集成运算放大器课件

1、WXHWXH1一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程WXHWXH24 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）WXHWXH3现在集成电路的规模，正在以平均现在集成电路的规模，正在以平

2、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 1亿亿商业集成度商业集成度

3、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，从）芯片面积增大，从1 15 m

4、m5 mm2 2到现在的到现在的1 cm1 cm2 219671967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30mm30mm2 2制作制作1313万个晶体管，即万个晶体管，即64K64K位位DRAMDRAM。WXHWXH4 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度为为0.3 0.3 微米微米，继续发展可望

5、，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程应用的应用的“量子工学量子工学”也就诞生了，由这一理

6、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？WXHWXH5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系列，系列，74LS74LS，74HC74HC，40004000系列，系

7、列，CMOSCMOS等各种型号。等各种型号。WXHWXH6 LM741 1 2 3 48 7 6 51 12 23 34 45 56 67 78 8 LM741 1 2 3 48 7 6 5WXHWXH7 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。

8、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。WXHWXH8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WXHWXH9 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。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：

9、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 48 7 6 5WXHWXH10uu0uuu0uWXHWXH11WXHWXH12WXHWXH13uu0u0uA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，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。uu0uridu0r0u-u+u0WXHWXH14o+Uo(sat)-Uo

10、(sat)u+ - u-u0实际特性理想特性uu0uWXHWXH15o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+ - u-线性区饱和区饱和区ridu0r0U-U+u0WXHWXH16o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+ - u-线性区饱和区饱和区uu0uWXHWXH1717-2 17-2 运算放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： ridu0r0U-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

11、经知道：A Auouo，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 KCMRRCMRR3 3、开环输出电阻、开环输出电阻r ro o2 2、差模输入电阻、差模输入电阻r ridid1 1、开环放大倍数、开环放大倍数A Auouo00WXHWXH18uou-u+ +-R反相输入端。反相输入端。WXHWXH1917.2.117.2.1、比例运算、比例运算电路结构电路结构QR2R1RFuiu0iFi1闭环放大倍数闭环放大倍数1 1、反相比例、反相比例iufuuA0 u u- -=u

12、=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 FFiRuRu0100即：10RRuuAFiufWXHWXH20反相器时当, 1,1ufFARRR2R1RFuiu0iFi1WXHWXH210rRiuro11iif电压并联负反馈电压并联负反馈R2R1RFuiu0iFi1WXHWXH22R2=R1/RF特别说明：特别说明：R2R1RFuiu0iFi1P112P112例例17.2.117.2.1请同学自学。请同学自学。WXHWXH23R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1= i3=i4+i5Ui/R1= -Ua/R3-Ua/R3

13、=Ua/R4+(Ua-U0)/R5)RRRR1 (RRuuA453513i0uWXHWXH24R2R1RFuiu0iFi111RRAFuf电路结构电路结构2 2、同相比例、同相比例跟随器, 1ufAR2RFuiu0时或当10RRFFRRR/12WXHWXH250rroifR2R1RFuiu0iFi1WXHWXH26接有分压电阻接有分压电阻R R3 3时，时，A Aufuf的求法为：的求法为：uRRuF)1 (100rRRro32ifR1/RF=R2/R3平衡电阻：平衡电阻：电压串联负反馈电压串联负反馈R2R1RFuiu0iFi1R33231FufRRR)RR1 (AiFuRRRRR3231)1

14、 (WXHWXH2717.2.217.2.2、加法运算、加法运算)(3132121110iFiFiFuRRuRRuRRuR2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i3WXHWXH28R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui2uRRuF)1(10)/(2222321232112123222322iiuRRRRRuRRRRRu)/)(1 (222232123211212322232210iiFuRRRRRuRRRRRRRuWXHWXH291 i1FouRRu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1 117.

15、2.317.2.3、减法运算、减法运算R2R1RFui2u0iFi1R3ui12i1Fu)RR1 ( 时当3F12RR,RR)uu(RRu2i1 i1Fo233RRRu ui1i1为电流并联负反馈；为电流并联负反馈； u ui2i2为电压串联负反馈为电压串联负反馈WXHWXH30这就非常有意义如令, 0uuRRR)R/RR1 (uRRuRRu3i2i23341F3i4F1 i1Fo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。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R4WXHWXH3117.2.417.2.4、积分运算、积分运算R2R1CFuiu0iFi1dtduc

16、iRuioFi11tCRUuuFIoi1为常数时特别地当dtCRuduFio1dtuCRuiFo11WXHWXH32R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)tCRUuFIo1当当U UI I大于大于0 0时时tu00 0+U0（sat)当当U UI I小于小于0 0时时+ + +11fRUiiiWXHWXH33PI调节器)1(11odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI调节器ifucRFWXHWXH34Foi11RudtduCi17.2.517.2.5、微分运算、微分运算R2C1RFuiu0iFi1dtduCRui1FoP119P119例例17.2.817.2.8是

17、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。WXHWXH35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) u(1) u0 0=-5u=-5ui i(2) u(2) u0 0=5u=5ui i(4) u(4) u0 0=5u=5ui1i1-2u-2ui2i2(3) u(3) u0 0=-5u=-5ui1i1+2u+2ui2i2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2

18、R1RFui2u0iFi1R3ui1R4WXHWXH3617-3 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WXHWXH37缺点：缺点：1 1、用于低频（受集成运放的限制）、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 0f fA Au u0 0f fA Au u0 0f fA Au u0 0f fA Au uWXHWXH38R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu u0 0无源低通滤波器无源低通滤波器无源高通滤

19、波器无源高通滤波器R2R1RFuiu0R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu 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滤波器WXHWXH39一、低通滤波器一、低通滤波器 111uiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR1WXHWXH4010111111 jRFRRCjRFRUUAioufRC10 20111 0o0 幅频特性RCf 210或式中的式中的称为特征频率称为特征频率A Aufuf的模为的模为幅频特性幅频特性WXHWXH41时当0 110o0 幅频特性22110ufufARFRA时当 也称为截止频率0 0Auf时当WXHWXH42二阶有源低通滤

20、波器二阶有源低通滤波器RR1RFuiu0CRCWXHWXH43二、高通滤波器二、高通滤波器iUCj1RRU有源高通滤波器uiuo +-RCRFR1RCj11UiWXHWXH4410ioufj11RFR1RCj111RFR1UUARC10 20uf/11RFR1A0o0 幅频特性RCf 210或式中的式中的称为特征频率称为特征频率A Aufuf的模为的模为幅频特性幅频特性WXHWXH45时当0 0Auf22110ufufARFRA时当 也称为截止频率0 0o0 幅频特性11时当WXHWXH4617.3.2、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

21、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 +-RC采样保持电路ucR1S控制信号控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形控制信号控制信号WXHWXH4717.3.3、电压比较器uRuo +-R2电压比较器R1uiUo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuR其传输特性如图所示其传输特性如图所示WXHWXH48Uo(sat)-Uo(sat)o传

22、输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比较器将正弦波变换为矩形脉冲uotuRuo +-R2电压比较器R1ui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WXHWXH49uRuo +-R2有限幅电压比较器R1uiDz传输特性+UzououiuR-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R1uiDzWXHWXH50例题例题17.3.1 电路如图所示，输入电