模拟集成电路 ppt课件

1、第四讲第四讲 模拟集成电路模拟集成电路1.1 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反响网络，可实现不同用成电路的输入与输出之间接入不同的反响网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方大、信号运算加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等、信号的处置滤波、调制以及波形的产生和变换。集等、信号的处置滤波、调制以及波形的产生和变换。集成

2、运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场所。成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场所。集成运算放大器可分为如下几类。集成运算放大器可分为如下几类。 调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源空脚调零输出正电源空脚OP07调零反相输入同相输入负电源调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源补偿调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源空脚LF351LF35612346578AD518调零反相输入同相输入负电源调零输出正电源补偿AD545同相输入反相输入负电源调零正电源输出调零补偿LM318CA3140LM358正电源A输 出A反 相输 入A同 相输 入B同 相输 入B反 相输 入C反 相输 入D反

3、 相输 入D同 相输 入C同 相输 入C输 出B输 出D输 出负电源LM124/224/324 A7 4 1正电源B 输 出B反 相输 入B同 相输 入A同 相输 入A反 相输 入负电源A输 出1通用型运算放大器通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价钱低廉、产品量大面广，其性能目的能适宜于普通性运用。点是价钱低廉、产品量大面广，其性能目的能适宜于普通性运用。例例mA741单运放、单运放、LM358双运放、双运放、LM324四运放及以四运放及以场效应管为输入级的场效应管为输入级的LF356都属于此

4、种。它们是目前运用最为广泛都属于此种。它们是目前运用最为广泛的集成运算放大器。的集成运算放大器。2高阻型运算放大器高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，普通非常小，普通rid1091012W，IIB为几皮安到几十皮安。实为几皮安到几十皮安。实现这些目的的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效现这些目的的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且

5、具有高速、宽带和低噪声等优点，但抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347四运放及更高输入阻抗的四运放及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。等。 1.1.1 集成运算放大器的运用要点1集成运放的电源供应方式集成运放的电源供应方式集成运放有两个电源接线端集成运放有两个电源接线端+VCC和和-VEE，但有不同的电源供应方，但有不同的电源供应方式。对于不同的电源供应方式，对输入信号的要求是不同的。式。对于不同的电源供应方式，对输入信号的要求是不同的。1对称双电源供电方式对称双

6、电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端地的正电源运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端地的正电源+E与负电源与负电源-E分别接于运放的分别接于运放的+VCC和和-VEE管脚上。在管脚上。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。振幅可达正负对称电源电压。2单电源供电方式单电源供电方式单电源供电是将运放的单电源供电是将运放的-VEE管脚衔接到地上。此时为了保证运放管脚衔接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有适宜的静态任务点，在运放输入端一定要参与不内部单元电路具有适宜的静

7、态任务点，在运放输入端一定要参与不断流电位，如图断流电位，如图3.2.1所示。此时运放的输出是在某不断流电位根底所示。此时运放的输出是在某不断流电位根底上随输入信号变化。对于图上随输入信号变化。对于图3.2.1交流放大器，静态时，运算放大器交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为的输出电压近似为VCC/2，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。VCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLE121212+-32674121212+-32674121212V0V0+Vi+RRAR1

8、C1VccC2VccR1+C1C2RRR2A1MViRf(a)(b)RfC32集成运放的调零问题集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流呵斥的误差进展补偿，这就是运算放大器的调零。调电流呵斥的误差进展补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部常用的调零方法有内部调零和外部调零，

9、而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。下面以调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。下面以mA741为例，图为例，图3.2.2给出了常用调零电路。图给出了常用调零电路。图3.2.2(a)所所示的是内部调零电路；图示的是内部调零电路；图b是外部调零电路。是外部调零电路。212+-3261221212121212121212+-326RwR+10uF10KA(a)-15VV+V-R1R2R351K51K100100100(b)3集成运放的自激振荡问题集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反响条件下，很

10、容易产生自激振荡。为使放大深度负反响条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的任务，就需外加一定的频率补偿网络，以器能稳定的任务，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。图消除自激振荡。图3.2.3是相位补偿的运用电路。是相位补偿的运用电路。VCC_CIRCLEVCC_CIRCLE+-32618121212V+V-100pFCViV0R1R2R3C1+C2C3+C4另外，防止经过电源内阻呵斥低频振荡或高频振荡的措施是在另外，防止经过电源内阻呵斥低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别参与一电集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别参与一电解电容解

11、电容10mF和一高频滤波电容和一高频滤波电容0.01mF0.1mF。如图。如图3.2.3所示。所示。4. 集成运放的四个重要参数：集成运放的四个重要参数：(1) 增益带宽积增益带宽积 GBW)GBW=Avd . fH其中其中 ，Avd为中频开环增益，为中频开环增益，fH为开环为开环上限截止频率。上限截止频率。以以uA741为例，为例，Avd=100dB即即100000倍。倍。fH =10Hz , GBW=10100000=1MHz 。即该运放的。即该运放的 fT =1MHz 。Avd (dB)ffHfTAvo假设运放在运用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的假设运放在运用中接成闭环放大电路，其

12、闭环放大电路的上限频率上限频率 fHF=GBW/AVFAvd (dB)ffHfTAvoAVFfHF(2) 压摆率转换速率压摆率转换速率SR压摆率压摆率SR表示运放所允许的输出电压表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。对时间变化率的最大值。max0dtdvRS 假设输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电假设输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。压。tVvm sin00 mmdtdvRfVVS0020 那么：假设知假设知 V0m，那么在输出不失真的情况下，输入信号的最高，那么在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率频率mRVSf0max2 对于对于uA741，假

13、设将衔接成电压跟随器电路，假设输入信号为，假设将衔接成电压跟随器电路，假设输入信号为Vin=2V， f=100KHz的正弦信号，其输出波形如何？的正弦信号，其输出波形如何？+-vinvo为了要求输出不失真，那么要求输入信号的应小于为了要求输出不失真，那么要求输入信号的应小于0.8V。 vinvo(3) 共模抑制比共模抑制比CMRR该项目的表示了集成运放对共模信号通常是干扰信号该项目的表示了集成运放对共模信号通常是干扰信号的抑制才干。定义的抑制才干。定义vcvdAACMRRlg20 Avd 为开环差模增益，为开环差模增益，Avc为开环共模增益。共模抑制比这一目为开环共模增益。共模抑制比这一目的在

14、微弱信号放大场所非常重要，以为在许多实践场所，存在的在微弱信号放大场所非常重要，以为在许多实践场所，存在着共模干扰信号。着共模干扰信号。假设某一放大器的差模输入信号假设某一放大器的差模输入信号Vidm为为10uV，而放大器的输，而放大器的输入端存在着入端存在着10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号差模分量能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多差模分量能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的共模抑制比呢？大的共模抑制比呢？设该放大器的输出端的共模电压为设该放大器的输出端的共模电压为Vocm ,那么那么 Vocm=Vicm . Avc那么将

15、其折合到输入端的共模信号为：那么将其折合到输入端的共模信号为： Vicm= Vocm/Avc折合到输入端的误差电压为：折合到输入端的误差电压为：CMRRVAAVAVVicmvcvdicmvdocmm 在上例中，假设取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：在上例中，假设取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：uVuVVVidmm52102 那么那么 运放的共模抑制运放的共模抑制比比 6102510 uVVVVCMRRmicm 要求运算放大器的共模抑制比大于要求运算放大器的共模抑制比大于120dB4. 4. 运算放大器的运用运算放大器的运用1反相比例运算电路反相比例运算电路+Vcc-Vee+-OP0732

16、67148 = 12121212ViVoR1RFRPRW10k该电路的电压放大倍数该电路的电压放大倍数10RRvvAFivf输入电阻：输入电阻：RiF=R1输出电阻：输出电阻： R0F=0平衡电阻：平衡电阻：RP=RF/R1该电路的电压放大倍数不宜过大。反响电阻该电路的电压放大倍数不宜过大。反响电阻RF普通小于普通小于1M，RF过大会影响阻值的精度；但过大会影响阻值的精度；但RF也不能太小，过小会从信号也不能太小，过小会从信号源或前级汲取较大的电流。源或前级汲取较大的电流。运算放大器的共模输入电压：运算放大器的共模输入电压：ViC=02 同相比例放大器电路同相比例放大器电路+-OP073261

17、21212RpR1RFViV0该电路的电压放大倍数该电路的电压放大倍数101RRvvAFivf输入电阻：输入电阻：RiF=输出电阻：输出电阻：R0F=0平衡电阻：平衡电阻：RP =R1/RF由于运算放大器在该电路中不是由于运算放大器在该电路中不是“虚地，其输入端存在着虚地，其输入端存在着较大的共模信号，共模输入电压为：较大的共模信号，共模输入电压为：ViC=Vi在运用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于在运用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于Vi的最的最大值。大值。3 由三运放组成的仪表放大器由三运放组成的仪表放大器当传感器任务环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，当传感器任务环境

18、恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，输出阻抗又很大，此时，普通运算放大器已不能胜任，这输出阻抗又很大，此时，普通运算放大器已不能胜任，这时可思索采用仪表放大器数据放大器、丈量放大器。时可思索采用仪表放大器数据放大器、丈量放大器。例如用于对温度、流量、压力等物理量的丈量，普通传感例如用于对温度、流量、压力等物理量的丈量，普通传感器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的变化，如图。变化，如图。E输出输出RXRRR仪表放大器具有的特征是：

19、仪表放大器具有的特征是： 具有高的输入阻抗，低的偏置电流。具有高的输入阻抗，低的偏置电流。 平衡差动输入，高的共模抑制比。平衡差动输入，高的共模抑制比。 单端输出，较低的输出电阻。单端输出，较低的输出电阻。 具有较小的失调电压与漂移。具有较小的失调电压与漂移。 改动一只外接电阻阻值或接线，即能改动放大器的增益。改动一只外接电阻阻值或接线，即能改动放大器的增益。满足以上要求的电路原理图如下。满足以上要求的电路原理图如下。VCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLE+-326+-32612+-326121212121212A1OP07OP07OP07A3A2R1R2R3R4R5R6

20、R750k50k1k10k10k10k10kV1V2V0R4=R5，R6=R7条件下，该电路的差模电压放大倍数为：条件下，该电路的差模电压放大倍数为：为了提高仪用放大器的共模抑制比为了提高仪用放大器的共模抑制比CMRR，要求，要求相差尽能够小，普通选用金属膜或线绕电阻。调理增益时，不要调相差尽能够小，普通选用金属膜或线绕电阻。调理增益时，不要调理理R4R7这些电阻。假设希望调理增益，必需用改动电阻这些电阻。假设希望调理增益，必需用改动电阻R2实现，实现，这样对仪用放大器的这样对仪用放大器的CMRR影响不大。影响不大。46.21VD)21RRRRA （6475RRRR和321)21 (CMRRR

21、RCMRR+-326+-32612121212121212121212+-326R1R1R2R4R6R5R7R8R9RwV1V2V010k10k10k10k10k10k100k100k10k200一实践丈量放大器电路一实践丈量放大器电路:4交流放大器交流放大器 双电源供电的交流放大器双电源供电的交流放大器假设只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大假设只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器也可用反相式。器也可用反相式。电容电容C1、C2、C3为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：AVF = 1+RFR2R1接地是为了保证运算放大器有一适宜的静态任务点，

22、即当信接地是为了保证运算放大器有一适宜的静态任务点，即当信号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：Ri = R1R1不能太大，否那么会引入噪声电压，影响输出。但也不能不能太大，否那么会引入噪声电压，影响输出。但也不能太小，否那么将影响前级信号源输出。普通选几十千欧。太小，否那么将影响前级信号源输出。普通选几十千欧。耦合电容耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率可根据交流放大器的下限频率fL来确定。普来确定。普通取通取 C1=C3=3101(2RLfL)反响支路的隔直电容反响支路的隔直电容C2普通取几微法。留意电容在电路中普通

23、取几微法。留意电容在电路中的极性。的极性。为了提高交流放大器的输入电阻，可采用以下图所示的自举为了提高交流放大器的输入电阻，可采用以下图所示的自举式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为式同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为1+RFR2；但由于反响电压但由于反响电压VA与输入电压与输入电压VB近似相等，故流过近似相等，故流过R1的电的电流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。流近似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。 单电源供电的交流电压放大器单电源供电的交流电压放大器对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：在以下图的反相

24、交流电压放大器中，在以下图的反相交流电压放大器中，R2、R3为偏置电阻。为偏置电阻。为了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态任务点为了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态任务点 V+ = (R3R3+R2)Vcc = Vcc/2静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。电容电容C1、C2为隔直电容，有关为隔直电容，有关C1、C2的选择有放大器的下的选择有放大器的下限频率限频率fL决议。该放大器的电压放大被数决议。该放大器的电压放大被数 AVF = RFR1以下图是自举式同相交流放大器以下图是自举式同相交流放大器5精细整流电路精细

25、整流电路 半波整流电路半波整流电路VCC_CIRCLEVCC_CIRCLE+-326121212R1R2D1D2RpViV0A1N41481N4148精细整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。精细整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。 当当 正半周时，正半周时，D1导通，导通，D2截止，输出电压截止，输出电压:当当 负半周时，负半周时，D1截止，截止，D2导通，输出电压导通，输出电压:0iU00U0iUiURRv120 精细全波整流电路绝对值电路精细全波整流电路绝对值电路 假设需求对小信号进展绝对值运算，可采用图假设需求对小信号进展绝对值运算，可采用图3.2.13所示电路。

26、所示电路。在电路中，电阻元件选择在电路中，电阻元件选择R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。+-32612D112121212+-3261212ViU0R1R2R3R4R5R6R720k20k20k20k10k1N4148D2LM358LM3586.2k10kU01+-32612D112121212+-3261212ViU0R1R2R3R4R5R6R720k20k20k20k10k1N4148D2LM358LM3586.2k10kU01当当 正半周时，二极管正半周时，二极管D2截止，截止，D1导通，导通，故故 0iUiURRU1201iinUURRURRU0156460当当 负半周时，二极管负半周时，二极管D1截止，截止，D2导通，导通，故故 0iU001UiinUURRU460可见输出构成全波整流。同理，假设将可见输出构成全波整流。同理，假设将D1、D2极性反接，可得到极性反接，可得到输出极性相反的全波整流。输出极性相反的全波整流。6 通用窗口比较器通用窗