模拟集成电路的线性应用

2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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+,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,4,理想条件下，(1+AdF)很大,Ro很小，Roe0；,一般R1、R2取值范围为1k1M；,对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。,说明：,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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；,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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二,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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FF0,F0理想反馈系数,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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+),2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,10,若考虑RoR2、RoR1，则,当用阻抗代替电阻时,当信号频率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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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-,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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AdF01，AdACM,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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，,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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，,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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),2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,25,(2)频率特性,幅频特性,为幅频特性的交接频率。,相频特性,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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A01,RCT0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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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(t0),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)=-1Uo(s)=aT(t0),2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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，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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,45,3.比例微分电路,传输函数为,图2-3-10比例微分电路,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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=0,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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R2R6=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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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：25V,失调电压温漂小：0.25V/C,非线性小：0.002,噪声小：13nV/,共模抑制比高：106dB（60Hz）,输入电阻高：1010,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,50,(2)电路框图及其引脚,图2-4-2INA101G/INA101P功能框图与封装引脚,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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：,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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。,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,54,图2-4-5LH0038/LH0038C功能框图,(2)功能框图,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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-Uos2Ad2Ad1,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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),2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,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=Uo1,2020年5月10日星期日,集成电路原理及应用能源工程学院,60,2.5.3HA2900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,失调电压：20V；失调电压漂移：0.3V