模擬電子電路 模擬集成電路系統(tǒng)1

1、第七章第七章 模擬集成電路系統(tǒng)模擬集成電路系統(tǒng)Analog Integrated Circuit System1 1、集成運(yùn)放最早應(yīng)用于信號的運(yùn)算，所以被稱為、集成運(yùn)放最早應(yīng)用于信號的運(yùn)算，所以被稱為運(yùn)運(yùn)算放大器算放大器。2 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)、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。子系統(tǒng)的基本功能單元。 3. 3. 集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器集成運(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，能對各種模擬信號進(jìn)行比例、件等構(gòu)成閉環(huán)電路

2、后，能對各種模擬信號進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。除法等運(yùn)算。Aud 高高: 80dB140dB; Rid 高高: 105 1011 ;Rod 低低: 幾十幾十 幾百幾百 ; KCMR高高: 70dB130dB。( (a) )雙列直插式雙列直插式( (b) )圓殼式圓殼式( (c) )扁平式扁平式集成運(yùn)放的圖形符號集成運(yùn)放的圖形符號反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端uouu+udA+ 輸入方式輸入方式: 反相輸入反相輸入 同相輸入同相輸入 差分輸入差分輸入F00781723456100dB238

3、715 46uu+uo+UCCUEEF007F007的外部接線和管腳圖的外部接線和管腳圖集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器F 007圖圖 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器F007 電路原理圖電路原理圖集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 F 007整個(gè)電路共有整個(gè)電路共有24個(gè)晶體三極管，個(gè)晶體三極管， 10個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。 電電路有路有12個(gè)引腳，個(gè)引腳， 腳是反相輸腳是反相輸入端，入端， 腳是同相輸入端，腳是同相輸入端， 腳是輸出端，腳是輸出端， 腳是負(fù)電源腳是負(fù)電源端端（-15 V）， 腳是正電源腳是正電源端端（15 V），）， 腳與腳與腳之腳之間外接調(diào)零電位器，間外接調(diào)零電位

4、器， 腳與腳與腳接相位補(bǔ)償電容。腳接相位補(bǔ)償電容。 原理電路原理電路由由差動輸入級差動輸入級、 中間放大級中間放大級、 互補(bǔ)輸出級互補(bǔ)輸出級和和偏置電路偏置電路四部分四部分組成組成.12345678調(diào)零調(diào)零- -IN-IN+IN+IN-U-UCCCC+U+UCCCC調(diào)零調(diào)零+ +-U-Uo oNCNC預(yù)備知識預(yù)備知識2、集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)、集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)1、集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器包括：輸入級、中間級、輸包括：輸入級、中間級、輸出級和電流源電路出級和電流源電路3、理想集成運(yùn)放：、理想集成運(yùn)放： 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益Aud 差模輸入電阻差模輸入電阻Rid 差模輸出電阻

5、差模輸出電阻Rod 0 虛短虛短虛斷虛斷uoAuu- -u+ 工作在工作在線性區(qū)線性區(qū) 工作在工作在非線性區(qū)非線性區(qū)4. 集成運(yùn)放負(fù)反饋電路集成運(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)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

6、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還是共模信號，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)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)線性放大區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) 注意注意: “虛短路虛短路”原則原則Integrated Operational Amplifier 信號的運(yùn)算信號的運(yùn)算有源濾波電路有源濾波電路運(yùn)放線性應(yīng)用運(yùn)放線性應(yīng)用二二. . 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路一一. . 反相比例運(yùn)算電路反相

7、比例運(yùn)算電路21oiRuuR 21(1)oiRuuR 回顧回顧R2uiuoR1+ufAuAuuoR2R1ui1) 輸入電阻低RiR12) 輸出電阻低 Ro01) 輸入電阻高Ri2) 輸出電阻低 Ro03) 運(yùn)算放大器輸入端無共模信號3) 運(yùn)算放大器輸入端有共模信號采用采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路型反饋網(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。阻值太小，使輸入電阻太小。112Ruiii 3322RiRi 又又1322323RuRRiRRii 44220RiRiu )/1(342142RRRRRRAu 分析：分析：u+=u-=0（虛短）（

8、虛短） i1=i2 （虛斷）（虛斷）43221)(RiiRRui 4132121)(RRuRRRuRRuiii RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii7-1-1 相加器相加器 (Adder)一、反相相加器一、反相相加器直流平衡電阻直流平衡電阻123123()fffoiiiRRRuuuuRRR 因要求靜態(tài)時(shí)因要求靜態(tài)時(shí)u+、 u 對地電阻相同，對地電阻相同，保證保證靜態(tài)時(shí)輸入級的對稱靜態(tài)時(shí)輸入級的對稱性。性。所以所以平衡電阻平衡電阻 為為 R1 / R2 /R3 / RfAuuoRfR1uiR2AuuoRfR1R2考慮到考慮到VIO、IIO 、IIB輸入為零時(shí)

9、的等效電路輸入為零時(shí)的等效電路2IOIBP)2( RIIV f11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 解得誤差電壓解得誤差電壓 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可以消除偏置電流時(shí)，可以消除偏置電流 引起的誤差。引起的誤差。f12/ RRR RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii7-1-1 相加器相加器 (Adder)一、反相相加器一、反相相加器直流平衡電阻直流平衡電阻123123()fffoiiiRRRuuuuRRR 因要求靜態(tài)時(shí)因要求靜態(tài)時(shí)u+、 u 對地電阻相同，對地

10、電阻相同，保證保證靜態(tài)時(shí)輸入級的對稱靜態(tài)時(shí)輸入級的對稱性。性。所以所以平衡電阻平衡電阻 為為 R1 / R2 /R3 / Rf各支路電流分別為 ,)(,332111332211332211332211321333222111RRKRRKRRKXKXKXKyuRRuRRuRRuRuRuRuRuiiiiRuiRuiRuiRuifffifififoiiifoffofiii 式中 RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii當(dāng)R1=R2=R3=Rf 時(shí))(321iiioUUUU 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，完成試設(shè)計(jì)一個(gè)相

11、加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，的運(yùn)算，并要求對并要求對ui1、ui2的輸入電阻均的輸入電阻均100k。所以選所以選R1=150k，R2=100k，Rf=300k。 直流平衡電阻直流平衡電阻Rp=R1R2Rf=50k解解:例例1: 122,3ffRRRR 試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，的運(yùn)算，并要求對并要求對ui1、ui2的輸入電阻均的輸入電阻均100k。解解:例例1: +Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k- 例例2: 設(shè)計(jì)運(yùn)算電路。要求實(shí)現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運(yùn)算。解解: 此題的電路模式

12、是三個(gè)輸入信號的加法運(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，因此需加一級變號運(yùn)算電路。實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算的電路如下圖。111112312321112112341234()fffoiiifffffooiiiRRRUUUURRRRRRRRUUUUURRRRR 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=10k，則 R1 5 k ， R2 2 k ， R3= 1 0 k ，R1=R1R2R3Rf1，R2=R4Rf2=Rf2/2。1i1-Ruu 0 根據(jù)根據(jù)虛短虛短

13、、虛斷虛斷和和N點(diǎn)點(diǎn)的的KCL得：得：)()(1(22i11i21fORuRuRRRRu RRRuuuf o-2i2-Ruu （加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。RRRRRfp若)(21)( 22i11ifRuRuRuo 則有則有 R2 Rf R1 ui2 ui1 uO + R 二、同相相加器二、同相相加器(1)1i1-Ruu Ru 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N點(diǎn)點(diǎn)的的KCL得：得：)()(1(22i11i21fORuRuRRRRRu RRRuuuf o-2i2-Ruu （加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）RRRRRRfp若) (21)( 22i11ifRuRu

14、Ruo 則有則有缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。 R2 Rf R1 ui2 ui1 uO + R R 同相相加器同相相加器(2)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu )(2i2iF1i1iFouRRuRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+R2+Aui2uoRFui1Ri2Ri1+R1+A O1uf1i21RuR第一級反相比例第一級反相比例第二級反相加法第二級反相加法 Ouf 2012RuRf 2i12RuR（1）利用反相信號求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用反相信號求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 Ou即即f 2f1i221RRuRRf 2i12RuR當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)

15、22f11f RRRR ，得得Oi2i1uuu（減法運(yùn)算）（減法運(yùn)算）7-1-2 相減器相減器差動放大器差動放大器 Differential Amplifiers 從結(jié)構(gòu)上看，它是反從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。合的放大電路。fON1Ni1RuuRuu （2）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算3P2Pi20RuRuu i11fi23231f1O)(uRRuRRRRRRu 當(dāng)當(dāng),231fRRRR 則則)(i1i21fOuuRRu 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,1fRR 則則i1i2Ouuu 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N、P點(diǎn)的點(diǎn)的KCL得

16、：得：PNuu 7-1-3 積分器積分器（Integrator） 1oiujujj RC 輸出輸出uo的頻域表達(dá)式：的頻域表達(dá)式： 輸出輸出uo的時(shí)域表達(dá)式：的時(shí)域表達(dá)式： 1oiutu t dtRC uiuoRC積分器電路積分器電路1ccui dtC 0coicfuuuiiR 其中：其中：Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0 tuCRud1i1ouitOCRUUt1iOM0 積分飽和積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(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電路，由于充電電流基本上是恒定的，故的，故 uo

17、是時(shí)間是時(shí)間 t 的一次函數(shù)，從的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)輸出電壓隨時(shí)間線性變化間線性變化tCRU1i 積分電路舉例積分電路舉例圖 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，就組成將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成電路的輸出電壓電路的輸出電壓)d1(iF1i1F tuCRuRR )d1(1F1FtiCiR)(fFoCuiRu 上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分積分 這種運(yùn)算器又稱這種運(yùn)算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中常用于控制系統(tǒng)中, 以保證自控以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度

18、。改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變 RF 和和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。以滿足控制系統(tǒng)的要求。ifi1uoCFuiR2R1+RFA差動積分器差動積分器 111icutuuit dtdtCCR 211iocutuuutit dtdtCCR 121oiiutututdtRC R3ui2uoui1R1R1R3ui2uoui1RRCC iodututRCdt 輸出輸出uo的時(shí)域表達(dá)式：的時(shí)域表達(dá)式： 7-1-4 微分器微分器（Differentiator） 微分器電路微分器電路0ooRuuiRR ( )0iRCd u tiiCdt oiu

19、jj CRuj 輸出輸出uo的頻域表達(dá)式為：的頻域表達(dá)式為： uiuoRC當(dāng)輸入信號當(dāng)輸入信號vs為圖為圖a所所示的階躍信號時(shí)，在示的階躍信號時(shí)，在t=0時(shí)，輸出電壓為一時(shí)，輸出電壓為一有限值，隨著電容器有限值，隨著電容器C的充電，輸出電壓逐漸的充電，輸出電壓逐漸地衰減，最后趨于零。地衰減，最后趨于零。如圖如圖b所示。所示。SVsvto a svRCovIv Ii1i2i微微分分電電路路otov b圖 微分電路信號波形 tuCRuddio uitOuotOuiuoRCtui0tuo090tuisin)90sin(costRCtRCuotuCRuddi11i if上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的

20、比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分微分 控制系統(tǒng)中，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。的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。fFoiRu CRfiii )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+R1iRiCA7-1-5 對數(shù)、指數(shù)運(yùn)算器對數(shù)、指數(shù)運(yùn)算器Logarithmic Operational AmplifierExponential Operational Amplifier一、對數(shù)運(yùn)算器一、對數(shù)運(yùn)算器lnCoBETSiuuUI 1iCuiiR lnioTSuuUI R ui

21、uoiCViiR 對數(shù)放大器對數(shù)放大器改善方法：改善方法：用對管消除用對管消除IS的影響；用的影響；用熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T的溫度影響。的溫度影響。uiR1RpA1+A2uoV1V2i1IRR UCCR3R2對管對管RTA圖715具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)運(yùn)算器uiR1RpA1A2uoV1V2i1IRR UCCR3R2對管RTA131122112212131323lnlnln)1(SSCcTScTScTBEBEAAAAToIIiiUIiUIiUuuuuuuuRRRu 因?yàn)閂1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則(722)ln()1()1()(,lnln1232312211112RRuU

22、qkTRRRuRRRuRURuuUiIRuiiIUiiUuiCCTAToCCBEBECCCRiCCRTCCTA 式(722)表明，用對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)定性良好的對數(shù)運(yùn)算關(guān)系。 uiR1RpA1A2uoV1V2i1IRR UCCR3R2對管RTA 二、二、指數(shù)指數(shù)（反對數(shù)）運(yùn)算器（反對數(shù)）運(yùn)算器EBTofff CuUfSuR iR iR I e 反對數(shù)（指數(shù)）運(yùn)算器反對數(shù)（指數(shù)）運(yùn)算器 uiuoifRfiCRpEBiuu eiTuUoSfuI R 等效框圖：等效框圖：三、乘法器三、乘法器(Mu

23、ltiplier)和和 除法器除法器(Divider) 基本原理：基本原理：xyu uuuu對對數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算X對對數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算Y加加法法運(yùn)運(yùn)算算反反對對數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算lnuXuYlnuXlnYlnu+=ln（XuYu）XouY=ulnxyu ue (lnln)xyuue A1uo Kui1 ui2ui1“對數(shù)”“對數(shù)”“相加器”“反對數(shù)”(a)ui2A2A3A4A1uo Kui1“對數(shù)”“對數(shù)”“相減器”“反對數(shù)”(b)ui2A2A3A4ui1ui2RRRRRRRRR 圖717乘法器和除法器 (a)乘法器；(b)除法器u02u01u0321)(ln022103202101221)(lnlnlniiRIuuSSiiTSiTSiTuKueRIuRIuuUuRIuUuRIuUuSii 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路微積分運(yùn)算電路微積分運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路電壓跟隨器電壓跟隨器微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路加減運(yùn)