第2章 模擬集成電路的線性應用

2.1模擬集成電路的基本放大電路2.2積分電路2.3微分電路2.4集成儀器放大器2.5動態(tài)校零型斬波放大器第2章模擬集成電路的線性應用2/6/20231集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.1.1反相型放大器1.反相型放大器的理想特性(1)基本型反相放大器利用理想集成運放的條件：虛短和虛斷，即閉環(huán)增益為即2.1模擬集成電路的基本放大電路圖2-1-1基本反相放大器+-++-ui+-uoR1R2i1i2∞iB-iB+u-=u+，iB-=iB+

2/6/20232集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院輸入電壓與輸出電壓之間的關系為或也稱比例放大器。

當兩個電阻的比值為1時，稱為倒相器。

等效輸入電阻為等效輸出電阻為圖2-1-1基本反相放大器+-++-ui+-uoR1R2i1i2∞iB-iB+2/6/20233集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院①理想條件下，(1+AdF)很大,Ro很小，Roe≈0；②一般R1、R2取值范圍為1k～1M；

③對于反相放大器必須設法提高其輸入電阻。說明：2/6/20234集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)改進型反相放大器之一目的：提高輸入電阻。

圖2-1-2用T型網絡代替R2的反相放大器閉環(huán)增益為②避免使用超過1M的大電阻。特點：①滿足了Ri=R1不取大值；

2/6/20235集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院圖2-1-3采用自舉電路的反相放大器輸入電阻為要使Ri增大，設法使Ii減小。目的：提高輸入電阻

(2)改進型反相放大器之二2/6/20236集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.反相型放大器的實際特性分析Ad、Rd、RO不為理想條件時等效電路(1)反相放大器的

實際閉環(huán)增益圖2-1-4考慮了Ad、Rd和Ro的反相放大器電路或2/6/20237集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院式中AF反相放大器的實際閉環(huán)增益

AF0反相放大器的理想閉環(huán)增益

Ad集成運放的開環(huán)增益

F實際反饋系數(shù)，一般FF0F0理想反饋系數(shù)

2/6/20238集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)反相放大器的實際等效輸出電阻圖2-1-5輸出電阻等效計算電路等效輸出電阻是在無負載時輸出開路電壓UO除以短路電流Ik

Uo

=

Eo

-

RoIoEo

=

-Ad(U-

-

U+)2/6/20239集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院若考慮Ro<<R2、Ro<<R1，則當用阻抗代替電阻時當信號頻率<<n時，當信號頻率比較高時，其輸出阻抗將有很大變化。2/6/202310集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院3.反相型加法器圖2-1-6反相型加法器輸出電壓與輸入電壓關系為則輸出電壓為可實現(xiàn)對輸入電壓的求和運算。令R1=R2==Rn=R2/6/202311集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.1.2同相型放大器1.同相型放大器的理想特性利用理想集成運放的條件：虛短和虛斷

閉環(huán)增益為即圖2-1-7基本同相型放大器u-=u+,iB+=iB-

U+=Ui,2/6/202312集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院輸出電壓與輸入電壓關系為或稱之為同相跟隨器。

圖2-1-8同相跟隨器在理想條件下uo

=ui

或Uo

=Ui

Ro≈0R1斷開(放大倍數(shù)為1)圖2-1-7基本同相型放大器2/6/202313集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.同相型放大器實際特性Ad、Rd、Ro不為理想條件時的等效電路

(1)實際閉環(huán)增益或AF同相放大器的實際閉環(huán)增益；

AF0同相放大器的理想閉環(huán)增益；

Ad集成運放的開環(huán)增益；

F實際反饋系數(shù)，一般FF0。F0理想反饋系數(shù)；

Rd++--RoEoUo+-R2R1R3Ui+-IiU-U+圖2-1-9考慮了Ad、Rd和Ro的同相放大器電路2/6/202314集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)同相放大器等效輸入電阻輸入電壓與輸入電流之比即為等效輸入電阻Ui

=(R3+Rd)Ii

+

U-E0

=

IiRdAdRie

=[R3+Rd+R1//(R2+R0)](1+

AdF)≈Rd(1+

AdF)通常Rd

>>R3

，Rd

>>

(R2+R0)//R1

同相放大器的優(yōu)點：輸入電阻很高。(3)等效輸出電阻表達式與反相放大器等效輸出電阻表達式相同。2/6/202315集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院3.同相加法器理想運放時由以上三式得輸出電壓與輸入電壓關系為圖2-1-10同相型加法器U+

=

U-2/6/202316集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院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Re//Rf=Rp//R1//…//Rn。輸出電壓與輸入電壓關系為若取R1=R2=…=Rn=

R當考慮實際運放Ad、Rd、Ro后實際輸出電壓與輸入電壓的關系為2/6/202317集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院若取Re//Rf=Rp//R1//…//Rn

的條件

若同時取R1=R2=…=Rn=R有可見因Ad、Rd引起求和運算相對誤差為2/6/202318集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.1.3差動型放大器1.差動放大器理想特性理想運放時當滿足匹配條件R3=R1、R4=R2時輸入電壓與輸出電壓關系為圖2-1-11差動放大器2/6/202319集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.差動放大器實際特性分析Ad和ACM對放大特性影響，其余條件均為理想若取R1=R3，R2=R4再考慮到AdF0>>1，Ad>>ACM第一項為理想放大器的輸出電壓第二項為環(huán)路增益為有限值時引起誤差電壓第三項為共模增益引起誤差電壓2/6/202320集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院由理想運放基本條件可導出以下關系式圖2-1-12增益可調的差動放大器3.增益可調差動放大器I1=

I3，I2=

I4，UA-

UB=m(Ui2-

Ui1)，I3=

I5+

I6，2/6/202321集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院通常選m=n,所以當m、n的值選定后，只需調節(jié)(pR)一個電位器即可調節(jié)差動放大器增益。

缺點：①輸入電阻不高；②增益與電位器阻值呈非線性關系。實用時，加補償電容以提高穩(wěn)定性。圖2-1-12增益可調的差動放大器I7=

I4+

I5，2/6/202322集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院4.高輸入阻抗差動放大器第一級運放為同相放大器，其輸出電壓為用疊加原理求第二級運放的輸出電壓

因兩個輸入信號均從同相端輸入，所以輸入電阻比較高。圖2-1-13高輸入阻抗差動放大器Uo=(1+m)Ui2-

mUo1

=(1+m)(Ui2-

Ui1)2/6/202323集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院1.反相型積分器理想集成運放時(1)傳輸函數(shù)2.2積分電路圖2-2-1基本反相型積分器2.2.1基本積分電路及其理想特性T=RC，T為積分時間常數(shù)。2/6/202324集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)頻率特性幅頻特性

為幅頻特性的交接頻率。相頻特性2/6/202325集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(3)輸出電壓與輸入電壓的關系圖2-2-2基本積分器的幅頻特性圖2-2-3基本積分器的相頻特性2/6/202326集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.同相型積分器(1)傳輸函數(shù)I1+I2=I3即U+=U-，若滿足電阻匹配條件R1R4=R2R3，例如選取R3=R1，R4=R2，則可導出理想傳輸函數(shù)為：圖2-2-4基本同相型積分器2/6/202327集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)頻率特性其中，幅頻特性為為幅頻特性的交接頻率式中相頻特性為(3)輸出電壓與輸入電壓關系此積分器的波特圖與反相積分器相同。2/6/202328集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院3.差動型積分器(1)傳輸函數(shù)取R1=R2=R，C1=C2=C，即滿足匹配條件時有：(2)輸出電壓與輸入電壓的關系圖2-2-5差動型積分器uo+-+AR1C1Ui1I2C2R2Ui2I12/6/202329集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.2.2UOS、IB及其漂移對積分電路的影響輸出電壓為積分電容C值越小，產生的誤差越大；C值越大，誤差越小。圖2-2-6考慮了Uos、IB的積分電路2/6/202330集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.2.3集成運放的增益和帶寬對積分電路影響集成運放的開環(huán)頻率特性為T0—是集成運放的時間常數(shù)A0—是低頻增益當A0>>1,RC>>T0時，理想積分電路在實軸上僅有一個位于原點的極點，增益和帶寬為有限值積分電路在實軸上有兩個極點。實際積分器在低頻范圍內，因集成運放開環(huán)增益是有限值；在高頻范圍內，因帶寬又是有限值，所以都是不理想情況。積分電路的傳輸函數(shù)為2/6/202331集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院圖2-2-8積分電路的瞬態(tài)響應實用中，為獲得理想積分特性，積分響應在遠小于RC時間內結束或者輸出電壓的幅度遠小于極限值。圖2-2-7積分電路的頻率特性2/6/202332集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.2.4積分電路的保持誤差產生保持誤差的原因是：集成運放和積分電容某些特性。如①開環(huán)增益的不穩(wěn)定，會使積分電路固定輸出電壓產生波動；影響保持誤差的主要因素是積分電容，所以要根據實際應用的需要很好選擇和處理好積分電容。圖2-2-9積分電路的保持誤差②有限值A0和輸入電阻產生的泄漏電流使積分電容器電壓泄放；③電壓和電流的漂移。2/6/202333集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.2.5幾種典型的積分電路圖2-2-10比例積分電路1.比例積分電路輸出電壓為輸入失調電壓和輸入失調電流產生的誤差電壓為uo+-+AR3R1R2Cui2/6/202334集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.求和積分電路電路的各時間常數(shù)是分別確定的，它可用于對兩個以上的輸入信號積分相加。由輸入失調電壓和輸入失調電流所產生的誤差除比例項外，各積分項與上式相似。輸出電壓為圖2-2-11求和積分電路uo+-+ARR2R1Cui2R3ui1ui32/6/202335集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院3.重積分電路輸出電壓為由輸入失調電壓和輸入失調電流產生誤差電壓為圖2-2-12重積分電路uo+-+A2RRRC/2uiC/2R/2C2/6/202336集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院理想傳輸函數(shù)為幅頻特性為為幅頻特性的交接頻率2.3微分電路頻率特性為2.3.1基本微分器及其理想微分特性圖2-3-1基本微分器式中T=RC為微分時間常數(shù)=

sRC=

sT2/6/202337集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院相頻特性為圖2-3-2基本微分器的幅頻特性圖2-3-3基本微分器的相頻特性輸出電壓與輸入電壓的關系缺點：穩(wěn)定性差、高頻輸入阻抗低、高頻干擾大。2/6/202338集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.3.2微分器的實際微分特性1.實際頻響特性傳輸函數(shù)為Ad(s)—增益函數(shù)F(s)—反饋函數(shù)從上式看出，實際微分器傳輸函數(shù)是由一個理想微分器的傳輸函數(shù)和一個二階振蕩環(huán)節(jié)的傳輸函數(shù)構成。

2/6/202339集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院二階振蕩環(huán)節(jié)的傳輸函數(shù)

圖2-3-4實際微分器的幅頻特性幅頻特性

直線1為理想微分特性

曲線2為二階振蕩環(huán)節(jié)

曲線3為實際微分器的幅頻特性

曲線4為運放開環(huán)增益的幅頻特性

2/6/202340集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.實際微分器對斜坡輸入電壓的時域響應特性假設輸入電壓為負斜坡電壓ui(t)=-at(t≥0)理想的輸出響應函數(shù)為圖2-3-5微分器對斜坡輸入電壓的時間響應特性曲線1是理想輸出響應特性。曲線2是在理想的輸出響應aT上迭加了一個衰減振蕩響應。

由拉氏反變換得時域輸出響應為uo(t)=?-1[Uo(s)]=aT(t≥0)2/6/202341集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.3.3幾種典型的微分電路1.改進型的微分電路加入R1，自然頻率下降，阻尼比明顯增大，作用是消除自激，減小高頻諧振峰。并聯(lián)反饋電容Cf，作用是降低不必要高頻增益。

傳輸函數(shù)為假設則幅頻特性為圖2-3-6改進型的微分電路2/6/202342集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院圖2-3-7

改進型微分器的幅頻特性改進型微分器幅頻特性當<<時，為理想微分工作區(qū)，

當>>時，為非微分的高頻衰減區(qū)，

當=時，幅頻特性達到最大增益，

當<時，是理想微分工作區(qū)，

在<<時，其響誤差為

2/6/202343集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.差動型的微分電路傳輸函數(shù)為頻率特性為圖2-3-9幅頻特性式中：T2=R2C,T1=R1C

當<

1時，為理想微分工作區(qū)，

當>

1時，增益為R2/R1，高于微分工作區(qū)增益，為了降低其影響，可在兩個電阻上并聯(lián)小電容。

圖2-3-8差動微分電路2/6/202344集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院3.比例微分電路傳輸函數(shù)為圖2-3-10比例微分電路2/6/202345集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.4.1集成儀器放大器的工作原理1.基本儀器放大器電路2.工作原理(1)當Ui1單獨作用，即Ui2=0時2.4集成儀器放大器圖2-4-1儀器放大器電路Ui2=0，UN=02/6/202346集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)當Ui2單獨作用(Ui1=0)時(3)當Ui1、Ui2同時作用時

Ui1=0，UM=0圖2-4-1儀器放大器電路2/6/202347集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(4)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R5

=R4,R7

=R6,R3=R2

輸出電壓

儀器放大器增益為通常選R2～R6=R，只要調節(jié)R1，即可改變AI，調節(jié)增益很方便。儀器放大器是具有高增益、高增益精度、高共模抑制比、高輸入電阻、低噪聲、高線性度的集成放大器；主要應用于小信號放大。所以2/6/202348集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.4.2集成儀器放大器的特性及其應用1.INA101超高精度集成儀器放大器(1)主要特點失調電壓低：25V

失調電壓溫漂?。?.25V/oC

非線性?。?.002％噪聲小：13nV/共模抑制比高：106dB（60Hz）輸入電阻高：10102/6/202349集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(2)電路框圖及其引腳圖2-4-2INA101G/INA101P功能框圖與封裝引腳2/6/202350集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(3)應用時的連接方法圖2-4-3INA101基本應用電路輸出電壓為Uo=AI(Ui2

-

Ui1)外接RG調節(jié)增益：

2/6/202351集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院圖2-4-4INA101輸出部分調零電路改變R1、R2的比值，可以擴大調節(jié)范圍。2/6/202352集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.LH0038/LH0038C精密集成儀表放大器(1)基本特點能夠放大非常微弱的信號；能方便地將閉環(huán)增益由100調至2000；幾乎可以完美地跟蹤及有效地消除閉環(huán)增益隨溫度的變化；有極好的共模抑制比、電源電壓抑制比、增益線性度以及非常低的輸入失調電壓、失調電壓溫漂和輸入噪聲電壓等特性；采用16腳陶瓷密封雙列直插式封裝。2/6/202353集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院圖2-4-5LH0038/LH0038C功能框圖(2)功能框圖2/6/202354集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院(3)應用說明(a)防護驅動端圖2-4-6LH0038防護驅動端應用圖2-4-7遠程讀出的電路(b)遠程輸出讀出直接在負載端接通加緩沖器提高電流能力2/6/202355集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.5.1動態(tài)校零型斬波放大器的一般技術圖2-5-1斬波放大器采用的雙通道放大電路框圖若A1、A2的失調電壓分別為Uos1、Uos2，將其折算到輸入端，其等效失調電壓為2.5動態(tài)校零型斬波放大器主放大器輔助放大器則因失調電壓引起零位輸出電壓為Uo=-Ad1Uos1

-Uos2Ad2Ad12/6/202356集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.5.2動態(tài)校零型斬波放大器的工作原理圖2-5-2動態(tài)校零型斬波放大器原理圖斬波放大器工作過程分兩個工作期：①誤差檢測和記憶期

②校零和信號放大期2/6/202357集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院1.誤差檢測和記憶期當斬波開關S1、S2、S3同時打向“1”位置時在存貯電容C1上記憶了失調電壓。圖2-5-2動態(tài)校零型斬波放大器原理圖Uo1=Ad1(Uos1

-Uc1)Uo2=Uc1=Ad2(Uo1

+Uos2)2/6/202358集成電路原理及應用山東理工大學電氣與電子工程學院2.校零和信號放大期當斬波開關S1、S2、S3同時打向“2”位置時存貯電容C2上的保持電壓為完成了零位校正和信號放大。

運放A1的失調電壓對輸入電壓影響被降低了（1+Ad1Ad2）倍。Uo=Ad1(Ui

+Uos1-Uc1)+