集成电路原理与应用.

1、讨论集成运放稳定性与闭环增益的关系，并简述相位补偿的方法。

由于运放电路是一个多极点高增益放大器，且一般都工作在闭环状态，所以在实际应用中有时会出现自激振荡，而使运放电路不能正常工作。

产生自激振荡的条件：A(j ω)F(j ω)=－1 其中幅值条件： A(j ω)F(j ω)=1 相位条件：()()0F 2n φωφωππ

+=±±

只有同时满足幅值条件和相位条件，运放才会产生自激振荡，只满足其中条件之一，运放不会产生自激振荡。要使集成运放在闭环下能稳定地工作，就必须破坏产生自激振荡的两个条件或两个条件之一。所以运放电路闭环稳定工作的条件应为

()()A .F 1ωω≥时，相移φπ<±

相移φπ=±时，()()A .F 1

ωω<

单极点集成运放最大相移为0

90-，所以单极点运放电路在任何反馈深度下都不会产生自激振荡。对于两个极点的集成运放，只有在频率f →∞时，相移才能达到0180-，而此时增益d A 0→，也不会满足自激振荡的振幅条件，所以也不会产生自激振荡，但由于集成运放中分布电容的影响，对于两个极点的运放电路也有可能产生自激振荡。对于三个极点的

运放电路，其最大相移为0

270-，其幅频特性和相频特性曲线如图1所示。

图1 三极点放大器频率特性

假设环路增益是与频率无关的常数，则环路增一为d A F ，取对数后为

d 120lg A 20lg F ⎛⎫

- ⎪

⎝⎭

其中，d 20lg A 是开环增益频率特性曲线，120lg F ⎛⎫

⎪⎝⎭

是反馈曲线。 当负反馈系数m F F =时，反馈曲线为M ，当环路增益为0dB 时，开环频率特性曲线与反馈曲线M 相交于m 点。在m 点，环路增益为1，满足自激振荡的幅度条件，m 点对应的频率为如为m f ，相应的相移为0

m 180φ<，不满足自激振荡的相位条件，既当反馈系数m F F =时，满足闭环稳定条件，所以运放电路工作是稳定的。

当增加负反馈深度时，反馈系数s F F =时，这时120lg F ⎛⎫

⎪⎝⎭

将减小，反馈曲线M 变为曲线S ，曲线S 与开环频率特性曲线相交于s 点，设s 点对应的频率为s f ，如果当s f f =时，

相移0

180φ=，这时就同时满足了自激振荡的两个条件，运放电路在闭环时工作是不稳定的。

当在增加负反馈深度时，反馈系数n F F =时，这时120lg F ⎛⎫

⎪⎝⎭

将会更小，反馈曲线S 变为N ，在反馈曲线N 上，总可以找到相移0

180φ=时的频率s f ，当s f f =时，这时既满足

自激振荡的幅度条件，又满足自激振荡的相位条件，所以当反馈系数n F F =时，运放电路闭环更不稳定。

由以上分析可知，集成运放反馈越深，既闭环增益越小，越容易产生自激振荡。 相位补偿的作用是用补偿网络来改变集成运放开环的频响特性，以增加负反馈放大器的相位余量。相位补偿的方法有滞后相位补偿、超前相位补偿。滞后相位补偿是通过相位补偿网络使放大器开环增益的附加相移进一步滞后。常用的滞后相位补偿的方法有：简单电容补偿、电阻电容串联补偿、密勒电容补偿等。它们的共同点是压低第一个转折频率，结果使反馈放大器的上限频率受影响，这是用牺牲带宽换取放大器闭环工作的稳定性。超前补偿则是在不压低第一转折频率的前提下，设法引入一个超前相移的零点频率，这样既扩大了

20dB/10oct -的范围，又有效地扩展了反馈放大器的上限频率，也就扩大了反馈放大区的

稳定工作范围。因为补偿后，第二个转折频率推迟出现，所以比未补偿时相位超前，故称为

超前补偿。其缺点是不一定能实现单位增益补偿。

2、举例说明（至少三个）集成运放线性应用时如何选择它的技术参数？

A 、反相放大器

反相输入放大电路如图2所示，信号电压通过电阻1R 加至运放的反相输入端，输出电压0V 通过反馈电阻2R 反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。3R 为平衡电阻应满足312//R R R =。

图2 基本反相放大器

利用理想集成运放条件：虚短和虚断，即u u +-= ，A A i i +-= ，可得出此电路的闭环增益为222111o F i U R I R A U R I R -=

==- 即 21F R

A R =-

此电路输入电压与输出电压之间的关系为

21o i R u u R =-

或

21o i R

U U R =-

2

1

R R -

即为反相放大器的放大倍数。 此电路的等效输入电阻为11

11i ie i U R I R R I I =

== 此电路的等效输出电阻为1o

oe dF

R R A ≈

+

在理想条件下，1dF A +很大，o R 很小，所以0oe R ≈。

一般1R ，2R 取值范围为1K Ώ~1M Ώ，阻值太小，字则输入电阻太低，但大到超出1M Ώ又难以保证阻值的稳定性和精度，所以对于基本反相放大器必须设法提高其输入电阻。

B 、积分电路

积分电路是应用非常广泛的一种集成运放电路。它在控制系统中常作为积分环节，在

D /A 变换中用来产生线性度很高的斜坡电压，在F /U 变换器和压控振荡器中用来产生三

角波、锯齿波波形，在测量电路中用于实现积分变换，如实现加速度到速度、速度到位移振动信号的变换等。

图3所示为基本反相积分器。当运放为理想集成运放时，分析积分器的以下特性。

图3 基本反相积分器

（1）传输函数

()()()()()()()()ST

SRC R SC S Z S Z S Z S I S Z S I S U S U G i o S 111

121122-=-=-=-=-==

式中，RC T =，T 为积分时间常数。

（2）频率特性

()RC

j U U j A i

o ωω1

-

==

∙

∙

其中，幅频特性为

()()ω

ωωωωT RC j G G ==

=1 式中，RC

T 1

=

ω，T ω为幅频特性的交接频率。