模擬集成電路 (2)課件

第四講模擬集成電路1.1

集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開(kāi)方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多，可適用于不同的場(chǎng)合。集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。1．通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2．高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid＞（109~1012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。2．集成運(yùn)放的調(diào)零問(wèn)題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放，要采用外部調(diào)零方法。下面以mA741為例，圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖（b）是外部調(diào)零電路。3．集成運(yùn)放的自激振蕩問(wèn)題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器，在接成深度負(fù)反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補(bǔ)償?shù)氖褂秒娐贰Ａ硗?，防止通過(guò)電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)供電電源的輸入端對(duì)地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF~0.1mF）。如圖3.2.3所示。若運(yùn)放在應(yīng)用中接成閉環(huán)放大電路，其閉環(huán)放大電路的上限頻率fHF=GBW/AVFAvd(dB)ffHfTAvoAVFfHF(2)壓擺率（轉(zhuǎn)換速率）SR壓擺率SR表示運(yùn)放所允許的輸出電壓Vo對(duì)時(shí)間變化率的最大值。若輸入一正弦波電壓，運(yùn)算放大器輸出也應(yīng)是一正弦波電壓。則：若已知V0m，則在輸出不失真的情況下，輸入信號(hào)的最高頻率對(duì)于uA741，若將連接成電壓跟隨器電路，若輸入信號(hào)為Vin=2V，f=100KHz的正弦信號(hào)，其輸出波形如何？+-vinvo為了要求輸出不失真，則要求輸入信號(hào)的應(yīng)小于0.8V。vinvo則將其折合到輸入端的共模信號(hào)為：

Vicm=Vocm/Avc折合到輸入端的誤差電壓為：在上例中，若取輸入有用信號(hào)為干擾信號(hào)的兩倍，即：則運(yùn)放的共模抑制比要求運(yùn)算放大器的共模抑制比大于120dB4.運(yùn)算放大器的應(yīng)用（1）反相比例運(yùn)算電路R1RFRPRW10k該電路的電壓放大倍數(shù)輸入電阻：RiF=R1輸出電阻：R0F=0平衡電阻：RP=RF//R1該電路的電壓放大倍數(shù)不宜過(guò)大。反饋電阻RF一般小于1MΩ，RF過(guò)大會(huì)影響阻值的精度；但RF也不能太小，過(guò)小會(huì)從信號(hào)源或前級(jí)吸取較大的電流。運(yùn)算放大器的共模輸入電壓：ViC=0（2）同相比例放大器電路RFViV0該電路的電壓放大倍數(shù)輸入電阻：RiF=∞輸出電阻：R0F=0平衡電阻：RP=R1//RF由于運(yùn)算放大器在該電路中不是“虛地”，其輸入端存在著較大的共模信號(hào)，共模輸入電壓為：ViC=Vi在應(yīng)用時(shí)，要求運(yùn)算放大器的最大共模輸入電壓大于Vi的最大值。儀表放大器具有的特征是：具有高的輸入阻抗，低的偏置電流。平衡差動(dòng)輸入，高的共模抑制比。單端輸出，較低的輸出電阻。具有較小的失調(diào)電壓與漂移。改變一只外接電阻阻值或接線，即能改變放大器的增益。滿足以上要求的電路原理圖如下。R4=R5，R6=R7條件下，該電路的差模電壓放大倍數(shù)為：為了提高儀用放大器的共模抑制比（CMRR），要求相差盡可能小，一般選用金屬膜或線繞電阻。調(diào)節(jié)增益時(shí)，不要調(diào)節(jié)R4~R7這些電阻。如果希望調(diào)節(jié)增益，必須用改變電阻R2實(shí)現(xiàn)，這樣對(duì)儀用放大器的CMRR影響不大。一實(shí)際測(cè)量放大器電路:電容C1、C2、C3為隔直電容。該電路的交流電壓放大被數(shù)：AVF=1+RF／R2R1接地是為了保證運(yùn)算放大器有一合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，即當(dāng)信號(hào)輸入為零，輸出直流電位為零。放大器的交流輸入電阻：Ri=R1R1不能太大，否則會(huì)引入噪聲電壓，影響輸出。但也不能太小，否則將影響前級(jí)信號(hào)源輸出。一般選幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來(lái)確定。一般取C1=C3=（3~10）1／(2πRLfL)反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。注意電容在電路中的極性。為了提高交流放大器的輸入電阻，可采用下圖所示的自舉式同相交流放大器。該電路的電壓放大倍數(shù)仍為1+RF／R2；但由于反饋電壓VA與輸入電壓VB近似相等，故流過(guò)R1的電流近似為零，從而大大提高了放大器的交流電阻。②單電源供電的交流電壓放大器對(duì)于用運(yùn)算放大器組成的單電源供電的交流放大器如下：在下圖的反相交流電壓放大器中，R2、R3為偏置電阻。為了輸出獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，通常使輸入端的靜態(tài)工作點(diǎn)V+=(R3／R3+R2)Vcc=Vcc/2靜態(tài)時(shí)，放大器的輸出端的電位等于同相端的直流電位。（5）精密整流電路①半波整流電路精密整流電路，它可將毫伏級(jí)的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成半波輸出。當(dāng)（正半周）時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓:當(dāng)（負(fù)半周）時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓:②精密全波整流電路（絕對(duì)值電路）

如果需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算，可采用圖3.2.13所示電路。在電路中，電阻元件選擇R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。當(dāng)（正半周）時(shí)，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，故當(dāng)（負(fù)半周）時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，故輸出V0=5V。電路中A1、A2的輸入端所加的雙向嵌位二極管，其保護(hù)作用。圖中R3是一電阻，如需要，它可以是一個(gè)繼電器或指示燈（7）三角波—方波發(fā)生器

雖然產(chǎn)生三角波的電路很多，但用運(yùn)算放大器構(gòu)成的三角波發(fā)生器卻具有許多優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生波形的線性度好、穩(wěn)