電子電路基礎_第六章_唐恬

1、電子電路基礎信息與通信工程學院信息與通信工程學院唐唐 恬恬本章概述本章概述模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用PvNvov注意*號章節(jié)6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.1 集成運算放大器的組成集成運算放大器是一種高增益(100dB180dB)多級直接耦合放大電路，輸入電阻高，輸出電阻低，共模抑制比高(60dB170dB)，失調與漂移小，廣泛應用于各種電子電路中（一種基礎器件）第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.1 集成運算放大器的組成一、典型的集成

2、運算放大器第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用仙童公司仙童公司6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.1 集成運算放大器的組成二、運算放大器內部電路的特點1、輸入級一定的電壓增益、很高的輸入阻抗，穩(wěn)定性好，一般選用差放，兩個輸入端2、中間級提供很大的電壓增益，一般采用共射或共源放大3、輸出級多采用互補功率放大，很強帶負載能力、輸出電阻低、動態(tài)范圍大、輸出功率高、效率高4、偏置電路：電流源5、耦合方式：直接耦合6、其他：二極管多采用晶體管發(fā)射結實現，有很小電容實現相位補償第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用6.1 集成運

3、算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.1 集成運算放大器的組成三、集成運算放大器的符號同相輸入端：輸出與輸入信號同相反相輸入端：輸出與輸入信號反相輸出端：輸出電壓信號第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用 (a) 國家標準符號國家標準符號 (b) 常用符號常用符號 模擬集成運算放大器的符號模擬集成運算放大器的符號PvNvov6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.2 集成運算放大器的傳輸特性假定：共模抑制比很高，共模輸出可以忽略；不考慮輸入失調電壓影響，線性化近似直流傳輸特性如圖所示：運放的傳輸特性主要分為線性

4、區(qū)和飽和區(qū)兩個區(qū)域，運放作為放大器件時必須保證工作在線性區(qū)，差模輸入電壓一般只有幾微伏第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用)(NPovvAvvdPvNvov6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.3 理想集成運算放大器模型一、理想集成運算放大器的技術參數各類參數理想化的運放稱為理想運放，在工程中可以利用理想運放簡化分析（1）開環(huán)差模電壓放大倍數Avd-（2）差模輸入電阻Rid-（3）輸出電阻Ro-0（4）共模抑制比KCMR-（5）輸入失調電壓VIO-0（6）失調電流IIO-0（7）輸入失調的溫飄-0（8）輸入偏置電流IIB-0除非特殊說

5、明，本章后續(xù)分析均將集成運放視為理想運放第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用6.1 集成運算放大器的組成及其基本特性集成運算放大器的組成及其基本特性6.1.3 理想集成運算放大器模型二、理想集成運算放大器工作在線性區(qū)時的特點各一般情況下，運放在線性區(qū)工作時都加有深負反饋，或者說通過深負反饋使運放工作在線性區(qū)。此時有存在一些重要特點：虛短：運放處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路虛斷：運放處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。同樣不能將兩輸入端真正斷路第六章第六章 模擬集成電路及其

6、應用模擬集成電路及其應用Av vN vP vO 理想運放的直流傳輸特性曲線理想運放的直流傳輸特性曲線6.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.1 輸入失調參數一、輸入失調電壓VIO輸入電壓為零時，為使運放輸出電壓為零，在輸入端所加的補償電壓，是表征運放內部電路對稱程度和電平配合情況的指標二、輸入偏置電流IIB當輸出電壓為零時兩輸入端靜態(tài)電流的平均值，偏置電流越小，輸入電阻越高三、輸入失調電流IIO輸出電壓為零時，流入運放兩輸入端靜態(tài)電流之差，用于表征差動放大管的不對稱的程度四、溫度漂移輸入失調電壓溫飄dVIO /dT：在規(guī)定工作溫度范圍內VIO隨溫度的變化率， 即VIO的

7、溫度系數，是衡量運放溫度飄移的主要指標輸入失調電流溫漂dIIO /dT：在規(guī)定工作溫度范圍內 IIO隨溫度的變化率， 即IIO的溫度系數第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用 A741典型值：1mV2/ )(BPBNIBIII A741典型值：80nA A741典型值：20nABNBPIOIII A741典型值：5 V/ C A741典型值：1nA/ C6.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.2 差模特性參數一、最大差模輸入電壓VIDmax運放輸入端能承受的差模輸入電壓的最大值，超過此電壓差分管將出現反向擊穿現象二、最大輸出電流Iomax運放輸出的電流峰

8、值，通常是指輸出端短路電流三、開環(huán)差模電壓增益Avd運放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負載、無反饋情況下的直流差模電壓增益四、開環(huán)帶寬BW(fH)運放開環(huán)差模電壓增益從直流開始至下降3dB時對應的頻率fH之間的帶寬五、單位增益帶寬BWG(fT)隨著開環(huán)電壓增益隨信號頻率上升，增益下降到1時的頻率第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用 A741典型值：106dB A741典型值：7Hz A741典型值：1.4MHz6.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.3 共模特性參數一、最大共模輸入電壓VICmax保證運放正常工作條件下共模輸入電壓的最大值。超過此值，共模抑制

9、比將明顯下降二、共模電壓增益Avc運放輸入端加共模電壓時的增益三、共模抑制比KCMR差模電壓增益與共模電壓增益的比值第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用 A741典型值：13V A741典型值：90dB6.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.4 大信號動態(tài)特性一、轉換速率SR（擺率）放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入信號為大信號時，輸出電壓對時間的最大變化率。轉換速率SR的表達式為：轉換速率反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力通常要求運放的SR大于輸出信號變化斜率的絕對值第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用maxR)(dttdvSo A7

10、41典型值：0.5V/ s6.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.4 大信號動態(tài)特性二、全功率帶寬BWp表征運放在頻域中的大信號特性，是SR的另一種表現形式如在運放同相輸入端加信號vi=Vimsint，輸出為vo=Vomsint，此時輸出電壓的最大變化速率為要使輸出信號電壓波形不因SR的限制而失真，要求 ，由此定義全功率帶寬：A741的SR為0.5V/s，當輸出電壓幅度為Vom=10V時，它的最大不失真頻率應為7.96kHz第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用om2 VSBWRP00d( )cos2doomomttv tVtfVtom2RfVS6.2

11、集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的主要參數6.2.5 電源特性參數一、靜態(tài)功耗PD當輸入信號為零時，運放消耗的總功率：二、電源電壓抑制比KSVR衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響程度。通常定義為折合到輸入端的失調電壓變化與電源電壓變化的比值第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用EEEECCCCDIVIVP)(EECCIOSVRVVddVK其他諸如差模輸入電阻、共模輸入電阻等等參數，之前已有深入學習，不再贅述*6.3 其他集成運算放大器簡介其他集成運算放大器簡介為滿足實際應用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，還有適應不同需要的專用型運放，它們在某些

12、技術指標上比較突出根據運算放大器的技術指標分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種一、通用型通用型運放的技術指標比較適中，價格低廉例如：通用型運放CF741(A741)輸入失調電壓12mV，輸入失調電流20nA差模輸入電阻2M 、輸出電阻75開環(huán)增益100dB，共模抑制比90dB共模輸入電壓范圍13V轉換速率0.5V/s第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用*6.3 其他集成運算放大器簡介其他集成運算放大器簡介二、高速型和寬帶型用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A等。這種運放的單位增益帶寬和擺率指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH，用于高速大信號放大時

13、，同時還應注重SR，例如：CF2520/2525： AD9620： AD9618： OP37： CF357：三、高精度（低漂移）型用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等，例如：OP177：CF714：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用sV/201=RS= 20MHzGBWSRV/2200=SZHMH600fSRV/0018=SZ8000MHGBW SRV/17=SSRV/05=SZ63MHGBW Z20MHGBW IOIOIOIOdd4V0.3nA0.03V/ C1.5pA/ CddVIVITTIOIOIOIOdd3060V0.40.8nA0.30.5V/

14、 C812pA/ CddVIVITT A741典型值：1.4MHz A741典型值：0.5V/ s A741典型值：1mV，20nA A741典型值：5 V/ C，1nA/ C*6.3 其他集成運算放大器簡介其他集成運算放大器簡介四、高輸入阻抗型用于測量設備及采樣保持電路中，例如：AD549：CF155/255/355： 五、低功耗型用于空間技術和生物科學研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱，例如：OP22：正常工作靜態(tài)功耗可低至36W。OP290：在0.8 V電壓下工作，功耗為24W 。CF7612：在5 V電壓下工作，功耗為50W六、功率型這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個

15、安培以上，例如：LM12： TP1465：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用13IBid0.040pA10IR12IBid30pA10IRA10oIA75. 0oI A741典型值：80nA6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.1 集成運算放大器的線性應用與非線性應用一、運放的線性應用工作在傳輸特性的線性區(qū)運放線性應用的三個重要結論（1）為保證工作在線性區(qū)，需構成深負反饋（2）同相輸入端和反相輸入端虛短（3）兩輸入端虛斷二、運放的非線性應用工作在傳輸特性的限幅區(qū)處于開環(huán)或者正反饋工作狀態(tài)第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成

16、電路及其應用6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式一、反相輸入1、基本反相輸入放大電路輸出與輸入存在比例關系，可實現比例運算。更簡單的分析方法是：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用基本反相輸入放大電路基本反相輸入放大電路虛地虛短：0PNvv虛斷：0NPii/1foFgooFivRFvvR 電壓電流1orfFigvARiF 11ooFvfiivvRAvi RR 11fFoFvfiii RvRAvi RR 6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算

17、放大器的基本輸入方式一、反相輸入可見基本反相輸入放大電路存在如下特點：（1）輸入輸出反相（RF=R1時稱為單位增益倒相器）（2）電壓并聯負反饋，Rof0， Rif0， R ifR1（3）N點虛地（4）理想情況下vN=0，共模輸入電壓趨于0，對運放的KCMR要求較低（5）R稱為直流平衡電阻，其作用是減小或消除靜態(tài)時可能在運放輸入端產生的附加差模輸入電壓。接入R后，使運放兩輸入端往外看的直流電阻相等，保持電路對稱（從零輸入、零輸出角度看，vo在直流分析時視為零電位）：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用基本反相輸入放大電路基本反相輸入放大電路虛地電壓電流1FvfRAR 1/ /F

18、RRR6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式一、反相輸入2、T型反饋網絡構成的反相放大器用于解決一個矛盾：為提高輸入電阻，需要R1足夠大 為保證一定的放大倍數，在R1加大后，RF必須加大，但是高阻值電阻穩(wěn)定性差（不希望RF太大）直流補償電阻為：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用1FvfRAR 2142113122413,oFFvfiFFFvi Ri RAvi RRiiiiRR 1321223131322113()FFFFFFFFFFvfFRRi RiRRR RRRRAi RR R 1123/ /(

19、/ /)FFFRRRRR可見用不大的反饋電阻就能實現較高的電壓放大倍數（間接允許R1更大）6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式二、同相輸入1、基本同相輸入放大電路也可利用虛短、虛斷的概念直接推導：同樣地，直流平衡電阻可見基本同相輸入放大電路存在如下特點：（1）深度電壓串聯負反饋， Rof0， Rif -（2）不存在虛地點，輸入vN=vP=vI，輸入端存在共模信號，要求運放有較高的KCMR第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用基本同相輸入放大電路基本同相輸入放大電路11fvoFvRFvRR111Fvf

20、vRAFR 電壓電壓虛地？111ovfiFvfioiFvAvRAvvvRRR 1/ /FRRR6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式二、同相輸入2、幾種常見的同相放大電路（1）輸入端接有分壓電阻的同相放大電路為保證直流平衡：（2）電壓跟隨器同相放大電路中令R1=或RF=0，有Avf=1，構成電壓跟隨器，相比射極跟隨器。集成運放電壓跟隨器性能更好（輸入電阻更高，輸出電阻更低）第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用IFOvRRRRRv)1 (1323123/ / /FRRRR6.4 集成運算放大器的同相及

21、反相放大電路集成運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式例題1：設圖中運放是理想的，求vo與vi的關系式首先對電路進行分析：（1）輸入的電阻交點（黑點）可視為虛地（2）基于深負反饋的電壓穩(wěn)定作用，R8、R10不對輸入輸出（黑點）關系產生影響（3）由于輸出開路，R9不對計算產生影響則具體計算與T型網絡反相放大一頁一致：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用1321223131322113()FFFFFFFFFFvfFRRi RiRRR RRRRAi RR R 2424314()vfR RRR RAR R 6.4 集成運算放大器的同相及反相放大電路集成

22、運算放大器的同相及反相放大電路6.4.2 集成運算放大器的基本輸入方式例題2：設圖中運放是理想的，求vo與vi的關系式假定v為輸出電壓，則R3可視為運放的內阻，R4可視為負載，均不對電壓傳輸關系造成影響：再計算vo與v之間的關系：聯立方程即可解出答案第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用v 21iRvvR 24324/ / /oRRvvRRR6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路比例運算電路加法/減法運算電路積分/微分運算電路對數/指數運算電路乘/除/開方運算電路為實現模擬運算，運放必須工作在線性區(qū)（但并不能稱以上電路都是線性電路），深負反

23、饋條件下，利用不同反饋網絡可實現不同的運算關系，這些功能都依據上一章兩種基本輸入方式放大電路為基礎組合和演變而來的第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用kxy 21bxaxymdttxkyba)(xkyln21xxy6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.1 加法運算電路一、反相加法電路在反相比例運算電路的基礎上，增加一個輸入支路，就構成了反相輸入加法電路。此時兩個輸入信號電壓產生的電流都流向RF，輸出是兩輸入信號的反相比例和：當R1=R2時：依據以上分析，可以將電路推廣到對多個信號反相求和的情況第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬

24、集成電路及其應用兩輸入端反相加法電路兩輸入端反相加法電路12F/ / /RRRR注意應OI1I212FvvvRRR FFOI1I212()RRvvvRR FOI1I21()RvvvR 或利用疊加定理計算6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.1 加法運算電路二、同相加法電路在同相比例運算電路的基礎上，增加一個輸入支路，就構成了同相輸入求和電路：為保證輸入端口直流平衡： R1/RF= RP= R2/R3/R4，代入上式有：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用)(I23FI12FOvRRvRRvI1FOP1PI2PP234(1) vvv

25、RvvRvvRRR432P3I22I1PP/)(RRRRRvRvRv)( )1 (3I22I1P1FORvRvRRRv6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.2 減法運算電路一、差分輸入減法電路對vi1，形成電壓串聯負反饋，對vi2，形成電壓并聯負反饋，利用疊加定理求解最終輸出：當vi2=0時：當vi1=0時：疊加后有：為保持直流平衡： ，若令 ，輸出信號為：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用I11F323o1)1 (vRRRRRvI21Fo2vRRv3FFOO1O2I1I22311(1)RRRvvvvvRRRRF321 ,RRR

26、R123/ / /FRRRR)(I2I11FOvvRRv該電路存在兩個缺點：（1）電阻選取和調整不方便（2）對每個信號源輸入電阻均較小 （缺點（2）通過下頁電路修正）6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.2 減法運算電路一、差分輸入減法電路兩級運放構成的高輸入阻抗減法電路由于第一級輸出阻抗近似為零，后級對它的負載作用可忽略。故兩級的輸出與輸入關系可分開計算，互不影響第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用I11FO1)1 (vRRvI11F13F2I23F2O13F2I23F2O)1 ()1 ( )1 (vRRRRvRRvRRvRRv

27、1F23F1, RRRR令)(1 (I1I23F2OvvRRv輸入電阻？6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.2 減法運算電路二、反相求和減法電路將某一輸入信號反相后加到前面介紹的加法電路中，也可以構成減法電路：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用F14125, RRRRR令)()(I35F2O14F2OI22F1I11F1O1vRRvRRvvRRvRRv)(I3I2I11F2OvvvRRv反相求和減法電路反相求和減法電路6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路例題1：如右圖電路圖，求vo、vi

28、的關系第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用NIR2IR16.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路例題2：試指出運放A2引回的反饋極性，求電路的輸入電阻Rivi/ii第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用iiiiiiiivvRRvvRRvRvvRviivR1012O1O134O25O21A2引回的是正反饋引回的是正反饋k 601515RRRRivRiiiO2vO1v6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路例題3：在下圖所示電路中，A1、A2為理想運放，求vo（假定 ）利用疊加定理求解v2=0

29、時：v1=0時：疊加后有：將 代入后有： 第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用2v1v5413RRRR5413RRRR351114(1)()oRRvvRR5224(1)oRvvR3551212144(1)(1)oooRRRvvvvvRRR 551244(1)()(1)oiRRvvvvRR 6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.3 積分運算電路一、基本積分電路時域分析與反相放大電路類似，但反饋元件為電容假定vi為如圖所示階躍信號，且電容C上初始電壓為0此時積分時間限制為：VOL表示運放反向限幅區(qū)的輸出電壓，為負值第六章第六章 模擬集

30、成電路及其應用模擬集成電路及其應用反相積分運算電路反相積分運算電路0IOIO0 1( )( )RttCOCviRvv t dtvtdvdvRCiCCdtdt mOm01tVvV dttRCRC RCVVtmOL16.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.3 積分運算電路一、基本積分電路頻域分析從頻域看，根據反相放大電路傳輸函數有：二、同相輸入積分電路第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用11()()()oiij CVjV jV jRj RC 反相積分運算電路反相積分運算電路同相輸入積分電路同相輸入積分電路123321,1/,/ 2iPo

31、PPPNovvvvviiiRRj Ciiivvv2()()oiVjV jj RC02( )( )toIv tv t dtRC6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.3 積分運算電路例題：電路如圖所示，設運放為理想運放。請問A1A4各組成什么電路？若在t=0時刻接入信號源和電源，求t=4.9s及15.5s時各運放的輸出電壓。（假設運放電源為15V, VOH=13V, VOL=-13V, 當 t=0時，vC=0V）第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用100 k 10 k 1 F-2.5 V-2.5 V5.1 V10 k V 5 )(I2

32、I1O1vvvV 1 . 5 I3O2 vvV 1 . 0 O1O2O3vvvtCRvv1O3O4A1：反相輸入加法電路A2：同相放大電路（輸入有電阻分壓）A3：差分輸入的減法電路A4：反相積分電路6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.4 微分運算電路微分運算時積分運算的逆運算，將基本積分運算電路中的R和C互換即得到基本微分運算電路時域分析：頻域分析：存在的問題：（1）電路中RC環(huán)節(jié)對反饋信號有滯后作用（純阻性時，反饋網絡無附加相移），使環(huán)路附加相移增大，相位裕度變小，可能不滿足電路穩(wěn)定性要求，甚至引起自激振蕩（2）輸入信號突變時，輸出立刻進入限幅

33、區(qū)，為保證電路正常，實現微分功能，需對輸入信號頻率（或變化速率）進行限制第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用基本微分運算電路基本微分運算電路IOFCdvvRiRiRCdt ()()()1oiiRVjV jj RCV jj C 6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.4 微分運算電路例題：分析電路結構，寫出vo1、vo2、vo的表達式第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用11212()()()oIIIIRRvvvRRvv 32IodvvRCdt 1212312()()(1)()oooooIIIRRRvvvRRRRvvd

34、vvvRCdt 6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.5 對數與反對數運算電路一、對數運算電路1、基本對數運算電路將晶體管集電極、基極短接后構成二極管形式，替代原電路中二極管，可以改善對數精度（在iC相當寬范圍內，vBE與iC保持較精確的對數關系）基本對數運算電路缺點：（1）溫度影響；（2）PN結方程在小信號時的準確性；（3）輸出幅度小（為二極管正向壓降）（4）vI只能為正，電路需要改進第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用基本對數運算電路基本對數運算電路DTDT/IIRS,vVvVRDSvviiiI eeRI RIODTSlnvv

35、vVRI 利用晶體管構成的對數運算電路利用晶體管構成的對數運算電路RIvVvESITOln6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.5 對數與反對數運算電路一、對數運算電路2、集成對數運算電路兩只三極管共同作用，抵消IES的影響；VT的溫度補償由熱敏電阻R5承擔第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用TBE1ESIVveIRvTBE2ESRVveII1RIT54O1RITBE1BE2N2ESRTBE21ESITBE1ln)1 (ln lnlnRIvVRRvRIvVvvvIIVvRIvVv6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算

36、放大器構成的模擬運算電路6.5.5 對數與反對數運算電路二、指數運算電路將對數電路中的晶體管與電阻互換即得到指數運算電路該電路同樣面臨溫度影響精度等問題第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用TIESFO VveRIRiv6.5 由集成運算放大器構成的模擬運算電路由集成運算放大器構成的模擬運算電路6.5.5 對數與反對數運算電路三、利用指數、對數運算電路構成乘法器、除法器1、乘法電路2、除法電路第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用1212O12ln()(lnln)v vvvvv veeI1lnvI2lnvI2I1lnlnvv I2I1Ovvv1212O12ln(

37、/)(lnln)/v vvvvvvee減法減法電路電路I1lnvI2lnvI2I1lnlnvv I2I1O/vvv 6.6 集成運算放大器參數對運算誤差的影響集成運算放大器參數對運算誤差的影響6.6.1 實際集成運算放大器的等效模型第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用BNBPIOBNBPIB)(21IIIIII)2(NPCMROvvKAiRAvvdvdidIOPNRVvvi輸入偏置電流輸入失調電流閉環(huán)反相放大電路的直流或低頻等效模型閉環(huán)反相放大電路的直流或低頻等效模型6.6 集成運算放大器參數對運算誤差的影響集成運算放大器參數對運算誤差的影響6.6.2 Avd、Rid為有限值

38、引起閉環(huán)增益的誤差直流若只考慮Avd、Rid為有限值所引起的閉環(huán)增益誤差，上節(jié)模型可被簡化如右圖：令vI2=0，即得到反相放大電路公式：則閉環(huán)增益相對誤差為：式中 為理想反相放大電路閉環(huán)增益。第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用21111111()()1/ /FIIoFidvdidFRvvvRRRRRRA R RRRR式中：)(1 111RRARRRRRRAidvdidFFvf11()vfvfFidvfvdidAARRRRAA R R vfA令vI1=0可得同相放大電路情況，其誤差與反相放大電路相同；式中可見Avd、Rid越大，反饋深度越深，誤差越小6.6 集成運算放大器參數

39、對運算誤差的影響集成運算放大器參數對運算誤差的影響6.6.3 共模抑制比KCMR為有限值引起閉環(huán)增益的誤差同相放大電路中存在較大的共模輸入分量，因此研究同相放大電路在KCMR為有限值時對輸出造成的影響以及所造成的誤差，如右圖：理想情況下：非理想情況下，運放輸入兩端不能再使用虛短概念：可見KCMR越大，誤差越小第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用icvcidvdovAvAv)1 (1RRvvAFIovf)(221)(1111oFIvcoFIvdovRRRvAvRRRvAv1111 1/(2)(1)1 ()/ 1/1/(2)oCMRFvfIFvdCMRvKRAvRRRRAK6.6

40、 集成運算放大器參數對運算誤差的影響集成運算放大器參數對運算誤差的影響6.6.4 輸入失調參數IIB、VIO、IIO引起輸出電壓的誤差輸入失調參數IIB、VIO、IIO引起的輸出電壓誤差的等效電路如右圖通常有 ，所以偏置電流不會對電路產生影響，對電路分析后有：可見VIO、IIO越大，誤差電壓越大；閉環(huán)增益越大，誤差電壓也越大； 為了減小誤差電壓除了選用失調小的集成運放外，直流平衡電阻R應盡可能小些；VIO、IIO對vO的影響可由調零電路補償。但其溫漂不能用調零方法抵消第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用1/ /FRRR22IOIOO11NIOPRIVVRRRvRIvF) )(

41、1 (IOIO1FORIVRRV6.6 集成運算放大器參數對運算誤差的影響集成運算放大器參數對運算誤差的影響6.6.5 運算放大器的開環(huán)帶寬對閉環(huán)增益的影響集成運算放大器的開環(huán)帶寬一般較低，比如A741的3dB開環(huán)帶寬只有7Hz假設集成運放的開環(huán)增益函數僅有一個主極點，則該式表明幅頻特性每增加十倍頻程下降20dB，因此，對頻率較高的信號進行運算時，除低頻時開環(huán)增益帶來的運算誤差外，還需考慮隨頻率的升高增益下降帶來的誤差第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用H/1fjfAAvdvd6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6.7.1 模擬乘法器簡介模擬乘法器是實現兩個模擬量相乘

42、的電子器件，利用模擬乘法器以及運算放大器可實現乘法、除法、乘方、開方等運算本節(jié)中分析電路功能時，除非特殊說明，模擬乘法器均視為理想器件，理想模擬乘法器應具有如下特點：（1）輸入阻抗Rix，Riy為無窮大（2）輸出阻抗Ro為零（3）乘積系數k為常數（4）當vx或vy為零時vo為零依據允許輸入信號的極性，模擬乘法器有單象限、二象限、四象限之分第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用yxvkvv O模擬乘法器的符號模擬乘法器的符號 模擬乘法器的等效電路模擬乘法器的等效電路 由由vx 和和 vy 的極性所確定的四個象限的極性所確定的四個象限 6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6

43、.7.2 變跨導型模擬乘法器的工作原理輸入電壓控制差分管E極電路，使跨導變化，實現差模信號相乘一、變跨導二象限乘法器差模信號vx作用下：vx2VT時，函數th(x)x：將圖中恒流源用一晶體管替代：該電路有如下特點/缺點：vx可正可負，但vy必須大于零，電路只能工作在兩個象限；vx的值必須小于2VT；vy的值越小，運算誤差越大；vo與VT有關，即受溫度變化的影響第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用差分放大電路差分放大電路 變跨導二象限乘法器變跨導二象限乘法器 )2(thTEEC2C1OVvIiiixOCEETth()2xvvR IV OCEET2xvvR IV )( be3EE

44、be3EEC3vvRvRvvIiyyyCOCEECTETTE222yxxxyxyvvvRvR IRv vkv vVRVV R 6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6.7.2 變跨導型模擬乘法器的工作原理二、雙平衡四象限變跨導乘法器根據差放及二象限乘法器結論，有：第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用)2(thT521Vviiix)2(thT634Vviiix)2(thT65VvIiiyO1O21342124356TTT2()() ()() ()th()th() th()222 4yxxxyTiiiiiiiiiivvviiIVVVIvvVyxyxCCvkvvvVIRRii

45、v2TO2O1O4 )(6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6.7.3 模擬乘法器的應用一、乘方運算電路利用四象限模擬乘法器可以方便地構造各種乘方電路：二、除法運算電路將乘法器接入運放反饋通路中，可以構成除法器：電路正常工作時，必須引入負反饋，即vO和vO同相。當k為正值時vI2必須也是正值，反之亦然，所以該電路為二象限除法運算電路第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用2IOkvv 23O1Ivk v34O2Ivk v22211RvkvRvRvOIOI2112IIOvvkRRv6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6.7.3 模擬乘法器的應用三、開方運算電路1、平

46、方根運算電路：由于vO為大于零的值，為引入負反饋，k值為正，而根號下的值需為正，所以要求vI02、立方根運算電路：基于k2及開立方根的特點，不用限制k及vI的正/負值第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用1I2RvRvo2I12ookvvRRvI12vkRRvo平方根運算電路平方根運算電路 1I2RvRvo32I12oovkvRRvI1223vRkRvo立方根運算電路立方根運算電路 6.7 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用6.7.3 模擬乘法器的應用例題：某運算電路如下圖所示，運放及乘法器均為看成理想器件，乘法器的乘積系數為0.1，輸出與輸入間的運算關系第六章第六章 模擬集

47、成電路及其應用模擬集成電路及其應用2I1O1kvv2I2O2kvv2OO4O3kvvv2OO4kvv02O31O21O1RvRvRv)()(2I22I112O2O112OvvRRvvkRRv*6.8 有源濾波器有源濾波器第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用略6.9 電壓比較器電壓比較器6.9.1 電壓比較器的基本特性輸入：連續(xù)變化的模擬量vI、基準電壓VREF輸出：數字量，即高、低電平，表征數字信號1或0功能：比較兩輸入電壓的大小。將輸入電壓與參考 電壓進行比較，并輸出比較結果特點：通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平 和低電平兩個穩(wěn)定狀

48、態(tài)非線性，因是大幅度工作，輸出和輸入不成線性關系參數：靈敏度, 響應速度（響應時間）第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用OLOREFIOHOREFI , ,VvVvVvVvREFVIvOv6.9 電壓比較器電壓比較器6.9.1 電壓比較器的基本特性靈敏度 VI響應時間 t第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用表征比較器對輸入信號的分辨能力。為提高靈敏度，應選擇開環(huán)電壓增益大、失調與溫漂小的運放組成電壓比較器若比較器輸入端加理想階躍信號，其輸出電壓vO的跳變需要一定時間t，稱為響應時間。為提高響應速度，應選擇高速、寬帶集成運放組成電壓比較器6.9 電壓比較器電壓

49、比較器6.9.1 電壓比較器的基本特性輸入端限幅電路：電阻R1、R2和二極管D1、D2構成限幅電路，將運放的輸入電壓限制在VD之間，從而提高工作速度，防止因輸入電壓過大而損壞器件輸出端限幅電路：利用兩個背靠背的穩(wěn)壓二極管vI0，vO=-Vz，深負反饋在跳變點vI=0處，運放開環(huán)工作 在運放輸出端接兩個穩(wěn)壓二級管運放開關工作，始終在非線性區(qū)第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用6.9 電壓比較器電壓比較器6.9.2 單片集成電壓比較器以LT685單片集成電壓比較器為例，介紹其原理及特性第六章第六章 模擬集成電路及其應用模擬集成電路及其應用略6.9 電壓比較器電壓比較器6.9.3 電壓比較器的應用電路一、單限電壓比較器1、過零電壓比較器電路構成：反相輸入過零比較電路；同相輸入過零比較電路閾值電壓（門限電平）：比較器的輸出電壓從一種狀態(tài)跳變到另一種狀態(tài)時相應的輸入電壓值第六章第六章 模擬集成電路及其應用