第四講模擬集成電路1.1

集成運算放大器集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。集成運算放大器可分為如下幾類。1．通用型運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。2．高阻型運算放大器這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid＞（109~1012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。2．集成運放的調(diào)零問題由于集成運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度，要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運放，要采用外部調(diào)零方法。下面以mA741為例，圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖（b）是外部調(diào)零電路。3．集成運放的自激振蕩問題運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補償?shù)氖褂秒娐贰Ａ硗?，防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運放的正、負供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF~0.1mF）。如圖3.2.3所示。若運放在應(yīng)用中接成閉環(huán)放大電路，其閉環(huán)放大電路的上限頻率fHF=GBW/AVFAvd(dB)ffHfTAvoAVFfHF(2)壓擺率（轉(zhuǎn)換速率）SR壓擺率SR表示運放所允許的輸出電壓Vo對時間變化率的最大值。若輸入一正弦波電壓，運算放大器輸出也應(yīng)是一正弦波電壓。則：若已知V0m，則在輸出不失真的情況下，輸入信號的最高頻率對于uA741，若將連接成電壓跟隨器電路，若輸入信號為Vin=2V，f=100KHz的正弦信號，其輸出波形如何？+-vinvo為了要求輸出不失真，則要求輸入信號的應(yīng)小于0.8V。vinvo則將其折合到輸入端的共模信號為：

Vicm=Vocm/Avc折合到輸入端的誤差電壓為：在上例中，若取輸入有用信號為干擾信號的兩倍，即：則運放的共模抑制比要求運算放大器的共模抑制比大于120dB4.運算放大器的應(yīng)用（1）反相比例運算電路R1RFRPRW10k該電路的電壓放大倍數(shù)輸入電阻：RiF=R1輸出電阻：R0F=0平衡電阻：RP=RF//R1該電路的電壓放大倍數(shù)不宜過大。反饋電阻RF一般小于1MΩ，RF過大會影響阻值的精度；但RF也不能太小，過小會從信號源或前級吸取較大的電流。運算放大器的共模輸入電壓：ViC=0（2）同相比例放大器電路RFViV0該電路的電壓放大倍數(shù)輸入電阻：RiF=∞輸出電阻：R0F=0平衡電阻：RP=R1//RF由于運算放大器在該電路中不是“虛地”，其輸入端存在著較大的共模信號，共模輸入電壓為：ViC=Vi在應(yīng)用時，要求運算放大器的最大共模輸入電壓大于Vi的最大值。儀表放大器具有的特征是：具有高的輸入阻抗，低的偏置電流。平衡差動輸入，高的共模抑制比。單端輸出，較低的輸出電阻。具有較小的失調(diào)電壓與漂移。改變一只外接電阻阻值或接線，即能改變放大器的增益。滿足以上要求的電路原理圖如下。R4=R5，R6=R7條件下，該電路的差模電壓放大倍數(shù)為：為了提高儀用放大器的共模抑制比（CMRR），要求相差盡可能小，一般選用金屬膜或線繞電阻。調(diào)節(jié)增益時，不要調(diào)節(jié)R4~R7這些電阻。如果希望調(diào)節(jié)增益，必須用改變電阻R2實現(xiàn)，這樣對儀用放大器的CMRR影響不大。一實際測量放大器電路:電容C1、C2、C3為隔直電容。該電路的交流電壓放大被數(shù)：AVF=1+RF／R2R1接地是為了保證運算放大器有一合適的靜態(tài)工作點，即當信號輸入為零，輸出直流電位為零。放大器的交流輸入電阻：Ri=R1R1不能太大，否則會引入噪聲電壓，影響輸出。但也不能太小，否則將影響前級信號源輸出。一般選幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。一般取C1=C3=（3~10）1／(2πRLfL)反饋支路的隔直電容C2一般取幾微法。注意電容在電路中的極性。為了提高交流放大器的輸入電阻，可采用下圖所示的自舉式同相交流放大器。該電路的電壓放大倍數(shù)仍為1+RF／R2；但由于反饋電壓VA與輸入電壓VB近似相等，故流過R1的電流近似為零，從而大大提高了放大器的交流電阻。②單電源供電的交流電壓放大器對于用運算放大器組成的單電源供電的交流放大器如下：在下圖的反相交流電壓放大器中，R2、R3為偏置電阻。為了輸出獲得最大動態(tài)范圍，通常使輸入端的靜態(tài)工作點V+=(R3／R3+R2)Vcc=Vcc/2靜態(tài)時，放大器的輸出端的電位等于同相端的直流電位。（5）精密整流電路①半波整流電路精密整流電路，它可將毫伏級的正弦信號轉(zhuǎn)換成半波輸出。當（正半周）時，D1導通，D2截止，輸出電壓:當（負半周）時，D1截止，D2導通，輸出電壓:②精密全波整流電路（絕對值電路）

如果需要對小信號進行絕對值運算，可采用圖3.2.13所示電路。在電路中，電阻元件選擇R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。當（正半周）時，二極管D2截止，D1導通，故當（負半周）時，二極管D1截止，D2導通，故輸出V0=5V。電路中A1、A2的輸入端所加的雙向嵌位二極管，其保護作用。圖中R3是一電阻，如需要，它可以是一個繼電器或指示燈（7）三角波—方波發(fā)生器

雖然產(chǎn)生三角波的電路很多，但用運算放大器構(gòu)成的三角波發(fā)生器卻具有許多優(yōu)點：產(chǎn)生波形的線性度好、穩(wěn)