6模拟集成电路原理及其应用.ppt

,6.2 差动放大器,6 模拟集成电路原理及其应用,6.3 集成运算放大器的组成,6.1 直流信号的放大,6.5 理想运放及运放基本组态,6.6 集成运算放大器的应用,*6.4 集成运算放大器的性能参数和模型,6.8 模拟乘法器,*6.7 实际集成运放电路的误差分析,集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,引言:,一、集成电路的简述,1.各元件在同一个芯片上，对称性好。,2.用有源元件代替无源器件,5.级间采用直接耦合方式,二、模拟集成电路的特点,6.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成；大电容要外接。,4.采用复合结构的电路,3.高阻值电阻用三极管代替或外接。,三、BJT在模拟集成电路的特殊应用,b,1、用BJT构成二极管,BJT,若电流源的电流越恒定,ro就越大,可得到高值电阻。,6.1 直流信号的放大,当有用信号ui=0时,会出现零点漂移,零点漂移的抑制须在多级放大电路的最前级（输入级）开始，作为输入级的放大电路应采用差动放大电路。,6.2 差动放大器,一、差动放大器的分类,1、按三极管的形式分为：BJT差动放大器和FET差动放大器；,2、按结构特点分为：基本型差动放大器、长尾型差动放大器和带恒流源型差动放大器；,基本型差动放大器,长尾型差动放大器,带恒流源型差动放大器,双端输入双端输出,双端输入单端输出,单输输入双端输出,单端输入单端输出,3、按输入输出端的接法分为：,带恒流源型差动放大器,以带恒流源型差动放大器为例,1、差模输入信号：,2、共模输入信号：,4、按输入信号可分为：,3、任意输入信号：,由有用信号决定的输入信号。,ui1=ui2=uic,由温度、干扰等引起的等效输入信号。,可分解为差模输入和共模输入的线性组合,其中：,例如：ui1=10mV,ui2=6mV,解：uic=(ui1+ui2)/2=8mV uid=ui1-ui2=4mV,ui1=mV+mV,ui=mV-mV,则原信号可分解为：,当差模和共模信号同时存在时,可由叠加原理求总输出,、差模电压放大倍数 Aud:,2、共模电压增益 Auc:,二、术语,对放大电路而言，其值越大越好。,对放大电路而言，其值越小越好。,3、共模抑制比KCMRR：,对放大电路而言，其值越大越好。,三、差动放大器的结构特点,由两个结构对称、,特性及参数相同的,单级放大电路组成。,恒流源提供直流偏置。,电路由正电源+C和 负电源-ee供电;,有两个输入端：,同相输入端、反相输入端,同相输入端,反相输入端,带恒流源型差动放大器,以带恒流源型差动放大器为例,四、长尾型差动放大器的分析,（一）、静态分析,直流通路为,（二）、动态分析,1、差模信号的动态分析,差模交流通道,(1)、步骤：原电路,对差模信号,差模交流通路,ue,差模动态分析步骤,差模微变等效电路,差模交流通路,差模交流通道,差模微变等效电路,差模动态分析步骤,差模交流通道,原电路,差模微变等效电路,原电路,差模交流通道,差模微变等效电路,差模动态分析步骤,(2).动态值的计算,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,差模电压放大倍数大,a.双端出的情况,b.单端出的情况,差模动态分析步骤,uo1 和 uo2 大小相等，且相位相反。,负载中点必为零电位。,差模交流通路,差模微变等效电路,原电路,思考：若在T1、T2的集电极接负载电阻RL，它的差模交流通路、差模微变等效电路、动态值如何？,RL,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,a.双端出的情况,b.单端出的情况,差模电压放大倍数,差模输入电阻,差模输出电阻,差模动态分析步骤,2、共模信号的动态分析,共模动态分析步骤,共模交流通道,(1)、步骤：原电路,对共模信号,共模交流通路,ue,共模动态分析步骤,共模交流通道,共模微变等效电路,共模动态值计算,同理：,a.双端输出的情况,b.单端输出的情况,ee越大，共模增益越小，抑制共模信号的能力越强。,（一）、静态分析,电路完全对称，,算一个管子即可,五、带恒流源型差动放大器的分析,1、差模信号双端输入情况的动态分析,（二）、动态分析,差模交流通道,(1)、步骤：原电路,对差模信号,差模交流通路,差模微变等效电路,差模交流通路,差模交流通道,差模微变等效电路,差模动态分析步骤,差模交流通路,差模微变等效电路,原电路,差模动态分析步骤,2、共模信号双端输入情况的动态分析,共模交流通道,(1)、步骤：原电路,对共模信号,共模交流通路,共模信号交流通路,共模交流通道,共模微变等效电路,共模动态值计算,T1管的共模微变等效电路,共模动态分析步骤,六、共模抑制比,例:Aud=-200 Auc=0.1,KCMRR=,KCMRR(dB)=,(分贝),则 KCMRR=20 lg(-200)/0.1=66 dB,双端输出时,理想时：,Auc=0,KCMRR,为衡量差动放大器,放大差模信号，抑制共模信号的能力，引入了,.共模抑制比,6.集成运算放大器的组成（简称：运放）,一、集成运算放大器的基本结构及符号,、基本结构,2、符号,国际标准符号,国内标准符号,同相输入端,反相输入端,-对直流信号、交流信号放大,1、对输入级的要求：尽量减小零点漂移、提高KCMRR（采用差分放大器）；输入阻抗Ri 尽可能大（采用复合三极管或场效应管）；通频带要宽（采用复合三极管）。,2、对中间级的要求：足够大的电压放大倍数（采用带有源负载的高增益放大器）。,3、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（采用互补功率放大器）。,二、对集成运放内部各级的要求,4、对直流偏置电流源的要求：提供稳定的几乎不随 温度而变化的偏置电流，以稳定工作点（采用高精度电流源）。,5、对各级之间连接要求：级间采用直接耦合方式。,三、集成运放的类型,1、通用型:性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广,允许有较大的输入电压等,如CF741等。,还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。,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1V左右,能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性,如CF75、CF7650等。,4、高阻型：输入电阻可达1012,如F55系列等。,四、集成运放内部结构举例，以BJTLM741为例,2.偏置电路：T10T11（微电流源）向T3、T4提供基极偏置电流；T8T9（镜像电流源）向T1、T2提供集电极偏置电流；T12T13（镜像电流源）,其中T13的路向输出级中的T14、T15复合管提供偏置电流,B路向中间级的T17提供偏置电流,同时有源负载,提高中间级电压增益,T22T23（镜像电流源）向T21提供集电极偏置电流。,3.中间级:由T16、T17组成，其中T16 为共集电极放大电路,提高输入电阻,它的基极接受由6传来的有用信号,作为中间级的输入端;T17为共射极放大电路,它的集电极负载为T13B组成的有源负载，可获得很高的电压增益并将放大的信号传到T24组成的缓冲级;通过T24的发射极又将信号传到输出级中的T20的基极,达到阻抗匹配的作用。,4.输出级:由T14、T20组成互补对称OCL功率放大电路;T18、T19向T14、T20的基极间提供偏压,从而消除功率放大电路的交越失真;T15、T21分别作为T14、T20的旁路,限制T14、T20的电流,从而保护功率管T14、T20。（正电源）（负电源）,1.输入级：由T1、T3和T2、T4组成共集-共基复合差分放大电路，提高输入电阻、共模抑制比，改善频率响应，其中T1T2为共集电路、T3T4为共基电路；由T5T7组成高精度电流源，向T3、T4提供集电极偏置电流，同时也作为T4的有源负载，提高输入极电压增益；由T4的集电极将输入信号传输到中间级做进一步的放大。（同相输入端）（反相输入端）,3,四、集成运放的外型封装结构,集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，如上图所示，金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。,一、理想集成运放的主要参数,1.开环电压放大倍数：Au；,2.输入电阻：i；,3.输出电阻：o0；,4.通频带宽：BW；,5.共模抑制比：KCMRR。,.理想运放及运放基本组态,二、理想运放的特点,.虚短,.虚断,0,Au越大，运放的线性范围越小，对于理想运放而言，当反相输入端和同相输入端不等时，输出电压是一个恒定的值，失去放大作用。必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Au=106，则|ui|=12V时，运放处于线性区。,线性放大区,三、运放的电压传输特性:,uo=f(ui)=f(u+-u-),当ui不等于零时，即当反相输入端的电压和同相输入端的电压不等时,形成输出电压uo；,（一）、反相输入放大组态,四、集成运的基本组态,i+=i-=0,放大倍数：,1、反相输入端对地之间无电阻的情况,u+=0,=u-,ii=if,R2=R1/Rf,平衡电阻:,i+=i-=0,电压放大倍数：,、反相输入端对地之间有电阻的情况,u+=0,=u-,ii=if(ii=if+in+i3),i3=0,结论：对反相输入的比例运算电路而言，反相输入端对地之间有无电阻，电压放大倍数都一样,R2=R1/R/Rf,平衡电阻:,(二)、同相输入放大组态,i+=i-=0,电压放大倍数：,1、同相输入端对地之间无电阻的情况,u+=ui,=u-,i1=if,i+=i-=0,电压放大倍数：,、同相输入端对地之间有电阻的情况,=u-,i1=if,结论：对同相输入的比例运算电路而言，同相输入端对地之间有无电阻，电压放大倍数不一样。,3、同相输入的比例运算电路的特例-电压跟随器,R1=,Rf=0,由同相输入的比例运算电路电压放大倍数，,可知：当,R1=,、Rf=0时，Au=1,从而可构成电压跟随器。,同相输入的比例运算电路,电压跟随器,特点：,6.6 集成运算放大器的应用,引言:信号运算电路的分析方法,方法一:利用同相输入和反相输入放大电路的放大倍数公式及叠加原理。,方法二:利用虚短、虚断的概念进行推导。,该法特点：计算量小且快捷，但不能适用于所有的 运放电路。,该法特点：推导、整理较繁琐，但适用于所有的运放 电路。,一、运放在信号运算的应用,1、减法运算电路,+,差动放大电路,ui1、ui2共同作用,ui1 单独共同作用,ui2 单独共同作用,当R1=R2=R3=R4时，uo=ui2-ui1,减法电路的特例,差分式放大电路,_差动放大组态,2、加法运算电路,(同相加法运算、反相加法运算电路),（1）、反相加法运算电路,+,ui1、ui2共同作用,ui1 单独共同作用,ui2 单独共同作用,当R1=R2=R3时，uo=-(ui1+ui2),（）、同相加法算运算电路,+,ui1、ui2共同作用,ui1 单独共同作用,ui2 单独共同作用,当R1=R2=R3=R4时，uo=ui1+ui2,例1：试求下图所示电路的电压uo,+,+,+,u0=u01+u02+u0 3+u04,解：,例2：试求下图所示电路的电压增益Au,u4,i1=i2,i+=i-=0,又 i2+i4=i3,解：,3、积分运算电路与微分运算电路,（一）、微分运算,由虚短概念可得：,由虚断概念可得：,（二）、积分运算,由虚短概念可得：,由虚断概念可得：,1、测量放大器,Rt：热敏电阻,集成化:测量放大器,Rt=f(T 0C),二、运放在信号放大及检测的应用,分析,根据虚短概念可得：,A2,A1,A3,运放A1、A2的反相输入端的电位分别为ui1、ui2,根据虚断概念可得：iR2=iR1、iR3=iR1,即R1 与两个 R2 构成串联，,2、可编程增益放大器,（）、放大器增益调整的原理,u0,增益可调的放大器,仅S1闭合时的等效电路,电压增益Au1=1,仅S闭合时的等效电路,仅S闭合时的等效电路,ui,ui,电压增益：,电压增益：,（2）、码控四段转换可编程增益放大器,译码器,模拟开关,当b1b0=00时，Y0选通，开关S1闭合，Au1=1；,当b1b0=01时，Y1选通，开关S2闭合，Au2=10；,当b1b0=10时，Y2选通，开关S3闭合，Au3=100；,当b1b0=11时，Y3选通，开关S4闭合，Au3=1000。,一阶有源低通滤波器,一阶有源高通滤波器,二阶有源低通滤波器,三 运算放大器在信号处理方面的应用,1、有源滤波器,u0,2、采样保持电路,（1）.采样保持电路在计算机测控系统的应用,().采样保持电路的原理图,模拟输入信号 vi,采样后的输出信号,采样保持后的输出信号,T 称为开关闭合、断开的动作周期或采样周期,(3).实用的采样保持电路的组成、工作原理,组成:采样保持电路由模拟开关K 和模拟信号存储电容 C 以及缓冲放大器等三部分组成。,模拟开关一般由结型场效应管或MOS场效应管组成，缓冲放大器则采用集成运算放大器。,工作原理：,当控制电压uC为正时，二极管D截止，T接通，电路处于采样状态，并向电容充电；,控制电压uC的波形为：,采样,保持,当uC为负时，D导通，T关断，i+0,电容基本不放电，u+=uc=uo=采样时刻对应输入电压值，电路处于保持状态。,3、电压比较器,(1)、过零比较器,过零比较器的应用实例将正弦波变为方波。,带双向限幅的过零比较器,(2)、单门限电压比较器,单门限电压比较器的应用原理图过压、欠压报警电路,D1发光表示ui UREF，即为过压报警,D2发光表示ui UREF，即为欠压报警,（）、双门限电压比较器（迟滞比较器）,特点：电路中使用正反馈，所以uo输出为Uom。,U+,.当uo=+Uom时,2.当uo=-Uom时,分析：利用叠加原理可得：,分别称UiH和UiL为上下门限电压。称(UiH-UiL)为回差电压。,当ui 增加到UiH时，输出由Uom跳变到-Uom；,当ui 减小到UiL时，输出由-Uom跳变到Uom。,传输特性：,小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。,例：R1=10k，R2=20k，OM=12V，VREF=9V,当H含干扰的输入 vi 为如图所示的波形时，画出输出vo的波形。,迟滞比较器的应用实例消除干扰，提取有用信号,上门限电压：,解：,下门限电压：,根据传输特性画输出波形图：,uo,4、波形产生电路,6.8 模拟乘法器,一、二象限模拟乘法器的结构及工作原理,1.结构及工作原理,2、特点及符号,模拟乘法器的符号,特点：,该模拟乘法器精度不高，且只能工作在vy为正值（vx为可正、负值）。故称为二象限乘法器。,二、模拟乘法器的应用,2、乘方运算电路,uo=Kui2,.平方运算电路,uo1=Kui2,uo2=K2ui3,uo=Kn-1uin,n次方运算电路,1、调制、解调电路,3、除法运算电路,4、开平方运算电路,