模擬集成電路及實際有效應(yīng)用

內(nèi)容提要內(nèi)容提要介紹集成運算放大器的組成、工作原理、主要性能指標(biāo)、特性參數(shù)介紹集成運放的基本應(yīng)用電路及分析方法集成運放的模擬運算電路電壓比較器簡單介紹模擬乘法器及其應(yīng)用集成運算放大器的特點第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性集成運算放大器(OperationalAmplifier)，簡稱集成運放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路特點：增益高輸入電阻大、輸出電阻低共模抑制比高失調(diào)與漂移小輸入電壓為零時輸出電壓也為零適用于正、負兩種極性的輸入和輸出信號集成運算放大器的組成第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-總圖第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-輸入級T1-T9為差分輸入級T1、T3和T2、T4組成共集-共基組合差放T5-T7為改進型鏡像電流源作該級的有源負載，以提高電壓增益并完成單端-雙端輸出的轉(zhuǎn)換T8-T9為鏡像電流源，為輸入級提供偏置電流第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-中間級T16、T17和T13組成中間級T16為射極跟隨器T17為共射放大管，T13(B路)作為其有源負載該級電壓增益可達55dB以上，其輸入電阻很高，故對前級的影響較小第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-輸出級T14、T15及T18-T24等組成輸出級T24、T13(A路)及其作用T14、T20、T18、T19及其作用T15、R9及其作用R10和T21-T23的作用第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-偏置電路T12、R5、T11構(gòu)成主偏置電路，提供參考電流輸入級的偏置，注意存在的負反饋作用中間級的偏置輸出級的偏置？第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的原理電路-總結(jié)第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性運算放大器內(nèi)部電路的特點(一)集成運放的許多性能參數(shù)主要取決于差分輸入級的性能。集成運放的發(fā)展主要是以改進差分輸入級的性能為主要標(biāo)志中間級的主要作用是提供足夠高的電壓增益，應(yīng)有高輸入電阻。該級還常擔(dān)任電平移動的任務(wù)。多采用有源負載的共射電路第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性輸出級的主要要求是能向負載提供足夠的功率，輸出電阻要小，動態(tài)范圍要大。為了使用安全，一般還應(yīng)附有過載保護電路集成運放的組成及各部分特點(二)直流偏置電路的作用第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性集成運放的級間耦合均采用直接耦合方式電路中的二極管主要用于溫度補償、電平偏移、提供偏置電壓等，多使用三極管的發(fā)射結(jié)代替集成運放的符號及輸入、輸出信號集成運放有兩個輸入端，一個輸出端分別為反相輸入端與同相輸入端運放兩輸入端所加信號電壓之差即為差模輸入電壓。假定運放的共模抑制比極高，其共模輸出可以忽略，則運放的輸出與輸入函數(shù)關(guān)系可以表示為 。其中，為集成運放的開環(huán)差模電壓增益第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性uA741的外部連接2、3引腳分別為反相和同相輸入端6腳為輸出端7、4腳分別接正、負直流電源1、5腳之間接調(diào)零電位器8、9腳之間接校正電容第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性集成運算放大器的傳輸特性靜態(tài)時加入差模輸入電壓后輸入電壓增加到一定程度后故運放的傳輸特性大體上可分為線性區(qū)與飽和區(qū)第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性理想集成運放的技術(shù)參數(shù)第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性理想運放是指分析集成運放時將各種參數(shù)理想化此時的技術(shù)參數(shù)有：實際的集成運放無法達到理想指標(biāo)，但隨著工藝的改進，可在工程計算的簡化分析時將實際運放視為理想運放進行近似估算理想集成運放工作在線性區(qū)時的特點第一節(jié)：集成運算放大器的組成及基本特性集成運放工作在線性區(qū)時，輸入電壓與運放兩個輸入端的電壓間存在線性關(guān)系一般情況下，運放在線性區(qū)工作時都加有較深的負反饋。此時，亦可以使用虛短路和虛開路的分析方法輸入失調(diào)參數(shù)(一)輸入失調(diào)電壓在室溫及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，靜態(tài)(輸入電壓為零)時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端所加的補償電壓其大小反映了集成運放中電路的對稱程度和電平配合情況輸入偏置電流輸出電壓為零時兩輸入端靜態(tài)電流的平均值，即：第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)輸入失調(diào)參數(shù)(二)輸入失調(diào)電流輸出電壓為零時流入運放兩輸入端靜態(tài)電流之差，即：輸入失調(diào)電壓的溫漂對于雙極型運放，它反映了輸入級差動放大管的不對稱程度。一般希望其越小越好指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化率，即的溫度系數(shù)。是衡量運放溫漂的重要指標(biāo)第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)輸入失調(diào)參數(shù)(三)第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)輸入失調(diào)電流的溫漂指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)和不能用外接調(diào)零電路來補償輸入失調(diào)參數(shù)是限制運放能夠檢測微弱信號最小值的主要因素。因此，在對微弱信號的精密檢測、精密模擬運算和自動控制儀表中對運放的這類參數(shù)會有很高的要求差模特性參數(shù)最大輸出電流運放所能輸出的正向或負向的峰值電流最大差模輸入電壓運放兩輸入端所能承受的最大差模輸入電壓第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)開環(huán)差模電壓增益集成運放在無外加反饋情況下對差模信號的電壓增益開環(huán)帶寬BW下降3dB時的頻率單位增益帶寬運放的開環(huán)差模電壓增益下降至0dB時的頻率共模特性參數(shù)(一)共模抑制比集成運放開環(huán)差模電壓增益與共模電壓增益的比值，即：一般情況下，集成運放共模抑制比的頻響特性主要取決于差動輸入級共模抑制比的頻響特性，因而其共模抑制比也會隨頻率的增加而下降第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)共模特性參數(shù)(二)共模電壓增益最大共模輸入電壓運放輸入端所允許施加的共模輸入電壓的最大值。超過此值共模抑制比將明顯下降第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)運放輸入端加共模輸入電壓時的增益大信號動態(tài)特性(一)轉(zhuǎn)換速率(擺率)代表集成運放對大幅度階躍輸入信號的適應(yīng)能力，是在大信號條件下輸出電壓的最大變化率，即：是運放在大信號或高頻信號工作時的一項重要指標(biāo)。只有信號的變化速率的絕對值小于時，輸出才能隨輸入信號線性變化第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性(二)全功率帶寬表征運放在頻域中的大信號特性。設(shè)運放工作在線性狀態(tài)且輸入為正弦信號，在額定負載和全功率輸出時，能滿足的最高信號頻率即為全功率帶寬。即為：該式表示集成運放工作在大信號條件下時，時域特性與頻域特性之間的關(guān)系第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)電源特性及其它參數(shù)靜態(tài)功耗當(dāng)輸入信號為零時，運放消耗的總功率即為靜態(tài)功耗，顯然：電源電壓抑制比用來衡量電源電壓波動對輸出電壓影響的程度，通常定義為折合到輸入端的失調(diào)電壓變化與電源電壓變化的比值，即：此外還有輸出電阻、最大輸出電壓等指標(biāo)，其意義與一般電路的相同第二節(jié)：集成運算放大器的主要參數(shù)其他集成運算放大器簡介第三節(jié)：其他集成運算放大器簡介原理圖及分析略，請自行參照課本的說明學(xué)習(xí)其電路圖超高精度單片集成運算放大器OP177高速寬帶集成運算放大器LT1226MC14573CMOS集成運算放大器Bi_FET單片集成運算放大器集成運放的線性應(yīng)用(一)運放線性應(yīng)用時，工作在傳輸特性的線性區(qū)，此時其差模輸入電壓極小應(yīng)以集成運放作為基本放大電路配合外部反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成深度負反饋放大電路深度負反饋使運放的凈輸入趨近于零是保證運放工作于線性狀態(tài)的關(guān)鍵第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路集成運放的線性應(yīng)用(二)由于深度負反饋使運放的凈輸入近似為零，有：虛短路：運放兩輸入端的差模輸入電壓近似于零，即。此時運放兩輸入端可近似看成等電位，但不是真正的短路虛斷路：運放兩輸入端的輸入電流近似為零，即。此時運放兩輸入端可視為不取電流，但不是斷開虛短路與虛開路同時存在，并且可寫成第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路集成運放的非線性應(yīng)用運放的差模輸入電壓較大，工作在傳輸特性的限幅區(qū)，輸出電壓為或，輸入、輸出之間成非線性關(guān)系從電路角度看，集成運放處于無反饋(開環(huán))或正反饋的工作狀態(tài)，如電壓比較器第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路基本反相輸入放大電路電路結(jié)構(gòu)說明只要不是十分大，必滿足深負反饋的條件}特點：深負反饋下的輸入電阻輸出電阻反相輸入端為虛地點無共模輸入信號，對共模抑制比無特殊要求第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路直流補償電阻的原理靜止條件下：兩個輸入端偏流所產(chǎn)生的電壓：設(shè)溫度變化時的偏流變化相等輸出端沒有因溫度變化而產(chǎn)生的溫漂。且輸入級偏流的影響也相互抵消第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路T型反饋網(wǎng)絡(luò)的原理求電壓放大倍數(shù)和輸入電阻電壓并聯(lián)負反饋電路虛斷：虛地：第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路T型反饋網(wǎng)絡(luò)的特點在阻值不致太高的情況下，可同時獲得較高的電壓放大倍數(shù)和較高的輸入電阻但由于R4的引入使反饋系數(shù)減小，所以為保證足夠的反饋深度，應(yīng)選用開環(huán)增益更大的運放第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路基本同相輸入放大電路電路結(jié)構(gòu)說明}又稱為同相放大電路或同相比例運算電路特點：輸入電阻很高，輸出電阻電路不存在虛地點，集成運放有共模輸入電壓且與輸入電壓相同，因而對運放的共模抑制比有較高要求可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷焊S器第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路幾種常用的同相放大電路輸入端接有分壓電阻的同相放大電路第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路電壓跟隨器同反相運算電路-總結(jié)反相輸入同相輸入電路組成性能特點低低反相比例運算電壓并聯(lián)虛地輸入輸出電阻同相比例運算電壓串聯(lián)無虛地，共模輸入輸出電阻第四節(jié)：集成運算放大器的同相和反相放大電路加法運算電路-反相加法電路第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路電路結(jié)構(gòu)說明N為虛地點故電路具有反相相加的功能本電路中改變電阻(或)并不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系加法運算電路-同相加法電路電路結(jié)構(gòu)說明若直流電阻平衡，則可進一步簡化缺點：各輸入信號間相互影響，估算和調(diào)節(jié)麻煩輸入端的共模電壓較高第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路減法運算電路-差分輸入減法電路電路結(jié)構(gòu)說明應(yīng)用疊加定理及對同相輸入及反相輸入放大電路的分析方法進行分析第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路減法運算電路-反相求和減法電路電路結(jié)構(gòu)說明兩級的輸入與輸出關(guān)系可以分開計算的原因第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路基本積分電路(一)電路結(jié)構(gòu)說明第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路若使用傳輸函數(shù)表示：輸入電阻：基本積分電路(二)要保持正常的積分關(guān)系，對積分時間應(yīng)有所限制利用積分電路，把方波電壓變換為三角波電壓第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路同相輸入積分電路可使用拉式變換進行分析要求正反饋恰到好處第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路微分運算電路電路結(jié)構(gòu)說明根據(jù)虛地與虛斷的概念可得：上圖存在的問題：可能引起自激振蕩突變時可能使電路不能正常工作第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路基本對數(shù)運算電路利用半導(dǎo)體PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性，可以實現(xiàn)對數(shù)運算電路結(jié)構(gòu)說明由虛短路、虛開路可得：輸出電壓幅度不能超過0.7V，且要求輸入電壓為正，以保證晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)受溫度影響很大第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路集成對數(shù)運算電路選擇T1、T2參數(shù)對稱，，則R4應(yīng)具有正的溫度系數(shù)，以進行VT的溫度補償調(diào)節(jié)R3的值可使輸出電壓超過0.7V第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路指數(shù)運算電路電路結(jié)構(gòu)說明故該電路可以實現(xiàn)反對數(shù)運算為了消除溫度對運算精度的影響，也需要進行溫度補償?shù)谖骞?jié)：集成運算放大器的模擬運算電路利用指數(shù)、對數(shù)電路構(gòu)成其他運算第五節(jié)：集成運算放大器的模擬運算電路還可利用以上電路實現(xiàn)模擬信號的乘方、開方等運算，請自行思考實現(xiàn)方式分析誤差的意義第六節(jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響將集成運放看成理想增益器件時有：、、及其溫漂為零實際工作時，必然有運算誤差。分析這些誤差可以將所得結(jié)論作為選用運放和其它元件的依據(jù)分析每種特定應(yīng)用電路時起主要作用的參數(shù)：直流運算電路中，及其溫漂交流小信號電路中，及同、反相電路中，的不同影響常根據(jù)實際情況來決定應(yīng)考慮的參數(shù)類型，而將其它參數(shù)看成理想的閉環(huán)反相放大電路的直流或低頻等效模型第六節(jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響、為有限值引起閉環(huán)增益的誤差亦可推得增益相對誤差及反饋系數(shù)越大，產(chǎn)生的誤差越小說明忽略其它因素后的實際增益小于理想值第六節(jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響為有限值引起閉環(huán)增益的誤差和越大，產(chǎn)生的運算誤差越小第六節(jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響失調(diào)參數(shù)引起輸出電壓的誤差將左圖用戴維南定理和諾頓定理等效并進行分析，可得：和越大，及引起的誤差電壓也越大、對的影響可由調(diào)零電路予以補償?shù)诹?jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響運放的開環(huán)帶寬對閉環(huán)增益的影響設(shè)運放的開環(huán)增益函數(shù)只有一個極點起主導(dǎo)作用，則其開環(huán)電壓增益函數(shù)可寫成：信號頻率越高，產(chǎn)生的誤差也越大第六節(jié)：集成運算放大器參數(shù)對運算誤差的影響模擬乘法器簡介第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用：乘積系數(shù)理想乘法器的條件：輸入阻抗無窮大輸出阻抗為零乘積系數(shù)為常數(shù)有一個輸入為零時輸出為零，且無失調(diào)電壓、電流按照允許輸入信號的極性，模擬乘法器有單象限、二象限和四象限之分變跨導(dǎo)二象限乘法器的工作原理(一)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用變跨導(dǎo)型模擬乘法器利用輸入電壓控制差放差分管的發(fā)射極電路，使之跨導(dǎo)作相應(yīng)的變化，從而達到與輸入差模信號相乘的目的變跨導(dǎo)二象限乘法器的工作原理(二)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用可正可負，但必須大于零，故左圖為二象限模擬乘法器變跨導(dǎo)二象限乘法器的工作原理(三)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用的值必須小于左圖電路缺點：的值越小，運算誤差越大與有關(guān)，即受溫度變化的影響電路只能工作在二象限可回顧習(xí)題雙平衡四象限變跨導(dǎo)乘法器(一)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)說明雙平衡四象限變跨導(dǎo)乘法器(二)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用雙平衡四象限變跨導(dǎo)乘法器(三)第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用可通過上圖將左圖的雙端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵?，乘積系數(shù)可通過反饋電阻進行調(diào)節(jié)該電路的輸入信號最大值仍然受限模擬乘法器的應(yīng)用-乘方運算電路第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用-除法運算電路第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用左圖中，與必須是同相的，從而才能引入負反饋，使得電路正常工作利用深負反饋條件下的虛短路與虛開路，可得：由于的極性受限制，故該電路為二象限除法運算電路模擬乘法器的應(yīng)用-開方運算電路第七節(jié)：模擬乘法器及其應(yīng)用電壓比較器的基本特性電壓比較器(簡稱比較器)的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定其輸出是高電平還是低電平第九節(jié)：電壓比較器電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量，實際上是一位D/A轉(zhuǎn)換器，可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的接口電路工作于開環(huán)或正反饋下的集成運放具有比較功能，也可采用單片集成電壓比較器電壓比較器的兩個重要參數(shù)(一)線性區(qū)邊緣所對應(yīng)的兩個輸入電壓值的差值即為比較器的靈敏度越小，靈