模擬電子電路模擬集成電路系統(tǒng)1

第七章

模擬集成電路系統(tǒng)

AnalogIntegratedCircuitSystem1、集成運(yùn)放最早應(yīng)用于信號(hào)的運(yùn)算，所以被稱為運(yùn)算放大器。2、隨著集成運(yùn)放技術(shù)的發(fā)展，目前集成運(yùn)放的應(yīng)用幾乎滲透到電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，它成為組成電子系統(tǒng)的基本功能單元。

集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3.集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸常用運(yùn)算放大器外形圖Aud

高:80dB~140dB;Rid

高:105~1011;Rod

低:幾十~幾百;KCMR高:70dB~130dB。(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式集成運(yùn)放的圖形符號(hào)反相輸入端同相輸入端輸出端uou－u+udA－+

輸入方式:

反相輸入

同相輸入

差分輸入F00781723456100dB2387546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接線和管腳圖集成運(yùn)算放大器F007圖集成運(yùn)算放大器F007電路原理圖集成運(yùn)算放大器

F007整個(gè)電路共有24個(gè)晶體三極管，10個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。電路有12個(gè)引腳，②腳是反相輸入端，③腳是同相輸入端，⑥腳是輸出端，④腳是負(fù)電源端（-15V），⑦腳是正電源端（＋15V），①腳與⑤腳之間外接調(diào)零電位器，⑧腳與⑨腳接相位補(bǔ)償電容。原理電路由差動(dòng)輸入級(jí)、中間放大級(jí)、互補(bǔ)輸出級(jí)和偏置電路四部分組成.調(diào)零--IN+IN-UCC+UCC調(diào)零+-UoNC預(yù)備知識(shí)2、集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)1、集成運(yùn)算放大器包括：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和電流源電路3、理想集成運(yùn)放：?開環(huán)差模電壓增益Aud

→∞?差模輸入電阻Rid

→∞?差模輸出電阻Rod→0

虛短虛斷－＋uoAuu-u+?工作在線性區(qū)?工作在非線性區(qū)4.集成運(yùn)放負(fù)反饋電路工作在線性區(qū)時(shí)，輸入端滿足“虛短”;“虛斷”條件線性應(yīng)用電路中，一般都在電路中加入深度負(fù)反饋，使運(yùn)放工作在線性區(qū)，以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。典型線性應(yīng)用電路包括各種運(yùn)算電路及有源濾波電路。運(yùn)放工作在線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)●

在非線性工作區(qū)，運(yùn)放的輸入信號(hào)超出了線性放大的范圍，輸出電壓不再隨輸入電壓線性變化，而是達(dá)到飽和，輸出電壓為正向飽和壓降UOH（正向最大輸出電壓）或負(fù)向飽和壓降UOL（負(fù)向最大輸出電壓），如圖所示●在非線性區(qū)時(shí)，由于Rid=∞，而輸入電壓總是有限值，所以不論輸入電壓是差模信號(hào)還是共模信號(hào)，兩個(gè)輸入端的電流均為無窮小，即仍滿足“虛斷”條件運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)●為使運(yùn)放工作在非線性區(qū)，一般使運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，也可外加正反饋●典型非線性應(yīng)用電路包括各種比較器電路uiuo+UOH-UOL線性放大區(qū)飽和區(qū)注意:“虛短路”原則不成立！7-1集成運(yùn)算放大器（IntegratedOperationalAmplifier）在基本運(yùn)算中的應(yīng)用

信號(hào)的運(yùn)算有源濾波電路運(yùn)放線性應(yīng)用二.同相比例運(yùn)算電路一.反相比例運(yùn)算電路回顧－＋R2uiuoR1+－ufAu＋AuuoR2R1ui－輸入電阻低Ri≈R1輸出電阻低Ro≈0輸入電阻高Ri≈∞輸出電阻低Ro≈03)運(yùn)算放大器輸入端無共模信號(hào)3)運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào)采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路目的：在高比例系數(shù)時(shí)，避免R1阻值太小，使輸入電阻太小。分析：u+=u-=0（虛短）i1=i2（虛斷）7-1-1相加器(Adder)一、反相相加器直流平衡電阻因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。所以平衡電阻為R1//R2

//R3//Rf＋AuuoRfR1ui－R2＋AuuoRfR1－R2考慮到VIO、IIO

、IIB輸入為零時(shí)的等效電路解得誤差電壓當(dāng)時(shí)，可以消除偏置電流引起的誤差。7-1-1相加器(Adder)一、反相相加器直流平衡電阻因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。所以平衡電阻為R1//R2

//R3//Rf各支路電流分別為式中當(dāng)R1=R2=R3=Rf時(shí)代數(shù)方程式可寫為:上式中比例系數(shù)為-1，實(shí)現(xiàn)了加法運(yùn)算。試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均≥100kΩ。所以選R1=150kΩ，R2=100kΩ，Rf=300kΩ。直流平衡電阻Rp=R1‖R2‖Rf=50kΩ解:例1:

試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均≥100kΩ。解:例1:

+Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k-

例2:設(shè)計(jì)運(yùn)算電路。要求實(shí)現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運(yùn)算。解:此題的電路模式是三個(gè)輸入信號(hào)的加法運(yùn)算。由于各個(gè)系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號(hào)的輸入電阻的比例關(guān)系所決定，式中各系數(shù)都是正值，而反相加法器的系數(shù)都是負(fù)值，因此需加一級(jí)變號(hào)運(yùn)算電路。實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算的電路如下圖。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：Rf1/R1=2、Rf1/R2=5、Rf1/R3=1取Rf1=Rf2=R4=10kΩ，則R1＝5kΩ，R2＝2kΩ，R3=10kΩ，R’1=R1∥R2∥R3∥Rf1，R’2=R4∥Rf2=Rf2/2。根據(jù)虛短、虛斷和N點(diǎn)的KCL得：（加法運(yùn)算）缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。二、同相相加器(1)根據(jù)虛短、虛斷和N點(diǎn)的KCL得：（加法運(yùn)算）缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。同相相加器(2)1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：)(2i2iF1i1iFouRRuRRu+-=ui2uoRFui1Ri2Ri1+–R2+–Aui2uoRFui1Ri2Ri1+–R1+–A第一級(jí)反相比例第二級(jí)反相加法（1）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算即當(dāng)時(shí)得（減法運(yùn)算）7-1-2相減器差動(dòng)放大器

DifferentialAmplifiers從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。（2）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算當(dāng)則若繼續(xù)有則根據(jù)虛短、虛斷和N、P點(diǎn)的KCL得：7-1-3積分器（Integrator）輸出uo的頻域表達(dá)式：輸出uo的時(shí)域表達(dá)式：－＋uiuoRC積分器電路其中：若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則–Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

uitO積分飽和線性積分時(shí)間uotO+Uo(sat)采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–UitCRU1i-=積分電路舉例圖基本積分電路的積分波形

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。ifi1uoCFuiR2R1++––+–RFA差動(dòng)積分器

－＋R3ui2uoui1R1R1R3－＋ui2uoui1RRCC輸出uo的時(shí)域表達(dá)式：7-1-4微分器（Differentiator）微分器電路輸出uo的頻域表達(dá)式為：－＋uiuoRC當(dāng)輸入信號(hào)vs為圖a所示的階躍信號(hào)時(shí)，在t=0時(shí)，輸出電壓為一有限值，隨著電容器C的充電，輸出電壓逐漸地衰減，最后趨于零。如圖b所示。圖微分電路信號(hào)波形uitOuotOUi–Ui－＋uiuoRCtui0tuo090°比例-微分運(yùn)算電路—PD調(diào)節(jié)器if上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。uoC1uiR2RF++––+–R1iRiCA7-1-5對(duì)數(shù)、指數(shù)運(yùn)算器LogarithmicOperationalAmplifierExponentialOperationalAmplifier一、對(duì)數(shù)運(yùn)算器－＋uiuoiCViiR對(duì)數(shù)放大器

改善方法：用對(duì)管消除IS的影響；用熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T的溫度影響。uiR1Rp－＋A1+－A2uoV1V2i1IRR＋UCCR3R2θ對(duì)管RTA圖7—15具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算器13因?yàn)閂1、V2有匹配對(duì)稱的特性，所以IS1=IS2，則(7—22)式(7—22)表明，用對(duì)管消除了反向飽和電流的不良影響，而且只要選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT,也可消除UT=kT/q引起的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性良好的對(duì)數(shù)運(yùn)算關(guān)系。二、指數(shù)（反對(duì)數(shù)）運(yùn)算器反對(duì)數(shù)（指數(shù)）運(yùn)算器－＋uiuoifRfiCRp等效框圖：三、乘法器(Multiplier)和除法器(Divider)基本原理：圖7—17乘法器和除法器(a)乘法器；(b)除法器u02u01u03比例運(yùn)算電路微積分運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路電壓跟隨器微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路反相求和電路同相求和電路差分電路其他運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路乘法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路小結(jié)7-1-6V/I變換和I/V變換一、電壓源—電流源變換電路(V/I變換)圖7-18V/I變換電路設(shè)R1R3=R2R4，則(7—24)可見，負(fù)載電流IL與ui成正比，且與負(fù)載ZL