第章模拟集成电路线性应用

2.0 集成运放的传输特性及应用领域集成运放的传输特性及应用领域 2.1 模拟集成电路的基本放大电路模拟集成电路的基本放大电路 2.2 积分电路积分电路 2.3 微分电路微分电路 2.4 集成仪器放大器集成仪器放大器 2.5 动态校零型斩波放大器动态校零型斩波放大器第第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9/13/202212.0 2.0 集成运放的传输特性及应用领域1)集成运放的传输特性集成运放的传输特性 理理想想运运放放实实际际运运放放9/13/20222 电路结构上存在从输出端到反向输入端的负反馈支路输入信号幅度足够小，以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内。比如，由运放构成的基本放大电路（包括反相、同相、差动放大器），积分电路，微分电路等2 2 2 2)集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用 电路结构上，集成运算放大器处于开环（无反馈）或存在从输出端到同相输入端的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，即输出在正、负最大值之间变化。比如，对数器、指数器、乘法器、电压比较器等v 在分析具体的集成运放应用电路时，首先判断集成运放工作在线性区还是非线性区，再运用线性区和非线性区的特点分析电路的工作原理。2.0 2.0 集成运放的传输特性及应用领域线性应用线性应用非线性应用非线性应用9/13/202232.1.1 反相型放大器反相型放大器1.反相型放大器的理想特性反相型放大器的理想特性(1)基本型反相放大器基本型反相放大器利用理想集成运放的条件：利用理想集成运放的条件：虚短虚短和和虚断虚断，即，即 闭环增益闭环增益为为 即即 2.1 模拟集成电路的基本放大电路模拟集成电路的基本放大电路图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+-+-ui+-uoR1R2i1i2iB-iB+u-=u+，iB-=iB+9/13/20224输入电压与输出电压输入电压与输出电压之间的关系为之间的关系为 或或 也称也称比例放大器。比例放大器。当两个电阻的比值为当两个电阻的比值为1 1时，时，称为称为倒相器。倒相器。等效输入电阻等效输入电阻为为 等效输出电阻等效输出电阻为为 图图2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+-+-ui+-uoR1R2i1i2iB-iB+9/13/20225理想条件下，理想条件下，(1+AdF)很大很大,Ro很小，很小，Roe0；一般一般R1、R2取值范围为取值范围为1k 1M；对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。对于反相放大器必须设法提高其输入电阻。说说明明：9/13/20226(2)改进型反相放大器之一改进型反相放大器之一 目的：目的：保证较大放大倍数的保证较大放大倍数的同时避免使用大电阻同时避免使用大电阻 图图2-1-2 用用T型网络代型网络代 替替R2的反相放大器的反相放大器闭环增益闭环增益为为 在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但但Rf3的存在，削弱了负反馈。的存在，削弱了负反馈。特点特点：满足了满足了 Ri=R1 不取大不取大值值；9/13/20227图图2-1-3 采用自举采用自举电路的反相放大器电路的反相放大器输入电阻输入电阻为为 要使要使Ri增大，增大，设法使设法使Ii i减小。减小。目的：目的：提高输入电阻提高输入电阻 (2)改进型反相放大器之二改进型反相放大器之二 9/13/202282.反相型放大器的实际特性反相型放大器的实际特性分析分析Ad、Rd、R O 不为不为理想条件时等效电路理想条件时等效电路 (1)(1)反相放大器的反相放大器的 实际闭环增益实际闭环增益图图2-1-4 考虑了考虑了Ad、Rd和和 Ro的反相放大器电路的反相放大器电路或或 9/13/20229式中式中 AF反相放大器的实际闭环增益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反相放大器的理想闭环增益 Ad集成运放的开环增益集成运放的开环增益 F实际反馈系数，一般实际反馈系数，一般F F0 F0理想反馈系数理想反馈系数 9/13/202210(2)反相放大器的实际等效输出电阻反相放大器的实际等效输出电阻图图2-1-5 输出电阻等输出电阻等 效计算电路效计算电路等效输出电阻等效输出电阻是在无负是在无负载时输出开路电压载时输出开路电压UO除以短路电流除以短路电流Ik Uo=Eo-Ro IoEo=-Ad(U-U+)9/13/202211若考虑若考虑Ro R2、Ro R1，则，则当用阻抗代替电阻时当用阻抗代替电阻时 当信号当信号频频率率 R3，Rd (R2+R0)/R1 同相放大器的同相放大器的优点：输入电阻很高。优点：输入电阻很高。(3)等效输出电阻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。表达式与反相放大器等效输出电阻表达式相同。9/13/2022173.同相加法器同相加法器理想运放时理想运放时 由以上三式得输出电压与输入电压关系为由以上三式得输出电压与输入电压关系为图图2-1-10 同相型加法器同相型加法器U+=U-9/13/202218为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选为了减小实际运放偏流引起的零位输出，应选择各电阻满足择各电阻满足 Re/Rf=Rp/R1/Rn。输出电压与输入电压输出电压与输入电压关系为关系为 若取若取R1=R2=Rn=R当考虑实际运放当考虑实际运放Ad、Rd、Ro后后 实际输出电压与输入电压实际输出电压与输入电压的关系为的关系为 9/13/202219若取若取 Re/Rf=Rp/R1/Rn 的条件的条件 若同若同时时取取 R1=R2=Rn=R 有有 可见因可见因Ad、Rd 引起求和运算引起求和运算相对误差相对误差为为 9/13/2022202.1.3 差动型放大器差动型放大器1.差动放大器理想特性差动放大器理想特性理想运放时理想运放时 当当满满足匹配条件足匹配条件 R3=R1、R4=R2 时时输入电压与输出电压输入电压与输出电压关系为关系为 图图2-1-11 差动放大器差动放大器9/13/2022212.差动放大器实际特性差动放大器实际特性分析分析Ad和和ACM对放大特性影响，其余条件均为理想对放大特性影响，其余条件均为理想若取若取R1=R3，R2=R4再考再考虑虑到到AdF01，AdACM第一项为理想放大器的输出电压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第三项为共模增益引起误差电压 9/13/202222由理想运放基本条件由理想运放基本条件可导出以下关系式可导出以下关系式图图2-1-12 增益可调的增益可调的差动放大器差动放大器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+I6，9/13/202223通常选通常选 m=n,所以所以当当m、n的的值选值选定后，只需定后，只需调节调节(pR)一一个个电电位器即可位器即可调节调节差差动动放大器增益。放大器增益。缺点：缺点：输入电阻不高；输入电阻不高；增益与电位器阻值呈非线性关系。增益与电位器阻值呈非线性关系。实用时，实用时，加补偿电加补偿电容容以提高以提高稳定性。稳定性。图图2-1-12 增益可调增益可调的差动放大器的差动放大器I7=I4+I5，9/13/2022244.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第一级运放为同相放大器，同相放大器，其输出电压为其输出电压为用叠加原理求第二用叠加原理求第二级运放的级运放的输出电压输出电压 因两个输入信号均从同相端因两个输入信号均从同相端输入，所以输入电阻比较高。输入，所以输入电阻比较高。图图2-1-13 高输入阻抗差动放大高输入阻抗差动放大器器Uo=(1+m)Ui2-mUo1 =(1+m)(Ui2-Ui1)9/13/2022251.反相型积分器反相型积分器理想集成运放时理想集成运放时(1)传输函数传输函数2.2 积分电路积分电路图图2-2-1 基基本反相型本反相型积分器积分器2.2.1 基本基本积积分分电电路及其理想特性路及其理想特性T=RC，T为积分时间常数。为积分时间常数。9/13/202226(2)频率特性频率特性幅频特性幅频特性 为幅频特性的交接频率。为幅频特性的交接频率。相频特性相频特性9/13/202227(3)输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系图图2-2-2 基本积分基本积分器的幅频特性器的幅频特性图图2-2-3 基本积分基本积分器的相频特性器的相频特性9/13/2022282.同相型积分器同相型积分器(1)传输函数传输函数I1+I2=I3 即即U+=U-，若，若满满足足电电阻匹配条件阻匹配条件R1R4=R2R3，例如，例如选选取取R3=R1，R4=R2，则则可可导导出出理想理想传输传输函数函数为为：图图2-2-4 基本基本同相型积分器同相型积分器9/13/202229(2)频率特性频率特性其中，其中，幅频特性幅频特性为为为幅频特性的交接频率为幅频特性的交接频率 式中式中 相频特性相频特性为为(3)输出电压与输入电压输出电压与输入电压关系关系此积分器的波特图与反相积分器相同。此积分器的波特图与反相积分器相同。9/13/2022303.差动型积分器差动型积分器(1)传输函数传输函数取取R1=R2=R，C1=C2=C，即，即满满足匹配条件足匹配条件时时有：有：(2)输出电压与输入电压输出电压与输入电压的关系的关系 图图2-2-5 差动型积分器差动型积分器uo+-+AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I19/13/2022312.2.2 UOS、IB及其漂移对积分电路的影响及其漂移对积分电路的影响输出电压输出电压为为 积分电容积分电容C值越小，产生的误差值越小，产生的误差越大；越大；C值越大，误差越小。值越大，误差越小。图图2-2-6 考虑了考虑了Uos、IB的的 积分电路积分电路9/13/2022322.2.3 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集成运放的开环频率特性为T0是集成运放的时间常数是集成运放的时间常数 A0是低频增益是低频增益 当当A01,RCT0时，时，理想积分电路在实轴上仅有一个位于原点的极点，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积分电路在实轴上有两个极点。增益和带宽为有限值积分电路在实轴上有两个极点。实际积分器在实际积分器在低频低频范围内，因集成运放范围内，因集成运放开环增开环增益是有限值益是有限值；在；在高频高频范围内，因范围内，因带宽又是有限值带宽又是有限值，所以都是所以都是不理想不理想情况。情况。积分电路的传输函数为积分电路的传输函数为 9/13/202233图图2-2-8 积分电路的积分电路的瞬态响应瞬态响应实用中，为获得理想积分特性，积分响应在远小于实用中，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。时间内结束或者输出电压的幅度远小于极限值。图图2-2-7 积分电路积分电路的频率特性的频率特性9/13/2022342.2.4 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：集成运产生保持误差的原因是：集成运放和积分电容某些特性。放和积分电容某些特性。如如开环增益的不稳定，会使积分开环增益的不稳定，会使积分电路固定输出电压产生波动；电路固定输出电压产生波动；影响保持误差的影响保持误差的主要因素是积分电容主要因素是积分电容，所以要根据，所以要根据实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。实际应用的需要很好选择和处理好积分电容。图图2-2-9 积分电积分电路路的保持误差的保持误差有限值有限值A0和输入电阻产生的泄和输入电阻产生的泄漏电流使积分电容器电压泄放；漏电流使积分电容器电压泄放；电压和电流的漂移。电压和电流的漂移。9/13/2022352.2.5 几种典型的积分电路几种典型的积分电路图图2-2-10 比例比例积积分分电电路路1.比例比例积积分分