集成运算放大器课件

1、WXHWXH 1 一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程 WXHWXH 2 4 4、19741974年，出现了大规模集成电路为第四次。年，出现了大规模集成电路为第四次。 1 1、19041904年年, ,电子三极管（真空三极管）为第一次。电子三极管（真空三极管）为第一次。 2 2、19481948年，费来明发明了晶体三极管为第二次。年，费来明发明了晶体三极管为第二次。 3 3、19581958年，集成电路年，集成电路 移相振荡器移相振荡器 为第三次。为第三次。 （中国（中国6565年生产第一块年生产第一块TTLTTL与非门）与非门） WXHWXH 3 现在集成电路的规模，正在以平均现在集

2、成电路的规模，正在以平均1 12 2年翻一番的速度在增大。年翻一番的速度在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 19991948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小规模小规模 中规模中规模 大规模大规模 超大规模超大规模 超超大规模超超大规模 超亿规模超亿规模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSISSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 理论集成度理论集成度 10-100 10010-100 1001000 10001000 10001010万万 1010万万100100万万 100100万万1 1亿亿 1 1亿

3、亿 商业集成度商业集成度 1 10 1001 10 1001000 10001000 10002 2万万 2 2万万5 5万万 5050万万 10001000万万 触发器触发器 计数器计数器 单片机单片机 1616位和位和3232位位 图象图象 SRAMSRAM 加法器加法器 ROM ROM 微处理器微处理器 处理器处理器 128128位位CPUCPU （1 1）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线 （2 2）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条） （生产环境：超净车间）（生产环境：超净车间） （3 3）芯片面积增大，

4、从）芯片面积增大，从1 15 5 mmmm2 2到现在的到现在的1 1 cmcm2 2 19671967年在一块晶片上完成年在一块晶片上完成10001000个晶体管的研制成功。个晶体管的研制成功。 集成电路集成度的提高主要依靠三个因素集成电路集成度的提高主要依靠三个因素 7777年美国年美国3030mmmm2 2制作制作1313万个晶体管，即万个晶体管，即6464K K位位DRAMDRAM。 WXHWXH 4 目前使用的目前使用的1616兆位兆位DRAMDRAM集成电路的集成电路的线条宽度线条宽度为为0.5 0.5 微米微米， 6464兆位兆位DRAMDRAM集成电路的集成电路的线条宽度线条宽

5、度为为0.3 0.3 微米微米，继续发展可望，继续发展可望 达到达到0.010.01微米微米，0.010.01微米的概念相当于微米的概念相当于3030个原子排成一列的个原子排成一列的 长度长度。这一尺寸在半导体集成电路中，已经成为。这一尺寸在半导体集成电路中，已经成为极限极限，再小，再小 PNPN结的理论就不存在了，或者说作为电子学范畴的集成电路结的理论就不存在了，或者说作为电子学范畴的集成电路 已达极限，就会从电子学跃变到已达极限，就会从电子学跃变到量子工学量子工学的范畴，由量变到的范畴，由量变到 质变，随之而来的一门新的工程学质变，随之而来的一门新的工程学对量子现象加以工程对量子现象加以工

6、程 应用的应用的“量子工学量子工学”也就诞生了，由这一理论指导而将做成也就诞生了，由这一理论指导而将做成 的的量子器件量子器件，将，将延续集成电路的发展延续集成电路的发展。现在美国和日本正投。现在美国和日本正投 入大量的人力和物力进行这方面的研究，并且在入大量的人力和物力进行这方面的研究，并且在“原子级加原子级加 工工”方面取得了一定的成果。方面取得了一定的成果。 在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？ WXHWXH 5 数字集成电路：数字集成电路：门电路，触发器，计数器，存贮器，门电路，触发器，计数器，存贮器， 微处理器等电路。微处理器等电路。 7474

7、系列，系列，74LS74LS，74HC74HC，40004000系列，系列， CMOSCMOS等各种型号。等各种型号。 WXHWXH 6 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 WXHWXH 7 4 4、元件的精度低，但对称性好，温度特、元件的精度低，但对称性好，温度特 性好。性好。 1 1、制造容量大于、制造容量大于2000PF2000PF的电容元件很困难，的电容元件很困难， 如需大电容必须外接，所以集成运放都采用直接如需大电容必须外接，所以集成运放都采用直接 耦合放大电路。耦合放

8、大电路。 2 2、制造太大和太小的电阻不经济，占用硅、制造太大和太小的电阻不经济，占用硅 面积大。一般面积大。一般R R的范围为的范围为10010030K30K，大电阻，大电阻 用恒流源代替。用恒流源代替。 3 3、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。 WXHWXH 8 中间级中间级输出级输出级 偏置电路偏置电路 输入级输入级 四、电路的简单说明四、电路的简单说明 WXHWXH 9 运算放大器运算放大器实际上就是一个直接耦合的多级放大电路，它有实际上就是一个直接耦合的多级放大电路，它有 两个输入端一个输出端，一般电源都不画。两个输入端一个输出端，一般电源都不画。

9、单运放：单运放： LM741/ LM741/ A741A741 双运放：双运放：LM747LM747（双（双741741） 单电源四运放：单电源四运放：LM124/224/324LM124/224/324 双电源四运放：双电源四运放：LM148/248/348 LM148/248/348 等等。等等。 四、电路的简单说明四、电路的简单说明 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 WXHWXH 10 u u 0u u u 0u WXHWXH 11 WXHWXH 12 WXHWXH 13 u u 0u 0u A 实际运放上述指标接近理想化条件，故用理想运放代替实实际运放上述指标接近理想化条件，

10、故用理想运放代替实 际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。 u u 0u rid u0 r0 u- u+ u0 WXHWXH 14 o +Uo(sat) -Uo(sat) u+ - u- u0 实际特性 理想特性 u u 0u WXHWXH 15 o +Uo(sat) -Uo(sat) 实际特性 u+ - u- 线性区 饱和区 饱和区 rid u0 r0 U- U+ u0 WXHWXH 16 o +Uo(sat) -Uo(sat) 实际特性 u+ - u- 线性区 饱和区 饱和区 u u 0u WXHWXH 17 17-2 17-2 运算放

11、大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用 理想运放应满足的条件：理想运放应满足的条件： rid u0 r0 U- U+ u0 (1)“(1)“虚短虚短” (2)“(2)“虚断虚断” 但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。 我们已经知道：我们已经知道：A Auo uo ，则当输入差模信号，则当输入差模信号 极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放运放 饱和。饱和。 4 4、共模抑制比、共模抑制比K KCMRR CMRR 3 3、开环输出电阻、开环输出电阻r ro o 2 2、差模输入电阻、

12、差模输入电阻r rid id 1 1、开环放大倍数、开环放大倍数A Auo uo 00 WXHWXH 18 uo u- u+ + + - R 反相输入端。反相输入端。 WXHWXH 19 17.2.117.2.1、比例运算、比例运算 电路结构电路结构 Q R2 R1 RF ui u0 iF i1 闭环放大倍数闭环放大倍数 1 1、反相比例、反相比例 i uf u u A 0 u u- -=u=u+ + 又又虚断虚断 u u- -=u=u+ +=0=0则电流则电流i i1 1等于等于电流电流i iF F F i R u R u 0 1 00 即： 1 0 R R u u A F i uf WXH

13、WXH 20 反相器时当, 1, 1 ufF ARR R2 R1 RF ui u0 iF i1 WXHWXH 21 0r R i u r o 1 1 i if 电压并联负反馈电压并联负反馈 R2 R1 RF ui u0 iF i1 WXHWXH 22 R2=R1/RF 特别说明：特别说明： R2 R1 RF ui u0 iF i1 P112P112例例17.2.117.2.1请同学自学。请同学自学。 WXHWXH 23 R2 R1 R3 ui u0 i3 i1 R4 R5 i4 i5 a i1= i3=i4+i5 Ui/R1= -Ua/R3 -Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R5 )

14、R R R R 1 ( R R u u A 4 5 3 5 1 3 i 0 u WXHWXH 24 R2 R1 RF ui u0 iF i1 1 1 R R A F uf 电路结构电路结构 2 2、同相比例、同相比例 跟随器, 1 uf A R2 RF ui u0 时或当 1 0RR F F RRR/ 12 WXHWXH 25 0r r o if R2 R1 RF ui u0 iF i1 WXHWXH 26 接有分压电阻接有分压电阻R R3 3时，时，A Auf uf的求法为： 的求法为： u R R u F )1 ( 1 0 0r RRr o 32if R1/RF=R2/R3 平衡电阻：平衡

15、电阻： 电压串联负反馈电压串联负反馈 R2 R1 RF ui u0 iF i1 R3 32 3 1 F uf RR R ) R R 1 (A i F u RR R R R 32 3 1 )1 ( WXHWXH 27 17.2.217.2.2、加法运算、加法运算 )( 3 13 2 12 1 11 0i F i F i F u R R u R R u R R u R2 R11 RF ui1 u0 iF R12 R13 ui2 ui3 i1 i2 i3 WXHWXH 28 R21 R1 RF ui1 u0 iF i1 R22 R23 ui2 u R R u F )1( 1 0 ) / / / /

16、( 2 222321 2321 1 212322 2322 ii u RRR RR u RRR RR u ) / / / / )(1 ( 2 222321 2321 1 212322 2322 1 0ii F u RRR RR u RRR RR R R u WXHWXH 29 1 i 1 F o u R R u 从这里可以看出，本电路的同从这里可以看出，本电路的同 相放大倍数最多只能比反相大相放大倍数最多只能比反相大1 1 17.2.317.2.3、减法运算、减法运算 R2 R1 RF ui2 u0 iF i1 R3 ui1 2i 1 F u) R R 1 ( 时当 3F12 RR,RR )u

17、u( R R u 2i1 i 1 F o 23 3 RR R u ui1 i1为电流并联负反馈； 为电流并联负反馈； u ui2 i2为电压串联负反馈 为电压串联负反馈 WXHWXH 30 这就非常有意义如令, 0u u RR R ) R/R R 1 ( u R R u R R u 3i 2i 23 3 41 F 3i 4 F 1 i 1 F o 这在后面所讲的这在后面所讲的 设计电路中非常有用。设计电路中非常有用。 R2 R1 RF ui2 u0 iF i1 R3 ui1 ui3 R4 WXHWXH 31 17.2.417.2.4、积分运算、积分运算 R2 R1 CF ui u0 iF i1

18、 dt du ci R u i o F i 1 1 t CR U u u F I o i 1 为常数时特别地当 dt CR u du F i o 1 dtu CR u i F o 1 1 WXHWXH 32 R2 R1 CF ui u0 iF i1 -U0（sat) t CR U u F I o 1 当当U UI I大于大于0 0时时 t u0 0 0 +U0（sat) 当当U UI I小于小于0 0时时 + + + 1 1f R U ii i WXHWXH 33 PI调节器 ) 1 ( 11 o dtu CR u R R u i F i F ui1 uo + + - R2 CF i1 R1

19、PI调节器 ifuc RF WXHWXH 34 F oi 11 R u dt du Ci 17.2.517.2.5、微分运算、微分运算 R2 C1 RF ui u0 iF i1 dt du CRu i 1Fo P119P119例例17.2.817.2.8是一个比例是一个比例- -微分调节器微分调节器 （简称（简称PDPD调节器），自学。调节器），自学。 WXHWXH 35 例如：试画出下列函数关系的运算电路例如：试画出下列函数关系的运算电路 17.2.617.2.6、已知输出与输入的函数关系，设计电路。、已知输出与输入的函数关系，设计电路。 (1) (1) u u0 0=-5u=-5ui i

20、(2) (2) u u0 0=5u=5ui i (4) (4) u u0 0=5u=5ui1 i1-2u -2ui2 i2 (3) (3) u u0 0=-5u=-5ui1 i1+2u +2ui2 i2 R2 R1 RF ui u0 R2 R1 RF ui u0 iF i1 R2 R1 RF ui2 u0 iF i1 R3 ui1 R2 R1 RF ui2 u0 iF i1 R3 ui1 R4 WXHWXH 36 17-3 17-3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用 体积小、效率高体积小、效率高 WXHWXH 37 缺点：缺点：1 1、用于低频（受集成运放的限制）、

21、用于低频（受集成运放的限制） 2 2、必须有直流电源、必须有直流电源 3 3、可靠性差、可靠性差 4 4、不能用于高电压大电流、不能用于高电压大电流 0 0 f f A Au u 0 0 f f A Au u 0 0 f f A Au u 0 0 f f A Au u WXHWXH 38 R R C Cu ui i u u0 0 R R C C u ui i u u0 0 无源低通滤波器无源低通滤波器 无源高通滤波器无源高通滤波器 R2 R1 RF ui u0 R R C Cu ui i u u0 0R R C C u ui i u u0 0 有源低通滤波器有源低通滤波器有源高通滤波器有源高通

22、滤波器 WXHWXH 39 一、低通滤波器一、低通滤波器 1 1 1 uiuo + + - R C 有源低通滤波器 uc RF R1 WXHWXH 40 1 0 1 1 1 1 1 1 j R F R RCj R F R U U A i o uf RC 1 0 2 0 1 1 1 0 o 0 幅频特性RC f 2 1 0 或 式中的式中的 称为特征频率称为特征频率 A Auf uf的模为 的模为 幅频特性幅频特性 WXHWXH 41 时当 0 1 1 0 o 0 幅频特性 22 1 1 0uf uf A R F R A 时当 也称为截止频率 0 0Auf 时当 WXHWXH 42 二阶有源低通

23、滤波器二阶有源低通滤波器 R R1 RF ui u0 C R C WXHWXH 43 二、高通滤波器二、高通滤波器 iU Cj 1 R R U 有源高通滤波器 uiuo + + - R C RF R1 RCj 1 1 Ui WXHWXH 44 1 0 i o uf j1 1 R F R 1 RCj 1 1 1 R F R 1 U U A RC 1 0 2 0 uf /1 1 R F R 1 A 0 o 0 幅频特性RC f 2 1 0 或 式中的式中的 称为特征频率称为特征频率 A Auf uf的模为 的模为 幅频特性幅频特性 WXHWXH 45 时当 0 0Auf 22 1 1 0uf uf

24、 A R F R A 时当 也称为截止频率 0 0 o 0 幅频特性 1 1 时当 WXHWXH 46 17.3.2、采样保持电路 当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而 准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次 采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持 技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。 uiuo + + - R C 采样保持电路 uc R1 S 控制信号控制信号 o uoui 采采 样样 保保 持

25、持 t 输入输出波形 控制信号控制信号 WXHWXH 47 17.3.3、电压比较器 uRuo + + - R2 电压比较器 R1 ui Uo(sat) -Uo(sat) o 传输特性 uo ui uR 其传输特性如图所示其传输特性如图所示 WXHWXH 48 Uo(sat) -Uo(sat) o 传输特性 uo ui uR o uo t uR Uo(sat) -Uo(sat) o 比较器将正弦波变 换为矩形脉冲 uo t uRuo + + - R2 电压比较器 R1 ui 电压比较器可以用做波形变换电压比较器可以用做波形变换 WXHWXH 49 uR uo + + - R2 有限幅电压比较器 R1 ui Dz 传输特性 +Uz o uo ui uR -Uz 有时为了将输出电压限制有时为了将输出电压限制 在某一特定值，以与接在输出在某一特定值，以与接在输出 端的数字电路的电平配合，可端的数字电路的电平配合，可 在比较器的输出端与反相端之在比较器的输出端与反相端之 间跨接一个双向稳压管间跨接一个双向稳压管DzDz，作，作 双向限幅用。双向限幅用。 uRuo + + - R2 有限幅电压比较器 R1 ui Dz WXHWXH 50 例题例题17.3.1 电路如图所示，输入电压是一正弦电压，电路如图所示，输入电压是一正弦电压， 试分析并画出输出