电子电路基础：第06章 模拟集成电路及其应用

1、第六章 模拟集成电路及其应用,集成运算放大器,模拟集成电路种类很多，常用的有集成运算放大器、集成功率放大器、集成模拟乘法器、集成电压比较器等,按工艺 双极型、CMOS型、混合型 按工作原理 电压放大型、电流放大型、跨导型、 按电源 单电源、双电源,6.1 集成运放的组成及基本特性,集成运放是一种高增益(100dB180dB)直接耦合放大电路，输入电阻高，输出电阻低，共模抑制比高(60dB170dB)，失调与漂移小，广泛应用于各种电子电路中,集成运放的组成,集成运放的一般组成框图,6.1 集成运放的组成及基本特性,典型的集成运算放大器 A741,24只晶体管 10个电阻 1个电容,6.1 集成运

2、放的组成及基本特性,集成运放的符号,同相输入端 vP : 输出与输入信号同相 反相输入端 vN : 输出与输入信号反相 输出端 vo : 输出电压信号,a) 国标符号 (b) 常用符号 模拟集成放大器的符号,6.1 集成运放的组成及基本特性,集成运放的传输特性,线性区输出与输入的函数关系,6.1 集成运放的组成及基本特性,理想集成运放模型 开环差模电压增益 Avd 通常要求 Avd80dB 差模输入电阻Rid 通常要求Rid比输入端外电路的电阻大23个量级 输出电阻 Ro 0， 通常要求Ro比输出端外电路的电阻小1 2个量级 共模抑制比 KCMR 输入失调足够小,6.1 集成运放的组成及基本特

3、性,集成运放工作在线型区的特点,虚短 运放处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，称为虚短。显然不能将两输入端真正短路,虚断 运放处于线性状态时，可把两输入端视为等效开路，称为虚断。同样不能将两输入端真正断路,6.1 集成运放的组成及基本特性,反向输入,同向输入,工作在线型区的运放,6.1 集成运放的组成及基本特性,反向输入,工作在线型区的运放,电压比较器,6.2 集成运放的主要参数,运放的技术指标很多，一部分与差放电路和功率放大电路相同，另一部分则是根据运放电路本身的特点而设立,各种主要参数均比较适中的是通用型运放, 对某些项技术指标有特殊要求的是各种专用型运放,6.2.1 输入失调参数,输

4、入失调电压VIO A741典型值：1mV 输入电压为零时，为使运放输出电压为零，在输入端所加的补偿电压，是表征运放内部电路对称程度和电平配合情况的指标,输入偏置电流IIB A741典型值：80nA 当输出电压为零时两输入端静态电流的平均值,输入失调电流 IIO A741典型值：20nA 输出电压为零时流入运放两输入端静态电流之差，用于表征差动放大管的不对称的程度,6.2.1 输入失调参数,输入失调电压温漂 VIO / T A741典型值：5V/C 在规定工作温度范围内 输入失调电压VIO的温度系数，不能用外接调零装置补偿,输入失调电流温漂 IIO / T A741典型值：1nA/C 在规定工作

5、温度范围内 输入失调电流 IIO的温度系数，不能用外接调零装置补偿,6.2.2 差模特性参数,最大差模输入电压VIDmax 运放两输入端能承受的差模输入电压的最大值，超过此值差分管将出现发射结反向击穿现象,最大输出电流IOmax 运放输出的峰值电流，通常是指输出端短路电流,开环差模电压增益Avd 运放工作在线性区、接入规定的负载、无反馈情况下的直流差模电压增益。 A741典型值：106dB,6.2.2 差模特性参数,开环带宽 BW(fH) A741典型值：7Hz 一般指3dB带宽，运放的开环差模电压增益下降至3dB时对应的频率为fH,单位增益带宽BWG(fT) A741典型值：1.4M Hz

6、随信号频率上升，开环电压增益下降到 Avd=1 时的频率称为 fT，BWG(fT)是 f = 0 到 fT 之间 的带宽,6.2.3 共模特性参数,最大共模输入电压VICmax A741典型值：13V 在保证运放正常工作条件下共模输入电压的最大值。超过此值，共模抑制比将明显下降,共模抑制比KCMR A741典型值：90 dB 差模电压增益与共模电压增益比值的绝对值,共模电压增益Avc 运放输入端加共模电压时的增益,6.2.4 大信号动态特性,转换速率S R (摆率) 放大电路在闭环状态下，输入信号为大信号时(如阶跃信号)，输出电压对时间的最大变化率,全功率带宽BWP 表征运放在频域中的大信号特

7、性，是转换速率的另一种表示形式,A741典型值：0.5V/s,6.2.5 电源特性参数,电源电压抑制比KSVR: 衡量电源电压波动对输出电压的影响程度。通常定义为折合到输入端的失调电压变化与电源电压变化的比值,静态功耗 PD : 当输入信号为零时，运放消耗的总功率,6.4 集成运放的同相和反相放大电路,运放的线性应用,运放的非线性应用,工作在传输特性的线性区 构成深度负反馈电路 线性放大电路：实现信号的放大。 运算电路：实现信号的运算。 利用虚短、虚断的概念解题,工作在传输特性的限幅区 处于开环或者正反馈工作状态,6.4.1 运放的线性与非线性应用,6.4.2 集成运放的基本输入方式,反相输入

8、,基本反相输入放大电路,输出量与输入量存在比例关系，可实现反相比例运算,电压并联负反馈,虚短,虚断,6.4.2 集成运放的基本输入方式,基本反相输入放大电路,电压并联负反馈，Rif R1，Rof 0 Avf 与运放的内部参数无关，只取决于RF、R1 输出和输入信号反相，当RFR1时， Avf-1，称为单位增益倒相器。 理想情况下 vN=0，共模输入电压趋于0，对运放的KCMR要求较低 R 称为直流平衡电阻,反相输入,6.4.2 集成运放的基本输入方式,T型反馈网络构成的反相放大电路,为提高输入电阻，加大R1；为保持增益不变，用T型网络取代RF,反相输入,6.4.2 集成运放的基本输入方式,基本

9、同相输入放大电路,输出量与输入量存在比例关系，可实现同相比例运算,同相输入,电压串联负反馈,虚短,虚断,6.4.2 集成运放的基本输入方式,基本同相输入放大电路,同相输入,电压串联负反馈， Rif ， Rof 0 Avf与运放的内部参数项无关，保证了运算的精度和稳定性 输入vN= vP = vI ，输入端存在共模信号，要求运放具有较高的KCMR 当 R1 或 RF0时， Avf1，称为电压跟随器,6.4.2 集成运放的基本输入方式,电压串联负反馈， Rif ， Rof 0 Avf与运放的内部参数项无关，保证了运算的精度和稳定性 输入vN= vP = vI ，输入端存在共模信号，要求运放具有较高

10、的KCMR 当 R1 或 RF0时， Avf1，称为电压跟随器,电压跟随器,6.4.2 集成运放的基本输入方式,分压同相输入,运放的四种反馈组态,电压并联负反馈 反相输入放大电路,电压串联负反馈 同相输入放大电路,运放的四种反馈组态,电流并联负反馈 II 变换 电流放大,电流串联负反馈 VI 变换 电压源变电流源,iL,应用举例,例：电路如图所示，A为理想运放，试求 (1) 流过电阻R2的电流I2为多少? (2) 写出vo的表达式,应用举例,说明下面电路的功能，若输入信号如右图所示，画出输出电压波形,1. 带限幅的反向比例放大电路,2. 当 |vI| 1V时，电路增益Avf = -5 当 |v

11、I| 1V时， |vo|被限制在5V 当 t=0.1s 时， vI = 1V，输出波形如图,6.5 由集成运放构成的模拟运算电路,比例运算电路 加法/减法运算电路 积分/微分运算电路 对数/指数运算电路 乘/除/开方运算电路,比例运算电路,基本同相输入放大电路,反相比例运算,同相比例运算,基本反相输入放大电路,6.5.1 加法运算电路,两输入端反相加法电路,在反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路,若 R1=R2,反向加法电路,6.5.1 加法运算电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路,若 R1/RF= RP= R2/R3/R4,两输入端同相加法电路,同向加法电路,6.5.2

12、减法运算电路,R1/RF=R2/R3,若,实现模拟减法运算 电压增益,差分输入减法电路,6.5.2 减法运算电路,若,第一级输出阻抗近似为零，后级对它的负载作用可以忽略。两级电路的输出与输入关系可分开计算，互不影响,高输入阻抗减法电路,6.5.2 减法运算电路,若,反相求和减法电路,将加法电路中的某一输入反相，也能实现减法运算,应用举例,例：在下图所示的电路中，A1、A2 、A2为理想运放，求vo,应用举例 电路如下图所示，求输出vO表达式, 并分析R1的作用,解：vS1和vS2为 差模输入信号，因此vO1和vO2 也是差模信号，R1的中点为交流零电位。 A3是双端输入放大电路,调节R1可以改

13、变放大电路的增益,例：在下图所示的电路中，A1、A2为理想运放，求vo,N,IR2,IR1,N点为虚地，A2为电压跟随器,应用举例,应用举例 试指出运放A2引回的反馈极性，求电路的输入电阻Rivi/ii,A2引回的是正反馈,应用举例,例：在下图所示的电路中，A1、A2为理想运放， ，求vo,6.5.3 积分运算电路,电路的组成,用电容C引入深负反馈，运放工作在线性区,根据虚短，N点虚地,综合以上两式，可得,其中：RC 为积分时间常数 为积分初始条件,6.5.3 积分运算电路,当输入为阶越函数时,假设电容C上初始电压为0，则,积分时间限制,6.5.3 积分运算电路,当输入信号为零时，由于虚地原因

14、，电阻R两端无电位差，C不能放电，积分器的输出电压保持不变,当输入为矩形波时,6.5.3 积分运算电路,当输入为正弦波时,输出为余弦波,输出比输入超前90，电路的作用是移相,积分运算电路举例,例：输入为矩形波，集成运放 的最大输出幅度为14V， t=0时vO为零, 积分参数为 (1) R=100K, C=0.5F (2) R=50K, C=0.5F (3) R=10K, C=0.5F 画出输出波形,应用举例,例: 电路如图所示，设运放为理想运放。请问A1A4各组成什么电路？ 若在t=0时刻接入信号源和电源，求t=4.9s时各运放的输出电压。 在t=15.5s时，各运放的输出电压为多少,1) 4

15、.9V (2) 计算值为-15.5V，实际值为-13V,6.5.4 微分运算电路,基本微分运算电路,缺点,功能： (1) 波形变换，把矩形波变为尖脉冲 (2) 移相：正弦波变余弦波，滞后90,1. vO与vI的变化率成正比，对vI突变部 分敏感，抗干扰能力差； 2. vI发生突变时，vO立刻进入限幅区， 为保证电路实现微分功能，需限制 输入信号的频率。 3. RC构成滞后的移相环节，与运放原 有滞后环节作用，容易自激,输出电压vO正比于vI对时间的微分,6.5.5 对数与反对数运算电路,对数运算电路,PN结伏安特性方程,输出电压vO与输入电压vI的对数成正比,具有温度补偿的对数运算电路,两只三

16、极管共同作用，抵消IES的影响；VT的温度补偿由热敏电阻R5承担,6.5.5 对数与反对数运算电路,指数运算电路相当于反对数运算电路,指数运算电路,如何实现如下运算,乘法电路,乘法电路,减法 电路,6.7 模拟乘法器及其应用,模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的电子器件，利用模拟乘法器以及运算放大器可实现乘法、除法、乘方、开方等运算,6.7.1 模拟乘法器简介,模拟乘法器的输入信号为两个互不相关的模拟量，输出为它们的乘积,理想模拟乘法器应具备： 输入阻抗 Rix，Riy 为无穷大； 输出阻抗 Ro 为零； 乘积系数 k 为常数; 当 vx 或 vy 为零时 vo 为零,模拟乘法器的等效电路,模拟乘

17、法器的符号,由vx 和 vy 的极性所确定的四个象限,6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理,差分放大电路,利用输入电压控制差分管发射极电路，使跨导变化，实现差模信号的相乘,当vx2VT时， th(x) x,再将图中的恒流源用一晶体管替代,变跨导二象限乘法器,6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理,1 vx可正可负，但vy必须大于零 2 电路只能工作在两个象限 3 vx的值必须小于2VT 4 vy的值越小，运算误差越大 5 vo与VT有关，即受温度变化的影响,变跨导二象限乘法器,6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理,双平衡四象限变跨导乘法器,6.7.3 模拟乘法器的应用,乘方运算电路,

18、6.7.3 模拟乘法器的应用,电路正常工作时，必须引入负反馈，即vO和vO同相。当k为正值时vI2必须也是正值,除法运算电路,6.7.3 模拟乘法器的应用,平方根运算电路,由于vO为大于零的值，所以vI必须小于零，且根号下的值必须为正，即k值为正,开方运算电路,6.7.3 模拟乘法器的应用,立方根运算电路,开方运算电路,应用举例,例：某运算电路如下图所示，运放及乘法器均为看成理想器件， 乘法器的乘积系数为0.1，求输出与输入间的运算关系,6.9 电压比较器,电压比较器的基本特性 电压比较器的应用电路 单限比较器 过零比较 过任意电平比较 滞回比较器 窗口比较器,采用滞回比较器去除噪声,集成电压

19、比较器是一种高增益、快速、无相位补偿的特殊运放，输入为模拟量，输出为数字量,6.9.1 电压比较器的基本特性,输入：连续变化的模拟量vI 、基准电压VREF 输出：数字量，即高、低电平，数字信号1或0 功能：比较两输入电压的大小,特点：工作在开环或正反馈状态。 开关特性 - 因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性 - 因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。 参数: 灵敏度、响应速度,可用于越限报警、模数转换，以及各种非线性波形的产生和变换等,6.9.1 电压比较器的基本特性,响应速度,若输入端加理想阶跃信号，其输出电压vO的跳变需要一定时间t，称为响应时间。为提

20、高响应速度，应选择高速、宽带集成运放,灵敏度 VI,表征比较器对输入信号的分辨能力。为提高灵敏度，应选择开环增益大、失调与温漂小的运放,6.9.1 电压比较器的基本特性,电阻R1、R2和二极管D1、D2组成限幅电路，将运放的输入电压限制在VD之间，从而提高工作速度，防止因输入电压过大而损坏器件,输入端限幅电路,6.9.1 电压比较器的基本特性,输出值限幅措施 利用两个背靠背的稳压二极管 vI 0, vO = - Vz, 深负反馈 在跳变点vI = 0处, 运放开环工作 在运放输出端接两个稳压二级管 运放处于开关工作状态，始终在非线性区,输出端限幅电路,6.9.3 电压比较器的应用电路,电路构成

21、 反相输入过零比较器 同相输入过零比较器 阈值电压：门限电平 比较器的输出电压发生状态跳变时相应的输入电压值。 转换条件,过零比较器,6.9.3 电压比较器的应用电路,输入、输出限幅的反相输入过零比较器,过零比较器,过零比较器应用,波形变换,过零比较器应用,全波整流电路,信号正半周,信号负半周,比较器,比较器,6.9.3 电压比较器的应用电路,将过零比较器的一个输入端从接地改接到固定电压值VREF，就得到单限电压比较器，调节VREF可方便地改变阈值电压,单限电压比较器,6.9.3 电压比较器的应用电路,一般反相/同相输入单限幅电压比较器,单限电压比较器,6.9.3 电压比较器的应用电路,求和型

22、单限电压比较器,单限电压比较器用于波形变换,滞回比较器,单限比较器电路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差，在门限值附近的干扰会使比较器输出产生误跳变,存在干扰时输出波形,反相输入滞回比较器,反相输入滞回比较器,2. 两个门限电平值的估算,对于同相输入端,对于反相输入端,阈值电压,反相输入滞回比较器,2. 两个门限电平值的估算,门限宽度 (回差) 指Vth1和Vth2两个门限电平之差,门限宽度取决于VZ，R1，R2。改变VREF，传输特性曲线整体左右移动，但滞回曲线的宽度将保持不变,反相输入滞回比较器,VREF=0 的情况,对于同相输入端,对于反相输入端,阈值电压,反相输入滞回比较器,例：试分析如下电路的特性，其中D为理想二极管，若D反接呢,VREF0,同相输入滞回比较器,对于同相输入端,对于反相输入端,阈值电压,滞回比较器,单限比较器与滞回比较器抗干扰能力的比较,原始输入信号,混入噪声,单限比较器输出,滞回比较器输出,双限比较器,用于检测模拟输入信号的电平是否处于两个门限电平之间 有两个门限，称作双限比较器,窗口比较器,反相输入 单限比较器,同相输入 单限比较器,用二极管将横 轴以下部分去掉,一种窗口比较器电路,窗口比较器的应用双向高压过压检测器