第三讲第三讲 模拟集成电路模拟集成电路1.1 1.1 集成运算放大器集成运算放大器 集集成成运运算算放放大大器器是是一一种种高高放放大大倍倍数数的的直直接接耦耦合合放放大大器器。在在该该集集成成电电路路的的输输入入与与输输出出之之间间接接入入不不同同的的反反馈馈网网络络，可可实实现现不不同同用用途途的的电电路路，例例如如利利用用集集成成运运算算放放大大器器可可非非常常方方便便的的完完成成信信号号放放大大、信信号号运运算算（加加、减减、乘乘、除除、对对数数、反反对对数数、平平方方、开开方方等等）、信信号号的的处处理理（滤滤波波、调调制制）以以及及波波形形的的产产生生和和变变换换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。1通用型运算放大器通用型运算放大器 通通用用型型运运算算放放大大器器就就是是以以通通用用为为目目的的而而设设计计的的。这这类类器器件件的的主主要要特特点点是是价价格格低低廉廉、产产品品量量大大面面广广，其其性性能能指指标标能能适适合合于于一一般般性性使使用用。例例A741A741（单单运运放放）、LM358LM358（双双运运放放）、LM324LM324（四四运运放放）及及以以场场效效应应管管为为输输入入级级的的LF356LF356都都属属于于此此种种。它它们们是是目目前前应应用用最最为为广广泛的集成运算放大器。泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器高阻型运算放大器 这这类类集集成成运运算算放放大大器器的的特特点点是是差差模模输输入入阻阻抗抗非非常常高高，输输入入偏偏置置电电流流非非常常小小，一一般般rid（1091012） ，IIB为为几几pApA到到几几十十pApA。实实现现这这些些指指标标的的主主要要措措施施是是利利用用场场效效应应管管高高输输入入阻阻抗抗的的特特点点，用用场场效效应应管管组组成成运运算算放放大大器器的的差差分分输输入入级级。用用FETFET作作输输入入级级，不不仅仅输输入入阻阻抗抗高高，输输入入偏偏置置电电流流低低，而而且且具具有有高高速速、宽宽带带和和低低噪噪声声等等优优点点，但但输输入入失失调调电电压压较较大大。常常见见的的集集成成器器件件有有LF356LF356、LF355LF355、LF347LF347（四四运运放放）及更高输入阻抗的及更高输入阻抗的CA3130CA3130、CA3140CA3140等。等。集成运算放大器可分为如下几类：集成运算放大器可分为如下几类： 1.1.1 1.1.1 集成运算放大器的使用要点集成运算放大器的使用要点1集成运放的电源供给方式集成运放的电源供给方式 集集成成运运放放有有两两个个电电源源接接线线端端+V+VCCCC和和-V-VEEEE，但但有有不不同同的的电电源源供供给给方方式式。对对于于不不同同的的电电源源供供给给方方式式，对对输入信号的要求是不同的。输入信号的要求是不同的。（1 1）对称双电源供电方式）对称双电源供电方式 运运算算放放大大器器多多采采用用这这种种方方式式供供电电。相相对对于于公公共共端端（地地）的的正正电电源源（+E+E）与与负负电电源源（-E-E）分分别别接接于于运运放放的的+V+VCCCC和和-V-VEEEE管管脚脚上上。在在这这种种方方式式下下，可可把把信信号号源源直直接接接接到到运运放放的的输输入入脚脚上上，而而输输出出电电压压的的振振幅幅可达正负对称电源电压。可达正负对称电源电压。（2 2）单电源供电方式）单电源供电方式 单单电电源源供供电电是是将将运运放放的的-V-VEEEE管管脚脚连连接接到到地地上上。此此时时为为了了保保证证运运放放内内部部单单元元电电路路具具有有合合适适的的静静态态工工作作点点，在在运运放放输输入入端端一一定定要要加加入入一一直直流流电电位位，如如图图3.2.13.2.1所所示示。此此时时运运放放的的输输出出是是在在某某一一直直流流电电位位基基础础上上随随输输入入信信号号变变化化。对对于于图图3.2.13.2.1交交流流放放大大器器，静静态态时时，运运算算放放大大器器的的输输出出电电压压近近似似为为V VCCCC/2/2，为为了了隔隔离离掉输出中的直流成分接入电容掉输出中的直流成分接入电容C C3 3。2集成运放的调零问题集成运放的调零问题 由由于于集集成成运运放放的的输输入入失失调调电电压压和和输输入入失失调调电电流流的的影影响响，当当运运算算放放大大器器组组成成的的线线性性电电路路输输入入信信号号为为零零时时，输输出出往往往往不不等等于于零零。为为了了提提高高电电路路的的运运算算精精度度，要要求求对对失失调调电电压压和和失失调调电电流流造造成成的的误误差差进进行行补补偿偿，这这就就是是运运算算放放大大器器的的调调零零。常常用用的的调调零零方方法法有有内内部部调调零零和和外外部部调调零零，而而对对于于没没有有内内部部调调零零端端子子的的集集成成运运放放，要要采采用用外外部部调调零零方方法法。下下面面以以A741A741为为例例，图图3.2.23.2.2给给出出了了常常用用调调零零电电路路。图图3.2.2(a)3.2.2(a)所所示示的的是是内内部部调调零零电电路路；图（图（b b）是外部调零电路。）是外部调零电路。3集成运放的自激振荡问题集成运放的自激振荡问题 运运算算放放大大器器是是一一个个高高放放大大倍倍数数的的多多级级放放大大器器，在在接接成成深深度度负负反反馈馈条条件件下下，很很容容易易产产生生自自激激振振荡荡。为为使使放放大大器器能能稳稳定定的的工工作作，就就需需外外加加一一定定的的频频率率补补偿偿网网络络，以以消消除除自自激激振振荡荡。图图3.2.33.2.3是相位补偿的使用电路。是相位补偿的使用电路。另另外外，防防止止通通过过电电源源内内阻阻造造成成低低频频振振荡荡或或高高频频振振荡荡的的措措施施是是在在集集成成运运放放的的正正、负负供供电电电电源源的的输输入入端端对对地地一一定定要要分分别别加加入入一一电电解解电电容容（10 F）和和一一高高频频滤滤波波电电容容（0.01 F0.1 F）。如如图图3.2.33.2.3所示。所示。4.运算放大器的应用运算放大器的应用u理想运算放大器理想运算放大器v开环电压放大倍数开环电压放大倍数 AV0=v差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=v输出电阻输出电阻 R0=0u 运算放大器的两个工作区域（状态）运算放大器的两个工作区域（状态） 线性区和非线性区线性区和非线性区u线性应用线性应用 条件：运放与外围电路构成负反馈。条件：运放与外围电路构成负反馈。 u非线性应用非线性应用 条件：条件：a.运放处于开环状态或与外围电路运放处于开环状态或与外围电路 构成正反馈。构成正反馈。 b.输出端有稳压二极管稳压或通过输出端有稳压二极管稳压或通过 稳压二极管与反相输入端相连。稳压二极管与反相输入端相连。 特点：特点：a. 若若U+U-，则则UO=+UOM； 若若U+U-，则，则UO=-UOM。 b. i+i0 （虚断）虚断） 注：不能使用虚短！注：不能使用虚短！ 两个重要的概念：两个重要的概念：1.1.集集成成运运放放两两个个输输入入端端之之间间的的电电压压通通常常接接近近于于零零，即即vIvv-0。若若把把它它理理想想化化，则则有有vI0，但又不是短路，故称为，但又不是短路，故称为虚短虚短。2. 集成运放两输入端几乎不取用电流，即集成运放两输入端几乎不取用电流，即 iI 0，若若把把它它理理想想化化，则则有有iI 0，但但不不是是断断开，故称为开，故称为虚断虚断。l 线性应用线性应用4.1 4.1 比例运算电路比例运算电路_+ + RfR1RPuiuoi1iFii-ii+虚地点虚地点i1=iF （虚断）（虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+ =0 u=u+=0（虚地）（虚地）平衡电阻平衡电阻:RP=R1/RF (使输入端对地的静态电阻相等使输入端对地的静态电阻相等)反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈（1 1）反相比例运算电路）反相比例运算电路电压放大倍数电压放大倍数 该电路的电压放大倍数不宜过该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻大。反馈电阻RF一般小于一般小于1M，Rf过大会影响阻值的精度；但过大会影响阻值的精度；但Rf也也不能太小，过小会从信号源或前级不能太小，过小会从信号源或前级吸取较大的电流。吸取较大的电流。由于电路存在虚地所以共模输由于电路存在虚地所以共模输入电压入电压V ViCiC=0=0二二. 同相比例运算放大器同相比例运算放大器u-= u+= ui_+ + RfR1RPuiuoiFi1Au=1+RfR1i1=iF （虚断）（虚断）R RP P=R=Rf f/R/R1 1f1f1)因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈由于运算放大器在该电路中不是由于运算放大器在该电路中不是“虚虚地地”，其输入端存在着较大的共模信，其输入端存在着较大的共模信号，共模输入电压为：号，共模输入电压为：ViC=Vi_+ + RFRfRPuiuoAu=1+RFRf当当RF=0时时,Au=1uo=ui三三.电压跟随器电压跟随器此电路是同相比此电路是同相比例运算的特殊情况，例运算的特殊情况，输入电阻大，输出输入电阻大，输出电阻小。电阻小。在电路中在电路中作用与分离元件的作用与分离元件的射极输出器相同，射极输出器相同，但是电压跟随性能但是电压跟随性能好。好。1. 反相求和运算：反相求和运算：_+ + RfR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虚地虚地uo =-(ui1 R1 Rf +ui2 R2 Rf )若若R1 =R2 =R, uo = -(ui1 R Rf +ui2 )取取RP= R1/ R2/Rfuo_+ + RFR1RPuii1 + i2= iFui1 R1 =ui2 R2 +-uo Rf 4.2 4.2 基本运算电路基本运算电路一一. . 加法运算电路加法运算电路2. 同相求和运算：同相求和运算：Au= RfR11+uo = Au u+ =( )( + ) RfR11+R3 R2 + R3ui1R2 R2 + R3 ui2取取R2/R3=R1/Rf当当R2 = R3 时时, uo = ( )(ui1 + ui2)RfR11+12R1Rf+u i1uoR2R3ui2-u+ _+ + RfR1RPuiuo二二. 减法运算电路减法运算电路1、利用加法器、利用加法器vi2-vi1 = vi2+(-vi1)反相器（反相器（-1）叠加定理叠加定理（二）减法器（二）减法器2、差动减法器、差动减法器 Vi1作用作用 Vi2作用作用 综合：综合：1. 积分电路积分电路三三. 积分和微分电路积分和微分电路iiCu i-+RRPCuouc反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压U,输出将反相积分，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。经过一定的时间后输出饱和。tui0Utuo0-UomTM积分时限积分时限= t URC设设Uom=15V,U=+3V, R=10k ,C=1 ,C=1 F F=0.05秒秒练习练习: : 画出在画出在给定输入波形给定输入波形作用下积分器作用下积分器的输出波形。的输出波形。(a) 阶跃输入信号(b)方波输入信号积分器的输入和输出波形图积分器的输入和输出波形图应用举例：输入方波，输出是三角波。应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo02. 微分电路：微分电路：u-= u+= 0u i+uoRR2i1iFCtui0tuo0例：例：,求求uo。u i+uoRR2i1iFC90