集成电路原理与应用第二章.

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1、集成电路原理及应用 电子工业出版社 谭博学 主编 2.1 模拟集成电路的基本放大电路 2.2 积分电路 2.3 微分电路 2.4 集成仪器放大器 2.5 动态校零型斩波放大器 第第2 2章章 模拟集成电路的线性应用模拟集成电路的线性应用 运算放大器要完成放大功能必须加负反馈 。不论信号输入方式如何都必须先构成负反馈 。根据输入信号方式不同，运放可构成反相端 输入、同相端输入和双端输入三种基本组态， 即构成三种类型放大器。 2.1 模拟集成电路的基本放大电路 2.1.1 反相型放大器 1.反相型放大器的理想特性 利用理想集成运放的条件： 虚短和虚断，即 闭环增益为 即 图2-1-1 基本反相放大

2、器 + - + + - ui + - uo R1 R2 i1 i2 iB- iB+ u- = u+ ， iB-= iB+ (1)基本型反相放大器 输入电压与输出电压之间的关系为 或 也称比例放大器。 当两个电阻的比值为1时， 称为倒相器。 等效输入电阻为 等效输出电阻为 图2-1-1 基本反相放大器 + - + + - ui + - uo R1 R2 i1 i2 iB- iB+ 反相放大器的闭环增益可大于1或小于1，其值取决于反馈 网络的电阻比。 (2)改进型反相放大器 目的：提高输入电阻。 闭环增益为 避免使用超过1M的大电阻。 特点：满足了 Ri = R1 不取大值值； 用T型电阻网络代替

3、R2 自举电路的反相放大器 图2-1-3 采用自举电路的反相放大器 所谓自举：利用A2对A1构成正反馈，是整个电路向信号源索 取的电流减小。 2. 2. 反相型放大器的实际特性反相型放大器的实际特性 分析Ad、Rd、Ro不为理想条件时等效电路 图2-1-4 考虑了Ad、Rd和 Ro的反相放大器电路 (1)反相放大器的实际闭环增益 式中 AF反相放大器的实际闭环增益 AF0反相放大器的理想闭环增益 Ad集成运放的开环增益 F实际反馈系数，一般F F0 F0理想反馈系数 结论：集成运放的开环电压放大倍数Ad，差模输入电阻越 大，闭环电压放大倍数的误差越小。 (2)反相放大器的实际等效输出电阻 图2

4、-1-5 输出电阻等 效计算电路 等效输出电阻是在无负 载时输出开路电压Uo 除以短路电流Ik Uo = Eo - Ro Io Eo = -Ad(U- - U+) 若考虑Ro R3 ，Rd (R2+ R0)/R1 同相放大器的优点：输入电阻很高。 (3)等效输出电阻 表达式与反相放大器等效输出电阻表达式相同。 3.3.同相加法器同相加法器 理想运放时 由以上三式得输出电压与输入电压关系为 图2-1-10 同相型加法器 U+ = U- 为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选 择各电阻满足 Re/Rf = Rp/R1/Rn 。 输出电压与输入电压关系变为 若取R1 = R2 = Rn= R 特点

5、： 输出电压等于三个输入电压分别乘以不同比例系 数之和，若改变其中一个电阻，则其他路传输系数 也随之改变，各输入信号之间有相互影响。 在输入端存在着较大的共模电压。 2.1.3 2.1.3 差动型放大器差动型放大器 1.1.差动放大器理想特性差动放大器理想特性 理想运放时 当满满足匹配条件 R3=R1、 R4=R2 时时 输入电压与输出电压关系为 图2-1-11 差动放大器 优点：结构简单。 缺点：输入电阻低，共模抑制能力差，增益调节不便。 2.2.差动放大器实际特性差动放大器实际特性 分析Ad和ACM对放大特性影响，其余条件均为理想 若取R1=R3，R2=R4 再考虑虑到AdF01，AdAC

6、M 第一项为理想放大器的输出电压 第二项为环路增益为有限值时引起误差电压 第三项为共模增益引起误差电压 由理想运放基本条件 可导出以下关系式 图2-1-12 增益可调的 差动放大器 3.3.增益可调差动放大器增益可调差动放大器 I1 = I3 ， I2 = I4 ， UA- UB = m(Ui2- Ui1 ) ， I3 = I5 + I6 ， 通常选 m = n , 所以 当m、n的值选值选 定后，只需调节调节 (pR)一 个电电位器即可调节调节 差动动放大器增益。 缺点：输入电阻不高； 增益与电位器阻值呈非线性关系。 实用时， 加补偿电 容以提高 稳定性。 图2-1-12 增益可调 的差动放

7、大器 I7 = I4 + I5 ， 在实际运放中，此电路可选择uA709. 4. 4. 高输入阻抗差动放大器高输入阻抗差动放大器 第一级运放为 同相放大器， 其输出电压为 用叠加原理求第二 级运放的输出电压 因两个输入信号均从同相端输入，所以输入电阻 比较高。 高输入阻抗差动放大器 Uo = (1 + m)Ui2 - mU o1 = (1 + m)(Ui2 - Ui1) 集成芯片可选用OP-200高精度双运放。 1.反相型积分器 理想集成运放时 (1)传输函数 2.2 2.2 积分电路积分电路 2.2.1 2.2.1 基本积分电路及其理想特性基本积分电路及其理想特性 基本反相型积分器 T=RC

8、，T为积分时间常数 (2)频率特性 幅频特性 为幅频特性的交接频率。 相频特性 (3) 输出电压与输入电压的关系 图2-2-2 基本积分 器的幅频特性 图2-2-3 基本积分 器的相频特性 2.2.同相型积分器同相型积分器 (1)传输函数 I1 + I2 = I3 即 U+=U-，若满满足电电阻匹配条件R1R4=R2R3，例如选选取 R3=R1，R4=R2，则则可导导出理想传输传输 函数为为： 图2-2-4 基本 同相型积分器 (2)频率特性 其中，幅频特性为 为幅频特性的交接频率 式中 相频特性为 (3)输出电压与输入电压关系 3.3.差动型积分器差动型积分器 (1)传输函数 取R1=R2=

9、R，C1=C2=C，即 满满足匹配条件时时有： (2)输出电压与输入电压的关系 图2-2-5 差动型积分器 uo + - + A R1 C1 Ui1 I2 C2 R2Ui2 I1 2.2.2 UOS、IIB及其漂移对积分电路的影响 输出电压为 措施：选用输入失调电压、输入偏置电流较小的 运放。 图2-2-6 考虑了Uos、 IIB 的 积分电路 2.2.3 2.2.3 集成运放的增益和带宽对积分电路影响集成运放的增益和带宽对积分电路影响 集成运放的开环频率特性为 T0是集成运放的时间常数 A0是低频增益 当A01, RCT0时， 理想积分电路在实轴上仅有一个位于原点的极点， 增益和带宽为有限值

10、积分电路在实轴上有两个极点。 积分电路的传输函数为 图2-2-7 积分电路的频率特性 实际积分器在低频范围内，因集成运放开环增 益是有限值；在高频范围内，因带宽又是有限值， 所以都是不理想情况。 图2-2-8 积分电路的瞬态响应 实用中，为获得理想积分特性，积分响应在远小于 RC时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。 实际积分电路对阶跃信号的瞬态响应特性 2.2.4 2.2.4 积分电路的保持误差积分电路的保持误差 产生保持误差的原因是：集成运 放和积分电容某些特性。如 开环增益的不稳定，会使积分 电路固定输出电压产生波动； 影响保持误差的主要因素是积分电容，所以要根据 实际应用的需要很好

11、选择和处理好积分电容。 图2-2-9 积分电路 的保持误差 有限值A0和输入电阻产生的泄 漏电流使积分电容器电压泄放； 电压和电流的漂移。 2.2.5 2.2.5 几种典型的积分电路几种典型的积分电路 图图2-2-10 比例 积积分电电路 1.1.比例积分电路比例积分电路 输出电压为 输入失调电压和输入失调 电流产生的误差电压为 uo + - + A R3 R1 R2 C ui 2.2.求和积分电路求和积分电路 电路的各时间常数是分别确定的，它可用于 对两个以上的输入信号积分相加。 输出电压为 图2-2-11 求和 积分电路 uo + - + A R R2 R1 C ui2 R3 ui1 ui

12、3 3.3.重积分电路重积分电路 输出电压为 由输入失调电压和输入失调 电流产生误差电压为 图2-2-12 重积分电路 uo + - + A 2R RR C/2 ui C/2 R/2 C 理想传输函数为 幅频特性为 为幅频特性的交接频率 2.3 微分电路 频率特性为 2.3.1 基本微分器及其理想微分特性 图2-3-1 基本微分器 式中 T=RC 为微分时间常数 = sRC = sT 相频特性为 图2-3-2 基本微 分器的幅频特性 图2-3-3 基本微 分器的相频特性 输出电压与输入电压的关系 缺点：稳定性差、高频输入阻抗低、高频干扰大。 2.3.2 微分器的实际微分特性 1.实际频响特性

13、传输函数为 Ad(s)增益函数 F(s)反馈函数 实际微分运算电路，所使用的运放并非理想运放，其 开环电压放大倍数、通频带和输入电阻都是又有限值， 因此会给运算带来误差和不良影响。 说明实际微分运算电路的传输函数是由说明实际微分运算电路的传输函数是由理想微分运算电理想微分运算电 路的传输函数路的传输函数和和一个二阶振荡环节的传输函数一个二阶振荡环节的传输函数构成。构成。 二阶振荡环节的传输函数 幅频特性 特征角频率 阻尼系数 图2-3-4实际微分器的幅频特性 直线1为理想微分特性 曲线2为二阶振荡环节 曲线3为实际微分器的幅频特性 曲线4为运放开环增益的幅频特性 当当 时，实际基本微分运算电路

14、的幅频特性与理想基时，实际基本微分运算电路的幅频特性与理想基 本微分运算电路的幅频特性相同；本微分运算电路的幅频特性相同； 当当 时，则与放大器的开环幅频特性重合；时，则与放大器的开环幅频特性重合； 在在 附近，幅频特性出现谐振峰，开环幅频特性值与实附近，幅频特性出现谐振峰，开环幅频特性值与实 际微分值相差较大，说明际微分值相差较大，说明谐振峰谐振峰的存在将使微分运算电路发的存在将使微分运算电路发 生振荡，稳定性很差，无法正常使用。生振荡，稳定性很差，无法正常使用。 2. 2. 实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性实际微分器对斜坡输入电压的时域响应特性 假设输入电压为负斜坡电压 ui(t)

15、= -at (t0) 理想的输出响应函数为 图2-3-5 微分器对斜坡输入 电压的时间响应特性 曲线1是理想输出响应特性。 曲线2是在理想的输出响应aT上 迭加了一个衰减振荡响应。 由拉氏反变换得时 域输出响应为 uo(t)=-1Uo(s)=aT (t0) 图2-3-5 微分器对斜坡输入 电压的时间响应特性 基本微分器的特点：基本微分器的特点： 实际微分电路对斜坡电压的响实际微分电路对斜坡电压的响 应是指数衰减振荡，与理想斜坡应是指数衰减振荡，与理想斜坡 响应偏离很大。响应偏离很大。 在在 处有谐振峰，分量的噪处有谐振峰，分量的噪 声有可能把有用的信号淹没，使声有可能把有用的信号淹没，使 微分

16、运算电路无法正常工作。微分运算电路无法正常工作。 输入阻抗低。输入阻抗为输入阻抗低。输入阻抗为 ，频率越高，输入阻，频率越高，输入阻 抗越低。抗越低。 因此对于基本微分运算电路而言，不采取改善措施是无法完成 微分运算的。 2.3.3 2.3.3 几种典型的微分电路几种典型的微分电路 1.改进型的微分电路 加入R1：消除自激，减小高频谐 振峰。 反馈电容Cf：降低不必要高频增 益。 传输函数为 假设 则幅频特性为 图2-3-6 改进型的微 分电路 图2-3-7 改进型微分器 的幅频特性 改进型微分器幅频特性 在 时时，其频频响误误差为为 2. 差动型的微分电路 传输函数为 频率特性为 图2-3-9 幅频特性 式中：T2=R2C , T1=R1C 当 1时时，增益为为 R2/R1，高于 微分工作区增益，为为了降低其影响 ，可在两个电电阻上并联联小电电容。 图2-3-8 差动微分电路 3.比例微分电路 传输函数为 图2