第6章-模擬集成電路及其應(yīng)用

第六章：模擬集成電路及其應(yīng)用鄧鋼denggang@內(nèi)容提要內(nèi)容提要介紹集成運(yùn)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(yùn)放的基本應(yīng)用電路及分析方法集成運(yùn)放的模擬運(yùn)算電路電壓比較器模擬乘法器的原理及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性集成運(yùn)算放大器(OperationalAmplifier)，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路特點(diǎn)：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(shí)輸出電壓也為零適用于正、負(fù)兩種極性的輸入和輸出信號(hào)集成運(yùn)算放大器的組成第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性u(píng)A741的原理電路第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性u(píng)A741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(fù)直流電源1、5腳之間接調(diào)零電位器第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性集成運(yùn)放的符號(hào)及輸入、輸出信號(hào)集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端分別為反相輸入端與同相輸入端運(yùn)放兩輸入端所加信號(hào)電壓之差即為差模輸入電壓。假定運(yùn)放的共模抑制比極高，其共模輸出可以忽略，則運(yùn)放的輸出與輸入函數(shù)關(guān)系可以表示為 。其中，為集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓增益第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性集成運(yùn)算放大器的傳輸特性靜態(tài)時(shí)加入差模輸入電壓后輸入電壓增加到一定程度后故運(yùn)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(yùn)算放大器的組成及基本特性理想集成運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性理想運(yùn)放是指分析集成運(yùn)放時(shí)將各種參數(shù)理想化此時(shí)的技術(shù)參數(shù)有：實(shí)際的集成運(yùn)放無(wú)法達(dá)到理想指標(biāo)，但隨著工藝的改進(jìn)，可在工程計(jì)算的簡(jiǎn)化分析時(shí)將實(shí)際運(yùn)放視為理想運(yùn)放進(jìn)行近似估算理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)第一節(jié)：集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸入電壓與運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓間存在線性關(guān)系一般情況下，運(yùn)放在線性區(qū)工作時(shí)都加有較深的負(fù)反饋。此時(shí)，亦可以使用虛短路和虛開路的分析方法，即：差模輸入電壓為零差模輸入電流為零集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)(一)輸入失調(diào)參數(shù)第二節(jié)：集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)輸入失調(diào)電壓輸入偏置電流輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電壓的溫漂輸入失調(diào)電流的溫漂差模特性參數(shù)最大差模輸入電壓最大輸出電流開環(huán)差模電壓增益開環(huán)帶寬BW()單位增益帶寬集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)(二)共模特性參數(shù)第二節(jié)：集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)共模抑制比最大共模輸入電壓共模電壓增益大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)換速率(擺率)全功率帶寬靜態(tài)功耗電源電壓抑制比輸出電阻、最大輸出電壓電源特性及其他參數(shù)MC14573CMOS集成運(yùn)算放大器及特點(diǎn)P溝道T3-T4為差分輸入級(jí)第三節(jié)：其他集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介N溝道T5-T6為有源負(fù)載P溝道T1、T2、T7為多路電流源T8、T7為有源負(fù)載共源放大電路輸入級(jí)和第二級(jí)具有高增益；輸出電阻較大器件互補(bǔ)的電平移動(dòng)功能易于消除襯底調(diào)制效應(yīng)缺點(diǎn)：工藝較復(fù)雜，占用芯片面積較大CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)：其他集成運(yùn)算放大器第三節(jié)：其他集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介原理圖及分析略，請(qǐng)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(yùn)算放大器OP177高速寬帶集成運(yùn)算放大器LT1226Bi_FET單片集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)放的線性應(yīng)用(一)運(yùn)放線性應(yīng)用時(shí)，工作在傳輸特性的線性區(qū)，此時(shí)其差模輸入電壓極小應(yīng)以集成運(yùn)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(fù)反饋放大電路深度負(fù)反饋使運(yùn)放的凈輸入趨近于零是保證運(yùn)放工作于線性狀態(tài)的關(guān)鍵第四節(jié)：集成運(yùn)算放大器的同相和反相放大電路集成運(yùn)放的線性應(yīng)用(二)由于深度負(fù)反饋使運(yùn)放的凈輸入近似為零，有：虛短路：運(yùn)放兩輸入端的差模輸入電壓近似于零，即。此時(shí)運(yùn)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(yùn)放兩輸入端的輸入電流近似為零，即。此時(shí)運(yùn)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(shí)存在，并且可寫成第四節(jié)：集成運(yùn)算放大器的同相和反相放大電路集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用運(yùn)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(yùn)放處于無(wú)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(yùn)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(fù)反饋的條件}特點(diǎn)：深負(fù)反饋下的輸入電阻輸出電阻反相輸入端為虛地點(diǎn)無(wú)共模輸入信號(hào)，對(duì)共模抑制比無(wú)特殊要求第四節(jié)：集成運(yùn)算放大器的同相和反相放大電路直流平衡電阻的原理靜止條件下：兩個(gè)輸入端偏流所產(chǎn)生的電壓：設(shè)溫度變化時(shí)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(jí)偏流的影響也相互抵消第四節(jié)：集成運(yùn)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(fù)反饋電路虛斷：虛地：第四節(jié)：集成運(yùn)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(diǎn)在阻值不致太高的情況下，可同時(shí)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(yùn)放第四節(jié)：集成運(yùn)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(yùn)算電路特點(diǎn)：輸入電阻很高，輸出電阻電路不存在虛地點(diǎn)，集成運(yùn)放有共模輸入電壓且與輸入電壓相同，因而對(duì)運(yùn)放的共模抑制比有較高要求第四節(jié)：集成運(yùn)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(yùn)算放大器的同相和反相放大電路電壓跟隨器同反相運(yùn)算電路-總結(jié)反相輸入同相輸入電路組成性能特點(diǎn)低低反相比例運(yùn)算電壓并聯(lián)虛地輸入輸出電阻同相比例運(yùn)算電壓串聯(lián)無(wú)虛地，共模輸入輸出電阻第四節(jié)：集成運(yùn)算放大器的同相和反相放大電路加法運(yùn)算電路-反相加法電路第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路電路結(jié)構(gòu)說明N為虛地點(diǎn)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(yùn)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(jìn)一步簡(jiǎn)化缺點(diǎn)：各輸入信號(hào)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(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路減法運(yùn)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(duì)同相輸入及反相輸入放大電路的分析方法進(jìn)行分析第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路-兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的高輸入阻抗減法電路第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路-反相求和減法電路電路結(jié)構(gòu)說明兩級(jí)的輸入與輸出關(guān)系可以分開計(jì)算的原因第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路例1當(dāng)R1、R2、R3、R4相等時(shí)，求輸出信號(hào)表達(dá)式第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路例2：三運(yùn)算電路-分析方法由虛短路及虛開路可得：R1、R2必須采用高精度電阻，且要精確匹配第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路例2：三運(yùn)算電路-特點(diǎn)及應(yīng)用是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可調(diào)由于輸入均在同相端，因而輸入電阻高例：溫度測(cè)量電路第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路例3例題基本積分電路(一)電路結(jié)構(gòu)說明第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)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(duì)積分時(shí)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(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路若輸入信號(hào)移相半周期？同相輸入積分電路可使用拉式變換進(jìn)行分析要求正反饋恰到好處第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路微分運(yùn)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(shí)可能使電路不能正常工作第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路利用半導(dǎo)體PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)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(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路電路結(jié)構(gòu)說明故該電路可以實(shí)現(xiàn)反對(duì)數(shù)運(yùn)算為了消除溫度對(duì)運(yùn)算精度的影響，也需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)谖骞?jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路利用指數(shù)、對(duì)數(shù)電路構(gòu)成其他運(yùn)算第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路還可利用以上電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的乘方、開方等運(yùn)算，請(qǐng)自行思考實(shí)現(xiàn)方式總結(jié)：對(duì)運(yùn)算電路的基本要求熟記反相放大、同相放大(含電壓跟隨器)、加減法、微分、積分等幾種基本運(yùn)算電路的電路圖及傳輸特性公式會(huì)對(duì)以上基本運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)后的輸出進(jìn)行計(jì)算并繪制相應(yīng)時(shí)域波形圖，必須考慮輸出限幅會(huì)用“虛短”、“虛斷”概念分析給定非標(biāo)準(zhǔn)電路的放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、輸入輸出的表達(dá)式等第五節(jié)：集成運(yùn)算放大器的模擬運(yùn)算電路模擬乘法器簡(jiǎn)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(wú)窮大輸出阻抗為零乘積系數(shù)為常數(shù)有一個(gè)輸入為零時(shí)輸出為零，且無(wú)失調(diào)電壓、電流按照允許輸入信號(hào)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(dá)到與輸入差模信號(hào)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(fù)，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(diǎn)：的值越小，運(yùn)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)閱味溯敵觯朔e系數(shù)可通過反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)該電路的輸入信號(hào)最大值仍然受限模擬乘法器的應(yīng)用-乘方運(yùn)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(yùn)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(fù)反饋，使得電路正常工作利用深負(fù)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(yùn)算電路模擬乘法器的應(yīng)用-開方運(yùn)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-例第七節(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(jiǎn)稱比較器)的功能是比較兩個(gè)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(shí)際上是一位A/D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(yùn)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(gè)重要參數(shù)(一)線性區(qū)邊緣所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸入電壓值的差值即為比較器的靈敏度越小，靈敏度越高靈敏度標(biāo)志著比較器對(duì)輸入信號(hào)電壓的分辨能力。為提高靈敏度，應(yīng)選擇開環(huán)增益大、失調(diào)與溫漂小的集成運(yùn)放或集成比較器構(gòu)成電壓比較器第九節(jié)：電壓比較器電壓比較器的兩個(gè)重要參數(shù)(二)右圖中稱為比較器的響應(yīng)時(shí)間越小響應(yīng)速度越快提高響應(yīng)速度的方法：運(yùn)放不加相位補(bǔ)償電容也可提高響應(yīng)速度第九節(jié)：電壓比較器比較器的輸出限幅電路第九節(jié)：電壓比較器通過在比較器的輸出端加一個(gè)由穩(wěn)壓管構(gòu)成的限幅電路，形成較穩(wěn)定、精確的輸出電平若要求比較器輸出高、低電平的絕對(duì)值不等，則可選用兩只特性不同的穩(wěn)壓管反向串聯(lián)使用分析電壓比較器電壓傳輸特性的要素電壓比較器的輸入電壓為模擬信號(hào)，輸出電壓只有兩種可能狀態(tài)。使輸出電壓發(fā)生跳變的輸入電壓稱為閾值電壓，或轉(zhuǎn)折電壓為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個(gè)要素：輸出電壓高、低電平數(shù)值閾值電壓的數(shù)值輸入電壓變化且經(jīng)過閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向第九節(jié)：電壓比較器過零電壓比較器第九節(jié)：電壓比較器將信號(hào)與零電平進(jìn)行比較的比較器為過零比較器若輸入信號(hào)為正弦波，則其輸出為方波精密全波整流器一般單限電壓比較器只有一個(gè)門限電平的比較器，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。可用于檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平第九節(jié)：電壓比較器滯回電壓比較器(一)電路結(jié)構(gòu)說明輸出限幅電