模拟电子电路模拟集成电路系统1.

第七章模拟集成电路系统AnalogIntegratedCircuitSystem1、集成运放最早应用于信号的运算，所以被称为运算放大器。2、随着集成运放技术的发展，目前集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域，它成为组成电子系统的基本功能单元。集成运算放大器的应用3.集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Aud高:80dB~140dB;Rid高:105~1011;Rod低:几十~几百;KCMR高:70dB~130dB。(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成运放的图形符号反相输入端同相输入端输出端uou－u+udA－+输入方式:•反相输入•同相输入•差分输入F00781723456100dB23871546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接线和管脚图集成运算放大器F007图集成运算放大器F007电路原理图集成运算放大器F007整个电路共有24个晶体三极管，10个电阻和一个电容组成。电路有12个引脚，②脚是反相输入端，③脚是同相输入端，⑥脚是输出端，④脚是负电源端（-15V），⑦脚是正电源端（＋15V），①脚与⑤脚之间外接调零电位器，⑧脚与⑨脚接相位补偿电容。原理电路由差动输入级、中间放大级、互补输出级和偏置电路四部分组成.12345678调零--IN+IN-UCC+UCC调零+-UoNC预备知识2、集成运放的两种工作状态1、集成运算放大器包括：输入级、中间级、输出级和电流源电路3、理想集成运放：►开环差模电压增益Aud→∞►差模输入电阻Rid→∞►差模输出电阻Rod→0虚短虚断－＋uoAuu-u+►工作在线性区►工作在非线性区4.集成运放负反馈电路•工作在线性区时，输入端满足“虚短”;“虚断”条件•线性应用电路中，一般都在电路中加入深度负反馈，使运放工作在线性区，以实现各种不同功能。典型线性应用电路包括各种运算电路及有源滤波电路。•运放工作在线性工作区时的特点●在非线性工作区，运放的输入信号超出了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和，输出电压为正向饱和压降UOH（正向最大输出电压）或负向饱和压降UOL（负向最大输出电压），如图所示●在非线性区时，由于Rid=∞，而输入电压总是有限值，所以不论输入电压是差模信号还是共模信号，两个输入端的电流均为无穷小，即仍满足“虚断”条件运放工作在非线性工作区时的特点●为使运放工作在非线性区，一般使运放工作在开环状态，也可外加正反馈●典型非线性应用电路包括各种比较器电路uiuo+UOH-UOL线性放大区饱和区注意:“虚短路”原则不成立！7-1集成运算放大器（IntegratedOperationalAmplifier）在基本运算中的应用信号的运算有源滤波电路运放线性应用二.同相比例运算电路一.反相比例运算电路21oiRuuR21(1)oiRuuR回顾－＋R2uiuoR1+－ufAu＋AuuoR2R1ui－1)输入电阻低Ri≈R12)输出电阻低Ro≈01)输入电阻高Ri≈∞2)输出电阻低Ro≈03)运算放大器输入端无共模信号3)运算放大器输入端有共模信号采用T型反馈网络的反相比例电路目的：在高比例系数时，避免R1阻值太小，使输入电阻太小。112Ruiii3322RiRi又1322323RuRRiRRii44220RiRiu)//1(342142RRRRRRAu分析：u+=u-=0（虚短）i1=i2（虚断）43221)(RiiRRui4132121)(RRuRRRuRRuiii－＋Rf＝R1＝R2＝R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3if∑ii′7-1-1相加器(Adder)一、反相相加器直流平衡电阻123123()fffoiiiRRRuuuuRRR因要求静态时u+、u–对地电阻相同，保证静态时输入级的对称性。所以平衡电阻为R1//R2//R3//Rf＋AuuoRfR1ui－R2＋AuuoRfR1－R2考虑到VIO、IIO、IIB输入为零时的等效电路2IOIBP)2(RIIVf11ONRRRVVNPVV)//)(2(f1IOIBRRIIIOV解得误差电压)//(21)//()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV当时，可以消除偏置电流引起的误差。f12//RRR－＋Rf＝R1＝R2＝R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3if∑ii′7-1-1相加器(Adder)一、反相相加器直流平衡电阻123123()fffoiiiRRRuuuuRRR因要求静态时u+、u–对地电阻相同，保证静态时输入级的对称性。所以平衡电阻为R1//R2//R3//Rf各支路电流分别为,,,)(,,,332111332211332211332211321333222111RRKRRKRRKXKXKXKyuRRuRRuRRuRuRuRuRuiiiiRuiRuiRuiRuifffifififoiiifoffofiii式中－＋Rf＝R1＝R2＝R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3if∑ii′当R1=R2=R3=Rf时)(321iiioUUUU代数方程式可写为:上式中比例系数为-1，实现了加法运算。试设计一个相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均≥100kΩ。所以选R1=150kΩ，R2=100kΩ，Rf=300kΩ。直流平衡电阻Rp=R1‖R2‖Rf=50kΩ解:例1:122,3ffRRRR试设计一个相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均≥100kΩ。解:例1:+Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k-例2:设计运算电路。要求实现y=2X1+5X2+X3的运算。解:此题的电路模式是三个输入信号的加法运算。由于各个系数由反馈电阻Rf与各输入信号的输入电阻的比例关系所决定，式中各系数都是正值，而反相加法器的系数都是负值，因此需加一级变号运算电路。实现这一运算的电路如下图。111112312321112112341234()fffoiiifffffooiiiRRRUUUURRRRRRRRUUUUURRRRR输出电压和输入电压的关系如下：Rf1/R1=2、Rf1/R2=5、Rf1/R3=1取Rf1=Rf2=R4=10kΩ，则R1＝5kΩ，R2＝2kΩ，R3=10kΩ，R’1=R1∥R2∥R3∥Rf1，R’2=R4∥Rf2=Rf2/2。1i1-Ruu0根据虚短、虚断和N点的KCL得：))()(1(22i11i21fORuRuRRRRu∥RRRuuufo-2i2-Ruu（加法运算）缺点：比例系数调节不方便。RRRRRfp∥∥若)(21)(22i11ifRuRuRuo则有R2RfR1ui2ui1uO+–R二、同相相加器(1)1i1-Ruu'Ru根据虚短、虚断和N点的KCL得：))(')(1(22i11i21fORuRuRRRRRu∥∥RRRuuufo-2i2-Ruu（加法运算）RRRRRRfp∥∥∥若)'(21)(22i11ifRuRuRuo则有缺点：比例系数调节不方便。R2RfR1ui2ui1uO+–R'R同相相加器(2)1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu反相加法运算电路的特点：)(2i2iF1i1iFouRRuRRuui2uoRFui1Ri2Ri1+–R2+–Aui2uoRFui1Ri2Ri1+–R1+–AO1uf1i21RuR第一级反相比例第二级反相加法Ouf2012RuRf2i12RuR（1）利用反相信号求和以实现减法运算Ou即f2f1i221RRuRRf2i12RuR当时22f11fRRRR，得Oi2i1uuu（减法运算）7-1-2相减器差动放大器DifferentialAmplifiers从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。fON1Ni1RuuRuu（2）利用差分式电路以实现减法运算3P2Pi20RuRuui11fi23231f1O))((uRRuRRRRRRu当,231fRRRR则)(i1i21fOuuRRu若继续有,1fRR则i1i2Ouuu根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：PNuu7-1-3积分器（Integrator）1oiujujjRC输出uo的频域表达式：输出uo的时域表达式：1oiututdtRC－＋uiuoRC积分器电路1ccuidtC0coicfuuuiiR其中：若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则–Uo(sat)ui=Ui0ui=–Ui0tuCRud1i1ouitOCRUUt1iOM0积分饱和线性积分时间uotO+Uo(sat)采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–UitCRU1i积分电路举例图基本积分电路的积分波形将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。电路的输出电压)d1(iF1i1FtuCRuRR)d1(1F1FtiCiR)(fFoCuiRu上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。ifi1uoCFuiR2R1++––+–RFA差动积分器111icutuuitdtdtCCR211iocutuuutitdtdtCCR121oiiutututdtRC－＋R3ui2uoui1R1R1R3－＋ui2uoui1RRCCiodututRCdt输出uo的时域表达式：7-1-4微分器（Differentiator）微分器电路0ooRuuiRR[()0]iRCdutiiCdtoiujjCRuj输出uo的频域表达式为：－＋uiuoRC当输入信号vs为图a所示的阶跃信号时，在t=0时，输出电压为一有限值，随着电容器C的充电，输出电压逐渐地衰减，最后趋于零。如图b所示。SVsvtoasvRCovIvIi1i2i微分电路otovb图微分电路信号波形tuCRuddiouitOuotOUi–Ui－＋uiuoRCtui0tuo090°tuisin)90sin(costRCtRCuotuCRuddi11i比例-微分运算电路—PD调节器if上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRuCRfiii)dd(i1Fi1FotuCRuRRuuoC1uiR2RF++––+–R1iRiCA7-1-5对数、指数运算器LogarithmicOperationalAmplifierExponentialOperationalAmplifier一、对数运算器lnCoBETSiuuUI1iCuiiRlnioTSuuUIR－＋uiuoiCViiR对数放大