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文檔簡介
第四講模擬集成電路1.1
集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)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(shí)現(xiàn)不同用途的電路,例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算(加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開方等)、信號(hào)的處理(濾波、調(diào)制)以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多,可適用于不同的場合。集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。1.通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2.高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),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(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。
1.1.1集成運(yùn)算放大器的使用要點(diǎn)1.集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式,對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。(1)對(duì)稱雙電源供電方式運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端(地)的正電源(+E)與負(fù)電源(-E)分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。(2)單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位,如圖3.2.1所示。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。對(duì)于圖3.2.1交流放大器,靜態(tài)時(shí),運(yùn)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(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度,要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)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(duì)于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)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(yùn)放的自激振蕩問題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器,在接成深度負(fù)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補(bǔ)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(yùn)放的正、負(fù)供電電源的輸入端對(duì)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(yùn)放的四個(gè)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u(píng)A741為例,Avd=100dB即100000倍。fH
=10Hz,GBW=10×100000=1MHz。即該運(yùn)放的fT=1MHz。Avd(dB)ffHfTAvo若運(yùn)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(yùn)放所允許的輸出電壓Vo對(duì)時(shí)間變化率的最大值。若輸入一正弦波電壓,運(yùn)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(hào)的最高頻率對(duì)于uA741,若將連接成電壓跟隨器電路,若輸入信號(hào)為Vin=2V,f=100KHz的正弦信號(hào),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(hào)號(hào)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(xiàng)項(xiàng)指指標(biāo)標(biāo)表表示示了了集集成成運(yùn)運(yùn)放放對(duì)對(duì)共共模模信信號(hào)號(hào)((通通常常是是干干擾擾信信號(hào)號(hào)))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(biāo)標(biāo)在在微微弱弱信信號(hào)號(hào)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(shí)實(shí)際際場場合合,,存存在在著著共共模模干干擾擾信信號(hào)號(hào)。。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(hào)號(hào)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(hào)號(hào)。。為為了了使使輸輸出出信信號(hào)號(hào)的的有有用用信信號(hào)號(hào)((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(hào)號(hào),,這這時(shí)時(shí)要要求求該該運(yùn)運(yùn)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(hào)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(hào)號(hào)為干擾擾信號(hào)的的兩倍,,即:則運(yùn)放放的共模模抑制比比要求運(yùn)算算放大器器的共模模抑制比比大于120dB4.運(yùn)運(yùn)算放放大器的的應(yīng)用(1)反反相比例例運(yùn)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(huì)影影響阻值值的精度度;但RF也不能太太小,過過小會(huì)從從信號(hào)源源或前級(jí)級(jí)吸取較較大的電電流。運(yùn)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(yùn)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(hào),,共模輸輸入電壓壓為:ViC=Vi在應(yīng)用時(shí)時(shí),要求求運(yùn)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(yùn)運(yùn)放組成成的儀表表放大器器當(dāng)傳感器器工作環(huán)環(huán)境惡劣劣時(shí),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(hào)很很大,而而傳感器器輸出的的有用信信號(hào)又比比較小,,輸出阻阻抗又很很大,此此時(shí),一一般運(yùn)算算放大器器已不能能勝任,,這時(shí)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(duì)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(dòng)動(dòng)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(shí)時(shí),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(shí)現(xiàn),這這樣對(duì)儀用放大器的的CMRR影響響不大。。一實(shí)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(hào),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(yùn)算放放大器有有一合適適的靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn),即當(dāng)當(dāng)信號(hào)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(huì)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(jí)級(jí)信號(hào)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(duì)于用運(yùn)運(yùn)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(dòng)態(tài)范范圍,通通常使輸輸入端的的靜態(tài)工工作點(diǎn)V+=(R3/R3+R2)Vcc=Vcc/2靜態(tài)時(shí),,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(jí)級(jí)的正弦弦信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成半半波輸出出。當(dāng)(正半周)時(shí),D1導(dǎo)通,D2截止,輸出電壓:當(dāng)(負(fù)半周)時(shí),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(duì)對(duì)值電路路)如果需要要對(duì)小信信號(hào)進(jìn)行行絕對(duì)值值運(yùn)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(dāng)(正半周)時(shí),二極管D2截止,D1導(dǎo)通,故當(dāng)(負(fù)半周)時(shí),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)ιa(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)進(jìn)行監(jiān)視視與控制制時(shí),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(dāng)當(dāng)Vi>UH或Vi<UL時(shí),運(yùn)算放放大器A1或A2輸出高電平平,三極管
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