模拟集成电路原理及其应用.ppt

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1、 6.2 差动放大器6 模拟集成电路原理及其应用6.3 集成运算放大器的组成6.1 直流信号的放大6.5 理想运放及运放基本组态6.6 集成运算放大器的应用*6.4 集成运算放大器的性能参数和模型6.8 模拟乘法器*6.7 实际集成运放电路的误差分析 集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；引言:一、集成电路的简述1.各元件在同一个芯片上，对称性好。2.用有源元件代替无源器件5.级间采用直接耦合方式二、模拟集成电路的特点6.几十 pF 以下的小电容

2、用PN结的结电容构成；大电容要外接。4.采用复合结构的电路3.高阻值电阻用三极管代替或外接。三、BJT在模拟集成电路的特殊应用becAKbe1、用BJT构成二极管2、用BJT构成电流源和高值电阻BJTroIs若电流源的电流越恒定,ro就越大,可得到高值电阻。6.1 直流信号的放大RB1RC1RB2RE1ui+ECuoRB1RC2RB2RE2tu0当有用信号ui=0时,会出现零点漂移零点漂移的抑制须在多级放大电路的最前级（输入级）开始，作为输入级的放大电路应采用差动放大电路。6.2 差动放大器一、差动放大器的分类1、按三极管的形式分为：BJT差动放大器和FET差动放大器；2、按结构特点分为：基本

3、型差动放大器、长尾型差动放大器和带恒流源型差动放大器；ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEuo1uo2+-+-ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEuo1uo2I+-+-ui1+ECRCT1RCT2ui2uo1uo2+-+-基本型差动放大器 长尾型差动放大器带恒流源型差动放大器双端输入双端输出双端输入单端输出单输输入双端输出单端输入单端输出3、按输入输出端的接法分为：ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEuo1uo2I+-+-带恒流源型差动放大器以带恒流源型差动放大器为例1、差模输入信号：2、共模输入信号：4、按输入信号可分为：3、任意输入信号：ui1=uid，ui2=-u

4、id1212由有用信号决定的输入信号。ui1=ui2=uic由温度、干扰等引起的等效输入信号。可分解为差模输入和共模输入的线性组合 其中：例如：ui1=10mV,ui2=6mV解：uic=(ui1+ui2)/2=8mV uid=ui1-ui2=4mV ui1=mV+mVui=mV-mV则原信号可分解为：当差模和共模信号同时存在时,可由叠加原理求总输出、差模电压放大倍数 Aud:2、共模电压增益 Auc:二、术语对放大电路而言，其值越大越好。对放大电路而言，其值越小越好。3、共模抑制比KCMRR：对放大电路而言，其值越大越好。三、差动放大器的结构特点由两个结构对称、特性及参数相同的单级放大电路组

5、成。恒流源提供直流偏置。电路由正电源+C和 负电源-ee供电;有两个输入端：同相输入端、反相输入端同相输入端反相输入端ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEuo1uo2I+-+-带恒流源型差动放大器以带恒流源型差动放大器为例四、长尾型差动放大器的分析 ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEuo1uo2+-+-（一）、静态分析直流通路为 CE2QCE1Q IC1Q IC2QIB1QIB2Qui1+-ui2+-+ECRCT1RCReeuo1uo2TRbRbuoEE（二）、动态分析EEui1+-ui2+-+ECRCT1RCReeTRbRbuouo1uo21、差模信号的动态分析差模交流通道

6、(1)、步骤：原电路置零置零对差模信号导线代替差模交流通路ueui1+-ui2+-RCT1RCTRbRbuouo1uo2差模动态分析步骤差模微变等效电路差模交流通路 差模交流通道差模微变等效电路ui1+-ui2+-RCT1RCTRbRbuouo1uo2ibuo1RC rbeib uorbeibuo2RCibui1ui2RbRb差模动态分析步骤差模交流通道 原电路差模微变等效电路EEui1+-ui2+-+ECRCT1RCReeTRbRbuouo1uo2ui1+-ui2+-RCT1RCTRbRbuouo1uo2ibuo1RC rbeib uorbeibuo2RCibui1ui2RbRb原电路差模交

7、流通道差模微变等效电路差模动态分析步骤(2).动态值的计算差模电压放大倍数差模输入电阻差模输出电阻RodRid差模电压放大倍数差模输入电阻差模输出电阻差模电压放大倍数大uoibuo1RC rbeibrbeibuo2RCibui1ui2RbRba.双端出的情况b.单端出的情况Rid差模动态分析步骤Quo1 和 uo2 大小相等，且相位相反。负载中点必为零电位。差模交流通路差模微变等效电路原电路思考：若在T1、T2的集电极接负载电阻RL，它的差模交流通路、差模微变等效电路、动态值如何？EEui1+-ui2+-+ECRCT1RCReeTRbRbuouo1uo2 RLEEui1+-ui2+-+ECRC

8、T1RCReeTRbRbuouo1uo212RL12RLibRCrbeibui2ibRCrbeuo1uo2uoibui2RbRb差模电压放大倍数差模输入电阻差模输出电阻a.双端出的情况b.单端出的情况差模电压放大倍数差模输入电阻差模输出电阻ibRCrbeibui2ibRCrbeuo1uo2uoibui2RbRb差模动态分析步骤2、共模信号的动态分析共模动态分析步骤共模交流通道(1)、步骤：原电路EEui1+-ui2+-+ECRCT1RCReeTRbRbuouo1uo2置零置零对共模信号共模交流通路ueui1+-ui2+-RCT1RCReeTRbRbuouo1uo2不能导线代替2ieui2+-i

9、eie2Ree2Reeui1+-RCT1RCTRbRbuouo1uo2RRueue共模动态分析步骤共模交流通道 共模微变等效电路共模动态值计算共模交流通路ui1+-RCT1RCTRbRbuouo1uo2ieie 2Ree2ReeRC2Reeic1uicib1ib1ie1rbe uoc1T1管的共模微变等效电路Rb同理：a.双端输出的情况b.单端输出的情况ee越大，共模增益越小，抑制共模信号的能力越强。（一）、静态分析电路完全对称，算一个管子即可五、带恒流源型差动放大器的分析ic1ic2ui1+-ui2+-+ECRCT1RCT2ReeEEuo1uo2Ioue UCE2QUCE1Q IC1QIC2

10、Q1、差模信号双端输入情况的动态分析（二）、动态分析差模交流通道(1)、步骤：原电路置零置零置零ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEic1ic2Ioueuo1uo2uoui1T1RCT2ui2ic1 ic2veuo1uo2uoReeRC对差模信号导线代替ui1T1RCT2ui2ic1 ic2vEuo1uo2uoRC差模交流通路差模微变等效电路ui1T1RCT2ui2ic1 ic2ueuo1uo2uoRC差模交流通路差模交流通道差模微变等效电路差模动态分析步骤ibuo1RC rbeibuorbeibuo2RCib ui1ui2ui1+ECRCT1RCT2ui2ReeEEic1ic2Iou

11、euo1uo2uoui1T1RCT2ui2ic1 ic2ueuo1uo2uoRCibuo1RCrbeibuorbeibuo2RCib ui1ui2差模交流通路差模微变等效电路原电路差模动态分析步骤2、共模信号双端输入情况的动态分析共模交流通道(1)、步骤：原电路置零置零置零ui1+ECRCT1RCT2vi2ReeEEic1ic2Ioueuoc1uoc2uocuicT1RCT2uicic1 ic2ueuoc1uoc2vocReeRC对共模信号共模交流通路不能导线代替2ie2Ree2ReeuicT1RCT2uicic1 ic2uoc1uoc2uocRCueueieie共模信号交流通路共模交流通道共

12、模微变等效电路ui1T1RCT2ui2ic1ic2uoc1uoc2uocRCueue2Ree2ReeRC2Reeic1uicib1ib1ie1rbeuoc1共模动态值计算T1管的共模微变等效电路共模动态分析步骤六、共模抑制比例:Aud=-200 Auc=0.1KCMRR=KCMRR(dB)=(分贝)则 KCMRR=20 lg(-200)/0.1=66 dB双端输出时 理想时：Auc=0,KCMRR 为衡量差动放大器放大差模信号，抑制共模信号的能力，引入了.共模抑制比6.集成运算放大器的组成（简称：运放）一、集成运算放大器的基本结构及符号差分放大电路（输入级）-ui+电压放大电路（中间级）互补功

13、率放大器（中间级）uo直流偏置电流源、基本结构2、符号u+uo+-+u-+u+u-uo国际标准符号 国内标准符号同相输入端反相输入端-对直流信号、交流信号放大1、对输入级的要求：尽量减小零点漂移、提高KCMRR（采用差分放大器）；输入阻抗Ri 尽可能大（采用复合三极管或场效应管）；通频带要宽（采用复合三极管）。2、对中间级的要求：足够大的电压放大倍数（采用带有源负载的高增益放大器）。3、对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，即输出阻抗Ro小（采用互补功率放大器）。二、对集成运放内部各级的要求4、对直流偏置电流源的要求：提供稳定的几乎不随 温度而变化的偏置电流，以稳定工作点

14、（采用高精度电流源）。5、对各级之间连接要求：级间采用直接耦合方式。三、集成运放的类型1、通用型:性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广,允许有较大的输入电压等,如CF741等。还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。2、低功耗型:静态功耗2mW，如XF253等。3、高精度型:失调电压温度系数在1V左右,能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性,如CF75、CF7650等。4、高阻型：输入电阻可达1012,如F55系列等。四、集成运放内部结构举例，以BJTLM741为例2.偏置电路：T10T11（微电流源）向T3、T4提供基极偏

15、置电流；T8T9（镜像电流源）向T1、T2提供集电极偏置电流；T12T13（镜像电流源）,其中T13的路向输出级中的T14、T15复合管提供偏置电流,B路向中间级的T17提供偏置电流,同时有源负载,提高中间级电压增益,T22T23（镜像电流源）向T21提供集电极偏置电流。3.中间级:由T16、T17组成，其中T16 为共集电极放大电路,提高输入电阻,它的基极接受由6传来的有用信号,作为中间级的输入端;T17为共射极放大电路,它的集电极负载为T13B组成的有源负载，可获得很高的电压增益并将放大的信号传到T24组成的缓冲级;通过T24的发射极又将信号传到输出级中的T20的基极,达到阻抗匹配的作用。

16、4.输出级:由T14、T20组成互补对称OCL功率放大电路;T18、T19向T14、T20的基极间提供偏压,从而消除功率放大电路的交越失真;T15、T21分别作为T14、T20的旁路,限制T14、T20的电流,从而保护功率管T14、T20。（正电源）（负电源）1.输入级：由T1、T3和T2、T4组成共集-共基复合差分放大电路，提高输入电阻、共模抑制比，改善频率响应，其中T1T2为共集电路、T3T4为共基电路；由T5T7组成高精度电流源，向T3、T4提供集电极偏置电流，同时也作为T4的有源负载，提高输入极电压增益；由T4的集电极将输入信号传输到中间级做进一步的放大。（同相输入端）（反相输入端）3

17、四、集成运放的外型封装结构集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，如上图所示，金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。一、理想集成运放的主要参数1.开环电压放大倍数：Au；2.输入电阻：i；3.输出电阻：o0；4.通频带宽：BW；5.共模抑制比：KCMRR。u+uo+-+u-.理想运放及运放基本组态二、理想运放的特点.虚短.虚断0i+i-u+uo+-+u-uiuo+UOM-UOMAu越大，运放的线性范围越小，对于理想运放而言，当反相输入端和同相输入端不等时，输出电压是一个恒定的值，失去放大作用。必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩

18、大输入信号的线性范围。例：若UOM=12V，Au=106，则|ui|=12V时，运放处于线性区。线性放大区三、运放的电压传输特性:uo=f(ui)=f(u+-u-)u+-u-当ui不等于零时，即当反相输入端的电压和同相输入端的电压不等时,形成输出电压uo；当时，输出电压uo被限制在正、负饱和极限值上，不再随ui变化而变化，进入饱和区。u+uo+-+u-（一）、反相输入放大组态四、集成运的基本组态 i+=i-=0放大倍数：1、反相输入端对地之间无电阻的情况u+=0=u-ii=ifR2=R1/Rf平衡电阻:uo-+u+u-i+i-ifiiuiR2R1Rf i+=i-=0电压放大倍数：、反相输入端对

19、地之间有电阻的情况u+=0=u-ii=if(ii=if+in+i3)i3R3i3=0结论：对反相输入的比例运算电路而言，反相输入端对地之间有无电阻，电压放大倍数都一样R2=R1/R/Rf平衡电阻:uo-+u+u-i+i-ifiiuiR2R1Rf(二)、同相输入放大组态 i+=i-=0电压放大倍数：1、同相输入端对地之间无电阻的情况u+=ui=u-i1=ifR2uo-+u+u-i+i-ifi1uiR1Rf i+=i-=0电压放大倍数：、同相输入端对地之间有电阻的情况=u-i1=ifi3R3结论：对同相输入的比例运算电路而言，同相输入端对地之间有无电阻，电压放大倍数不一样。R2uo-+u+u-i+

20、i-ifi1uiR1Rf3、同相输入的比例运算电路的特例-电压跟随器R1=Rf=0由同相输入的比例运算电路电压放大倍数，可知：当R1=、Rf=0时，Au=1,从而可构成电压跟随器。同相输入的比例运算电路电压跟随器特点：R2uo-+u+u-i+i-ifi1uiR1Rfu+u-uiR2-+u0 6.6 集成运算放大器的应用引言:信号运算电路的分析方法方法一:利用同相输入和反相输入放大电路的放大倍数公式及叠加原理。方法二:利用虚短、虚断的概念进行推导。该法特点：计算量小且快捷，但不能适用于所有的 运放电路。该法特点：推导、整理较繁琐，但适用于所有的运放 电路。一、运放在信号运算的应用1、减法运算电路

21、+当R1=R2,R3=R4时，uo=-(ui1-ui2)R4R1 差动放大电路-+R1R4ui1ui2uoR2R3R1R4ui2uoR2R3-+R1R4ui1uoR2R3-+ui1、ui2共同作用ui1 单独共同作用ui2 单独共同作用当R1=R2=R3=R4时，uo=ui2-ui1减法电路的特例uo=-(ui1-ui2)R2R1 差分式放大电路_差动放大组态R1R2ui1ui2uoR1R2-+2、加法运算电路(同相加法运算、反相加法运算电路)（1）、反相加法运算电路+ui1、ui2共同作用 ui1 单独共同作用ui2 单独共同作用当R1=R2=R3时，uo=-(ui1+ui2)R3R1ui1

22、uoui2R2-+R1R3ui1uoR2-+R1R3uoui2R2-+（）、同相加法算运算电路+ui1、ui2共同作用ui1 单独共同作用ui2 单独共同作用当R1=R2=R3=R4时，uo=ui1+ui2R1R4ui1uoui2R2R3-+R1R4ui1R2R3uo-+uoR1R4ui2R2R3-+例1：试求下图所示电路的电压uo+u0=u01+u02+u0 3+u04解：R5R2ui1uoui2R1ui3ui4R3R4R6-+R5R2ui1uo1R1R3R4R6-+R5R2 ui2uo2R1R3R4R6-+R5R2uo3R1R3R4R6ui3-+R5R2uo4R1R3R4R6ui4-+例2

23、：试求下图所示电路的电压增益Au i4u4i2i1i3 i1=i2 i+=i-=0又 i2+i4=i3解：u+u-i+i-R1R2R3R4uiuo-+3、积分运算电路与微分运算电路（一）、微分运算由虚短概念可得：由虚断概念可得：（二）、积分运算由虚短概念可得：由虚断概念可得：uiuoRi1i2C+-uc-+uiuoRi1i2C+-uc-+1、测量放大器U=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻集成化:测量放大器Rt=f(T 0C)二、运放在信号放大及检测的应用uoR3R3R4R4R2R1R2u3u4ui1ui2-+-+-+iR1分析根据虚短概念可得：A2A1A3运放A1、A2的反相输入端的电位分别

24、为ui1、ui2根据虚断概念可得：iR2=iR1、iR3=iR1即R1 与两个 R2 构成串联，iR2iR3uoR3R3R4R4R2R1R2u3u4ui1ui2-+-+-+2、可编程增益放大器（）、放大器增益调整的原理ui-+R1R2R3R4S1S2S3S4u0ui-+u0ui-+R1R2R3R4u0ui-+R1R2R3R4u0增益可调的放大器仅S1闭合时的等效电路电压增益Au1=1仅S闭合时的等效电路仅S闭合时的等效电路uiui电压增益：电压增益：（2）、码控四段转换可编程增益放大器ui-+9K9009010S1S2S3S4u0Y0Y1Y2Y3ABb0b1译码器模拟开关当b1b0=00时，Y

25、0选通，开关S1闭合，Au1=1；当b1b0=01时，Y1选通，开关S2闭合，Au2=10；当b1b0=10时，Y2选通，开关S3闭合，Au3=100；当b1b0=11时，Y3选通，开关S4闭合，Au3=1000。一阶有源低通滤波器一阶有源高通滤波器二阶有源低通滤波器三 运算放大器在信号处理方面的应用1、有源滤波器u0一阶无源低通滤波器RR1RLRf-+uiCRR1RLRf-+Cuiu0RR1RFR-+uiu0CC2、采样保持电路（1）.采样保持电路在计算机测控系统的应用采样/保持 电路模/数转换 电路计算机模拟量ui数字量().采样保持电路的原理图uc+Cui采样电路 保持电路uit0uot

26、0T2T.nTuot0T 2T.nT模拟输入信号 vi采样后的输出信号采样保持后的输出信号T 称为开关闭合、断开的动作周期或采样周期特点：某个时刻的采样值是转瞬即逝的。特点：某个时刻的值延长至下个采样时刻时再作改变。(3).实用的采样保持电路的组成、工作原理组成:采样保持电路由模拟开关K 和模拟信号存储电容 C 以及缓冲放大器等三部分组成。模拟开关一般由结型场效应管或MOS场效应管组成，缓冲放大器则采用集成运算放大器。工作原理：当控制电压uC为正时，二极管D截止，T接通，电路处于采样状态，并向电容充电；控制电压uC的波形为：采样 采样 采样 采样采样保持 保持 保持 保持 保持 保持当uC为负

27、时，D导通，T关断，i+0,电容基本不放电，u+=uc=uo=采样时刻对应输入电压值，电路处于保持状态。模拟开关存储电容 缓冲放大器i+u+uiTR uCR1DC1uC-+u03、电压比较器uoui0+OM-OM(1)、过零比较器uoui0+UOM-UOM ui-+uo-+uiuotuiuo1t+Uom-Uom过零比较器的应用实例将正弦波变为方波。uot+UZ-UZuo UZR带双向限幅的过零比较器 ui-+uo1 ui-+uo1uoui0+Uom-UomUREF(2)、单门限电压比较器uoui0+Uom-UomUREFUREF ui-+uo-+uiuoUREF单门限电压比较器的应用原理图过压

28、、欠压报警电路D1发光表示ui UREF，即为过压报警D2发光表示ui UREF，即为欠压报警 UZRR1R1D1D1UREF ui-+（）、双门限电压比较器（迟滞比较器）特点：电路中使用正反馈，所以uo输出为Uom。+-uiuoUREFR2R1U+.当uo=+Uom时2.当uo=-Uom时分析：利用叠加原理可得：分别称UiH和UiL为上下门限电压。称(UiH-UiL)为回差电压。当ui 增加到UiH时，输出由Uom跳变到-Uom；当ui 减小到UiL时，输出由-Uom跳变到Uom。传输特性：uoui0Uom-UomUiH UiL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。+-uiuo

29、UREFR2R1U+例：R1=10k，R2=20k，OM=12V，VREF=9V,当H含干扰的输入 vi 为如图所示的波形时，画出输出vo的波形。5V10Vuit0迟滞比较器的应用实例消除干扰，提取有用信号+-uiuoUREFR2R1U+上门限电压：解：下门限电压：根据传输特性画输出波形图：uo+-uiuoUREFR2R1U+ui0Uom(12V)-Uom(-12V)UiL2VUiH10V+UOM-UOMuiuott10V5V002V4、波形产生电路6.8 模拟乘法器一、二象限模拟乘法器的结构及工作原理1.结构及工作原理uoR1R1R2R2IE1ux+CRCT1RCT2T3-EE+-uyT4R

30、IEEIE2u01+-IRef-u01+-+-+2、特点及符号模拟乘法器的符号特点：该模拟乘法器精度不高，且只能工作在vy为正值（vx为可正、负值）。故称为二象限乘法器。uoR1R1R2R2IE1ux+CRCT1RCT2T3-EE+-uyT4RIEEIE2u01+-IRef-u01+-+-+uyuxuoxyK二、模拟乘法器的应用2、乘方运算电路uo=Kui2.平方运算电路uo1=Kui2uo2=K2ui3uo=Kn-1uinn次方运算电路uiuouyuxxyKuiuyuxuyuxuyuxuon-1个模拟乘法器xKyyyxxKK K1、调制、解调电路3、除法运算电路i-i1i2u-4、开平方运算电路i-i1i2u-u2ux2R1uoux1R2RP-+xyK-+u2RuouiRRPxyK