模擬集成電路

第四講模擬集成電路1.1

集成運算放大器集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。集成運算放大器可分為如下幾類。1．通用型運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。2．高阻型運算放大器這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid＞（109~1012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

1.1.1集成運算放大器的使用要點1．集成運放的電源供給方式集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。（1）對稱雙電源供電方式運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。（2）單電源供電方式單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位，如圖3.2.1所示。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。對于圖3.2.1交流放大器，靜態(tài)時，運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。2．集成運放的調(diào)零問題由于集成運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度，要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運放，要采用外部調(diào)零方法。下面以mA741為例，圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖（b）是外部調(diào)零電路。3．集成運放的自激振蕩問題運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補償?shù)氖褂秒娐?。另外，防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運放的正、負供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF~0.1mF）。如圖3.2.3所示。4.集成運放的四個重要參數(shù)：(1)增益帶寬積（GBW)GBW=Avd.fH其中，Avd為中頻開環(huán)增益，fH為開環(huán)上限截止頻率。以uA741為例，Avd=100dB即100000倍。fH

=10Hz,GBW=10×100000=1MHz。即該運放的fT=1MHz。Avd(dB)ffHfTAvo若運放在應(yīng)用中接成閉環(huán)放大電路，其閉環(huán)放大電路的上限頻率fHF=GBW/AVFAvd(dB)ffHfTAvoAVFfHF(2)壓擺率（轉(zhuǎn)換速率）SR壓擺率SR表示運放所允許的輸出電壓Vo對時間變化率的最大值。若輸入一正弦波電壓，運算放大器輸出也應(yīng)是一正弦波電壓。則：若已知V0m，則在輸出不失真的情況下，輸入信號的最高頻率對于uA741，若將連接成電壓跟隨器電路，若輸入信號為Vin=2V，f=100KHz的正弦信號，其輸出波形如何？+-vinvo為了了要要求求輸輸出出不不失失真真，，則則要要求求輸輸入入信信號號的的應(yīng)應(yīng)小小于于0.8V。。vinvo(3)共共模模抑抑制制比比CMRR該項項指指標標表表示示了了集集成成運運放放對對共共模模信信號號（（通通常常是是干干擾擾信信號號））的的抑抑制制能能力力。。定定義義Avd為開開環(huán)環(huán)差差模模增增益益，，Avc為開開環(huán)環(huán)共共模模增增益益。。共共模模抑抑制制比比這這一一指指標標在在微微弱弱信信號號放放大大場場合合非非常常重重要要，，以以為為在在許許多多實實際際場場合合，，存存在在著著共共模模干干擾擾信信號號。。假設(shè)設(shè)某某一一放放大大器器的的差差模模輸輸入入信信號號Vidm為10uV，，而而放放大大器器的的輸輸入入端端存存在在著著10V的的共共模模干干擾擾信信號號。。為為了了使使輸輸出出信信號號的的有有用用信信號號（（差差模模分分量量））能能明明顯顯的的大大于于干干擾擾信信號號，，這這時時要要求求該該運運放放應(yīng)應(yīng)有有多多大大的的共共模模抑抑制制比比呢呢？？設(shè)該放大大器的輸輸出端的的共模電電壓為Vocm,則Vocm=Vicm.Avc則將其折折合到輸輸入端的的共模信信號為：：Vicm=Vocm/Avc折合到輸輸入端的的誤差電電壓為：：在上例中中，若取取輸入有有用信號號為干擾擾信號的的兩倍，，即：則運放放的共模模抑制比比要求運算算放大器器的共模模抑制比比大于120dB4.運運算放放大器的的應(yīng)用（1）反反相比例例運算電電路R1RFRPRW10k該電路的的電壓放放大倍數(shù)數(shù)輸入電阻阻：RiF=R1輸出電阻阻：R0F=0平衡電阻阻：RP=RF//R1該電路的的電壓放放大倍數(shù)數(shù)不宜過過大。反反饋電阻阻RF一般小于于1MΩΩ，RF過大會影影響阻值值的精度度；但RF也不能太太小，過過小會從從信號源源或前級級吸取較較大的電電流。運算放大大器的共共模輸入入電壓：：ViC=0（2）同同相比比例放大大器電路路RFViV0該電路的的電壓放放大倍數(shù)數(shù)輸入電阻阻：RiF=∞輸出電阻阻：R0F=0平衡電阻阻：RP=R1//RF由于運算算放大器器在該電電路中不不是“虛虛地”，，其輸入入端存在在著較大大的共模模信號，，共模輸輸入電壓壓為：ViC=Vi在應(yīng)用時時，要求求運算放放大器的的最大共共模輸入入電壓大大于Vi的最大值值。（3）由由三運運放組成成的儀表表放大器器當傳感器器工作環(huán)環(huán)境惡劣劣時，傳傳感器的的輸出存存在著各各種噪聲聲，且共共模干擾擾信號很很大，而而傳感器器輸出的的有用信信號又比比較小，，輸出阻阻抗又很很大，此此時，一一般運算算放大器器已不能能勝任，，這時可可考慮采采用儀表表放大器器（數(shù)據(jù)據(jù)放大器器、測量量放大器器）。例如用于于對溫度度、流量量、壓力力等物理理量的測測量，一一般傳感感器是利利用電阻阻或電容容的變化化，用電電橋把他他們轉(zhuǎn)換換成電壓壓的變化化，如圖圖。E輸出RXRRR儀表放大大器具有有的特征征是：具有高的的輸入阻阻抗，低低的偏置置電流。。平衡差動動輸入，，高的共共模抑制制比。單端輸出出，較低低的輸出出電阻。。具有較小小的失調(diào)調(diào)電壓與與漂移。。改變一只只外接電電阻阻值值或接線線，即能能改變放放大器的的增益。。滿足以上上要求的的電路原原理圖如如下。R4=R5，R6=R7條件下，，該電路路的差模模電壓放放大倍數(shù)數(shù)為：為了提高高儀用放放大器的的共模抑抑制比（（CMRR），，要求相差盡可可能小，，一般選選用金屬屬膜或線線繞電阻阻。調(diào)節(jié)節(jié)增益時時，不要要調(diào)節(jié)R4~R7這些電阻阻。如果果希望調(diào)調(diào)節(jié)增益益，必須須用改變變電阻R2實現(xiàn)，這這樣對儀用放大器的的CMRR影響響不大。。一實際測測量放大大器電路路:（4）交交流放大大器①雙雙電源供供電的交交流放大大器若只放大大交流信信號，可可采用同同相式交交流電壓壓放大器器（也可可用反相相式）。。電容C1、C2、C3為隔直直電容。。該電路路的交流流電壓放放大被數(shù)數(shù)：AVF=1+RF／R2R1接地是為為了保證證運算放放大器有有一合適適的靜態(tài)態(tài)工作點點，即當當信號輸輸入為零零，輸出出直流電電位為零零。放大大器的交交流輸入入電阻：：Ri=R1R1不能太大大，否則則會引入入噪聲電電壓，影影響輸出出。但也也不能太太小，否否則將影影響前級級信號源源輸出。。一般選選幾十千千歐。耦合電容容C1、、C3可可根據(jù)交交流放大大器的下下限頻率率fL來確定。。一般取取C1=C3=（3~10））1／(2πRLfL)反饋支路路的隔直直電容C2一般般取幾微微法。注注意電容容在電路路中的極極性。為了提高高交流放放大器的的輸入電電阻，可可采用下下圖所示示的自舉舉式同相相交流放放大器。。該電路路的電壓壓放大倍倍數(shù)仍為為1+RF／R2；但由于于反饋電電壓VA與輸入電電壓VB近似相等等，故流流過R1的電流流近似為為零，從從而大大大提高了了放大器器的交流流電阻。。②單單電源供供電的交交流電壓壓放大器器對于用運運算放大大器組成成的單電電源供電電的交流流放大器器如下：：在下圖的的反相交交流電壓壓放大器器中，R2、R3為偏偏置電阻阻。為了了輸出獲獲得最大大動態(tài)范范圍，通通常使輸輸入端的的靜態(tài)工工作點V+=(R3／R3+R2)Vcc=Vcc/2靜態(tài)時，，放大器器的輸出出端的電電位等于于同相端端的直流流電位。。電容C1、C2為隔直直電容，，有關(guān)C1、C2的選選擇有放放大器的的下限頻頻率fL決定。該該放大器器的電壓壓放大被被數(shù)AVF=RF／R1下圖是自自舉式同同相交流流放大器器（5）精精密整流流電路①半波波整流電電路精密整流流電路，，它可將將毫伏級級的正弦弦信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成半半波輸出出。當（正半周）時，D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓:當（負半周）時，D1截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓:②精密密全波整整流電路路（絕對對值電路路）如果需要要對小信信號進行行絕對值值運算，，可采用用圖3.2.13所示示電路。。在電路路中，電電阻元件件選擇R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。當（正半周）時，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，故當（負半周）時，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，故可見輸出出形成全全波整流流。同理理，若將將D1、、D2極極性反接接，可得得到輸出出極性相相反的全全波整流流。（6）通通用窗窗口比較較器在元件選選擇與分分類，或或?qū)ιa(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)場進進行監(jiān)視視與控制制時，窗窗口比較較器是很很有用的的。圖3.2.14所示示即是一一典型的的窗口比比較器電電路。其其中UH為上限限電壓壓，UL為下限限電壓壓，Vi為輸入入電壓壓；當當Vi>UH或Vi<UL時，運算放放大器A1或A2輸出高電平平，三極管