模拟集成电路 (2)复习课程

电容C1、C2、C3为隔直电容。该电路的交流电压放大被数：
AVF = 1+RF／R2
R1接地是为了保证运算放大器有一合适的静态工作点，即当信 号输入为零，输出直流电位为零。放大器的交流输入电阻：
Ri = R1 R1不能太大，否则会引入噪声电压，影响输出。但也不能太 小，否则将影响前级信号源输出。一般选几十千欧。
R6
D2 1N4148
20k
1
2
2
Vi
R1
3
1
10k R3
6
LM358
+ +
-
1
2 3
6.2k R7
U0 6
LM358
2
2
R4 20k
1
2
1
2
U01 1
2
1 20k 2
R2 20k
D1 R5 10k
R6
D2 1N4148
20k
1
2
2
Vi
R1
3
1
10k R3
6
LM358
+ +
-
1
2 3
6.2k R7
CA3140
OP07
调零 正电源 输出 空脚
补偿 正电源 输出 调零
1．通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特 点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。 例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以 场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛 的集成运算放大器。
1
1
R
+
C2
2
2
(a)
(b)
2．集成运放的调零问题
由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大
器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高
电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿
，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调
零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。
CMRR20lg Avd Avc
Avd 为开环差模增益，Avc为开环共模增益。共模抑制比这一指 标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在 着共模干扰信号。
假设某一放大器的差模输入信号Vidm为10uV，而放大器的输入 端存在着10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号 （差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多 大的共模抑制比呢？
1
7
1
3
OP 07
Vo
+
6
2 -
8
4
10k1
2
=
RW
-Ve e
该电路的电压放大倍数不宜过大。反馈电阻RF一般小于1MΩ，
RF过大会影响阻值的精度；但RF也不能太小，过小会从信号 源或前级吸取较大的电流。
（2） 同相比例放大器电路
该电路的电压放大倍数
Avf
v0 vi
1RF R1
输入电阻：RiF=∞
Rp
例如用于对温度、流量、压力等物理量的测量，一般传感 器是利用电阻或电容的变化，用电桥把他们转换成电压的 变化，如图。
R
RX 输出
E
R
R
仪表放大器具有的特征是： • 具有高的输入阻抗，低的偏置电流。 • 平衡差动输入，高的共模抑制比。 • 单端输出，较低的输出电阻。 • 具有较小的失调电压与漂移。 • 改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。 满足以上要求的电路原理图如下。
U0 6
LM358
2
2
当 故
Fra Baidu bibliotek
Ui 0（正半周）时，二极管D2截止，D1导通，U01
U0R R6 4Ui R R5 6U01nU i
R2 R1
Ui
当 Ui 0 （负半周）时，二极管D1截止，D2导通，U01 0 故
U 0R 6R 4U i niU
可见输出形成全波整流。同理，若将D1、D2极性反接，可得到输 出极性相反的全波整流。
GBW=Avd . fH
其中 ，Avd为中频开环增益，fH为开环上 限截止频率。
以uA741为例，Avd=100dB即100000倍。fH =10Hz , GBW=10×100000=1MHz 。即该运放的 fT =1MHz 。
Avd (dB) Avo
f
fH
fT
若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上 限频率 fHF=GBW/AVF
1
2
Vi
OP07
3 +
6 V0
2 -
2
1
2
RF
R1
1
输出电阻：R0F=0 平衡电阻：RP =R1//RF
由于运算放大器在该电路中不是“虚地”，其输入端存在着 较大的共模信号，共模输入电压为：ViC=Vi
在应用时，要求运算放大器的最大共模输入电压大于Vi的最 大值。
（3） 由三运放组成的仪表放大器
当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声， 且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小， 输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这 时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。
VCC_CIRCVL1E
A1
3
+
6
2 - OP07
1
R4
1
2
R1 10k
50k
12
R2 1k
R6
1
2
10k
OP07
2
V0
6
3
VCC_CIRCLE
A3
12
+ -
+ -
VCC_CIRCVL2E
R3
2
A2
50k
R5 10k
R7 10k
6
1
22
1
2
3
OP07
R4=R5，R6=R7条件下，该电路的差模电压放大倍数为：
2．高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流 非常小，一般rid＞（109~1012）W，IIB为几皮安到几十皮安。实现 这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应 管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗 高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输 入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四 运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
解 电 容 （ 10mF ） 和 一 高 频 滤 波 电 容 （ 0.01mF~0.1mF ） 。 如 图
3.2.3所示。
100pF C
R12 V+
2
VCC_CIRCLE
C1
+ -
+
8
R1
1
2
2
C2
V0
Vi
6 3
1
+ C4
1
R3
VC3
2
VCC_CIRCLE
4. 集成运放的四个重要参数：
(1) 增益带宽积 （GBW)
12
+ -
+ -
（6） 通用窗口比较器
10k
1 VCC_CIRCLE
Rf2 Vcc
1
R
Vi +2
VCC_CIRCLE + C1
R1
1 R
1
2
2 3 + C2
7
4
A 6
+ V0
C3 VCC_CIRCLE
+ + -
Rf
1
2
Vcc
1
C1 +1 R1 2
VCC_CIRCLE Vi
2
R VCC_CIRCLE
4
A
2
V0
6
3
2
R2 1M
7
VCC_CIRCLE
Vm 5uV
要求运算放大器的共模抑制比大于120dB
4. 运算放大器的应用
（1）反相比例运算电路 该电路的电压放大倍数
1
2
RF + V cc
Avf
v0 vi
RF R1
输入电阻：RiF=R1
1
2
R1
Vi
输出电阻： R0F=0
RP
平衡电阻：RP=RF//R1
运算放大器的共模输入电压：ViC=0
2
② 单电源供电的交流电压放大器
对于用运算放大器组成的单电源供电的交流放大器如下：
在下图的反相交流电压放大器中，R2、R3为偏置电阻。为 了输出获得最大动态范围，通常使输入端的静态工作点
V+ = (R3／R3+R2)Vcc = Vcc/2
静态时，放大器的输出端的电位等于同相端的直流电位。
电容C1、C2为隔直电容，有关C1、C2的选择有放大器的下 限频率fL决定。该放大器的电压放大被数 AVF = RF／R1
输出 同相输入
输出
负电源
调零
负电源
调零
补偿
调零
反相输入 同相输入
负电源 D输出
D反相输入 D同相输入 负电源
C同相输入 A输出 C反相输入 A反相输入 C输出
A同相输入 负电源
LM358
LM318
补偿
调零
正电源 反相输入
输出 同相输入
调零
负电源
正电源
调零
B 输出 反相输入
B反相输入 同相输入
B同相输入 负电源
.
AVD（1
2R1 R2
)
R6 R4
为了提高仪用放大器的共模抑制比（CMRR），要求
R5 和 R4 R7 R6
相差尽可能小，一般选用金属膜或线绕电阻。调节增益时，不要调 节R4~R7这些电阻。如果希望调节增益，必须用改变电阻R2实现， 这样对仪用放大器的CMRR影响不大。
CMRR(12R R12)CMR3 R
fmax
SR
2V0m
对于uA741，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为 Vin=2V， f=100KHz的正弦信号，其输出波形如何？
vin
-
vo
vin
+
vo
为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于 0.8V。
(3) 共模抑制比CMRR
该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号） 的抑制能力。定义
2
(b)
3．集成运放的自激振荡问题
运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反
馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作， 就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。图3.2.3是相 位补偿的使用电路。
另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在
集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电
Vi
+ -
2
A
D2
6
3
V0 VCC_CIRCLE
1N4148
1
Rp
2
② 精密全波整流电路（绝对值电路）
如果需要对小信号进行绝对值运算，可采用图3.2.13所示电路。 在电路中，电阻元件选择R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。
R4 20k
1
2
1
2
U01 1
2
1 20k 2
R2 20k
D1 R5 10k
下面以mA741为例，图3.2.2给出了常用调零电路。图3.2.2(a)所示的
是内部调零电路；图（b）是外部调零电路。
R1
1
2
R2
1
2
2 6
3
+ -
2
3 +
2 -
2
1
A
6
Rw
2
10K
1R
+ 10uF
(a)
R3
12
2
-15V
100Ω
V+ 1 51K 2 1
2 1 51K 2V-
2
1
100Ω
100Ω
1
第四讲 模拟集成电路
1.1 集成运算放大器
集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集 成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用 途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放 大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方 等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集 成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。
下图是自举式同相交流放大器
（5）精密整流电路
① 半波整流电路 精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。
当 Ui 0（正半周）时，D1导通，D2截止，输出电压: U 0 0
当 Ui
（0 负半周）时，D1截止，D2导通，输出电压:
v0
R2 R1
Ui
R2
1
2
D1 1N4148
R1
1
2
VCC_CIRCLE
Avd (dB)
Avo
AVF fH
f
fHF
fT
(2) 压摆率（转换速率）SR
压摆率SR表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。
S R
d v0 dt max
若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。
v0V0msin t
则： SRdd0vt V0m2fV 0m
若已知 V0m，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率
耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。一 般取 C1=C3=（3~10）1／(2πRLfL)
反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。注意电容在电路中 的极性。
为了提高交流放大器的输入电阻，可采用下图所示的自举式 同相交流放大器。该电路的电压放大倍数仍为1+RF／R2；但 由于反馈电压VA与输入电压VB近似相等，故流过R1的电流近 似为零，从而大大提高了放大器的交流电阻。
集成运算放大器可分为如下几类。
A输出 A反相输入 A同相输入
正电源 B同相输入 B反相输入
B输出
负电源 AD518 AD545
LM124/224/324
正电源 输出
调零
7 6
5
18 2
3 4
调零 反相输入
同相输入
调零
空脚
调零
空脚
μA741
LF351 LF356
反相输入
正电源 反相输入
正电源
同相输入
设该放大器的输出端的共模电压为Vocm ,则 Vocm=Vicm . Avc
则将其折合到输入端的共模信号为： Vicm= Vocm/Avc
折合到输入端的误差电压为：
VmVAovcdmAvVdicAmvc
Vicm CMRR
在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：
则 运放的共模抑制比
VmV2idm102uV5uV CMRViR cm1V 02160
一实际测量放大器电路:
V1
3
+
6
2
1
1
10k
1
2
10k
1
2
-
R4
R6
10k R1
R8
21
100k Rw
21
2
6
V0
3
200 R2 10k
22
21
+ -
+ -
2 3 V2
10k 6
2
R1 R9
100k
1
2
R5 10k
1
10k
1
2
R7
（4）交流放大器
① 双电源供电的交流放大器
若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器 （也可用反相式）。