模拟集成电路及其应用.

Chapter7模拟集成电路及其应用中国石油大学(华东)信息与控制工程学院Chapter6模拟集成电路及其应用2主要内容•集成运算放大器•放大电路中的负反馈•集成运算放大器的线性应用•集成运算放大器的非线性应用•模拟集成乘法器及应用•模拟集成功率放大器及应用Chapter6模拟集成电路及其应用3集成电路是60年代初期发展起来的，采用半导体制造工艺，在一小块硅的单晶片上制作具有特定功能的电子线路。集成电路分为：模拟集成电路与数字集成电路。在模拟集成电路中，运算放大器（早期用于模拟计算机的数学运算）发展最早，应用最广泛。随着集成技术与集成工艺的迅速发展，其他类型的模拟集成电路也取得了非常大的进展，如混频器、调制器、宽带放大器、高频放大器、功率放大器、电压比较器、A/D或D/A转换器等。关于集成电路Chapter6模拟集成电路及其应用4§7.1集成运算放大器运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器。因最初用于模拟运算中，故名曰“运算”放大器。它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。•运算放大器的组成•运算放大器的符号与主要参数•理想运算放大器•运算放大器分类Chapter6模拟集成电路及其应用5一、集成运算放大器组成中间级输入级偏置电路输出级ui+ui集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路。采用具有两个输入端子的差动放大电路提供增益，通常是共射组态的放大电路由带负载能力较强的互补推挽电路组成多数由恒流源电路组成Chapter6模拟集成电路及其应用6集成运放的基本结构输入级中间级输出级反相输入端同相输入端基本原理框图-UEE+UCCu＋uou－T3T4T5T1T2ISChapter6模拟集成电路及其应用71.零点漂移问题零点：放大器的输入为零时的输出电压。零点漂移：对于实际放大器，当放大电路没有外加信号时，输出端有缓慢变化电压输出。（1）产生零点漂移的原因：主要是温度对三极管的影响，又称“温漂”。（2）零点漂移的危害：使放大电路无法正常工作。（3）解决方法：输入级一般采用高性能的差动放大电路，来克服温度带来的零点漂移问题。Chapter6模拟集成电路及其应用82.差动放大电路抑制零点漂移的原理静态时：ui1=ui2=0，电路两边是完全对称的IC1=IC2=ICUO1=UO2=UC=VCC―IC·RCUO=UO1－UO2=0当温度发生变化时ΔIC1=ΔIC2，ΔUO1=ΔUO1，输出电压的漂移ΔUo=ΔUO1-ΔUO2=0，从而抑制了零点漂移。Chapter6模拟集成电路及其应用9二、集成运算放大器的符号与主要参数uou–u++–+Auo1.运算放大器的符号信号传输方向实际运放开环电压放大倍数输出端同相输入端反相输入端Chapter6模拟集成电路及其应用102.运算放大器的主要参数uou–u++–+Auo（1）开环差模电压放大倍数AuouuuAouo无外加反馈(开环)时的差模电压放大倍数。Auo越大，电路越稳定，运算精度也越高。一般为104～107。（2）开环共模电压放大倍数Aco反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aco应接近于零。（3）共模抑制比KCMR。综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。uuuid差模信号(Differential-modeSignal)2uuuic共模信号(Common-modeSignal)Chapter6模拟集成电路及其应用11（7）转换速率SR衡量集成运放对高速变化信号的适应能力，一般为几V／μs，若输入信号变化速率大于此值，输出波形会严重失真。（4）差模输入电阻rid差模信号作用下集成运放的输入电阻。uou–u++–+Auo（5）输入失调电压Uio为使输出电压为零，在输入级所加的补偿电压值。显然越小越好，一般为毫伏级。（6）失调电压温度系数ΔUio／ΔT。温度变化ΔT时所产生的失调电压变化ΔUio的大小，直接影响集成运放的精度，一般为几十μV／℃Chapter6模拟集成电路及其应用12（1）通用型性能指标适合一般性使用，如CF741等。（2）低功耗型静态功耗≤2mW，如XF253等。（3）高精度型失调电压温度系数在1μV／℃左右，能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如CF75、CF7650、OP07等。（4）高阻型输入电阻可达1012Ω，如F55系列等。还有宽带型、高压型等等。3.运算放大器的分类Chapter6模拟集成电路及其应用13三、集成运放的电压传输特性、理想模型和分析依据1.电压传输特性实际运放电压传输特性uouuOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区)(uoouuAu若Auo=106±UO(sat)=±15V则±UIM=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈uou–u++–+AuoChapter6模拟集成电路及其应用142.理想运放模型1）开环电压放大倍数2）开环输入电阻3）开环输出电阻4）共模抑制比ouAidr0orCMRRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：uou–u++–+Chapter6模拟集成电路及其应用153.分析运放电路的依据)(oouuAuu0)(oouAuuu运放工作在线性区时……相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。2）i+＝i–01）u+u–且uo为有限值，uoAidr∴u+u–uou–u++–+∴i+＝i–0Chapter6模拟集成电路及其应用16)(oouuAuuuouuOUO(sat)–UO(sat)“虚短“不再成立非线性区非线性区所以当”虚断“依然成立运放工作在非线性区时……当uuuuo(sat)oUu(sat)ooUu时，uou–u++–+时，2）i+＝i–01）u+u–Chapter6模拟集成电路及其应用17分析实例前提：运放工作在放大区Chapter6模拟集成电路及其应用18§7.2放大电路中的负反馈一、反馈的基本概念将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过反馈电路回送到输入端，与输入量（电压或电流）进行比较，从而影响放大电路的净输入信号，进而控制输出，这样的自动控制过程称为“反馈”。AoXiX无负反馈放大电路方框图1.反馈的定义Chapter6模拟集成电路及其应用19fidXXX带有负反馈放大电路的方框图—输入信号—净输入信号—反馈信号—输出信号dXiXfXoX若三者同相，ifidXXXXidXX电路为负反馈。则iXF+–fXdXAoX反馈电路Feedback基本放大电路比较环节Chapter6模拟集成电路及其应用202.反馈类型：从输出端看：反馈信号与输出电压成正比——电压反馈Xf=FUo反馈信号与输出电流成正比——电流反馈Xf=FIo从输入端看：反馈信号与输入信号串联后作用到基本放大器——串联反馈Xf(Uf)反馈信号与输入信号并联后作用到基本放大器——并联反馈Xf(If)四种：电压串联，电压并联电流串联，电流并联Chapter6模拟集成电路及其应用21ARSFIiIi′RLIf＋－IS＋－uo(a).......从输出端看：电压反馈AUSFUiIoRL＋－RS＋－Uo(b)Ui′＋－＋－Io＋－Uf..........从输入端看：并联反馈从输出端看：电流反馈从输入端看：串联反馈Chapter6模拟集成电路及其应用22二、负反馈放大电路的四种组态1.电压串联负反馈ui+–R1R2RF+–+–+RLud+–uf+–uo用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。净输入信号ifiduuuu为负反馈反馈电压取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。uf与ui在输入端以电压形式作串联比较，或者说两信号不加在同一输入端，故为串联反馈。反馈组态判别Chapter6模拟集成电路及其应用232.电压并联负反馈用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。净输入信号ifiduuuuӨ为负反馈反馈电压取自输出电压，并将其变化为电流，故为电压反馈。uf与ui在输入端以电流形式作并联比较，两信号加在同一输入端，故为并联反馈。反馈组态判别ӨChapter6模拟集成电路及其应用243.电流串联负反馈用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。净输入信号ifiduuuu为负反馈反馈电压取自负载RL电流，并与之成正比，故为电流反馈。uf与ui在输入端以电流形式作串联比较，两信号分别加在两输入端，故为串联反馈。反馈组态判别Chapter6模拟集成电路及其应用254.电流并联负反馈用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。净输入信号ifiduuuuӨӨ为负反馈反馈电压取自负载RL电流，并与之成正比，故为电流反馈。uf与if在输入端以电流形式作并联比较，两信号加在同一输入端，故为并联反馈。反馈组态判别Chapter6模拟集成电路及其应用26在输出端判断方法如下：若负载电阻短路时，反馈信号为零，此反馈为电压反馈；若反馈信号不为零，则为电流反馈。反馈信号直接从输出端引出，为电压反馈；从负载电阻RL靠近“地”端引出，是电流反馈。电压电压电流电流iOiOChapter6模拟集成电路及其应用27用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。净输入信号ifiduuuu为负反馈输入信号和反馈信号加在不同的输入端，为串联反馈。在输入端的判断方法如下：Chapter6模拟集成电路及其应用28净输入信号ifidiiii为负反馈iiifidiiifid输入信号和反馈信号均加在同一端，为并联反馈。用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。Chapter6模拟集成电路及其应用29电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈Chapter6模拟集成电路及其应用30例7.1指出反馈元件与反馈类型。解：反馈元件：Rf电压并联负反馈Chapter6模拟集成电路及其应用31反馈元件：A2电压并联负反馈Chapter6模拟集成电路及其应用32三、负反馈对放大电路工作的影响1.提高放大电路的稳定性doXXAofXXFfidXXXAFAXXA1iofFA1f开环放大倍数反馈系数引入负反馈后净输入信号引入负反馈后闭环放大倍数当A趋于无穷时可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。iXF+–fXdXAoX深度负反馈Chapter6模拟集成电路及其应用33负反馈改善了波形失真2.改善非线性失真加入负反馈无负反馈Auuiuo大小uf略大略小ufuduouiF+–Au略小略大ud接近正弦波采用电压反馈则稳定输出电压，采用电流反馈则稳定输出电流Chapter6模拟集成电路及其应用343.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和ro的影响riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流Chapter6模拟集成电路及其应用35电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈Chapter6模拟集成电路及其应用36思考题：为了分别实现：(a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流；(c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？Chapter6模拟集成电路及其应用37§7.3集成运算放大器的线性应用7.3.1比例运算电路7.3.2加法运算7.3.3减法运算7.3.4积分运算7.3.5微分运算Chapter6模拟集成电路及其应用38一、比例运算电路ifii1.反向比例运算电路fiii0uu1i1iiRuRuuiFFRuRuuioofi1ouRRuF1iofRRuuAFuFRRR//12由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数平衡电阻iouu1iofuuAu1FRR