电工电子技术 模拟集成电路及应用

第2章模拟集成电路及应用§2.1集成运算放大器§2.2放大电路中的负反馈§2.3集成运放的线性应用§2.4集成运放的非线性应用(6)§2.1集成运算放大器2.1.1集成运算放大器的组成输入端输出端输出级中间级输入级直接耦合高增益多级放大器uAlg20对输入级的要求：尽量减小零点漂移,输入阻抗ri尽可能大。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当ui等于零时，uo变化较大。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将信号淹没(1)直接耦合电路存在的特殊问题-零点漂移1.输入级零点漂移：当ui等于零时，uo波动。温漂：当ui等于零时，由于温度影响使uo波动。①结构特点：结构对称。(2)差动放大电路ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB+VCC②抑制零漂的原理uo=UC1-UC2=0uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0当ui1=ui2=0时：当温度变化时：+VCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2③信号输入方式+VCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2Ⅰ.共模输入信号ui1=ui2=uC（大小相等,极性相同）理想情况：ui1=ui2uC1=uc2uo=0AC=0但因两侧不完全对称，uo0uoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2Ⅱ.差模输入信号差模输入信号：ui1=-ui2=ud（大小相等，极性相反）+VCC共模电压放大倍数：（很小，1)CoCuuAuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2差模输入信号设AU1=AU2=Au，u01=Auui1。因uo2=Auui2，uo=uO1-uO2=Au(ui1-ui2)=2Auui1+VCC差模电压放大倍数：112122ouiduiiiuAuAAuuuⅢ.比较输入信号比较输入信号:两输入端的电压输入信号既非共模信号,又非差模信号.uoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui22,2121iiiciiiduuuuuuⅣ.共模抑制比(CMR)的定义例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBKCMR=KCMRR(dB)=(分贝)cdAAcdAAlg20对输入级的要求：尽量减小零点漂移,输入阻抗ri尽可能大,尽量提高KCMRR.输入端输出端输出级中间级输入级对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。1.集成运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAuo国际符号国内符号§2.1.2集成运放的符号和参数uo＋∞u+u-+CF741的管脚图(1)开环差模电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在104109之间。理想运放的Auo为。(3)共模抑制比KCMR常用分贝作单位，一般100dB以上。(2)差模输入电阻ridrid1M,有的可达100M以上。(4)输出电阻roro=几-几十。2.集成运放的主要参数理想运放：riKCMRro0Auo(5)输入失调电压UIO:反映差动输入级的不对称程度(10)最大差模输入电压UIDM(9)最大共模输入电压UICM(6)输入失调电流IIO(7)输入偏置电流IIB(8)输入失调电压温漂dUIO/dT3.集成运放的分类按用途分通用型低功耗型高精度、低漂移型高阻型§2.1.3集成运放的电压传输特性1.电压传输特性集成运放的电压传输特性是指开环时，输出电压与差模输入电压之间的关系。即:uo=Auo(u+-u-)=Auouidu+-u-=uid2.理想运放模型（1）“虚短”:运放两输入端的电位相等，即u+=u-。理想运放：ridKCMRro0Auo结论:（2）“虚断”:rid两输入端的输入电流为零，即i+=i-=0。u+―u-=uo/Auo=0u+=u-（2）运放工作在非线性区。3.分析运放电路的基本依据（1）运放工作在线性区。“虚短”和“虚断”u+-u-=uidu+＞u－时，uo=+Uomu+＜u－时，uo=－Uom虚断信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用§2.3集成运算放大器的线性应用作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。2.3.1比例运算电路0uu1ioFuuRR11oFuuRAuRuo_++RFR1R2uii1if(1)放大倍数虚短1、反相比例运算电路平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。R2=R1//RFu+u-i1=if虚断u-虚地2、同相比例运算电路u-=u+=ui1ioiFuuuRR1(1)FoiRuuR11oFufiuRAuR虚断虚短_++RFR1R2uiuoiiifu+u-_++uiuoiouuuu3、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。Auf=111oFufiuRAuR_++uiuo1Fiof1RRuuAuAuf=1例2.3.1图示电路中,R1=50kΩ,RF=100kΩ,ui=1V,求输出电压uo,并说明输入级的作用。111001250FoRuVR解：输入级为电压跟随器，输入电阻很高，起到减轻信号源负担的作用。uo1=ui=1VUo=作用：将若干个输入信号之和按比例放大。类型：同相求和和反相求和。2.3.2加法运算电路•1.反相求和运算电路因虚短,u–=u+=0Fo2i2i1i1iRuRuRu故得平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if)(2211iiFiiFouRRuRRuu+u-i-111iiuiR222iiuiR333iiuiRofFuiR123fiiiiiii三输入加法运算电路2.同相求和运算电路方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，1i2i1i2iuRRRu同理，ui2单独作用时1Fo)1(uRRu?u2i2i1i1i1Fo)1(uRRRRRu1i2i1i2i1F)1(uRRRRR))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–u+方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRuuRRu)1(1Fo平衡电阻：Ri1//Ri2=R1//RFu+))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuu+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–0,iiuu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：Ｒ１＝Ｒ２时？２.3.3减法运算电路－差动放大器_++R2R1R1ui2uoR2ui1u+u-i1ifi-i+2.3.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得i1=iftuCRuCddF1ituCddoFtuCRud1iF1otuCiCddFF1i1Ruiif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有oiF1od10tutuCRuCttd1ooiF10tutuCRtttui0tuo0输入方波，输出是三角波。应用举例1：例：试求图所示电路的uo与ui的关系式。解：toiioudtuRuRCu02211)0()11(1例2.3.4试求图所示电路的uo与ui的关系式。1ifuiiR1oFffuRiidtC1()FiiRuudtRRC解u–=u+=0RuioFtuCiidd1Fii1tuRCuiodd1、微分运算ui–++uoRR2i1iFC结论:1.输出信号与输入信号对时间的一阶微分成正比2.微分时间常数:RC2.3.5微分运算电路uit0t0uotuisin若输入：则：若输入为阶跃信号?tuituotRCuocos)90sin(0wtRC•定义:用来实现两个模拟信号电压相乘的电子器件.分类:按其内部结构可分为对数指数型乘法器和变跨导式乘法器。电路符号:§2.5模拟集成乘法器及其应用2.5.1除法运算电路ii1ii21212iuuRR22oiKuuR1212ioiuRuRKu→1212iuuRR2ooKuuR22oKuR21oiRuuRK注意:ui＜02.5.2平方根运算电路ii2ii11312iuuRR22oKuuR32oKuR3221oiRuuRKii1ii2运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u–)”分析给定运算电路的放大倍数。主要内容：集成运算放大器的基础知识组成、特点、参数、传输特性、线性、非线性、虚短、虚断线性应用各种运算理想运放模型（1）“虚短”:运放两输入端的电位相等，即u+=u-。理想运放：ridKCMRro0Auo结论:（2）“虚断”:rid两输入端的输入电流为零，即i+=i-=0。u+―u-=uo/Auo=0u+=u-（2）运放工作在非线性区。分析运放电路的基本依据（1）运放工作在线性区。“虚短”和“虚断”运放的线性范围很小，作为放大器必须采取措施使其满足线性放大要求。虚断u+＞u－时，uo=+Uomu+＜u－时，uo=－Uom小结比例运算放大器加法运算放大器减法运算放大器积分运算放大器集成运算放大器的线性应用微分运算放大器乘除，开方运算放大器