电子系统设计-第2章 模拟集成电路应用设计01-04

第2章 模拟集成电路应用设计,2.1 集成运算放大器2.2 基本运算电路2.3 集成运算放大器的设计2.4 电子模拟开关2.5 有源滤波器2.6 电压基准/基准电压/参考电压2.7 仪表放大器2.8 电压比较器2.9 波形发生电路2.10 信号转换电路2.11 功率放大电路2.12 直流稳压电源,2.1 集成运算放大器,集成运算放大电路简称运放电路，是一个高性能的直接耦合多级放大电路，因首先用于信号的运算，故而得名。（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。（2）集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。（3）允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。因为电路的复杂化，并不带来工艺的复杂性。（4）用有源元件（晶体管或场效应管）取代无源元件（电阻），因为硅片上不易制作高阻值电阻。（5）采用复合管，以得到各方面性能俱佳的效果。,一、集成运放电路的特点,2.1.1 概述,2.1 集成运算放大器,二、集成运放电路的组成,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,二、集成运放电路的组成,输入级 ：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad 大，Ac小，输入端耐压高。 中间级 ：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 输出级 ：功率级，主要提高带负载能力，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。几代产品更新过程中，输入级的变化最大！,偏置电路 ：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,2.1 集成运算放大器,三、集成运放的电压传输特性,2.1 集成运算放大器,线性区,线性区：,饱和区：,饱和区,差模开环电压放大倍数,线性区非常窄,四、简化的运算放大器的低频电路模型,2.1 集成运算放大器,Uo,ri,ro,Ui,开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百K）；输出电阻低（约几百）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。,五、重要性能指标（一）直流（静态）性能指标 1、输入失调电压VIO(input offset voltage) 使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压。 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为折算到输入端的失调电压。 VIO是表征运放内部电路对称性或者反映了输入级差分对管的失配程度，一般VIO约为（110）mV，高质量运放VIO在1mV以下。,2.1 集成运算放大器,五、重要性能指标（一）直流（静态）性能指标 2、输入失调电压漂移（温漂） 输入失调电压的大小，随温度而变化的这一现象称为输入失调电压漂移（温漂）。 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 该参数是指VIO在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温度影响的重要指标。一般情况下约为（1030）uV/摄氏度，高质量的可做3（R1/RF），这样的调节效果比较明显。电路简单，调整RP时不影响闭环增益。,2.1 集成运算放大器,2.1.2 集成运放的应用技术一、失调补偿（零点调整或调零）,二极管偏流补偿电路 补偿电流通过接在二极管D1正极上的电位器RP获得，二极管的负端又自举到运放输出端，使补偿电流不随输入信号电平的变化而变化。,2.1 集成运算放大器,因为当输入信号增大或减小时，二极管负极电压也增加或减少同样的数值，而二极管处于正偏，其正极比负极总是高一个PN结的正向压降，则电位器RP两端电压不随输入电压变化，故补偿电流也就不随输入信号的大小变化。,2.1.2 集成运放的应用技术一、失调补偿（零点调整或调零）,同相端调零电路 调整电路接在同相端，由R1和R2组成的750倍分压器可将电位器RP滑动臂上的电压衰减750倍，将15V的电源衰减到20mV并加到同相输入端上。 该电路不受反馈元件影响，因此广泛应用于反向放大器调零。,2.1 集成运算放大器,2.1.2 集成运放的应用技术一、失调补偿（零点调整或调零）,同相放大器的调零电路 调整电路接在反相端，电阻R1和R2组成的750倍分压器，可将电位器RP滑动臂上的电压衰减750倍，将15V的电源衰减到20mV，以满足调零需要。 由于R2和R3串联，在计算增益时，应考虑R2的影响。,2.1 集成运算放大器,2.1.2 集成运放的应用技术一、失调补偿（零点调整或调零）,差动放大器的调零电路 差动放大器的调零电路仅接在同相输入端，对共模抑制比有一定影响，在选择分压电阻时，应把这个影响降到最低。由R4和R5组成分压器，可将电位器Rp滑动臂上的电压衰减750倍，将15V的电源衰减到20mV。,为了减小分压电阻R4对共模抑制比的影响，应使R4远小于R3，一般如能保证R3100R4，则既能使R3不影响分压精度，又能使串接到同相输入端的R3和R4对共模性能的影响可以忽略不计。,2.1 集成运算放大器,2.1.2 集成运放的应用技术一、失调补偿（零点调整或调零）,二、自激振荡的消除 无输入信号时，输出有一定幅值和一定频率的信号，称电路产生了自激振荡。 产生自激振荡的条件：（1）幅值平衡条件AF=1 ；（2）相位平衡条件A+F=(2 n+1) （n为整数）同时满足条件（1）和（2），电路要起振幅值条件AF1 。 自激振荡的原因是什么？ 主要是因为集成运算放大器内部是由多级直流放大器所组成，由于每级放大器的输出及后一级放大器的输入都存在输出阻抗和输入阻抗及分布电容，这样在级间都存在R-C相移网络，当信号每通过一级R-C网络后，就要产生一个附加相移。,2.1 集成运算放大器,自激振荡的原因 此外,在运放的外部偏置电阻和运放输入电容，运放输出电阻和容性负载反馈电容，以及多级运放通过电源的公共内阻，甚至电源线上的分布电感，接地不良等耦合，都可形成附加相移。 结果，运放输出的信号,通过负反馈回路再叠加大于180度的附加相移,且若反馈量足够大,终将使负反馈转变成正反馈,从而引起振荡。 自激振荡的消除方法 为了使运放稳定地工作，就需要采用校正措施来破坏产生自激振荡的条件。可以采用频率补偿（又称相位补偿，破坏相位条件）的方法滞后补偿（简单滞后补偿、RC滞后补偿和密勒效应补偿）和超前补偿，消除自激振荡。,2.1 集成运算放大器,自激振荡的消除方法 通常在产品手册中可以查到器件外接消除自激振荡元件的接法及参考数据。 最佳消振参数元件值的选择方法-实验法（瞬态法） 在运算放大器的输入端加一固定频率的矩形波信号（幅值不能太大，否则看不到波形），用示波器来观察其输出波形，由输出波形来确定补偿元件的数值是否适合。,2.1 集成运算放大器,三、保护电路 集成运放的安全保护主要有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。1、电源保护,2.1 集成运算放大器,为了防止电源极性接反而造成运算放大器组件的损坏，可以利用二极管的单向导电性原理，在电源连接线中串接二极管以阻止电流倒流，如图所示。当电源极性接反时，VD1、VD2不导通，相当于电源开路。,三、保护电路2、输入保护 集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高（超出该集成运放的极限参数范围）,集成运放也会损坏。,2.1 集成运算放大器,三、保护电路3、输出保护 当集成运放过载（输出电压过高）或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。 但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护，使用这些器件就不需再加输出保护。对于内部没有限流或短路保护的集成运放，需外接保护电路。过压保护电路 为了防止集成运放的输出电压过高，可用两只稳压管反向串联后，并联在负载两端或并联在反馈电阻Rf两端，如图所示。,2.1 集成运算放大器,当输出电压小于稳压管稳定电压UZ时，稳压管不导通，保护电路不工作，当输出电压 大于Uz时，稳压管工作，将输出端的最大电压幅度限制在（UZ+0.7V）。电阻R起限流保护作用。,2.1 集成运算放大器,三、保护电路3、输出保护,三、保护电路3、输出保护过流保护电路 在某种原因(如输出短路等)使集成运放输出过流时，保护电路即成恒流源，使集成运放不会因输出过流而损坏。,2.1 集成运算放大器,上图为一种集成运算放大器输出过流保护电路，场效应管3DJ7接在集成运放输出端，并采用近似恒流源的接法。 当电路工作正常时，场效应管呈现低阻抗，基本不影响电路的输出电压范围。当电路输出端短路时，场效应管呈现高阻抗，使电路输出电流得到了限制。,三、保护电路3、输出保护过流保护电路 二极管D1的作用是在电能输出负电压时，与场效应管一起构成恒流源。,二极管D2的作用是在电路输出正电压时，与场效应管一起构成恒流源。 当电路输出幅度不大、负荷较轻时，可用一阻值为500左右的电阻代替场效应管，也能同样取得理想的效果。,2.1 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器,2.1.3 放大电路中的反馈一、反馈的基本概念 放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。,从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈； 或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，否则为正反馈。,怎么判定是正反馈还是负反馈？,2.1 集成运算放大器,二、交流负反馈的四种组态1、电压反馈和电流反馈 描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，即反网络的取样对象。,将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈，即,将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈，即,2.1 集成运算放大器,二、交流负反馈的四种组态2、串联反馈和并联反馈 描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即输入量、反馈量的叠加关系。,反馈量与输入量以电压方式叠加为串联负反馈，即,反馈量与输入量以电流方式叠加为并联负反馈，即,2.1 集成运算放大器,二、交流负反馈的四种组态3、四种反馈组态,电压串联负反馈,电流串联负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈,2.1 集成运算放大器,二、交流负反馈的四种组态4、反馈组态的判定（1）电压反馈和电流反馈的判断 令输出电压为0，若反馈量随之为0，则为电压反馈； 若反馈量依然存在，则为电流反馈。,电路引入了电压负反馈,2.1 集成运算放大器,二、交流负反馈的四种组态4、反馈组态的判定（2）串联反馈和并联反馈的判断 在输入端，输入量、反馈量和净输入量以电压的方式叠加，为串联反馈；以电流的方式叠加，为并联反馈。,引入了并联反馈,引入了串联反馈,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（1）提高放大倍数的稳定性 在中频段，放大倍数、反馈系数等均为实数。,说明放大倍数的相对变化量仅为基本放大电路的1/(1+AF),即放大倍数的稳定性是基本放大电路的(1+AF)倍。,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（2）改变输入电阻和输出电阻对输入电阻的影响 对输入电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输入端的接法有关，即决定于是串联反馈还是并联反馈。,引入串联负反馈,引入串联负反馈将增大输入电阻。,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（2）改变输入电阻和输出电阻对输入电阻的影响 对输入电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输入端的接法有关，即决定于是串联反馈还是并联反馈。,引入并联负反馈将减小输入电阻。,引入并联负反馈,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（2）改变输入电阻和输出电阻对输出电阻的影响 对输出电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输出端的接法有关，即决定于是电压反馈还是电流反馈。 引入电压负反馈时，电压负反馈稳定输出电压，使输出具有恒压特性，因而输出电阻减小。 引入电流负反馈时，电流负反馈稳定输出电流，使输出具有恒流特性，因而输出电阻增大。,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（3）展宽频带 设反馈网络是纯电阻网络,可推导出引入负反馈后的截止频 率、通频带,引入负反馈后的幅频特性,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响（4）减小非线性失真,由于晶体管输入特性的非线性， 当b-e间加正弦波信号电压时，基极电流的变化不是正弦波。,可以设想，若加在b-e之间的电压正半周幅值小于负半周的幅值，则其电流失真会减小，甚至为正弦波。,非正弦波,正弦波,2.1 集成运算放大器,三、负反馈对放大电路性能的影响 （5）引入负反馈的一般原则稳定Q点应引入直流负反馈，改善动态性能应引入交流负反馈；根据信号源特点，增大输入电阻应引入串联负反馈，减小输入电阻应引入并联负反馈；根据负载需要，需输出稳定电压（即减小输出电阻）的应引入电压负反馈，需输出稳定电流（即增大输出电阻）的 应引入电流负反馈；从信号转换关系上看，输出电压是输入电压受控源的为电压串联负反馈，输出电压是输入电流受控源的为电压并联负反馈，输出电流是输入电压受控源的为电流串联负反馈，输出电流是输入电流受控源的为电流并联负反馈； 当(1AF) 1时，它们的转换系数均约为1/F。,采用电流模技术设计和制造的模拟集成电路，在工作速度、精度、带宽和线性度等方面均获得很高的性能，CAF就是其中一种。,以电压作为输入和输出信号。 当同相输入端和反相输入端有差值电压（即差模输入电压）时，电路产生响应，逐级放大，从而获得相应的电压输出。 用开环差模增益来描述。 电压增益大、输入电阻大、输出电阻小等。 工作速度和频率不是太高。因此不能满足目前迅猛发展的高速系统要求。,电压反馈放大电路（VFA）：,工作原理：,四、电流反馈运算放大器（CFA）,输入量与输出量的传递关系：,设计的主要目标：,缺点：,2.1 集成运算放大器,1、结构和工作原理,2.1 集成运算放大器,四、电流反馈放大器（CFA）,电流模技术：,信号传递过程中除与晶体管b-e间电压有关外，其余各参量均为电流量的电路称为电流模电路。,CFA与VFA的结构比较如下表：,2.1 集成运算放大器,工作原理：当同相输入端与反相输入端产生差值电流时，电路产生响应，逐级放大，最终转换成电压输出。 开环增益为输出电压与输入电流之比，其量纲为欧姆，因此也称互阻放大电路。 为了获得更大的输入电流，CFA均有低输入电阻的输入端。 在使用时，无论引入什么形式的反馈，最终必须产生差值输入电流，经运放放大，故称之为电流反馈运算放大器。,2.1 集成运算放大器,四、电流反馈放大器（CFA）,2、影响运算放大器带宽的因素不同 开环时，VOUT=VerrAol(s) Aol(S)=GDC/(1+r0CcS), S=jw 式中：GDC-直流开环增益；ro-开环方程中的有效阻抗；Cc -补偿电容。补偿电容不仅影响放大器的稳定性, 而且决定了放大器的转换速率。 当接成同相输入的闭环电路时，有Vo=(Vin+-Vin-) Aol(S) Vin=RGVo/(RG+RF),因此, 影响电压反馈运算放大器的闭环增益,不仅是开环增益AOL(S) ,而且还有反馈电阻RF和增益电阻RG 。,闭环状态下的环路增益,VFA:,RG,2.1 集成运算放大器,2、影响运算放大器带宽的因素不同 在低频时，由于开环增益非常大，可以忽略开环增益的影响。当频率增高时，Aol(S)开始以20dB/10倍频速率下降，最终会成为影响电路增益的主要因素。 电流反馈运算放大器，在开环时，它的输出电压等于开环阻抗Z(S)和输入误差电流Ierr乘积，即Vout=IerrZ(S),式中，RT为直流开环互阻抗；CT为镜像电流源控制转换速率的补偿电容。 电流反馈放大器的转换速率由CT和放大器的内部残余电流决定。,S=jw,2.1 集成运算放大器,从上式可以看出，影响电流反馈运算放大器的闭环增益除了放大器本身的互阻抗Z(S)外，只有反馈电阻RT一个因素。 因此对于电流反馈运算放大器，当反馈电阻RT确定之后，改变增益电阻RG，不影响电路的闭环频带，而对于电压反馈运算放大器不改变反馈电阻RF，只改变增益电阻时，也影响电路的闭环频带。 CFA的闭环增益带宽与增益无关，不存在增益带宽积的限制。,当连接成同相闭环电路时，电流反馈放大器的闭环增益表达式为,运算化简得,闭环增益,2.1 集成运算放大器,3、CFA与VFA性能的比较,2.1 集成运算放大器,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,集成运放理想化条件,2.2 基本运算电路,运放线性应用的条件,运放的传输特性vo=f(vi),vo=Aodvi,设电源电压为12V，则运放最大输出电压VOM=10V,设运放Aod=105，则其传输特性如图所示,-0.1,0.1,-10,10,线性区,非线性区,非线性区,结论：运放在开环状态下线性区很窄，只能工作在非线性区。,理想运放则无线性区,如何使运放工作在线性区呢？,降低电压放大倍数,如何降低电压放大倍数呢？,引入负反馈,结论：运放工作在线性区的条件是在电路中加入负反馈。,2.2 基本运算电路,2.2.1 比例运算电路一、同相输入,输入电阻大，输出电阻小，在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,2.2 基本运算电路,2、反相输入,2.2 基本运算电路,为平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。,虚地,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。 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,2.2 基本运算电路,为了解决上述反相输入放大电路因反馈电阻不能太大而不能获得较大电压放大倍数的问题，可采用T形网络反相输入电路，用较小的电阻实现了高的电压增益。,如R1=R2=R3=100K，R4=2.08，就可以得到-50的电压放大倍数。,2.2 基本运算电路,3、差分输入,2.2 基本运算电路,如何改进单个运放差分输入电路输入电阻小的问题？,高输入电阻的差分比例运算电路,若,因为引入了串联负反馈，所以电路的输入电阻为无穷大。,2.2 基本运算电路,2.2.2 积分运算电路与微分运算电路,一、积分运算电路,2.2 基本运算电路,虚地,利用积分运算电路可以实现哪些功能？,2.2.2 积分运算电路与微分运算电路,一、积分运算电路 利用积分运算的基本关系实现不同的功能,2.2 基本运算电路,输入为阶跃信号时的输出电压波形？,输入为方波时的输出电压波形？,输入为正弦波时的输出电压波形？,线性积分，延时,波形变换,移相,2.2.2 积分运算电路与微分运算电路,一、积分运算电路,2.2 基本运算电路,R2的作用是什么？,防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。,不加电阻R2时,加了电阻R2后,反馈阻抗,2.2.2 积分运算电路与微分运算电路,二、微分运算电路,2.2 基本运算电路,虚地,为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路 应采取措施。,运放由于某种原因进入非线性区而不能自动恢复的现象。,限制输入电流,滞后补偿,限制输出电压幅值,常用的集成运算放大器,2.3 集成运算放大器的设计,解：设计电路如右图所示电压放大倍数 Au5/0.5=10 由Auf=1+RF/R1可得 RF=9R1，R2=R1/RF。从理论上讲，R1、RF和R2可以取得很多组不同的阻值，例如：R1=2k，RF=18k，R2=1.8k；R1=2， RF=18，R2=1.8；R1=3M，RF=27M，R2=2.7M。,1、简单电压放大电路的设计例：用集成运放设计一简单放大电路，要求直流输入电压Vi=0.5V时，输出电压Vo=5V，误差不超过1%。并计算设计电路中各元器件值。,2.3 集成运算放大器的设计,R1=2k，RF=18k，R2=1.8k；R1=2， RF=18，R2=1.8；R1=3M，RF=27M，R2=2.7M。 实际上不能取上面的第2组电阻值。假设Vi=0.5V，Vo=5V，则流过RF的电流 IRF=VRF/RF=(VoVi)/RF=(50.5)/18=0.25A=250mA 这个电流值超过集成运放A741的最大输出电流（40mA)，放大电路不能正常工作。 如果选用第3组电阻值，显然不会造成运放输出负载过重，但存在以下问题：（1）阻值高达27M的电阻器不易生产、价格较贵，而且噪声大、稳定性差、精度低。,2.3 集成运算放大器的设计,（2）当Vi0.5V时，流过反馈电阻RF的电流 IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/3M 167nA 将这个反馈电流与运放A741的输入失调电流（典型值为20nA，最大值为200nA）相比较可知，选用上述第3组电阻值是不合适的。 那么，是否可以取第1组电阻值呢?可以从以下两方面分析。（1）当Vi=0.5V，Vo=5V时，流过RF的电流 IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/2k250A 它比集成运放A741的最大输出电流小得多，而又比输入偏置电流大1000倍以上。因此，这组电阻值能使电路正常工作。,2.3 集成运算放大器的设计,那么，是否可以取第1组电阻值呢?可以从以下两方面分析。（2）R1、RF和R2的阻值分别为2k、18k和1.8k，在常用标称电阻值系列之内，且阻值适中。 因此可以选第1组电阻值，也可以根据货源等具体情况选用其他符合要求的电阻值。 此外，根据对电压放大倍数的精度要求，R1、RF应选用误差小于0.5%的精密金属膜电阻器。R2的精度要求低，可采用廉价的碳膜电阻器。 通过这个简单电路的设计，应该知道怎么从理论分析设计到实际元器件参数的确定。,2.3 集成运算放大器的设计,设计电路时计算出来的电阻电容值经常会与实际的标称值不相符，有时候需要根据标称值来修正电路的计算。标称值:是用以标志或识别元件、器件或设备的适当近似值. 电阻标称值：标称在电阻器上的电阻值，其单位为欧 ，千欧k 、 兆欧M，标称阻值都应符合下表所列数值乘以10N欧，其中N为整数。,2.3 集成运算放大器的设计,2、双电源交流电压放大电路 电路如右图所示，图中电容C1、C2和C3都是隔直电容，其交流电压放大倍数 Auf=1+RF/R2电阻R1为调零电阻，即保证输入为零时，放大器的输出为零。输入电阻 Ri=R1,R1值不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出；但也不能太小，否则放大器的输入阻抗太低，将影响前级信号的输出。R1的值一般为几十千欧。 耦合电容C1和C3的值，可根据交流放大器的下限频率fL来确定。一般取C1=C3=（310）1/(2RLfL) 反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。,同相交流电压放大电路,2.3 集成运算放大器的设计,2、双电源交流电压放大电路,输入电阻RiR1=100K电压放大倍数 Auf=1+RF/R2,交流信号从同相端B点输入，输出经RF反馈至A点。反馈电压,为了提高交流放大电路的输入阻抗，可以采用自举式同相交流电压放大的电路图，如右图所示。,自举式同向交流电压放大电路,电路通过R1引入了正反馈，当信号源为有内阻的电压源时，正反馈的结果使输入的动态电位升高。这种通过引入正反馈使动态电位升高得电路，称为自举电路。,2.3 集成运算放大器的设计,3、单电源交流电压放大电路 在仅需放大单极性交流信号的电路中，为简化电路，可采用单电源（正电源或负电源）供电。 将双电源供电的集成运放改成单电源供电时必须满足：,V+=V-=VO=VCC/2。如图所示电路为uA741构成反相交流电压放大器电路。 其中R2、R3称为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。为获得最大动态范围，通常使同相输入端静态（输入电压为零时）工作点电压V+=VCC/2。,2.3 集成运算放大器的设计,所以取R2=R3。 静态时，放大器输出电压应等于同相输入端电压。,3、单电源交流电压放大电路,C1、C2为放大器耦合电容。电压放大倍数Auf=RF/R1,2.3 集成运算放大器的设计,右图为单电源供电同相交流放大器。 电路接入R4的目的是为了提高放大器的输入电阻。接入R4后，放大器的输入电阻为,式中，ric为集成运放共模输入电阻。R4越大，放大器的输入电阻越大。 电压放大倍数Auf=1+RF/R1 运放交流电压放大器只放大交流信号，输出信号受运放本身的失调影响较小，因此不需要调零。,Ri=(R4+R2R3) ricR4,3、单电源交流电压放大电路,接入R4有什么作用？,2.3 集成运算放大器的设计,4、前置放大器的设计 通常低频小信号不仅需要放大信号幅度，而且需要放大功率，因此放大电路由两部分组成：前置放大器和功率放大器。例：在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5700）mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W； 带宽BW（5010000）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8上的交流声功率10mW。,2.3 集成运算放大器的设计,4、前置放大器的设计分析：由要求可知，要选用低噪声的运放，可选低噪声运放NE5532N。由要求 可知，输入信号需要放大几千倍，考虑到运放的放大倍数与通频带的关系，所以应采用和两级放大。增益调节采用电位器手动调节。,设计电路如右图所示，各级均采用固定增益加输出衰减组成，如果后级功率放大器采用具有10倍放大倍数的集成运功放。,2.3 集成运算放大器的设计,因此设计要求为：当各级输出不衰减，输入VP=5mV，输出,第一级放大： VP=700mV时，输出V1om11V（低于电源电压1V）。A1=V1om/VP=11/0.7=15.7 取A1=15当VP=5mV(即ViP-P=10mV)而输出不衰减时， Vo1P-P=A1ViP-P = 1510=150mV,第二级放大：要求Vo2P-P=VoP-P 2.53V，考虑到元件误差的影响，取Vo2P-P=3V，而输入信号最小为150mV，则第二级放大倍数为：A2=Vo2P-P/Vo1P-P=3/0.15=20 取A2=22。因此 A1=1+R7/R6 A2=1+R17/R18经计算并取标称值R6=1K,R7=14K,R17=21K,R18=1K。,2.3 集成运算放大器的设计,5、差动放大器的设计 电路如右图所示,当R1=R2，RF=R3时，为差动放大器，差模电压增益,Ri=R1+R2=2R1 当R1=R2=RF=R3时，为减法器，输出电压Vo=V2-V1 由于差动放大电路具有高共模抑制比的特点，所以常用做传感放大电路或测量仪器的前端放大。,2.3 集成运算放大器的设计,5、差动放大器的设计,右图是将来自两个传感器SL和SR的微弱电信号放大，前级采用同相放大,可获得很高的输入阻抗；后级采用差分放大，可获得较高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。,根据前面的分析， R1=R2，R3=R4， R5=R6，RF=R7，则电路的电压放大倍数可大数千倍，即,2.3 集成运算放大器的设计,集成运算放大器的使用1、根据设计的性能指标，选择适合类型和型号的运放；2、根据设计要求，看选用什么结构电路实现，看是否需要进行调零；3、外接电阻的选用 ，尽可能配用几千欧至几百千欧之间，平衡电阻 。4、电源的供电方式（单电源还是双电源）；5、消振与保护电路（电源保护、输入保护和输出保护）的设计；,小 结,2.4 电子模拟开关,机械触点式：用于大电流、低速切换。,电子式：用于小电流、高速切换。,模拟开关,模拟开关是一种能够按照控制指令对模拟信号传输进行通断控制的电路器件。它是电子系统中常用的基本单元电路。 一个理想的模拟开关，应接通时相当于短路，关断时相当于开路，工作速度要快，各开关间的隔离度要好。,一、概述,电子式模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用场效应管构成。 CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。,当控制信号UC= 0，晶体管T截止，集电极为高电平，晶体管T导通，输入信号电压Ui可以通过T输出。,当控制信号UC=1时，晶体管T导通，集电极为低电平，晶体管T截止，输入信号电压Ui不能通过T输出。,二、电子模拟开关的工作原理,1、双极型晶体管开关工作原理：,优点：开关速度快,电流控制器件，功耗大，集成度低，只能单向传输 信号。,缺点：漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。,当控制信号UC=1，则开关控制管T1导通，集电极为低电平，场效应管T导通，UO=Ui 。,当控制信号UC=0，则开关控制管T截止，集电极为高电平，场效应管T断开。,缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。注意：在断电时，JFET开关处于导通状态，即常闭型。,2、场效应管（FET）开关 结型场效应管（JFET）开关 工作原理：,优点：开关切换速度快，导通电阻小， 可两个方向传送信号。,二、电子模拟开关的工作原理,缺点：衬底要有保护电压。,2、场效应管（FET）开关, 绝缘栅场效应管（IGFET/MOS）开关 工作原理与结型场效应管开关类似。,优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小，可两个方向传送信号；易于和驱动电路集成。,二、电子模拟开关的工作原理,三、主要性能指标1、导通电阻RON 开关闭合后，开关两端的等效电阻值。理想的开关RON=0。RON随输入电压的变化而变化，还与开关的供电电源电压有关，一般随电源电压的减小而增大。2、导通电阻温度漂移RONVS RON随温度的变化情况。3、导通电阻平坦度RON与一致性(多路开关） 用于描述每一通道的RON在所规定的信号范围内的变化量。RON=RONMAX-RONMIN，RON越小越好。,2.4 电子模拟开关,三、主要性能指标3、导通电阻平坦度RON与一致性(多路开关） RON的一致性表示各通道RON的差值。一致性越好，各路信号由开关引起的误差就越小。 失配度/RON和平坦度/RON这两个值越小，说明模拟开关的精度越高，性能越好。 失配度用来描述同一芯片的不同通道间RON的区别。4、开关接通电流IC 开关闭合时所能承受的流经开关的平均电流强度。5、断开电阻ROFF 开关断开后，开关两端的等效电阻值。理想的开关ROFF。,2.4 电子模拟开关,三、主要性能指标6、关断隔离度 当开关关断时，输入信号通过左下图所示的电容CDS和CD对输出端的影响程度（如右下图所示）。用（无用的）耦合输出与输入的比值进行度