《模擬集成電路系統(tǒng)》PPT課件.ppt

1、第7章 模擬集成電路系統(tǒng),7 1 集成運算放大器在基本運算中的應用 7 2 有源RC及開關電容濾波器 7 3 集成運算放大器精密二極管電路 7 4 電壓比較器及弛張振蕩器 7 5 模擬開關 7 6 集成運算放大器選擇指南,71 集成運算放大器在基本 運算中的應用,711 相加器 集成運算放大器可構成信號“相加”電路。 一、反相相加器 使用反相比例放大器可構成反相相加器，如圖71所示。因為運放開環(huán)增益很大，且引入并聯(lián)電壓負反饋，點為“虛地”點，所以,圖71反相相加器,又因為理想運算放大器，Ii=i-=0,即運放輸入端不索取電流，所以反饋電流 if 為 if=i1+i2+i3,若if=i1+i2+

2、i3 =R,則,(71),(72),例1 試設計一個相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均100k。 解 為滿足輸入電阻均100k，選R2=100k，針對,所以選Rf=300k，R2=100k,R1=150k。,實際電路中，為了消除輸入偏流產生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一直流平衡電阻Rp,并令Rp=R1R2Rf=50k，如圖72所示。,圖72 滿足例1要求的反相相加器電路,二、同相相加器 所謂同相相加器，是指其輸出電壓與多個輸入電壓之和成正比，且輸出電壓與輸入電壓同相。電路如圖73所示。根據同相比例放大器原理，運放同相端與反相端可視為“虛短路

3、”，即 U+=U- 其中U+等于各輸入電壓在同相端的疊加，U-等于uo在反相端的反饋電壓Uf。,圖73 同相相加器電路,(73),(74),712相減器(差動放大器) 相減器的輸出電壓與兩個輸入信號之差成正比。這在許多場合得到應用。要實現(xiàn)相減，必須將信號分別送入運算放大器的同相端和反相端，如圖74所示。我們應用疊加原理來計算。首先令ui2=0,則電路相當于同相比例放大器，得,(75),(76),(77),(78),圖74 相減器電路,例2 利用相減電路可構成“稱重放大器”。圖75給出 稱重放大器的示意圖。圖中壓力傳感器是由應變片構成的惠斯頓電橋，當壓力(重量)為零時，Rx=R，電橋處于平衡狀態(tài)

4、，ui1=ui2,相減器輸出為零。而當有重量時，壓敏電阻Rx隨著壓力變化而變化，從此電橋失去平衡， ui1 ui2,相減器輸出電壓與重量有一定的關系式。試問，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關系。,圖75稱重放大器,圖76稱重放大器的簡化圖,解 圖75的簡化電路如圖76所示。圖中,那么,(79),713 積分器 所謂積分器，其功能是完成積分運算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。 根據反相比例放大器的運算關系，該電路的輸出電壓的頻域表達式為,(710),或復頻域的傳遞函數(shù)為,積分器的傳輸函數(shù)為,圖77 積分器電路,傳輸函數(shù)的模,附加相移,(712a),(712b),畫出理想積分器的頻

5、率響應如圖78所示。 在時域，設電容電壓的初始值為零(uC(0)=0),則輸出電壓u o(t)為,式中，電容C的充電電流,所以,圖78 理想積分器的頻率響應,如果將相減器的兩個電阻R3和R4換成兩個相等電容C，而將R1=R2=R，則構成了差動積分器。這是一個十分有用的電路，如圖79所示。其輸出電壓u o(t),(714),圖79 差動積分器,例3 電路如圖710所示，R=100k，C=10F。當t=0t1(1s)時，開關S接a點；當t=t1(1s)t2(3s)時，開關S接b點；而當tt2(3s)后，開關S接c點。已知運算放大器電源電壓UCC=|-UEE|=15V，初始電壓uC(0)=0,試畫出

6、輸出電壓uC(0)的波形圖。,圖710 例3電路圖,解(1)因為初始電壓為零(uC(0)=0)，在t=01s間，開關S接地，所以uo=0。 (2)在t=13s間，開關S接b點，電容C充電,充電電流,輸出電壓從零開始線性下降。當t=3s時:,(3)在t3s后，S接c點，電容C放電后被反充電，uo從-4V開始線性上升，一直升至電源電壓UCC就不再上升了。那么升到電源電壓(+15V)所對應的時間tx是多少?,所以，u o(t)的波形如圖711所示。,圖711 例3電路的輸出波形u o(t),714 微分器 將積分器的積分電容和電阻的位置互換，就成了微分器，如圖712所示。微分器的傳輸函數(shù)為,(715

7、),(716),其頻率響應如圖713所示。,輸出電壓u o(t)和輸入電壓u i(t)的時域關系式為,圖712微分器,圖713理想微分器的頻率響應,(717),可見，輸出電壓和輸入電壓的微分成正比。 微分器的高頻增益大。如果輸入含有高頻噪聲的話，則輸出噪聲也將很大，而且電路可能不穩(wěn)定，所以微分器很少有直接應用。在需要微分運算之處，也盡量設法用積分器代替。例如，解如下微分方程：,(718),715 對數(shù)、反對數(shù)運算器 在實際應用中，有時需要進行對數(shù)運算或反對數(shù)(指數(shù))運算。例如，在某些系統(tǒng)中，輸入信號范圍很寬，容易造成限幅狀態(tài)，通過對數(shù)放大器，使輸出信號與輸入信號的對數(shù)成正比，從而將信號加以壓縮

8、。又例如，要實現(xiàn)兩信號的相乘或相除等等，都需要使用對數(shù)和反對數(shù)運算電路。,一、對數(shù)運算器 最簡單的對數(shù)運算器是將反相比例放大器的反饋電阻Rf換成一個二極管或三極管，如圖714所示。 由圖可見:,(719),式中，V的集電極電流,故,(720),該電路存在兩個問題：一是ui必須為正；二是IS和UT都是溫度的函數(shù)，其運算結果受溫度的影響很大，如何改善對數(shù)放大器的溫度穩(wěn)定性是一個重要的問題。一般改善的辦法是：用對管消除IS的影響；用熱敏電阻補償UT的溫度影響。圖715給出一個改善溫度穩(wěn)定性的實際電路。,圖715具有溫度補償?shù)膶?shù)運算器,1,3,因為V1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則,

9、(722),式(722)表明，用對管消除了反向飽和電流的不良影響，而且只要選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT,也可消除UT =kT/q引起的溫度漂移，實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性良好的對數(shù)運算關系。,二、反對數(shù)(指數(shù))運算器 指數(shù)運算是對數(shù)的逆運算，因此在電路結構上只要將對數(shù)運算器的電阻和晶體管位置調換一下即可，如圖716所示。 由圖可見：,(723),圖716 反對數(shù)(指數(shù))運算器,實現(xiàn)了輸出電壓與輸入電壓的指數(shù)運算關系。 這種電路同樣有溫度穩(wěn)定性差的問題。人們也用“對管”來消除反向飽和電流的影響，用熱敏電阻來補償UT的溫度漂移。具體電路讀者可自行設計或參閱有關參考書。,三、乘法器和除法器 用對數(shù)和反對數(shù)運算器

10、可構成乘法器和除法器。如圖717(a)所示，先將待相乘信號取對數(shù)，然后相加，最后取反對數(shù)，便實現(xiàn)了相乘。同理，將待相除的信號取對數(shù)，然后相減，最后取反對數(shù)，便實現(xiàn)了“相除”，如圖717(b)所示。,圖717乘法器和除法器 (a)乘法器；(b)除法器,u02,u01,u03,716 V/I變換和I/V變換 一、電壓源電流源變換電路(V/I變換) 在某些控制系統(tǒng)中，負載要求電流源驅動，而實際的信號又可能是電壓源。這在工程上就提出了如何將電壓源信號變換成電流源的要求，而且不論負載如何變化，電流源電流只取決于輸入電壓源信號，而與負載無關。又如，在信號的遠距離傳輸中，由于電流信號不易受干擾，所以也需要將

11、電壓信號變換為電流信號來傳輸。圖718給出了一個V/I變換的例子，圖中負載為“接地”負載。,圖718 V/I變換電路,(724),可見，負載電流IL與ui成正比，且與負載ZL無關。,二、電流源電壓源變換電路(I/V變換) 有許多傳感器產生的信號為微弱的電流信號，將該電流信號轉換為電壓信號可利用運放的“虛地”特性。如圖719所示，就是光敏二極管或光敏三極管產生的微弱光電流轉換為電壓信號的電路。顯然，對運算放大器的要求是輸入電阻要趨向無窮大，輸入偏流IB要趨于零。這樣，光電流將全部流向反饋電阻Rf，輸出電壓uo=-Rfi1。這里i1就是光敏器件產生的光電流。例如，運算放大器CA3140的偏流IB=10-2 nA，故其就比較適合作光電流放大器。,圖719 將光電流變換為電壓輸出的電路,圖720所示電路，是用來測量大電流的實際電路。圖中R3(=0.01)為電流采樣電阻。由于運放輸入電流極小，負載電流IL全部流經R3，產生的采樣電壓U3=R3IL。運放