C 当当 1时时，增益，增益为为

21、R2/R1，高于高于微分工作区增益微分工作区增益，为为了降低其影响，了降低其影响，可在两个可在两个电电阻上并阻上并联联小小电电容。容。图图2-3-8 差动微分电路差动微分电路443.比例微分电路比例微分电路传输函数传输函数为为 图图2-3-10 比例微分电路比例微分电路452.4.1 集成仪器放大器的工作原理集成仪器放大器的工作原理1.基本仪器放大器电路基本仪器放大器电路2.工作原理工作原理(1)当当Ui1单独作用单独作用，即即Ui2=0时时 2.4 集成仪器放大器集成仪器放大器图图2-4-1 仪器放大器电路仪器放大器电路Ui2=0，UN=046(2)当当Ui2单独作用单独作用(Ui1=0)时

22、时(3)当当Ui1、Ui2同时作用时同时作用时 Ui1=0，UM=0图图2-4-1 仪器放大器电路仪器放大器电路47(4)仪器放大器的总输出电压及其增益仪器放大器的总输出电压及其增益当满足电阻匹配条件，即当满足电阻匹配条件，即 R5=R4,R7=R6,R3=R2 输出电压输出电压 仪器放大器仪器放大器增益增益为为 通常选通常选 R2R6=R，只要只要调节调节R1，即可，即可改变改变AI，调节增益很方便。，调节增益很方便。仪器放大器是具有高增益、高增益精度、高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

23、集成放大器；主要应用于小信号放大应用于小信号放大。所以所以 482.4.2 集成仪器放大器的特性及其应用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超高精度集成仪器放大器(1)主要特点主要特点失调电压低：失调电压低：25 V 失调电压温漂小：失调电压温漂小：0.25 V/C 非线性小：非线性小：0.002 噪声小：噪声小：13nV/共模抑制比高：共模抑制比高：106dB（60Hz）输输入入电电阻高：阻高：1010 49(2)电路框图及其引脚电路框图及其引脚图图2-4-2 INA101G/INA101P功能框图与封装引脚功能框图与封装引脚50(3)应用时的连接方法应用时的连

24、接方法图图2-4-3 INA101基本应用电路基本应用电路输出电压输出电压为为 Uo=AI(Ui2-Ui1)外接外接RG调节增益：调节增益：51图图2-4-4 INA101输出部分调零电路输出部分调零电路 改变改变R1、R2的比值，的比值，可以扩大调节范围。可以扩大调节范围。522.LH0038/LH0038C精密集成仪表放大器精密集成仪表放大器(1)基本特点基本特点能够放大非常微弱的信号；能够放大非常微弱的信号；能方便地将闭环增益由能方便地将闭环增益由100调至调至2000；几乎可以完美地跟踪及有效地消除闭环增益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；随温度的变化；有极好的共模抑

25、制比、电源电压抑制比、增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；电压温漂和输入噪声电压等特性；采用采用16脚陶瓷密封双列直插式封装。脚陶瓷密封双列直插式封装。53图图2-4-5 LH0038/LH0038C功能框图功能框图(2)功能框图功能框图54(3)应用说明应用说明(a)防护驱动端防护驱动端图图2-4-6 LH0038防防护驱动端应用护驱动端应用图图2-4-7 远程读出的电路远程读出的电路(b)远程输出读出远程输出读出直接在负载端接通直接在负载端接通加缓冲器提高电流能力加缓冲器提高电流能

26、力552.5.1 动态校零型斩波放大器的一般技术动态校零型斩波放大器的一般技术图图2-5-1 斩波放大器采用斩波放大器采用的双通道放大电路框图的双通道放大电路框图若若A1、A2的失的失调电压分别为调电压分别为Uos1、Uos2，将其折算到输入端，其将其折算到输入端，其等效失调电压等效失调电压为为2.5 动态校零型斩波放大器动态校零型斩波放大器主放大器主放大器辅助放大器辅助放大器则因失调电压引起则因失调电压引起零位输出电压零位输出电压为为Uo=-=-Ad1Uos1-Uos2 Ad2 Ad1562.5.2 动态校零型斩波放大器的工作原理动态校零型斩波放大器的工作原理图图2-5-2 动态校零型斩波放

27、大器原理图动态校零型斩波放大器原理图 斩波放大器工作过程分斩波放大器工作过程分两个工作期：两个工作期：误差检测和记忆期误差检测和记忆期 校零和信号放大期校零和信号放大期 571.误差检测和记忆期误差检测和记忆期当斩波开关当斩波开关S1、S2、S3 同时打向同时打向“1”位置时位置时 在存贮电容在存贮电容C1上记忆了失调电压。上记忆了失调电压。图图2-5-2 动态校零型斩动态校零型斩波放大器原理图波放大器原理图Uo1=Ad1(Uos1-Uc1)Uo2=Uc1=Ad2(Uo1+Uos2)582.校零和信号放大期校零和信号放大期当斩波开关当斩波开关S1、S2、S3 同时打向同时打向“2”位置时位置时

28、 存贮电容存贮电容C2上的保持电压上的保持电压为为 完成了完成了零位校正零位校正和和信号放大。信号放大。运放运放A1的失调电压对输入电压影响的失调电压对输入电压影响被降低了（被降低了（1+Ad1Ad2）倍。）倍。Uo=Ad1(Ui+Uos1-Uc1)+Uos3UC2=Uo1 592.5.3 HA2900型动态校零型斩波集成运放介绍型动态校零型斩波集成运放介绍1.HA2900集成运放的主要特性集成运放的主要特性失调电压：失调电压：20 V；失调电压漂移：失调电压漂移：0.3 V/C；失调电流：失调电流：0.05nA；失调电流漂移：失调电流漂移：1.0pA/C；开环增益：开环增益：5108；单位增

29、益带宽：单位增益带宽：3MHz；转换速率（单位增益）：转换速率（单位增益）：2.5V/s。602.HA2900集成运放的工作原理集成运放的工作原理图图2-5-3 HA2900型动态校零型斩波集成运放原理图型动态校零型斩波集成运放原理图61(1)误差检测和记忆期误差检测和记忆期当开关当开关S1、S4 打开，打开，S2、S3 接通时接通时 图图2-5-4 HA2900型运放误差检测和记忆期的原理图型运放误差检测和记忆期的原理图A2的输出电压为的输出电压为 62存贮电容存贮电容C1上的电压是运放上的电压是运放A3的输出电压的输出电压C1上的电压为上的电压为 可见可见C1上存贮了与三项误差电压有关的电

30、压。上存贮了与三项误差电压有关的电压。在对输入信号放大时，可用于在对输入信号放大时，可用于校正零位输出电压校正零位输出电压。63(2)校零和信号放大器校零和信号放大器当当S2、S3 打开，打开，S1、S4 接通时接通时,图图2-5-5 HA2900型运放校零和信号放大期的原理图型运放校零和信号放大期的原理图A2的输出电压的输出电压 64 -Ad2Ui-Uos3 存贮电容存贮电容C2上的电压上的电压为为 若若 Uos3=Uos4,则则 Uc2=-=-Ad4 Ad2Ui=Ad4(-Ui Ad2-Uos3+Uos4)65主放大器主放大器A1的输出电压的输出电压为为 由于由于C2 的存贮作用，主放大器的输出电压仍然的存贮作用，主放大器的输出电压仍然保持着刚刚完成校零和信号放大期的输出电压值，一保持着刚刚完成校零和信号放大期的输出电压值，一直到进入下一个校零和信号放大期之前。在开关控制直到进入下一个校零和信号放大期之前。在开关控制器地控制下不断重复两个工作期的工作过程。器地控制下不断重复两个工作期的工作过程。66本章结束本章结束67