第七章模拟集成电路系统ppt课件

1、第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 7 1 集成运算放大器在基本运算中的应用集成运算放大器在基本运算中的应用7 2 有源有源RC及开关电容滤波器及开关电容滤波器 7 3 集成运算放大器精密二极管电路集成运算放大器精密二极管电路7 4 电压比较器及弛张振荡器电压比较器及弛张振荡器7 5 模拟开关模拟开关7 6 集成运算放大器选择指南集成运算放大器选择指南第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统71 集成运算放大器在基本集成运算放大器在基本 运算中的应用运算中的应用 711 相加器相加器 集成运算放大器可构成信号集成运算放大器可构成信号“相

2、加电路。相加电路。 一、反相相加器一、反相相加器 使用反相比例放大器可构成反相相加器，如图使用反相比例放大器可构成反相相加器，如图71所示。因为运放开环增益很大，且引入并联电压负反所示。因为运放开环增益很大，且引入并联电压负反馈，馈，点为点为“虚地点，所以虚地点，所以 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统333332222211111RuRuuiRuRuuiRuRuuiiiiiii第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii 图71反相相加器 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 又因为理想运算放大器，I

3、i=i-=0,即运放输入端不索取电流，所以反馈电流 if 为 if=i1+i2+i3 )(1111332211iiifoifififffouuuRRuuRRuRRuRRRiu若if=i1+i2+i3 =R,那么 (71) (72) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例1 试设计一个相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均100k。 解 为满足输入电阻均100k，选R2=100k，针对2, 312RRRRff所以选Rf=300k，R2=100k,R1=150k。 实际电路中，为了消除输入偏流产生的误差，在同相输入端和地之间接入一直流平衡电阻

4、Rp,并令Rp=R1R2Rf=50k，如图72所示。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k图72 满足例1要求的反相相加器电路 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、同相相加器 所谓同相相加器，是指其输出电压与多个输入电压之和成正比，且输出电压与输入电压同相。电路如图73所示。根据同相比例放大器原理，运放同相端与反相端可视为“虚短路”，即 U+=U- 其中U+等于各输入电压在同相端的叠加，U-等于uo在反相端的反馈电压Uf。第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统Rfui1uoui2RR1R2R3图73 同相

5、相加器电路第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统(73) (74) )()(1 ()(1 (211321321213213123123213213123123iifoiifofofiiuuRRRRRRRuRRuRRRRRuRRRRRRRuUuRRRUuRRRRRuRRRRRU，则若第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 712相减器相减器(差动放大器差动放大器) 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。这在许多场合得到应用。要实现相减，必须将信号分这在许多场合得到应用。要实现相减，必须将信号分别送入运算放大器的同相端和反相端，如图别送入运

6、算放大器的同相端和反相端，如图74所示。所示。我们应用叠加原理来计算。首先令我们应用叠加原理来计算。首先令ui2=0,则电路相当于则电路相当于同相比例放大器，得同相比例放大器，得R3ui2uoui1R1R2R4R3ui2uo2R1R2R4R3ui1uo1R1R4R2(分解)第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统(75) (76)(77)(78) 实现了相减运算则若总的输出电压为例放大器，则电路相当于反相比又令)(,)(1 (0)(1 ()1 (211343212131424132121321142413131iioiioooioiiouuRRuRRRRuRRuRRRRRuuuuRRuuu

7、RRRRRURRu第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统R3ui2uoui1R1R2R4R3ui2uo2R1R2R4R3ui1uo1R1R4R2(分解)图74 相减器电路 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例2 利用相减电路可构成“称重放大器”。图75给出 称重放大器的示意图。图中压力传感器是由应变片构成的惠斯顿电桥，当压力(分量)为零时，Rx=R，电桥处于平衡状态，ui1=ui2,相减器输出为零。而当有重量时，压敏电阻Rx随着压力变化而变化，从此电桥失去平衡， ui1 ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式。试问，输出电压uo与重量(体现在Rx变化上)有何关系。第第7章

8、章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统R2uoR2R1R1RxRRREr激励源压力传感器相减放大器压敏电阻 图75称重放大器R2ui2uoui1R1R1R2RxR 图76称重放大器的简化图第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解 图75的简化电路如图76所示。图中 xxrxxiriRRRRRERRRuEu,2,221那么 (79) 力。就可以换算出重量或压测量也随之变化，所以随之变化，则重量（压力）变化，则若保证ooxrxxxxriioxiixouuRERRRRRRRRRERRuuRRuRRRRRuRRRRRRuRRRu)(2)21()(,|,2)1 (12122112111121222

9、12第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 713 积分器 所谓积分器，其功能是完成积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。 根据反相比例放大器的运算关系，该电路的输出电压的频域表达式为 sRCsARCjjUjUjAjuRCjjuRCjjuioiio1)(1)()()()(1)(/1)(710) 或复频域的传递函数为 积分器的传输函数为 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoRC 图77 积分器电路 dtuRCudtduCRuiidtduCdtdQiCuQCRuiiiCRCiR1/,/0000，有由于电流，两端的电容第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ojRCj

10、A90)(1)(传输函数的模 附加相移 (712a) (712b) 画出理想积分器的频率响应如图78所示。 在时域，设电容电压的初始值为零(uC(0)=0),则输出电压u o(t)为dttuRCtuCdttituioCo)(1)()()(式中，电容C的充电电流 RtuiiC)(所以第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统0|Au(j)|/dB20dB /10倍频程1/RC090(j) 图78 理想积分器的频率响应 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 如果将相减器的两个电阻R3和R4换成两个相等电容C，而将R1=R2=R，则构成了差动积分器。这是一个十分有用的电路，如图79所示。其

11、输出电压u o(t) dtuuRCtuiio)(1)(21(714)第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ui2uoui1RRCC 图79 差动积分器 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例例3 电路如图电路如图710所示，所示，R=100k，C=10F。当当t=0t1(1s)时，开关时，开关S接接a点；当点；当t=t1(1s)t2(3s)时，开时，开关关S接接b点；而当点；而当tt2(3s)后，开关后，开关S接接c点。已知运算点。已知运算放大器电源电压放大器电源电压UCC=|-UEE|=15V，初始电压，初始电压uC(0)=0,试画出输出电压试画出输出电压uC(0)的波形图。

12、的波形图。 R15V15VC10100kuoSabcE12VE23V 图710 例3电路图第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解(1)因为初始电压为零(uC(0)=0)，在t=01s间，开关S接地，所以uo=0。 (2)在t=13s间，开关S接b点，电容C充电,充电电流 mkVREiC02. 010021 输出电压从零开始线性下降。当t=3s时:VsFVttRCEdtERCtutto421010102)(1)(65121121第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 (3)在t3s后，S接c点，电容C放电后被反充电，uo从-4V开始线性上升，一直升至电源电压UCC就不再上升了。那

13、么升到电源电压(+15V)所对应的时间tx是多少?stVttVtUdtERCVtuxxottxox33. 93284)(1010103)(115)(265222所以，u o(t)的波形如图711所示。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统1541234567890uo(t)/Vt/s图711 例3电路的输出波形u o(t) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 714 微分器 将积分器的积分电容和电阻的位置互换，就成了微分器，如图712所示。微分器的传输函数为域表达式）频域表达式）SsRCsARCjjA()()(715) (716)其频率响应如图713所示。 输出电压u o(t

14、)和输入电压u i(t)的时域关系式为第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoRC 图712微分器 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统0|Au(j)|/dB 20dB /10倍频程1/RC0 90(j) 图713理想微分器的频率响应第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统dttduRCtudttduCdttduCiRituioiCffo)()()()()(717) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 可见，输出电压和输入电压的微分成正比。 微分器的高频增益大。如果输入含有高频噪声的话，则输出噪声也将很大，而且电路可能不稳定，所以微分器很少有直接应用。在需要微

15、分运算之处，也尽量设法用积分器代替。例如，解如下微分方程： dttudttudttutudttudttudtudttudtutudttuddttudooioooioiooo)(10)(2)()()(2)(10)()()()(2)(10)(2(718) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 715 对数、反对数运算器 在实际应用中，有时需要进行对数运算或反对数(指数)运算。例如，在某些系统中，输入信号范围很宽，容易造成限幅状态，通过对数放大器，使输出信号与输入信号的对数成正比，从而将信号加以压缩。又例如，要实现两信号的相乘或相除等等，都需要使用对数和反对数运算电路。 第第7章章 模拟集成

16、电路系统模拟集成电路系统 一、对数运算器 最简单的对数运算器是将反相比例放大器的反馈电阻Rf换成一个二极管或三极管，如图714所示。 由图可见:SCTBEoIiUuuln(719) 式中，V的集电极电流 RuiiiC1故 RIuUuSiToln(720) i1第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 该电路存在两个问题：一是ui必须为正；二是IS和UT都是温度的函数，其运算结果受温度的影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是一个重要的问题。一般改善的办法是：用对管消除IS的影响；用热敏电阻补偿UT的温度影响。图715给出一个改善温度稳定性的实际电路。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成

17、电路系统图715具有温度补偿的对数运算器uiR1RpA1A2uoV1V2i1IRR UCCR3R2对管RTA131122112212131323lnlnln)1 (SSCcTScTScTBEBEAAAAToIIiiUIiUIiUuuuuuuuRRRu第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统因为V1、V2有匹配对称的特性，所以IS1=IS2，那么(722)ln()1 ()1 ()(,lnln1232312211112RRuUqkTRRRuRRRuRURuuUiIRuiiIUiiUuiCCTAToCCBEBECCCRiCCRTCCTA 式(722)阐明，用对管消除了反向饱和电流的不良影响，而且

18、只要选择正温度系数的热敏电阻RT,也可消除UT =kT/q引起的温度漂移，实现温度稳定性良好的对数运算关系。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、反对数二、反对数(指数指数)运算器运算器 指数运算是对数的逆运算，因此在电路结构上只要指数运算是对数的逆运算，因此在电路结构上只要将对数运算器的电阻和晶体管位置调换一下即可，如将对数运算器的电阻和晶体管位置调换一下即可，如图图716所示。所示。 由图可见：由图可见： (723) TiTBEUuSoiBEUuSCfoIuuueRIRiRiuRe第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoifRfiCRp图716 反对数(指数)运算

19、器 TiTBEUuSoiBEUuSCfoIuuueRIRiRiuRe第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 实现了输出电压与输入电压的指数运算关系。 这种电路同样有温度稳定性差的问题。人们也用“对管来消除反向饱和电流的影响，用热敏电阻来补偿UT的温度漂移。具体电路读者可自行设计或参阅有关参考书。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 三、乘法器和除法器 用对数和反对数运算器可构成乘法器和除法器。如图717(a)所示，先将待相乘信号取对数，然后相加，最后取反对数，便实现了相乘。同理，将待相除的信号取对数，然后相减，最后取反对数，便实现了“相除”，如图717(b)所示。 第第7章章

20、模拟集成电路系统模拟集成电路系统A1uo Kui1 ui2ui1“对数”“对数”“相加器”“反对数”(a)ui2A2A3A4A1uo Kui1“对数”“对数”“相减器”“反对数”(b)ui2A2A3A4ui1ui2RRRRRRRRR 图717乘法器和除法器 (a)乘法器；(b)除法器u02u01u0321)(ln022103202101221)(lnlnlniiRIuuSSiiTSiTSiTuKueRIuRIuuUuRIuUuRIuUuSii第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 716 V/I变换和变换和I/V变换变换 一、电压源一、电压源电流源变换电路电流源变换电路(V/I变换变换)

21、 在某些控制系统中，负载要求电流源驱动，而实际的在某些控制系统中，负载要求电流源驱动，而实际的信号又可能是电压源。这在工程上就提出了如何将电压信号又可能是电压源。这在工程上就提出了如何将电压源信号变换成电流源的要求，而且不论负载如何变化，源信号变换成电流源的要求，而且不论负载如何变化，电流源电流只取决于输入电压源信号，而与负载无关。电流源电流只取决于输入电压源信号，而与负载无关。又如，在信号的远距离传输中，由于电流信号不易受干又如，在信号的远距离传输中，由于电流信号不易受干扰，所以也需要将电压信号变换为电流信号来传输。图扰，所以也需要将电压信号变换为电流信号来传输。图718给出了一个给出了一个

22、V/I变换的例子，图中负载为变换的例子，图中负载为“接地负接地负载。载。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiR1R2uoR4R3负载AILZL 图718 V/I变换电路oiLouRRRuRRRURIRUuU411414_23)(第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统2RuIiL(724) 可见，负载电流IL与ui成正比，且与负载ZL无关。)()()()()(1221)(41323134413224343142413231420234341141432411414411414_23RRRRIRRRRuRRRRIRRRRuRRRRRRRRIRRRRuRRRuIRuRRRuRRRRuRuRRRuRRRuRRRuRRRURIRUuULiLi