《电子技术》课件第4章

第4章模拟集成电路4.1

差动放大器4.2集成运算放大器及其应用4.3集成模拟乘法器及其应用本章小结习题四4.1差动放大器

多级放大电路的级间耦合方式一般有四种:阻容耦合、变压器耦合、直接耦合以及光电耦合。在集成多级放大器中常采用直接耦合。采用直接耦合存在两个特殊问题:一是级间互相影响的问题,二是零点漂移问题。差动放大器又称差分放大器,几乎所有集成运算放大器的输入级都采用这种电路,因为它对抑制零点漂移,提高共模抑制比能起到关键的作用。4.1.1零点漂移的概念在直接耦合的放大电路中,通常把输入信号为零时的输出电压(或电流)称为“零点”。换言之,“零点”即静态输出工作点的电压(或电流)。值得注意的是,“零点”绝不是专指电位为零的那个端点。所谓零点漂移,是指当输入信号为零时,在放大器输出端出现了一个变化不定(时大时小,时快时慢)的输出信号的现象,简称零漂。显然,放大器的零漂越小越好。产生零漂的原因有:温度的变化、电源电压的波动、晶体管的参数变化等,但主要的原因是温度的变化。零漂在阻容耦合电路中由于电容的隔直作用而不会产生严重的影响,但是在直接耦合电路中,前级的零漂被后级放大,级数越多,零漂越大,因此将严重干扰正常的信号,甚至使放大器不能正常工作。克服零点漂移最有效的措施之一就是在电路结构上采用差动放大器。4.1.2差动放大器的工作原理

1.静态分析差动放大器的基本电路如图4.1.1所示。假设三极管V1和V2的电参数完全一致,电路两边结构、阻值完全对称。当两输入电压Ui1、Ui2都为零(即静态)时,由于电路对称,IC1＝IC2,RC1＝RC2,IC1RC1＝IC2RC2,即UC1＝UC2,因此输出端电压为Uo＝UC1－UC2＝0,即输入电压为零时,输出电压也为零。图4.1.1差动放大器的基本电路假设温度升高时,两管的集电极电流同步增加,相应地,集电极电位同步下降。由于电路对称,两管变化量相等,即ΔUC1＝ΔUC2,因此输出电压Uo＝ΔUC1－ΔUC2＝0。可见,虽然每只管子都有零漂,但是两管各自的零漂电压在输出端可以相互抵消,因而使零漂被抑制掉了。显然,电路的对称性越好,对零漂的抑制能力就越强。在集成运算放大器等集成电路中,其输入级都采用差分放大电路,因而都具有较强的抑制零漂能力。对电路的这种对称性要求,目前在工艺上完全可以做到。

2.差模信号与共模信号如果在放大器的两端分别输入大小相等、极性相同的信号,则有ui1＝ui2,这种输入方式称为共模输入,这种信号称为共模信号,记作uic,其值为

uic＝ui1＝ui2

(4.1.1)

如果在放大器的两端分别输入大小相等、极性相反的信号,则有ui1＝－ui2,这种输入方式称为差模输入,这种信号称为差模信号,记作uid,其值为(4.1.2)

3.小信号差模特性当两输入端仅有差模信号而没有共模信号时,设左正右负,则V1管发射极电流增加的量与V2管发射极电流减少的量相等。该差放等效电路如图4.1.2所示。图4.1.2差模输入时等效电路设两管电压放大倍数分别是A１、A2,集电极输出电压分别是uo1、uo2,则总电路输出为因A1＝A2

＝A,故差模电压放大倍数为(4.1.3)即差分放大器的差模电压放大倍数与单管共发射极放大器的电压放大倍数相同。rid=2(Rs+rbe)(4.1.4)该差放的输出电阻为rod=2RC(4.1.5)

4.小信号共模特性

当如图4.1.3所示,两输入端仅有共模信号,而没有差模信号时,因电路对称,故V1、V2管发射极电流均增大,iE增大,uE增高,uo1和uo2同时减小,因而输出电压uoc恒为零。这和输入信号为零(静态)的输出结果是一样的。这说明差分放大器对共模信号没有放大作用,或者说对共模信号有抑制能力,此时共模电压放大倍数为差分电路对共模信号无放大,对差模信号有放大,说明这种放大器是根据两端输入信号之差来放大的,即输入有差别,输出才变动。图4.1.3共模输入时等效电路

5.共模抑制比共模抑制比的定义为:差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,用CMRR表示,即(4.1.6)差模电压放大倍数越大,共模电压放大倍数越小,表明放大器对零点漂移的抑制能力越强,放大器的品质性能越好,即CMRR越大越好。在工程上,共模抑制比常用对数表示,即(4.1.7)4.2集成运算放大器及其应用集成运算放大器简称为集成运放,进一步简称为运放。它是各种集成模拟电路中应用最广泛的器件。集成运放除了能对信号进行加、减、乘、除、微分、积分、指数、对数等运算之外,还能对信号进行整流、滤波、放大、限幅、比较等处理,可产生正弦、三角、锯齿、多谐等振荡波形。集成运放已取代了绝大部分由分立元件构成的上述功能电路。4.2.1集成运放电路的组成集成运放自20世纪60年代开始研制以来,至今已经历了四代。集成运放的型号很多,性能也各异,内部电路也各不相同,但电路的基本结构大致相同。集成运放是一个高增益多级直接耦合的线性放大器,通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成,见图4.2.1(a)。输入级采用差动放大电路,实现抑制零点漂移,提高共模抑制比和单端化输出等功能。中间级采用有源负载,实现高增益放大功能。输出级采用NPN和PNP互补的甲乙类推挽输出电路结构,实际上是射极输出器,实现低阻输出功能。偏置电路由各种电源组成,为上述三部分电路提供偏置电流和用作有源负载。

下面以国产第二代通用型集成运放F007为例,简单介绍其电路原理图。图4.2.1(b)是F007的电路原理图,图4.2.1(c)是F007的方框图。对集成运放的内部电路组成,我们不做过多的要求。集成运放有三种封装:一为金属帽状或称罐状封装,二为双列直插陶瓷或塑料封装,三为双列贴片封装,如图4.2.2所示。图4.2.1集成运放的组成、电路原理及方框图图4.2.2集成运放的三种封装形式集成运放的符号见图4.2.3,图(a)是常用符号,图(b)是国家标准符号。图4.2.3集成运放的符号4.2.2集成运放的主要参数集成运放的质量如何？根据什么来选择和测试集成运放呢？这就涉及到运放的技术参数。集成运放的技术参数是电路设计者根据设计要求选用集成块的依据,也是电路维修者为了应急选择代用集成块的参考。集成运放的主要技术参数如下所述。

1.开环差模电压放大倍数(Aod)

Aod是集成运放在开环时(无外加反馈时)输出电压与输入差模信号电压之比,常用分贝(dB)表示,这个值越大越好,目前最高可达140dB以上。

2.差模输入电阻(rid)

rid是集成运放两输入端之间的动态电阻。它是衡量差分对管从差模输入信号源索取电流大小的标志,一般为MΩ数量级。

3.输出电阻(ro)

ro是集成运放开环工作时,从输出端向里看进去的等效电阻,其值越小,说明集成运放带负载的能力越强。

4.输入失调电压(Uio)及其温漂(ΔUio/ΔT)与Iio相仿,在输入端施加微量差模电压,使得输出电压为零,这个施加的电压称为输入失调电压Uio。同理,将输入失调电压的变化量与对应的温度变化量之比,称为输入失调电压温漂,记做ΔIio/ΔT。

5.输入失调电流(Iio)及其温漂(Iio/ΔT)

实际的运放在输入信号为零时,输出电压并不为零,这是运放内部不对称造成的。如果在输入端施加一微量差模电流,使得输出电压为零,则此施加的电流称为输入失调电流Iio,即Iio=IB1－IB2

输入失调电流随温度改变而变化,人们把输入失调电流的变化量与对应温度的变化量之比,称为输入失调电流温漂,记做ΔIio/ΔT。

6.输入偏置电流(IiB)在给定测试温度(例如25℃)下,输入信号为零时,两输入端的静态电流的平均值称为输入偏置电流,即IiB越小,运放的输入电阻越高,输入失调电流越小。

7.最大差模输入电压(Uidm)

Uidm指运放两输入端之间允许输入的最大电压差,超过此电压,输入级某一侧晶体管发射结可能出现反向击穿,使输入特性明显恶化,甚至损坏集成电路。

8.最大共模输入电压(Uicm)

Uicm指运放所能承受的最大输入共模电压,超过此电压,共模抑制比显著下降,甚至出现“锁死”现象,进而造成永久性损坏。

9.共模抑制比CMRR集成运放的共模抑制比CMRR是集成运放开环差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即其值一般大于80dB。4.2.3集成运放的基本应用实际集成运放的参数很庞杂,而在一般电路设计中往往引入较深的负反馈,这使得集成运放的本身参数显得不是特别的重要。我们在设计之前,常把集成运放理想化,而后通过适当的调节,使之符合设计要求。

1.理想集成运放理想运放的条件如下:

(1)开环差模电压放大倍数Aud=∞。

(2)差模输入电阻rid=∞。

(3)输出电阻ro=0。

(4)共模抑制比CMRR=∞。

(5)开环带宽BW=∞。

(6)失调电流、失调电压及它们的温漂都为0。以上除开环带宽BW与实际运放有较大的出入外,其余都与实际运放相差不太大。当理想运放工作在线性区时,有以下两条结论:第一,同相输入端电位等于反相输入端电位。因为所以u－=u+

(4.2.1)

我们把两输入端电位相等又非真的短路,称为“虚短”。第二,理想集成运放的净输入电流为0。由ri=∞,得i+=i－=0

(4.2.2)我们把这种两输入端电流为零的情况称为“虚断”。为了强调,我们再次归纳如下:虚断:理想运放内部不需要向信号源索取任何电流,两个输入端的电流恒为零。电流为零相当于断路,但实际上两个输入端并未真正断开,因此称为虚断。虚短:理想运放两个输入端的电位相等。两点等电位相当于短路,实际上两个输入端并未真正短接,因此称为虚短。

2.基本放大电路

1)反相比例放大电路反相比例放大电路如图4.2.4所示。运放的输入级为差动放大器,而差动放大器要求电路结构对称平衡,否则会降低共模抑制比,所以在电路设计时要求平衡电阻R2为R1与Rf的并联值。由理想运放的两个重要推论可得:u－=u+=0ii=if式(4.2.3)表明了输出电压与输入电压之间的比例关系。式中,负号表示输入、输出电压相位相反。电路的放大倍数为(4.2.3)(4.2.4)式(4.2.3)和式(4.2.4)的运算关系和放大倍数仅与运放的外围电路有关,而与运放本身的参数无关。从反馈的角度分析,该电路为电压并联负反馈电路。该电路作为放大器,其输出电阻Ro等于ro,大小为零。输入电阻为(4.2.5)式中,Rf/Aud是负反馈电阻Rf折合到输入端的等效电阻,根据电路分析中的密勒定理求得。若Rf=100kΩ,Aud=106,则Rf/Aud=0.1Ω,相对于R1可以忽略。

2)同相比例放大电路同相比例放大电路如图4.2.5所示。图4.2.5同相比例放大电路此电路为电压串联负反馈电路。由理想运放条件可得u－=u+=ui,

ii=if所以(4.2.6)式(4.2.6)表明输出电压与输入电压成比例关系,比例系数为1+，故称该电路为同相比例放大器。其放大倍数为作为放大器,其输出电阻为零,输入电阻为∞。同理,该电路的运算关系和放大倍数仅与外围电路(反馈网络)有关,而与运放本身的参数无关。(4.2.7)若令R1=∞,Rf=0,Rp=0,则该电路便成为电压跟随器,uo=ui,如图4.2.6所示。它的输入电阻Ri=∞,输出电阻Ro=0,电压放大倍数Au=1。电压跟随器常作为缓冲器,用于隔离。它具有电流放大作用,即具有功率增益。有功率增益的称放大器,否则称衰减器。

3)加法、减法运算

(1)反相加法运算。图4.2.7所示为反相加法运算电路。它是反相输入端有三个输入信号(代表三个输入量)的加法电路。与图4.2.4所示的反相比例放大器相比,这个反相加法电路只是增加了两个输入支路。另外,平衡电阻R4=R1∥R2∥R3∥Rf。图4.2.7反相加法运算电路下面运用叠加定理进行分析。设仅有ui1输入,则有同理,设仅有ui2、ui3输入时,有所以ui1、ui2、ui3均存在时,有(4.2.8)当R1=R2=R3=R时,有(4.2.9)当R1=Rf时,有uo=－(ui1+ui2+ui3)(4.2.10)

(2)同相加法运算。图4.2.8所示为同相加法运算电路。它是同相输入端有两个输入信号的加法电路。由式(4.2.6)得列同相输入端的节点电流方程并注意i+=0,有(4.2.11)式中,R=R2//R3//R4,所以(4.2.12)图4.2.8同相加法运算电路当R2=R3时,输出电压便与各输入电压的和成正比,完成了加法运算。应当说明,在实际使用中,因这种求和电路涉及到多个电阻并联的计算,给阻值调节过程带来较大麻烦,所以常用的加法电路是反相加法电路。

(3)减法运算。减法运算电路如图4.2.9所示。它是反相端和同相端都有信号输入的放大器,也称为差分输入放大器。图4.2.9减法运算电路由图4.2.9可知:由虚短知u－=u+,故整理可得特别当R1=R2,R3=Rf时,有(4.3.13)(4.3.14)当R1=Rf时,有uo=ui2－ui1(4.2.15)

可见,适当选配电阻值,可使输出电压与输入电压的差值成正比,这样就完成了减法运算。

4)微分电路容量为C的电容器,通有电流i(t),于是电容两端电压为(4.3.16)(1)微分电路如图4.2.10所示。图4.2.10微分电路根据理想运放的两个推论可得:u－=u+=0,

if=ii(4.2.17)

5)积分电路积分电路如图4.2.11所示。图4.2.11积分电路由理想运放的两个推论可得u－=u+=0由式(4.2.16)可得(4.2.18)积分电路不可以在单方向、长时间的信号下工作,否则,输出电压会不断地增长。由于输出电压受电源电压的限制,因此会进入限幅区,造成非线性失真,使积分关系不成立。4.2.4集成运放的其他应用比较器用来判断输入信号电位的相对大小。比较器至少有两个输入端和一个输出端,其中,以一个输入端电位为基准,称为门限电压UR、基准电压或参考电压,另一个输入端加被测电压Ui。由集成运放构成的比较器有极高的电压放大倍数,通常输出电压只有高电平Uom和低电平－Uon两种。

1)单限比较器单限比较器又称单限电压比较器,它只有一个门限电压UR,它的电路结构及传输特性如图4.2.12所示。由于比较器处于开环放大状态,因此线性应用时u－＝u+的推论不再适用该电路。两输入端之间的电位差可能出现较大的值,有可能损坏集成块,故在两输入端间并联两只反接的硅开关二极管,如图4.2.12(a)所示,起保护作用。图4.2.12单限比较器为了使输出电压不受电源电压波动的影响,往往在输出端接上双向稳压管VZ,如图4.2.12(b)所示,使输出电压分别箝位于±UZ,Ro为稳压管的限流电阻,防止因集成块输出电流过大而损坏集成块或稳压管。

2)迟滞比较器迟滞比较器电路和传输特性见图4.2.13。该电路具有正反馈回路,由于输出电压具有高、低电平两态,使得u+出现两个比较门限,因而该电路的传输特性具有迟滞回线形状,迟滞比较器由此得名。该电路的工作原理如下:

(1)设ui<<UR,uo=Uom,由叠加定理得,同相输入端电位为

(2)将ui升高,直到ui＞u+时,电路翻转输出为低电平Uom。上门限电压U+th为(4.2.19)

ui继续上升,输出电压仍保持低电平Uom,此时同相输入端电压为

(3)若将ui降低,直到ui＜U－th时,电路再度翻转输出为高电平Uom。下门限电压U－th为若ui继续下降,则输出电压仍保持高电平Uom。由如上分析可描绘出传输特性曲线,见图4.2.13。迟滞比较器常用于对混有噪声和干扰的、发生畸变的数字信号进行整形。如图4.2.14所示,只要干扰不越过门限宽度,就不会出现错误的判决。图4.2.13迟滞比较器图4.2.14迟滞比较器的整形作用4.3集成模拟乘法器及其应用4.3.1集成模拟乘法器的基本工作原理

1.模拟乘法器的基本特性模拟乘法器的电路符号如图4.3.1所示,它有两个输入端、一个输出端。若输入信号为uX、uY,则输出信号uO为

uO=KuXuY

(4.3.1)式中,K称为乘法器的增益系数,单位为V－1。图4.3.1模拟乘法器的电路符号对于一个理想的乘法器,当uX、uY中有一个或两个都为零时,输出均为零。但在实际乘法器中,由于工作环境、制造工艺及元件特性的非理想性,当uX=0,uY=0时,uO≠0,通常把这时的输出电压称为输出失调电压;当uX=0,uY≠0(或uY=0,uX≠0)时,uO≠0,这是由于uY(或uX)信号直接流通到输出端而形成的,这时的输出电压称为uY(或uX)的输出馈通电压。输出失调电压和输出馈通电压越小越好。此外,实际乘法器中增益系数K并不能完全保持不变,这将引起输出信号的非线性失真,在应用时应该加以注意。

2.变跨导模拟乘法器的基本工作原理变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路的基础上发展起来的,它的基本原理电路如图4.3.2所示。图中,V1、V2为特性相同的三极管,β1=β2=β,rbe1=rbe2=rbe;V3为恒流管,当uY>>uBE3时,其集电极电流IC3≈uY/RE,当输入电压uX=0时,IE1=IE2=IC3/2;差分放大电路输出电压uO=0。若差分放大电路输入电压为uX,则由图4.3.2可得输出电压uO为(4.3.2)当IE1、IE2比较小时,V1、V2管的输入电阻rbe可近似为(4.3.3)式中,UT为温度的电压当量,在室温时,UT≈26mV。将式(4.3.3)代入式(4.3.2),则得(4.3.4)其中：在室温下,K为常数。可见,输出电压uO与输入电压uX、uY的乘积成比例,也就是说,图4.3.2所示的差分放大电路具有乘法功能。但uY必须为正才能正常工作,故为二象限乘法器,而且,uY小时误差比较大,因此,该电路的乘法性能是不够理想的。图4.3.2模拟乘法器原理图4.3.2集成模拟乘法器的应用电路

1.基本运算电路利用单片集成模拟乘法器与集成运放相配合,可组成平方、除法、平方根等运算电路。

1)平方运算将模拟乘法器的两个输入端输入相同的信号,如图4.3.3所示,就构成了平方运算电路。此时电路的输出电压为uO=KuXuY=Ku2I

(4.3.5)图4.3.3平方运算电路

2)除法运算如图4.3.4所示,除法运算电路由集成运放和模拟乘法器组成。图4.3.4除法运算电路由模拟乘法器可得

u3=KuOu2

(4.3.6)根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念,可得(4.3.7)将式(4.3.7)代入式(4.3.6),则可得到输出电压uO为(4.3.8)式(4.3.8)表明,输出电压uO与两个输入电压u1、u2之商成比例,实现了除法运算。

3)平方根运算图4.3.5所示为平方运算电路,由图可知,uO′=Ku2O,所以(4.3.9)由式(4.3.9)可见,uO是－uI的平方根,所以输入电压必须为负值,才有可能实现平方根运算。图4.3.5平方根运算电路

4)压控增益考虑到模拟乘法器的输出电压uO=KuXuY,设uX为一直流控制电压UXQ,uY为输入电压,如图4.3.6所示,则有

uO=(KUXQ)uY

(4.3.10)

改变直流电压UXQ的大小,就可以调节电路的增益。图4.3.6压控增益电路

2.倍频、混频电路

1)倍频电路当图4.3.3所示的平方运算电路输入相同的余弦波信号uI=uX=uY=Uimcosωt时,则(4.3.11)可见,这时乘法器输出电压中含有直流成分和输入信号的二次谐波成分，因此,只要在图4.3.3的输出端接一隔直电容,便可得到二次谐波输出,即实现了二倍频功能。

2)混频电路若模拟乘法器中uX、uY均为余弦信号,如令uX=Uxmcosωxt,uY=Uymcosωyt,则模拟乘法器的输出电压uO为(4.3.12)可见,模拟乘法器的输出为两个输入信号的和频(ωX+ωY)及差频(ωX－ωY)信号之和。若用滤波器取出和频(或差频)信号输出,