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

集成運算放大器的應(yīng)用3.集成運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、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸常用運算放大器外形圖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)扁平式集成運放的圖形符號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算放大器F007圖集成運算放大器F007電路原理圖集成運算放大器

F007整個電路共有24個晶體三極管，10個電阻和一個電容組成。電路有12個引腳，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腳接相位補償電容。原理電路由差動輸入級、中間放大級、互補輸出級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2、集成運放的兩種工作狀態(tài)1、集成運算放大器包括：輸入級、中間級、輸出級和電流源電路3、理想集成運放：?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.集成運放負(fù)反饋電路工作在線性區(qū)時，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，使運放工作在線性區(qū)，以實現(xiàn)各種不同功能。典型線性應(yīng)用電路包括各種運算電路及有源濾波電路。運放工作在線性工作區(qū)時的特點●

在非線性工作區(qū)，運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●在非線性區(qū)時，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，兩個輸入端的電流均為無窮小，即仍滿足“虛斷”條件運放工作在非線性工作區(qū)時的特點●為使運放工作在非線性區(qū)，一般使運放工作在開環(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集成運算放大器（IntegratedOperationalAmplifier）在基本運算中的應(yīng)用

信號的運算有源濾波電路運放線性應(yīng)用二.同相比例運算電路一.反相比例運算電路回顧－＋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)運算放大器輸入端無共模信號3)運算放大器輸入端有共模信號采用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，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u+、u–對地電阻相同，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。所以平衡電阻為R1//R2

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

、IIB輸入為零時的等效電路解得誤差電壓當(dāng)時，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u+、u–對地電阻相同，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。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時代數(shù)方程式可寫為:上式中比例系數(shù)為-1，實現(xiàn)了加法運算。試設(shè)計一個相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對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)計一個相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均≥100kΩ。解:例1:

+Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k-

例2:設(shè)計運算電路。要求實現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運算。解:此題的電路模式是三個輸入信號的加法運算。由于各個系數(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算電路。實現(xiàn)這一運算的電路如下圖。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點的KCL得：（加法運算）缺點：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點的KCL得：（加法運算）缺點：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，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：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，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：)(2i2iF1i1iFouRRuRRu+-=ui2uoRFui1Ri2Ri1+–R2+–Aui2uoRFui1Ri2Ri1+–R1+–A第一級反相比例第二級反相加法（1）利用反相信號求和以實現(xiàn)減法運算即當(dāng)時得（減法運算）7-1-2相減器差動放大器

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現(xiàn)減法運算當(dāng)則若繼續(xù)有則根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的KCL得：7-1-3積分器（Integrator）輸出uo的頻域表達(dá)式：輸出uo的時域表達(dá)式：－＋uiuoRC積分器電路其中：若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則–Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

uitO積分飽和線性積分時間uotO+Uo(sat)采用集成運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是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–UitCRU1i-=積分電路舉例圖基本積分電路的積分波形

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運算電路。電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分這種運算器又稱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)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。ifi1uoCFuiR2R1++––+–RFA差動積分器

－＋R3ui2uoui1R1R1R3－＋ui2uoui1RRCC輸出uo的時域表達(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vs為圖a所示的階躍信號時，在t=0時，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。圖微分電路信號波形uitOuotOUi–Ui－＋uiuoRCtui0tuo090°比例-微分運算電路—PD調(diào)節(jié)器if上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-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對數(shù)、指數(shù)運算器LogarithmicOperationalAmplifierExponentialOperationalAmplifier一、對數(shù)運算器－＋uiuoiCViiR對數(shù)放大器

改善方法：用對管消除IS的影響；用熱敏電阻補償U(kuò)T的溫度影響。uiR1Rp－＋A1+－A2uoV1V2i1IRR＋UCCR3R2θ對管RTA圖7—15具有溫度補償?shù)膶?shù)運算器13因為V1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則(7—22)式(7—22)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，實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性良好的對數(shù)運算關(guān)系。二、指數(shù)（反對數(shù)）運算器反對數(shù)（指數(shù)）運算器－＋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比例運算電路微積分運算電路反相比例運算電路同相比例運算電路電壓跟隨器微分運算電路積分運算電路加減運算電路反相求和電路同相求和電路差分電路其他運算電路指數(shù)運算電路對數(shù)運算電路乘法運算電路除法運算電路小結(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