模拟集成电路的线性应用ppt课件

22 04 2020 1 2 1模拟集成电路的基本放大电路2 2积分电路2 3微分电路2 4集成仪器放大器2 5动态校零型斩波放大器 第2章模拟集成电路的线性应用 22 04 2020 2 2 1 1反相型放大器 1 反相型放大器的理想特性 1 基本型反相放大器 利用理想集成运放的条件 虚短和虚断 即 闭环增益为 即 2 1模拟集成电路的基本放大电路 u u iB iB 22 04 2020 3 输入电压与输出电压之间的关系为 或 也称比例放大器 当两个电阻的比值为1时 称为倒相器 等效输入电阻为 等效输出电阻为 22 04 2020 4 理想条件下 1 AdF 很大 Ro很小 Roe 0 一般R1 R2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 说明 22 04 2020 5 2 改进型反相放大器之一 目的 提高输入电阻 图2 1 2用T型网络代替R2的反相放大器 闭环增益为 避免使用超过1M 的大电阻 特点 满足了Ri R1不取大值 22 04 2020 6 图2 1 3采用自举电路的反相放大器 输入电阻为 要使Ri增大 设法使Ii减小 目的 提高输入电阻 2 改进型反相放大器之二 22 04 2020 7 2 反相型放大器的实际特性 分析Ad Rd RO不为理想条件时等效电路 1 反相放大器的实际闭环增益 图2 1 4考虑了Ad Rd和Ro的反相放大器电路 或 22 04 2020 8 式中 AF 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 Ad 集成运放的开环增益 F 实际反馈系数 一般F F0 F0 理想反馈系数 22 04 2020 9 2 反相放大器的实际等效输出电阻 图2 1 5输出电阻等效计算电路 等效输出电阻是在无负载时输出开路电压UO除以短路电流Ik Uo Eo RoIo Eo Ad U U 22 04 2020 10 若考虑Ro R2 Ro R1 则 当用阻抗代替电阻时 当信号频率 n时 当信号频率比较高时 其输出阻抗将有很大变化 22 04 2020 11 3 反相型加法器 图2 1 6反相型加法器 输出电压与输入电压关系为 则输出电压为 可实现对输入电压的求和运算 令R1 R2 Rn R 22 04 2020 12 2 1 2同相型放大器 1 同相型放大器的理想特性 利用理想集成运放的条件 虚短和虚断 闭环增益为 即 图2 1 7基本同相型放大器 u u iB iB U Ui 22 04 2020 13 输出电压与输入电压关系为 或 称之为同相跟随器 图2 1 8同相跟随器 在理想条件下 uo ui或Uo Ui Ro 0 R1断开 放大倍数为1 图2 1 7基本同相型放大器 22 04 2020 14 2 同相型放大器实际特性 Ad Rd Ro不为理想条件时的等效电路 1 实际闭环增益 或 AF 同相放大器的实际闭环增益 AF0 同相放大器的理想闭环增益 Ad 集成运放的开环增益 F 实际反馈系数 一般F F0 F0 理想反馈系数 图2 1 9考虑了Ad Rd和Ro的同相放大器电路 22 04 2020 15 2 同相放大器等效输入电阻 输入电压与输入电流之比即为等效输入电阻 Ui R3 Rd Ii U E0 IiRdAd Rie R3 Rd R1 R2 R0 1 AdF Rd 1 AdF 通常Rd R3 Rd R2 R0 R1 同相放大器的优点 输入电阻很高 3 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 22 04 2020 16 3 同相加法器 理想运放时 由以上三式得输出电压与输入电压关系为 图2 1 10同相型加法器 U U 22 04 2020 17 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Re Rf Rp R1 Rn 输出电压与输入电压关系为 若取R1 R2 Rn R 当考虑实际运放Ad Rd Ro后 实际输出电压与输入电压的关系为 22 04 2020 18 若取Re Rf Rp R1 Rn的条件 若同时取R1 R2 Rn R有 可见因Ad Rd引起求和运算相对误差为 22 04 2020 19 2 1 3差动型放大器 1 差动放大器理想特性 理想运放时 当满足匹配条件R3 R1 R4 R2时 输入电压与输出电压关系为 图2 1 11差动放大器 22 04 2020 20 2 差动放大器实际特性 分析Ad和ACM对放大特性影响 其余条件均为理想 若取R1 R3 R2 R4 再考虑到AdF0 1 Ad ACM 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 第三项为共模增益引起误差电压 22 04 2020 21 由理想运放基本条件可导出以下关系式 图2 1 12增益可调的差动放大器 3 增益可调差动放大器 I1 I3 I2 I4 UA UB m Ui2 Ui1 I3 I5 I6 22 04 2020 22 通常选m n 所以 当m n的值选定后 只需调节 pR 一个电位器即可调节差动放大器增益 缺点 输入电阻不高 增益与电位器阻值呈非线性关系 实用时 加补偿电容以提高稳定性 图2 1 12增益可调的差动放大器 I7 I4 I5 22 04 2020 23 4 高输入阻抗差动放大器 第一级运放为同相放大器 其输出电压为 用叠加原理求第二级运放的输出电压 因两个输入信号均从同相端输入 所以输入电阻比较高 图2 1 13高输入阻抗差动放大器 Uo 1 m Ui2 mUo1 1 m Ui2 Ui1 22 04 2020 24 1 反相型积分器 理想集成运放时 1 传输函数 2 2积分电路 图2 2 1基本反相型积分器 2 2 1基本积分电路及其理想特性 T RC T为积分时间常数 22 04 2020 25 2 频率特性 幅频特性 为幅频特性的交接频率 相频特性 22 04 2020 26 3 输出电压与输入电压的关系 图2 2 2基本积分器的幅频特性 图2 2 3基本积分器的相频特性 22 04 2020 27 2 同相型积分器 1 传输函数 I1 I2 I3即 U U 若满足电阻匹配条件R1R4 R2R3 例如选取R3 R1 R4 R2 则可导出理想传输函数为 图2 2 4基本同相型积分器 22 04 2020 28 2 频率特性 其中 幅频特性为 为幅频特性的交接频率 式中 相频特性为 3 输出电压与输入电压关系 此积分器的波特图与反相积分器相同 22 04 2020 29 3 差动型积分器 1 传输函数 取R1 R2 R C1 C2 C 即满足匹配条件时有 2 输出电压与输入电压的关系 22 04 2020 30 2 2 2UOS IB及其漂移对积分电路的影响 输出电压为 积分电容C值越小 产生的误差越大 C值越大 误差越小 图2 2 6考虑了Uos IB的积分电路 22 04 2020 31 2 2 3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 T0 是集成运放的时间常数 A0 是低频增益 当A0 1 RC T0时 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 实际积分器在低频范围内 因集成运放开环增益是有限值 在高频范围内 因带宽又是有限值 所以都是不理想情况 积分电路的传输函数为 22 04 2020 32 图2 2 8积分电路的瞬态响应 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 图2 2 7积分电路的频率特性 22 04 2020 33 2 2 4积分电路的保持误差 产生保持误差的原因是 集成运放和积分电容某些特性 如 开环增益的不稳定 会使积分电路固定输出电压产生波动 影响保持误差的主要因素是积分电容 所以要根据实际应用的需要很好选择和处理好积分电容 图2 2 9积分电路的保持误差 有限值A0和输入电阻产生的泄漏电流使积分电容器电压泄放 电压和电流的漂移 22 04 2020 34 2 2 5几种典型的积分电路 图2 2 10比例积分电路 1 比例积分电路 输出电压为 输入失调电压和输入失调电流产生的误差电压为 22 04 2020 35 2 求和积分电路 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 输出电压为 22 04 2020 36 3 重积分电路 输出电压为 由输入失调电压和输入失调电流产生误差电压为 22 04 2020 37 理想传输函数为 幅频特性为 为幅频特性的交接频率 2 3微分电路 频率特性为 2 3 1基本微分器及其理想微分特性 图2 3 1基本微分器 式中T RC为微分时间常数 sRC sT 22 04 2020 38 相频特性为 图2 3 2基本微分器的幅频特性 图2 3 3基本微分器的相频特性 输出电压与输入电压的关系 缺点 稳定性差 高频输入阻抗低 高频干扰大 22 04 2020 39 2 3 2微分器的实际微分特性 1 实际频响特性 传输函数为 Ad s 增益函数 F s 反馈函数 从上式看出 实际微分器传输函数是由一个理想微分器的传输函数和一个二阶振荡环节的传输函数构成 22 04 2020 40 二阶振荡环节的传输函数 图2 3 4实际微分器的幅频特性 幅频特性 直线1为理想微分特性 曲线2为二阶振荡环节 曲线3为实际微分器的幅频特性 曲线4为运放开环增益的幅频特性 22 04 2020 41 2 实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性 假设输入电压为负斜坡电压ui t at t 0 理想的输出响应函数为 图2 3 5微分器对斜坡输入电压的时间响应特性 曲线1是理想输出响应特性 曲线2是在理想的输出响应aT上迭加了一个衰减振荡响应 由拉氏反变换得时域输出响应为 uo t 1 Uo s aT t 0 22 04 2020 42 2 3 3几种典型的微分电路 1 改进型的微分电路 加入R1 自然频率下降 阻尼比明显增大 作用是消除自激 减小高频谐振峰 并联反馈电容Cf 作用是降低不必要高频增益 传输函数为 假设 则幅频特性为 图2 3 6改进型的微分电路 22 04 2020 43 图2 3 7改进型微分器的幅频特性 改进型微分器幅频特性 当 时 为理想微分工作区 当 时 为非微分的高频衰减区 当 时 幅频特性达到最大增益 当 时 是理想微分工作区 在 时 其响误差为 22 04 2020 44 2 差动型的微分电路 传输函数为 频率特性为 图2 3 9幅频特性 式中 T2 R2C T1 R1C 当 1时 为理想微分工作区 当 1时 增益为R2 R1 高于微分工作区增益 为了降低其影响 可在两个电阻上并联小电容 图2 3 8差动微分电路 22 04 2020 45 3 比例微分电路 传输函数为 图2 3 10比例微分电路 22 04 2020 46 2 4 1集成仪器放大器的工作原理 1 基本仪器放大器电路 2 工作原理 1 当Ui1单独作用 即Ui2 0时 2 4集成仪器放大器 图2 4 1仪器放大器电路 Ui2 0 UN 0 22 04 2020 47 2 当Ui2单独作用 Ui1 0 时 3 当Ui1 Ui2同时作用时 Ui1 0 UM 0 图2 4 1仪器放大器电路 22 04 2020 48 4 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R5 R4 R7 R6 R3 R2 输出电压 仪器放大器增益为 通常选R2 R6 R 只要调节R1 即可改变AI 调节增益很方便 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 高线性度的集成放大器 主要应用于小信号放大 所以 22 04 2020 49 2 4 2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 1 主要特点 失调电压低 25 V 失调电压温漂小 0 25 V C 非线性小 0 002 噪声小 13nV 共模抑制比高 106dB 60Hz 输入电阻高 1010 22 04 2020 50 2 电路框图及其引脚 图2 4 2INA101G INA101P功能框图与封装引脚 22 04 2020 51 3 应用时的连接方法 图2 4 3INA101基本应用电路 输出电压为 Uo AI Ui2 Ui1 外接RG调节增益 22 04 2020 52 图2 4 4INA101输出部分调零电路 改变R1 R2的比值 可以扩大调节范围 22 04 2020 53 2 LH0038 LH0038C精密集成仪表放大器 1 基本特点 能够放大非常微弱的信号 能方便地将闭环增益由100调至2000 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 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 失调电压温漂和输入噪声电压等特性 采用16脚陶瓷密封双列直插式封装 22 04 2020 54 图2 4 5LH0038 LH0038C功能框图 2 功能框图 22 04 2020 55 3 应用说明 a 防护驱动端 图2 4 6LH0038防护驱动端应用 图2 4 7远程读出的电路 b 远程输出读出 直接在负载端接通 加缓冲器提高电流能力 22 04 2020 56 2 5 1动态校零型斩波放大器的一般技术 图2 5 1斩波放大器采用的双通道放大电路框图 若A1 A2的失调电压分别为Uos1 Uos2 将其折算到输入端 其等效失调电压为 2 5动态校零型斩波放大器 则因失调电压引起零位输出电压为 Uo Ad1Uos1 Uos2Ad2Ad1 22 04 2020 57 2 5 2动态校零型斩波放大器的工作原理 图2 5 2动态校零型斩波放大器原理图 斩波放大器工作过程分两个工作期 误差检测和记忆期 校零和信号放大期 22 04 2020 58 1 误差检测和记忆期 当斩波开关S1 S2 S3同时打向 1 位置时 在存贮电容C1上记忆了失调电压 图2 5 2动态校零型斩波放大器原理图 Uo1 Ad1 Uos1 Uc1 Uo2 Uc1 Ad2 Uo1 Uos2 22 04 2020 59 2 校零和信号放大期 当斩波开关S1 S2 S3同时打向 2 位置时 存贮电容C2上的保持电压为 完成了零位校正和信号放大 运放A1的失调电压对输入电压影响被降低了 1 Ad1Ad2 倍 Uo Ad1 Ui Uos1 Uc1 Uos3 UC2 Uo1 22 04 2020 60 2 5 3HA2900型动态校零型斩波集成运放介绍