第2章 模擬集成電路線性應用

1、2022年5月5日星期四1 2.1 模擬集成電路的基本放大電路模擬集成電路的基本放大電路 2.2 積分電路積分電路 2.3 微分電路微分電路 2.4 集成儀器放大器集成儀器放大器第第2章章 模擬集成電路的線性應用模擬集成電路的線性應用2022年5月5日星期四22.1.1 反相型放大器反相型放大器1.反相型放大器的理想特性反相型放大器的理想特性(1)基本型反相放大器基本型反相放大器利用理想集成運放的條件：利用理想集成運放的條件：虛短虛短和和虛斷虛斷，即，即 閉環(huán)增益閉環(huán)增益為為 121122ioFRRIRIRUUA12FRRA即即 2.1 模擬集成電路的基本放大電路模擬集成電路的基本放大電路圖圖

2、2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+ + + + + ui+ + uoR1R2i1i2iB-iB+u = u+ + ， iB = iB+ + 2022年5月5日星期四3輸入電壓與輸出電壓輸入電壓與輸出電壓之間的關系為之間的關系為 i12ouRRu或或 i12oURRU也稱也稱比例放大器。比例放大器。 當兩個電阻的比值為當兩個電阻的比值為1 1時，時，稱為稱為倒相器。倒相器。 等效輸入電阻等效輸入電阻為為 11111iieRIIRIUR等效輸出電阻等效輸出電阻為為 FARRd0oe1+圖圖2-1-1 基本反相放大器基本反相放大器+ + + + + ui+ + uoR1R2i1i2iB iB

3、+ +2022年5月5日星期四4理想條件下，理想條件下，(1+AdF)很大很大, ,Ro很小，很小， Roe0；一般一般R1、R2取值范圍為取值范圍為1k 1M ； 對于反相放大器必須設法提高其輸入電阻。對于反相放大器必須設法提高其輸入電阻。 說明說明：2022年5月5日星期四5(2)改進型反相放大器之一改進型反相放大器之一 目的：目的：提高輸入電阻。提高輸入電阻。 圖圖2-1-2 用用T型網絡型網絡代代 替替R2的反相放大器的反相放大器閉環(huán)增益閉環(huán)增益為為 避免使用超過避免使用超過1M 的大電阻。的大電阻。 特點特點：滿足滿足 Ri = R1 ； ioFUUA )(1f3f2f1f2f11R

4、RRRRR+ + + 2022年5月5日星期四6圖圖2-1-3 采用自舉采用自舉電路的反相放大器電路的反相放大器輸入電阻輸入電阻為為 IIUIUR 1iiii要使要使Ri增大，增大，設法使設法使Ii i減小。減小。 目的：目的：提高輸入電阻提高輸入電阻 (2)改進型反相放大器之二改進型反相放大器之二 2022年5月5日星期四73.反相型加法器反相型加法器 圖圖2-1-6 反相型加法器反相型加法器輸出電壓與輸入輸出電壓與輸入電壓電壓關系為關系為 ffoIRU 則輸出電壓為則輸出電壓為 nURRIRU1jijfffo可實現對輸入電可實現對輸入電壓的求和運算。壓的求和運算。 令令R1 R2 Rn R

5、 )(n1jjijf RUR2022年5月5日星期四82.1.2 同相型放大器同相型放大器 1.同相型放大器的理想特性同相型放大器的理想特性 利用理想集成運放的條利用理想集成運放的條件：件：虛短虛短和和虛斷虛斷 o211URRRU+ + 閉環(huán)增益閉環(huán)增益為為 ioFUUA 12F1RRA+ + 即即 圖圖2-1-7 基本同基本同相型相型放大放大器器u u+ + , , iB+ + iB U+ + Ui ,121211RRRRR+ + + + 2022年5月5日星期四9輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓關系為關系為i12o)1(URRU+ + 或或 i12o)1(uRRu+ + 稱之為同相稱之

6、為同相跟隨器。跟隨器。 圖圖2-1-8 同相跟隨器同相跟隨器在理想條件下在理想條件下 iiiIURuo ui 或或 Uo Ui Ro 0R1 斷開斷開(放大倍數為放大倍數為1)圖圖2-1-7 基本同相型基本同相型放大放大器器2022年5月5日星期四103.同相加法器同相加法器理想運放時理想運放時 feoeRRURU+ + 由以上三式得輸出電壓與輸入電壓關系為由以上三式得輸出電壓與輸入電壓關系為 + + n1jjijefePn21o)/(RURRRRRRRU圖圖2-1-10 同相型加法器同相型加法器U+ U 11jjP1jjij)11)( + + + + nnRRRUU2022年5月5日星期四1

7、1為了減小實際運放偏流引起的零位輸出，應選為了減小實際運放偏流引起的零位輸出，應選擇各電阻滿足擇各電阻滿足 Re/Rf Rp/R1/Rn 。輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓關系為關系為 n1jjijfoRURU若取若取R1 R2 Rn R n1jijfoURRU2022年5月5日星期四122.1.3 差動型放大器差動型放大器1.差動放大器理想特性差動放大器理想特性理想運放時理想運放時 i2434URRRU+ + + +o211i1212URRRURRRU+ + + + 當滿足匹配條件當滿足匹配條件 R3=R1、 R4=R2 時時輸入電壓與輸出電壓輸入電壓與輸出電壓關系為關系為 )(i1i2

8、12oUURRU 圖圖2-1-11 差動放大器差動放大器2022年5月5日星期四13由理想運放基本條件由理想運放基本條件可導出以下關系式可導出以下關系式mRUURUUAi1 mRUURUUBi2 + + +nRUUpRRUUmRUUOABAA + + + 圖圖2-1-12 增益可調增益可調的差動放大器的差動放大器3.增益可調差動放大器增益可調差動放大器I1 I3 ，I2 I4 ，UA UB m(Ui2 Ui1 ) ， I3 I5 + + I6 ，2022年5月5日星期四14)(11(2i1i2oUUpmmU + + + 通常選通常選 m n , , 所以所以當當m、n的的值選定后，只需調節(jié)值選

9、定后，只需調節(jié)(pR)一一個電位器即可調節(jié)差動放大器增益。個電位器即可調節(jié)差動放大器增益。 缺點：缺點：輸入電阻不高；輸入電阻不高； 增益與電位器阻值呈非線性關系。增益與電位器阻值呈非線性關系。 實用時，實用時，加補償電加補償電容容以提高以提高穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。圖圖2-1-12 增益可調增益可調的差動放大器的差動放大器I7 I4 + + I5 ，nRUpRRUUmRUUBBAB + + + + + +)(12(i1i2oUUpmnnmU + + + + 2022年5月5日星期四154. 高輸入阻抗差動放大器高輸入阻抗差動放大器第一級運放為第一級運放為同相放大器，同相放大器，其輸出電壓為其輸出電壓

10、為i1o11UmmU+ + 用疊加原理求第二用疊加原理求第二級運放的級運放的輸出電壓輸出電壓 因兩個輸入信號均從同相端因兩個輸入信號均從同相端輸入，所以輸入電阻比較高。輸入，所以輸入電阻比較高。 圖圖2-1-13 高輸入阻抗差動放大高輸入阻抗差動放大器器Uo (1 + + m)Ui2 mUo1 (1 + + m)(Ui2 Ui1)2022年5月5日星期四161.反相型積分器反相型積分器理想集成運放時理想集成運放時 (1)傳輸函數傳輸函數2.2 積分電路積分電路圖圖2-2-1 基基本反相型本反相型積分器積分器2.2.1 基本積分電路及其理想特性基本積分電路及其理想特性T = RC，T為積分時間常

11、數。為積分時間常數。 )()()()()()()(1122iosZsIsZsIsUsUsG RsCsZsZ1)()(12 sTsRC11 2022年5月5日星期四17(2)頻率特性頻率特性幅頻特性幅頻特性 為幅頻特性的交接頻率。為幅頻特性的交接頻率。 相頻特性相頻特性RCUUA j1)j (io T1)j ( RCGRC1T 2)( 2022年5月5日星期四18(3) 輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓的關系的關系oi1( )( )du tu ttRC 圖圖2-2-2 基本積分基本積分器的幅頻特性器的幅頻特性圖圖2-2-3 基本積分基本積分器的相頻特性器的相頻特性2022年5月5日星期四19

12、2.同相型積分器同相型積分器(1)傳輸函數傳輸函數I1 + + I2 I3 即即oi341/()UUUUURRSC+SCRRRURUU+434o3i11o211URRRU+U+=U ，若滿足電阻匹配條件，若滿足電阻匹配條件R1R4=R2R3，例如選取，例如選取R3=R1，R4=R2，則可導出，則可導出理想傳輸函數理想傳輸函數為為：sRCsG1)(2112RRRR+圖圖2-2-4 基本基本同相型積分器同相型積分器2022年5月5日星期四20(2)頻率特性頻率特性oi(j )UAU其中，其中，幅頻特性幅頻特性為為( )(j )GGRC1T為幅頻特性的交接頻率為幅頻特性的交接頻率 式中式中 相頻特性

13、相頻特性為為2)(3)輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓關系關系oi12( )( )du tu ttRC此積分器的波特圖與反相積分器相同。此積分器的波特圖與反相積分器相同。 1j RC1jRC T1RC2022年5月5日星期四213.差動型積分器差動型積分器(1)傳輸函數傳輸函數oi2i1( )( )( )( )U sG sUsUs取取R1=R2=R，C1=C2=C，即，即滿足匹配條件時有：滿足匹配條件時有：(2)輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓的關系的關系 oi2i11( )( )( )du tututtRC1( )G ssRC圖圖2-2-5 差動型積分器差動型積分器uo+ + + +

14、AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I12022年5月5日星期四222.2.5 典型積分電路典型積分電路圖圖2-2-10 比例積分電路比例積分電路1.比例積分電路比例積分電路輸出電壓輸出電壓為為 2oii111dRuu tuRCR uo+ + + +AR3R1R2Cui2022年5月5日星期四232.求和積分電路求和積分電路oi111duutR C 電路的各時間常數是分別確定的，它可用電路的各時間常數是分別確定的，它可用于對兩個以上的輸入信號積分相加。于對兩個以上的輸入信號積分相加。輸出電壓輸出電壓為為 圖圖2-2-11 求和求和積分電路積分電路uo+ + + +ARR2R1Cui2R3ui1u

15、i3i221dutR Ci331dutR C2022年5月5日星期四24理想傳輸函數理想傳輸函數為為 oi( )( )( )UsG sU s幅頻特性幅頻特性為為 T(j )GRCRC1T為幅頻特性的交接頻率為幅頻特性的交接頻率 2.3 微分電路微分電路頻率特性頻率特性為為 oi(j )jUARCU 2.3.1 基本微分器及其理想微分特性基本微分器及其理想微分特性圖圖2-3-1 基本微分器基本微分器式中式中 T=RC 為微分時間常數為微分時間常數 sRC -sT2022年5月5日星期四25相頻特性相頻特性為為 2)(圖2-3-2 基本微基本微分器的幅頻特性分器的幅頻特性圖圖2-3-3 基本微基本

16、微分器的相頻特性分器的相頻特性輸出電壓與輸入電壓輸出電壓與輸入電壓的關系的關系iod ( )( )du tu tRCt oi(j )jUARCU 2022年5月5日星期四261. 差動型的微分電路差動型的微分電路 傳輸函數傳輸函數為為 oi2i1( )( )( )( )UsG sUsUs頻率特性頻率特性為為 oi21(j)iUGUU圖圖2-3-9 幅頻特性幅頻特性式中：式中：T2=R2C , T1=R1C 當當 1時，增益為時，增益為 R2/R1，高于高于微分工作區(qū)增益微分工作區(qū)增益，為了降低其影響，為了降低其影響，可在兩個電阻上并聯小電容?？稍趦蓚€電阻上并聯小電容。 圖圖2-3-8 差動微分

17、電路差動微分電路21j1jR CR C+211sTsT+2.3.3 典型的微分電路典型的微分電路2022年5月5日星期四272.比例微分電路比例微分電路傳輸函數傳輸函數為為 oi( )( )( )U sG sU s圖圖2-3-10 比例微分電路比例微分電路2213()1sR CRsRCR +2022年5月5日星期四281.基本儀器放大器電路基本儀器放大器電路2. 工作原理工作原理(1)當當Ui1單獨作用單獨作用， 即即Ui2 = 0時時 i1121o1URRRU+i113o2URRU2.4 集成儀器放大器集成儀器放大器圖圖2-4-1 儀器放大器電路儀器放大器電路Ui2 = 0， UN = 02

18、022年5月5日星期四29(2)當當Ui2單獨作用單獨作用(Ui1= 0)時時 i2121o2URRRU+ i212o1URRU (3)當當Ui1、Ui2同時作用時同時作用時 o1o1o1UUU+o2o2o2UUU+Ui1 = 0， UM = 0圖圖2-4-1 儀器放大器電路儀器放大器電路122i1i211RRRUURR+133i2i111RRRUURR+2022年5月5日星期四30(4)儀器放大器的總輸出電壓及其增益儀器放大器的總輸出電壓及其增益當滿足電阻匹配條件，即當滿足電阻匹配條件，即 R5 = R4 , R7 = R6 , R3 = R2 輸出電壓輸出電壓 6oo2o14()RUUUR儀