模拟集成电路的线性应用.ppt

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1、第2章模拟集成电路的线性应用,2.1模拟集成电路的基本放大电路,2.2积分电路,2.3微分电路,2.4集成仪器放大器,2.5动态校零型斩波放大器,2.1模拟集成电路的基本放大电路,反相放大器,同相放大器,差动放大器,2.1.1 反相放大器,1.反相放大器的理想特性,(1)基本型反相放大器,运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断,虚断,虚地,R3=R1/R 2,当 R1 R2 时，AF=-1,倒相器,闭环增益：,等效输入电阻：,Rie=R1,等效输出电阻：,特点：,1.为深度电压并联负反馈，,AF=R2/R 1,2.输入电阻较小，,3.uIC=0，CMRR的要求低,可忽略,输出电阻小,例：应用

2、741设计放大倍数等于10的反相放大电路，输入信号为0-0.8V。,R2,R3,i2,选择右图所示电路,(1)确定电源电压,（2）选择R2和R1,（3）选择R3,反相放大器在要求闭环增益AF很大时，要获得高的输入电阻有困难。,例如，要求Ri=100K，Af=-100，应选R1=100K，Rf=10M,当选用Rf=10M时，阻值稳定性差而不适用，故采用以下电路。,(2)改进型反相放大器,闭环增益：,uo,M,虚断,虚地,而uO=(i2Rf1+i3Rf2),i3=i2+i4uM=i2Rf1=i4Rf3,uo=i2Rf1+(i2+i4)Rf2=i2(Rf1+Rf2+,第一种：T型反馈电路,同样要求R

3、i=100K，Af=-100,则选R1=100K,Rf1=Rf2=100K,Rf3=1K,相当于Rf=10M,在电路中电阻阻值不必太高的情况下，可同时获得较高的电压增益和较高的输入电阻。,T型反馈电路的特点：,+,RP1,R1,R2,R,ui,A,第二种：自举电路反相放大器,+,A,R2,RP2,2R1,输出信号正反馈至输入端,缺点：噪声增大，不适用于低噪声放大电路,uo,2.反相放大器的实际特性,(1)实际的闭环增益,实际闭环增益略小,Ad影响实际运放与理想运放计算误差的大小,(2)实际等效输出电阻,信号频率较高时，输出阻抗有很大变化,2.反相放大器的实际特性,R2,(2)反相放大器的实际等

4、效输出电阻,反相放大器的输出电阻与集成运放的输出电阻相比，下降了1+AdF,3.反相加法器,RP,“虚断”,i1+i2+i3=iF,“虚地”，u-=0,所以：,当 R1=R2=R3=R 时，,完成下列运算:y=(a1+b2+c3),可增加输入端口数。,也可用叠加原理分析！,设计反相加法器，输入分别为Ui1=1V,Ui2=0.01V。要求Uo=-(Ui1+2Ui2)。,2.1.2 同相放大器,1.同相放大器的理想特性,(1)基本型同相放大器,闭环增益：,平衡电阻：R3=R1/R 2,等效输入电阻：,Rie=,等效输出电阻：,特点：,1.为深度电压串联负反馈，,AF=1R2/R 1,2.输入阻抗高

5、，,3.uIC=ui，CMRR的要求高,引起的误差不可忽略,输出阻抗小阻抗变换器,AF=1,同相跟随器,2.同相放大器的实际特性,(1)实际的闭环增益,实际闭环增益略小,Ad影响实际运放与理想运放计算误差的大小,(2)实际等效输入电阻（自学）,分析Ad、Rd、Ro不为理想条件,(3)等效输出电阻,3.同相加法器,“虚断”，i+=0：,其中：,“虚短”u+=u-,解得：,反相加法电路应用最广泛,2.1.3 差动放大器（减法运算）,1.差动放大器的理想特性,图2-1-11,利用虚短、虚断,uo=R2/R1(uI2 uI1),匹配条件：R3=R1，R4=R 2,差动放大器的输入电阻,对于反相端Ri=

6、R1对于同相端Ri=R3 R4,输入阻抗较低,易受信号源阻抗的影响,4.实用高输入阻抗的差动放大器,图2-1-13,应用:叠加原理,Rie=,3.增益可调的差动放大器,图2-1-12,推导过程自学：注意节点！,通常选定m=n，调pR一个电位器即可,应用集成运放设计差动放大电路,使其电路放大倍数为4-102,Ui1-Ui2=0.1V.,电路形式如右所示：,补充：运算电路的设计,例：用集成运放实现以下运算关系,解：,比较得：,选 RF1=20 k，得：R1=100 k，R3=15.4 k；,选 RF2=100 k，得：R4=100 k，R2=10 k。,2.2.1 基本积分电路及其理想特性,1.反

7、相积分器,2.2 积分电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为 uC(t0)时，则有,1.反相积分器,（1）输出电压与输入电压的关系,1.反相积分器,(2)传输函数,T=RC,积分时间常数,(3)频率特性,幅频特性,相频特性,图2-2-1,幅频特性,相频特性,波特图,图2-2-2,图2-2-3,积分电路应用A/D变换中的斜坡电压产生,输入参考电压为矩形波,t0,t1,UI,当 t t0 时，uI=0，uO=0；,当 t0 t t1 时，uI=UI=常数，,当 t t1 时，uI=0，uo 保持 t=t1 时的输出电压值不变。,即输出电压随时间而向负方向直线增长。

8、,积分时间常数决定积分的速度,10 k,10 nF,时间常数=R1Cf,=0.1 ms,设 uC(0)=0,=5 V,=5 V,积分电路产生三角波,2.同相积分器,(1)传输函数,“虚断”，i+=0：,2-2-6,可得u+的表达式2-2-7,“虚短”：,2-2-8,图2-2-4,若满足匹配条件：R3=R1，R4=R 2,2-2-9,(2)频率特性,幅频特性,相频特性,波特图,(3)输出电压与输入电压的关系,若：R1=R 2,3.差动积分器,(1)传输函数,若满足匹配条件：R1=R2=R，C1=C2=C,(2)输出电压与输入电压的关系,图2-2-5,2-2-15,缺点：时间常数（尤其电容）很难取

9、得匹配,2.2.2 UOS，IIB及其漂移对积分电路的影响,仅讨论UOS,IIB引起的误差,令ui 0,在节点M处，,i1=if+IIB,即使无输入电压，也会有输出电压，应选择UOS,IIB较小的运放,2.2.3 运放的增益和带宽对积分电路的影响,运放的开环增益为有限值，且与频率有关,由于是直接耦合方式，故运放的增益具有低通特性,2-2-17,当考虑开环增益的误差时，积分电路的实际传递函数与放大器的实际闭环增益具有相同的形式,再将2-2-17一起代入G(s)的表达式，当A01,RCT0时可近似为:,dB,运放开环频率特性,理想积分特性,图2-2-7积分电路的频率特性,A01,RCT0,O,图2

10、-2-8 积分电路对阶跃信号的瞬态响应,Uo(t),t,理想积分响应,时间滞后,O,Uo(t),t,实际积分响应,A0ui,实际积分响应,2.2.4 积分电路的保持误差,运放开环增益不稳定，使固定输出电压产生波动；有限A0和输入电阻使积分电容电压泄放；失调电压、电流及其漂移的影响。,O,uo,t,实际保持特性,理想保持特性,图2-2-9,影响保持误差的主要因素：C,2.2.5 几种典型的积分电路,1.比例积分电路,图2-2-10,2.2.5 几种典型的积分电路,1.比例积分电路,这种运算器又称 PI 调节器,改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,2.求和积

11、分电路,图2-2-11,3.改进型的一次积分电路(常用),1）让积分器稳定工作,接入反馈电阻Rf,2）C1有效抑制低频干扰信号的增益,设计一方波到三角波变换电路,方波频率为500HZ,幅度为5V,三角波的幅度绝对值为5V.,uo,2.3.1 基本微分器及其理想微分特性,2.3 微分电路,图2-3-1,由虚短及虚断性质可得 i1=if,(1)输出电压与输入电压的关系,(2)传输函数,图2-3-1,T=RC,微分时间常数,(3)频率特性,幅频特性,相频特性,波特图,图2-3-2,图2-3-3,2.3.3 几种典型的微分电路,2.差动型微分电路,图2-3-8,缺点：时间常数（尤其电容）很难取得匹配,

12、3.比例微分电路,1.改进型的微分电路(常用),+,A,uo,R1,ui,Cf,R,Rp,C,基本反相微分器高频干扰大，且工作很不稳定，容易自激。必须在输入端串入R1防止高频自激，并接反馈电容Cf减小不必要的高频增益,2.4 集成仪器放大器,在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。仪器放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪

13、声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。,仪器放大器的工作原理,uo,+,对A1和A2有,对A3有,改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数,2.4.2 集成仪器放大器的特性及应用,1、INA101超高精度集成仪器放大器,（1）主要特点,失调电压低：25V；,非线性小:0.002%,具有高的输入阻抗：1010,高的共模抑制比：106dB,失调电压温漂低：0.25V/C；,噪声小,2.4.2 集成仪器放大器的特性及应用,INA101有三个品种,INA101M,INA101P,INA101G,14脚双列直插封装,10脚金属圆帽封装,（2）电路框图及其引脚,（INA101P/INA101G）,（3）应用时的连接方法,（INA101M）,调整增益,失调电压调整端口,采用图2-4-3b完成输入失调电压调整。,图2-4-3b完成输入失调电压的调整，完成输出端的调零需要下图:,7脚,