集成电路原理与应用.doc

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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(jω)F(jω)=－1
其中幅值条件： A(jω)F(jω)=1
相位条件：
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
时，相移
相移时，
单极点集成运放最大相移为，所以单极点运放电路在任何反应深度下都不会产生自激振荡。对于两个极点的集成运放，只有在频率时，相移才能到达，而此时增益，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，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
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假设环路增益是与频率无关的常数，那么环路增一为，取对数后为
其中，是开环增益频率特性曲线，是反应曲线。
当负反应系数时，反应曲线为M，当环路增益为0dB时，开环频率特性曲线与反应曲线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，相应的相移为，不满足自激振荡的相位条件，既当反应系数时，满足闭环稳定条件，所以运放电路工作是稳定的。
当增加负反应深度时，反应系数时，这时将减小，反应曲线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，如果当时，相移，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。
当在增加负反应深度时，反应系数时，这时将会更小，反应曲线S变为N，在反应曲线N上，总可以找到相移时的频率，当时，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，所以当反应系数时，运放电路闭环更不稳定。
由以上分析可知，集成运放反应越深，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，以增加负反应放大器的相位余量。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，结果使反应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。超前补偿那么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，这样既扩大了的范围，又有效地扩展了反应放大器的上限频率，也就扩大了反应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。
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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，信号电压通过电阻加至运放的反相输入端，输出电压通过反应电阻反应到运放的反相输入端，构成电压并联负反应放大电路。为平衡电阻应满足。
图2 根本反相放大器
利用理想集成运放条件：虚短和虚断，即 ， ，可得出此电路的闭环增益为 即
此电路输入电压与输出电压之间的关系为
或
即为反相放大器的放大倍数。
此电路的等效输入电阻为
此电路的等效输出电阻为
在理想条件下，很大，很小，所以。
一般，取值范围为1KΏ~1MΏ，阻值太小，字那么输入电阻太低，但大到超出1MΏ又难以保证阻值的稳定性和精度，所以对于根本反相放大器必须设法提高其输入电阻。
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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，在变换中用来产生线性度很高的斜坡电压，在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所示为根本反相积分器。当运放为理想集成运放时，分析积分器的以下特性。
图3 根本反相积分器
传输函数
式中，，T为积分时间常数。
频率特性
其中，幅频特性为
式中，，为幅频特性的交接频率。
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相频特性为
输出电压与输入电压的关系
C、微分电路
微分电路与积分电路互为模拟量间的逆运算、逆变换。微分电路和积分电路一样应用非常广泛，除了在线性系统中做微分运算外，在控制系统中用于实现微