模拟集成电路及应用.ppt

电工学2 第2章模拟集成电路及应用 电子技术 第2章模拟集成电路及应用 2 1集成运算放大器 2 2放大电路中的负反馈 2 3集成运放的线性应用 2 4集成运放的非线性应用 2 5模拟乘法器及其应用 2 6模拟集成功率放大器及其应用 特殊问题 R2 RE2 为设置合适的Q点而增加 1 前后级Q点相互影响 直接耦合电路的特殊问题 2 零点漂移 当ui 0时 特殊问题 有时会将信号淹没 1 结构 对称 基本型差动放大器 2 抑制零漂的原理 uo uC1 uC2 0 uo uC1 uC1 uC2 uC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 1 结构 为了使左右平衡 可设置调零电位器 ui1 双电源长尾式差放 2 静态分析 温度T IC IE 2IC UE UBE IB IC ui1 ui2 0 RE 强负反馈作用 2 Q点的计算 直流通路 IC1 IC2 IC IB UC1 UC2 UCC IC RC UE1 UE2 IB RB UBE UCE1 UCE2 UC1 UE1 3 动态分析 1 输入信号分类 1 差模输入 ui1 ui2 ud 差模电压放大倍数 共模输入 2 ui1 ui2 uC 共模电压放大倍数 共模抑制比 KCMRR KCMRR dB 分贝 Common ModeRejectionRatio differentialmode commonmode 3 任意输入 ui1 ui2 差模分量 共模分量 ud uC ui1 uC ud ui2 uC ud 叠加 分解 例题 ui1 20mv ui2 10mv 则 ud 5mv uc 15mv ui1 15mv 5mv ui2 15mv 5mv 输入端接法 双端 单端 输出端接法 双端 单端 双端输出 Ad Ad1 单端输出 差模电压放大倍数 差放电路的几种接法 信号输入方式 VCC 共模输入信号ui1 ui2 uC 大小相等 极性相同 理想情况 ui1 ui2 uC1 Uc2 uo 0 AC 0 共模电压放大倍数 很小 1 但因两侧不完全对称 uo 0 差模输入信号 差模输入信号 ui1 ui2 ud 大小相等 极性相反 设AU1 AU2 Au u01 Auui1 因uo2 Auui2 uo uO1 uO2 Au ui1 ui2 2Auui1 差模电压放大倍数 VCC 比较输入信号 比较输入信号 两输入端的电压输入信号既非共模信号 又非差模信号 2 1 1集成运算放大器的组成 2 1集成运算放大器 共模抑制比 CMR 的定义 例 Ad 200Ac 0 1KCMRR 20lg 200 0 1 66dB CMRR CommonModeRejectionRatio KCMR KCMRR dB 分贝 2 中间级 电压放大 3 输出级 功率放大 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 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 尽量提高KCMRR 输入阻抗ri尽可能大 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 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 2 1 2集成运放的符号和参数 ri大 几十k 几百k 集成运放的特点 KCMR很大 ro小 几十 几百 Auo很大 104 107 1 集成运放符号 国际符号 国内符号 CF741的管脚图 1 开环差模电压放大倍数Auo 无外加反馈回路的差模放大倍数 一般在104 109之间 理想运放的Auo为 3 共模抑制比KCMR 常用分贝作单位 一般100dB以上 2 差模输入电阻rid rid 1M 有的可达100M 以上 4 输出电阻ro ro 几 几十 2 集成运放的主要参数 5 输入失调电压UIO 反映差动输入级的不对称程度 10 最大差模输入电压UIDM 9 最大共模输入电压UICM 6 输入失调电流IIO 7 输入偏置电流IIB 8 输入失调电压温漂dUIO dT 3 集成运放的分类 按用途分 通用型 低功耗型 高精度 低漂移型 高阻型 1 电压传输特性 集成运放的电压传输特性是指开环时 输出电压与差模输入电压之间的关系 即 uo Auo u u Auouid 2 1 3集成运放的电压传输特性 2 理想运放模型 1 虚短 运放两输入端的电位相等 即u u u u uo Auo 0 u u 结论 2 虚断 两输入端的输入电流为零 即i i 0 2 理想运放工作在非线性区 u u 时 uo Uomu u 时 uo Uom 3 分析运放电路的基本依据 1 运放工作在线性区 虚短 和 虚断 反馈 凡是将放大电路输出端的信号 电压或电流 的一部分或全部引回到输入端 与输入信号迭加 就称为反馈 若引回的信号削弱了输入信号 就称为负反馈 若引回的信号增强了输入信号 就称为正反馈 这里所说的信号一般是指交流信号 所以判断正负反馈 就要判断反馈信号与输入信号的相位关系 同相是正反馈 反相是负反馈 2 2 1反馈的基本概念 2 2放大电路中的负反馈 反馈控制系统举例 炉温控制系统 取 加强输入信号正反馈用于振荡器 取 削弱输入信号负反馈用于放大器 开环 闭环 负反馈的作用 稳定静态工作点 稳定放大倍数 提高输入电阻 降低输出电阻 扩展通频带 反馈框图 反馈电路的三个环节 放大 反馈 叠加 负反馈框图 输出信号 输入信号 反馈信号 差值信号 开环放大倍数 闭环放大倍数 反馈系数 3 关于反馈深度的讨论 一般负反馈 称为反馈深度 深度负反馈 正反馈 自激振荡 1 按反馈信号的极性分类及判断 1 负反馈和正反馈 正反馈 反馈信号的极性与输入信号的极性相反 即 即反馈的结果增强了原来的输入信号 使净输入信号Xd Xi 这种反馈称为正反馈 负反馈 反馈信号的极性与输入信号的极性相同 即 即反馈的结果削弱了原来的输入信号 使净输入信号Xd Xi 这种反馈称为负反馈 2 22反馈放大电路的分类及判断 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 串联反馈 反馈信号与输入信号串联 即反馈信号与输入信号以电压形式叠加决定净输入电压信号 并联反馈 反馈信号与输入信号并联 即反馈信号与输入信号以电流形式叠加决定净输入电流信号 串联反馈使电路的输入电阻增大 并联反馈使电路的输入电阻减小 2 按输入端的连接方式分类及判别 并联反馈 串联反馈 3 按输出端的取样方式分类及判别 电压反馈 反馈信号取自输出电压信号 电流反馈 反馈信号取自输出电流信号 电压负反馈 可以稳定输出电压 减小输出电阻 电流负反馈 可以稳定输出电流 增大输出电阻 根据反馈所采样的信号不同 可以分为电压反馈和电流反馈 输出取样方式的判别 输出短路法 注意 输出端短路时 是将RL短路 不一定是对地短路 电流反馈 电压反馈 4 按反馈信号的性质分类及判别 交流反馈 反馈信号是交流成分 直流反馈 反馈信号是直流成分 若在反馈网络中串接隔直电容 则可以隔断直流 此时反馈只对交流起作用 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 可以使其只对直流起作用 有的反馈只对交流信号起作用 有的反馈只对直流信号起作用 有的反馈对交 直流信号均起作用 负反馈 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 输入 串联 并联 输出 电流 电压 2 2 3负反馈放大电路的四种组态 1 电压串联负反馈 输出短路法判断是电压反馈或电流反馈 瞬时极性法判断正负反馈 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 判断串联反馈和并联反馈 结论 电压负反馈使输出电压趋于稳定 ud ui uf 2 电流并联负反馈 结论 电流负反馈使输出电流趋于稳定 3 电压并联负反馈 4 电流串联负反馈 例2 2 1试判别图 a 和 b 两个两级放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的各是何种类型和极性的反馈电路 b 是电流并联负反馈 a 是电压串联负反馈 负反馈放大器的四种类型 负反馈类型有四种组态 电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈 3 2负反馈的类型及分析方法 3 2 1负反馈的类型 1 根据反馈所采样的信号不同 可以分为电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自电压信号 叫电压反馈 如果反馈信号取自电流信号 叫电流反馈 电压负反馈具有稳定输出电压 减小输出电阻的作用 电流负反馈具有稳定输出电流 增大输出电阻的作用 电压反馈采样的两种形式 电流反馈采样的两种形式 2 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 反馈信号与输入信号串联 即反馈电压信号与输入信号电压比较的 叫串联反馈 反馈信号与输入信号并联 即反馈信号电流与输入信号电流比较的 叫并联反馈 串联反馈使电路的输入电阻增大 并联反馈使电路的输入电阻减小 ib i if 并联反馈 ube ui uf 串联反馈 3 交流反馈与直流反馈 有的反馈只对交流信号起作用 称为交流反馈 有的反馈只对直流起作用 称为直流反馈 有的反馈对交直流均起作用 在反馈网络中串接隔直电容 可以隔断直流 此时反馈只对交流起作用 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 可以使其只对直流起作用 增加隔直电容C后 Rf只对交流起反馈作用 注 本电路中C1 C2也起到隔直作用 增加旁路电容C后 Rf只对直流起反馈作用 负反馈的分析方法 分析步骤 3 是否负反馈 4 是负反馈 那么是何种类型的负反馈 判断反馈的组态 1 找出反馈网络 电阻 2 是交流反馈还是直流反馈 判断负反馈的方法 瞬时极性法 假设输出端信号有一定极性的瞬时变化 依次经过反馈 比较 放大后 再回到输出端 若输出信号与原输出信号的变化极性相反 则为负反馈 反之为正反馈 如果是电压反馈 则要从输出电压的微小变化开始 如果是电流反馈 则要从输出电流的微小变化开始 判断时在输入端也要反映出反馈信号与输入信号的比较关系 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 uo uc1 ub2 uc2 uf ube ui uf uc1 ub2 uc2 uo 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 uc1 ub2 uc2 此电路是电压串联负反馈 对直流不起作用 59 分析中用到了三极管的集电极与基极相位相反这一性质 60 我们这里分析的是交流信号 不要与直流信号混淆 分析中用到的电压 电流要在电路中标出 并且注意符号的使用规则 如果反馈对交直流均起作用 本题即是 可以用全量 瞬时极性法所判断的也是相位的关系 电路中两个信号的相位不是同相就是反相 因此若两个信号都上升 它们一定同相 若另一个信号下降而另一个上升 它们一定反相 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 uo if ib i if uo 此电路是电压并联负反馈 对直流也起作用 三极管的静态工作点如何提供 能否在反馈回路加隔直电容 不能 Rf为三极管提供静态电流 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 例 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 电流并联负反馈 对直流也起作用 可以稳定静态工作点 因为反馈电压 从输入端看 有 根据瞬时极性判断是负反馈 所以该电路为电压串联负反馈 vd vi vF 故为串联负反馈 用 瞬时极性法 判断反馈极性 假设某一瞬时 在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号 按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性 直至判断出反馈信号的瞬时极性 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小 则为负反馈 反之为正反馈 反馈量与输出电压成比例 所以是电压反馈 一 电压串联负反馈 分立电路电压串联负反馈 RL 电压负反馈的特性 稳定输出电压 稳定过程 负载变化时 输出电压稳定 输出电阻 因为反馈电流 根据瞬时极性判断是负反馈 所以该电路为电压串联负反馈 id ii iF 从输入端看有 反馈量与输出电压成比例 所以是电压反馈 故为并联负反馈 二 电压并联负反馈 分立电路电压并联负反馈 反馈量与输出电压成比例 所以是电压反馈 根据瞬时极性判断是负反馈 所以该电路为电压串联负反馈 id ii iF 在输入端有 故为并联负反馈 因为反馈电流 三 电流并联负反馈 因为反馈电流 根据瞬时极性判断是负反馈 所以该电路为电流串联负反馈 又因为在输入端有 反馈量与输出电流成比例 所以是电流反馈 故为并联负反馈 分立电路组成的电流并联负反馈 引入电流负反馈的目的 稳定输出电流 稳定过程 负载变化时 输出电流稳定 输出电阻 RL 因为反馈电压 Uf ioRf 根据瞬时极性判断是负反馈 所以该电路为电流串联负反馈 vd vi vF 又因为在输入端有 反馈量与输出电流成比例 所以是电流反馈 故为串联负反馈 四 电流串联负反馈 分立电路组成的电流串联负反馈 引入电流负反馈的目的 稳定输出电流 稳定过程 负载变化时 输出电流稳定 输出电阻 RL 五 反馈类型及判别方法总结 1 直流反馈与交流反馈 注意电容的 隔直通交 作用 例题1 试判断下图电路中有哪些反馈支路 各是直流反馈还是交流反馈 2 反馈极性 正反馈与负反馈 判定方法 瞬时极性法 例题2 试判断下列电路中反馈支路的反馈极性 对于串联反馈 输入量与反馈量作用在不同的两点上 若瞬时极性相同为负反馈 瞬时极性相反为正反馈 对于并联反馈 输入量与反馈量作用在同一点上 若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈 瞬时极性相同为正反馈 动画演示 3 取样方式 电压反馈与电流反馈 假设输出端交流短路 RL 0 即UO 0 若反馈信号消失了 则为电压反馈 若反馈信号仍然存在 则为电流反馈 电压反馈 反馈信号的大小与输出电压成比例 判断方法 输出短路法 电流反馈 反馈信号的大小与输出电流成比例 例题3 试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈 串联反馈 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极 有 此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系 对于运算放大器来说 反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端 则为并联反馈 一个加在同相输入端一个加在反相输入端则为串联反馈 对于三极管来说 反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极 则为并联反馈 一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈 并联反馈 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极 有 vd vi vF 4 比较方式 串联反馈和并联反馈 例题4 试判断下列电路中引入的反馈是串联反馈还是并联反馈 例题5 试判断下列电路中的反馈组态 解 电压串联负反馈 a 解 电压并联负反馈 b 动画演示 1 串联反馈 5 信号源对反馈效果的影响 vd vI vF 所以vI应为恒压源 即信号源内阻RS越小越好 要想反馈效果明显 就要求vF变化能有效引起vd的变化 2 并联反馈 id iI iF 所以iI应为恒流源 即信号源内阻RS越大越好 要想反馈效果明显 就要求iF变化能有效引起id的变化 end 反馈电路的基本方程 2 2 4负反馈对放大电路性能的影响 结论 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络有关 即负反馈可以提高放大倍数的稳定性 1 对放大倍数的影响 1 负反馈削弱了输入信号 使净输入减小了 因而放大电路的放大倍数下降 引入负反馈使电路的稳定性提高 Af 定量分析 例2 2 2某负反馈放大器 放大倍数A 104 反馈系数F 0 01 由于外部条件变化使A变化了 10 求Af的相对变化量 解 即A变化了 10 时 Af仅变化了 0 1 2 改善放大电路的非线性失真 加反馈前 加反馈后 改善 3 扩展放大电路的通频带 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 4 对输入 输出电阻的影响 1 串联负反馈增大输入电阻 2 并联负反馈减小输入电阻 理解 由于串联负反馈使净输入电压ud减小 因而输入电流也减小 故输入电阻增大 理解 并联负反馈存在反馈电流if 使输入电流ii增大 故输入电阻减小 3 电压负反馈使电路的输出电阻减小 理解 电压负反馈目的是阻止 uo的变化 稳定输出电压 放大电路空载时可等效右图框中为电压源 输出电阻越小 输出电压越稳定 反之亦然 理解 电流负反馈目的是阻止 io的变化 稳定输出电流 放大电路空载时可等效为右图框中电流源 输出电阻越大 输出电流越稳定 反之亦然 4 电流负反馈使电路的输出电阻增加 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 理想运放的条件 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 1 在分析信号运算电路时对运放的处理 2 3集成运算放大器的线性应用 2 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚开路放大倍数与负载无关 可以分开分析 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 2 3 1比例运算电路 i1 if 1 放大倍数 虚短路 虚开路 1 反相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 虚开路 2 电路的输入电阻 ri R2 R1 RF uo 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大RF 而大电阻的精度差 因此 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 4 共模电压 输入电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 4 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 2 同相比例运算电路 u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚开路 ii if 同相比例电路的特点 3 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 思考 R1 时 此电路是电压并联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分离元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 3 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 Auf 1 例2 3 1图示电路中 R1 50k RF 100k ui 1V 求输出电压uo 并说明输入级的作用 解 输入级为电压跟随器 输入电阻很高 起到减轻信号源负担的作用 uo1 ui 1V Uo 作用 将若干个输入信号之和按比例放大 类型 同相求和和反相求和 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 2 3 2加法运算电路 1 反相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 R11 R22 RF时 三输入加法运算电路 解出 时 3 3减法运算电路 差动放大器 差动放大器放大了两个信号的差 但是它的输入电阻不高 2R1 这是由于反相输入造成的 例 设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 2 求各电阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 优点 元件少 成本低 缺点 要求R1 R2 R R3 R 阻值的调整计算不方便 单运放的加减运算电路 改进 采用双运放电路 双运放的加减运算电路 例2 3 2设计一个能实现uo 10ui1 2ui2 5ui3运算关系的电路 其中RF 10k uo 10ui1 2ui2 5ui3 平衡电阻 uo 10ui1 2ui2 5ui3 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 2 3 4积分运算电路 输出量与输入量对时间的积分成正比 积分时间常数 输入方波 输出是三角波 应用举例1 U 积分时限 应用举例2 如果积分器从某一时刻输入一直流电压 输出将反向积分 经过一定的时间后输出饱和 例2 3 3积分运算电路如图所示 已知 k 0 5uF u 的初始电压为 输入电压波形ui如图 a 所示 请画出输出电压uo的波形 当0 t 60ms ui 5V 当60 t 110ms ui 6V 波形如图 例2 3 4试求图 b 所示电路的uo与ui的关系式 解 其他一些运算电路 对数与指数运算电路 乘法与除法运算电路等 由于课时的限制 不作为讲授内容 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 u u 0 1 微分运算 结论 1 输出信号与输入信号对时间的一阶微分成正比 2 微分时间常数 2 3 5微分运算电路 若输入 则 若输入为阶跃信号 运算电路要求 1 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式 2 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算 3 会用 虚开路 ii 0 和 虚短路 u u 分析给定运算电路的放大倍数 非线性应用 是指由运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系uo f ui 是非线性函数 由运放组成的非线性电路有以下三种情况 1 电路中的运放处于非线性状态 比如 运放开环应用 运放电路中有正反馈 运放处于非线性状态 2 4集成运算放大器的非线性应用 2 电路中的运放处于线性状态 但外围电路有非线性元件 二极管 三极管 稳压管等 ui 0时 ui 0时 3 另一种情况 电路中的运放处于非线性状态 外围电路也有非线性元件 二极管 三极管 由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同 所以分析电路前 首先确定运放是否工作在线性区 确定运放工作区的方法 判断电路中有无负反馈 若有负反馈 则运放工作在线性区 若无负反馈 或有正反馈 则运放工作在非线性区 处于非线性状态运放的特点 1 虚短路不成立 2 输入电阻仍可以认为很大 3 输出电阻仍可以认为是0 UR 当uiUR时 uo Uom 1 单门限比较器 2 4 1单门限电压比较器 二 过零比较器 UR 0时 例1 利用电压比较器将正弦波变为方波 例2 利用电压比较器构成脉宽调制器 例2 利用电压比较器构成脉宽调制器 例3 利用电压比较器构成报警装置 ui UR时 指示灯亮 一 迟滞比较器 分析 1