第六章：模擬集成電路及其應用鄧鋼denggang@內容提要內容提要介紹集成運算放大器的組成、工作原理、主要性能指標、特性參數介紹集成運放的基本應用電路及分析方法集成運放的模擬運算電路電壓比較器模擬乘法器的原理及應用集成運算放大器的特點第一節：集成運算放大器的組成及基本特性集成運算放大器(OperationalAmplifier)，簡稱集成運放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路特點：增益高輸入電阻大、輸出電阻低共模抑制比高失調與漂移小輸入電壓為零時輸出電壓也為零適用于正、負兩種極性的輸入和輸出信號集成運算放大器的組成第一節：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路第一節：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的外部連接2、3引腳分別為反相和同相輸入端6腳為輸出端7、4腳分別接正、負直流電源1、5腳之間接調零電位器第一節：集成運算放大器的組成及基本特性集成運放的符號及輸入、輸出信號集成運放有兩個輸入端，一個輸出端分別為反相輸入端與同相輸入端運放兩輸入端所加信號電壓之差即為差模輸入電壓。假定運放的共模抑制比極高，其共模輸出可以忽略，則運放的輸出與輸入函數關系可以表示為 。其中，為集成運放的開環差模電壓增益第一節：集成運算放大器的組成及基本特性集成運算放大器的傳輸特性靜態時加入差模輸入電壓后輸入電壓增加到一定程度后故運放的傳輸特性大體上可分為線性區與飽和區第一節：集成運算放大器的組成及基本特性理想集成運放的技術參數第一節：集成運算放大器的組成及基本特性理想運放是指分析集成運放時將各種參數理想化此時的技術參數有：實際的集成運放無法達到理想指標，但隨著工藝的改進，可在工程計算的簡化分析時將實際運放視為理想運放進行近似估算理想集成運放工作在線性區時的特點第一節：集成運算放大器的組成及基本特性集成運放工作在線性區時，輸入電壓與運放兩個輸入端的電壓間存在線性關系一般情況下，運放在線性區工作時都加有較深的負反饋。此時，亦可以使用虛短路和虛開路的分析方法，即：差模輸入電壓為零差模輸入電流為零集成運算放大器的主要參數(一)輸入失調參數第二節：集成運算放大器的主要參數輸入失調電壓輸入偏置電流輸入失調電流輸入失調電壓的溫漂輸入失調電流的溫漂差模特性參數最大差模輸入電壓最大輸出電流開環差模電壓增益開環帶寬BW()單位增益帶寬集成運算放大器的主要參數(二)共模特性參數第二節：集成運算放大器的主要參數共模抑制比最大共模輸入電壓共模電壓增益大信號動態特性轉換速率(擺率)全功率帶寬靜態功耗電源電壓抑制比輸出電阻、最大輸出電壓電源特性及其他參數MC14573CMOS集成運算放大器及特點P溝道T3-T4為差分輸入級第三節：其他集成運算放大器簡介N溝道T5-T6為有源負載P溝道T1、T2、T7為多路電流源T8、T7為有源負載共源放大電路輸入級和第二級具有高增益；輸出電阻較大器件互補的電平移動功能易于消除襯底調制效應缺點：工藝較復雜，占用芯片面積較大CMOS電路的優點：其他集成運算放大器第三節：其他集成運算放大器簡介原理圖及分析略，請自行參照課本的說明學習其電路圖超高精度單片集成運算放大器OP177高速寬帶集成運算放大器LT1226Bi_FET單片集成運算放大器集成運放的線性應用(一)運放線性應用時，工作在傳輸特性的線性區，此時其差模輸入電壓極小應以集成運放作為基本放大電路配合外部反饋網絡，構成深度負反饋放大電路深度負反饋使運放的凈輸入趨近于零是保證運放工作于線性狀態的關鍵第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路集成運放的線性應用(二)由于深度負反饋使運放的凈輸入近似為零，有：虛短路：運放兩輸入端的差模輸入電壓近似于零，即。此時運放兩輸入端可近似看成等電位，但不是真正的短路虛斷路：運放兩輸入端的輸入電流近似為零，即。此時運放兩輸入端可視為不取電流，但不是斷開虛短路與虛開路同時存在，并且可寫成第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路集成運放的非線性應用運放的差模輸入電壓較大，工作在傳輸特性的限幅區，輸出電壓為或，輸入、輸出之間成非線性關系從電路角度看，集成運放處于無反饋(開環)或正反饋的工作狀態，如電壓比較器第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路基本反相輸入放大電路電路結構說明只要不是十分大，必滿足深負反饋的條件}特點：深負反饋下的輸入電阻輸出電阻反相輸入端為虛地點無共模輸入信號，對共模抑制比無特殊要求第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路直流平衡電阻的原理靜止條件下：兩個輸入端偏流所產生的電壓：設溫度變化時的偏流變化相等輸出端沒有因溫度變化而產生的溫漂。且輸入級偏流的影響也相互抵消第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路T型反饋網絡的原理求電壓放大倍數和輸入電阻電壓并聯負反饋電路虛斷：虛地：第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路T型反饋網絡的特點在阻值不致太高的情況下，可同時獲得較高的電壓放大倍數和較高的輸入電阻但由于R4的引入使反饋系數減小，所以為保證足夠的反饋深度，應選用開環增益更大的運放第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路基本同相輸入放大電路電路結構說明}又稱為同相放大電路或同相比例運算電路特點：輸入電阻很高，輸出電阻電路不存在虛地點，集成運放有共模輸入電壓且與輸入電壓相同，因而對運放的共模抑制比有較高要求第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路幾種常用的同相放大電路輸入端接有分壓電阻的同相放大電路第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路電壓跟隨器同反相運算電路-總結反相輸入同相輸入電路組成性能特點低低反相比例運算電壓并聯虛地輸入輸出電阻同相比例運算電壓串聯無虛地，共模輸入輸出電阻第四節：集成運算放大器的同相和反相放大電路加法運算電路-反相加法電路第五節：集成運算放大器的模擬運算電路電路結構說明N為虛地點故電路具有反相相加的功能本電路中改變電阻(或)并不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關系加法運算電路-同相加法電路電路結構說明若直流電阻平衡，則可進一步簡化缺點：各輸入信號間相互影響，估算和調節麻煩輸入端的共模電壓較高第五節：集成運算放大器的模擬運算電路減法運算電路-差分輸入減法電路電路結構說明應用疊加定理及對同相輸入及反相輸入放大電路的分析方法進行分析第五節：集成運算放大器的模擬運算電路減法運算電路-兩級運放構成的高輸入阻抗減法電路第五節：集成運算放大器的模擬運算電路減法運算電路-反相求和減法電路電路結構說明兩級的輸入與輸出關系可以分開計算的原因第五節：集成運算放大器的模擬運算電路例1當R1、R2、R3、R4相等時，求輸出信號表達式第五節：集成運算放大器的模擬運算電路例2：三運算電路-分析方法由虛短路及虛開路可得：R1、R2必須采用高精度電阻，且要精確匹配第五節：集成運算放大器的模擬運算電路例2：三運算電路-特點及應用是差動放大器，放大倍數可調由于輸入均在同相端，因而輸入電阻高例：溫度測量電路第五節：集成運算放大器的模擬運算電路例3例題基本積分電路(一)電路結構說明第五節：集成運算放大器的模擬運算電路若使用傳輸函數表示：輸入電阻：基本積分電路(二)要保持正常的積分關系，對積分時間應有所限制利用積分電路，把方波電壓變換為三角波電壓第五節：集成運算放大器的模擬運算電路若輸入信號移相半周期？同相輸入積分電路可使用拉式變換進行分析要求正反饋恰到好處第五節：集成運算放大器的模擬運算電路微分運算電路電路結構說明根據虛地與虛斷的概念可得：上圖存在的問題：可能引起自激振蕩突變時可能使電路不能正常工作第五節：集成運算放大器的模擬運算電路基本對數運算電路利用半導體PN結的指數型伏安特性，可以實現對數運算電路結構說明由虛短路、虛開路可得：輸出電壓幅度不能超過0.7V，且要求輸入電壓為正，以保證晶體管處于導通狀態受溫度影響很大第五節：集成運算放大器的模擬運算電路指數運算電路電路結構說明故該電路可以實現反對數運算為了消除溫度對運算精度的影響，也需要進行溫度補償第五節：集成運算放大器的模擬運算電路利用指數、對數電路構成其他運算第五節：集成運算放大器的模擬運算電路還可利用以上電路實現模擬信號的乘方、開方等運算，請自行思考實現方式總結：對運算電路的基本要求熟記反相放大、同相放大(含電壓跟隨器)、加減法、微分、積分等幾種基本運算電路的電路圖及傳輸特性公式會對以上基本運算電路級聯后的輸出進行計算并繪制相應時域波形圖，必須考慮輸出限幅會用“虛短”、“虛斷”概念分析給定非標準電路的放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、輸入輸出的表達式等第五節：集成運算放大器的模擬運算電路模擬乘法器簡介第七節：模擬乘法器及其應用：乘積系數理想乘法器的條件：輸入阻抗無窮大輸出阻抗為零乘積系數為常數有一個輸入為零時輸出為零，且無失調電壓、電流按照允許輸入信號的極性，模擬乘法器有單象限、二象限和四象限之分變跨導二象限乘法器的工作原理(一)第七節：模擬乘法器及其應用變跨導型模擬乘法器利用輸入電壓控制差放差分管的發射極電路，使之跨導作相應的變化，從而達到與輸入差模信號相乘的目的變跨導二象限乘法器的工作原理(二)第七節：模擬乘法器及其應用可正可負，但必須大于零，故左圖為二象限模擬乘法器變跨導二象限乘法器的工作原理(三)第七節：模擬乘法器及其應用的值必須小于左圖電路缺點：的值越小，運算誤差越大與有關，即受溫度變化的影響電路只能工作在二象限雙平衡四象限變跨導乘法器(一)第七節：模擬乘法器及其應用電路結構說明雙平衡四象限變跨導乘法器(二)第七節：模擬乘法器及其應用雙平衡四象限變跨導乘法器(三)第七節：模擬乘法器及其應用可通過上圖將左圖的雙端輸出轉變為單端輸出，乘積系數可通過反饋電阻進行調節該電路的輸入信號最大值仍然受限模擬乘法器的應用-乘方運算電路第七節：模擬乘法器及其應用模擬乘法器的應用-除法運算電路第七節：模擬乘法器及其應用左圖中，與必須是同相的，從而才能引入負反饋，使得電路正常工作利用深負反饋條件下的虛短路與虛開路，可得：由于的極性受限制，故該電路為二象限除法運算電路模擬乘法器的應用-開方運算電路第七節：模擬乘法器及其應用模擬乘法器的應用-例第七節：模擬乘法器及其應用電壓比較器的基本特性電壓比較器(簡稱比較器)的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據此決定其輸出是高電平還是低電平第九節：電壓比較器電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數字量，實際上是一位A/D轉換器，可作為模擬電路與數字電路之間的接口電路工作于開環或正反饋下的集成運放具有比較功能，也可采用單片集成電壓比較器電壓比較器的兩個重要參數(一)線性區邊緣所對應的兩個輸入電壓值的差值即為比較器的靈敏度越小，靈敏度越高靈敏度標志著比較器對輸入信號電壓的分辨能力。為提高靈敏度，應選擇開環增益大、失調與溫漂小的集成運放或集成比較器構成電壓比較器第九節：電壓比較器電壓比較器的兩個重要參數(二)右圖中稱為比較器的響應時間越小響應速度越快提高響應速度的方法：運放不加相位補償電容也可提高響應速度第九節：電壓比較器比較器的輸出限幅電路第九節：電壓比較器通過在比較器的輸出端加一個由穩壓管構成的限幅電路，形成較穩定、精確的輸出電平若要求比較器輸出高、低電平的絕對值不等，則可選用兩只特性不同的穩壓管反向串聯使用分析電壓比較器電壓傳輸特性的要素電壓比較器的輸入電壓為模擬信號，輸出電壓只有兩種可能狀態。使輸出電壓發生跳變的輸入電壓稱為閾值電壓，或轉折電壓為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個要素：輸出電壓高、低電平數值閾值電壓的數值輸入電壓變化且經過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向第九節：電壓比較器過零電壓比較器第九節：電壓比較器將信號與零電平進行比較的比較器為過零比較器若輸入信號為正弦波，則其輸出為方波精密全波整流器一般單限電壓比較器只有一個門限電平的比較器，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態立即發生跳變?？捎糜跈z測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平第九節：電壓比較器滯回電壓比較器(一)電路結構說明輸出限幅電