第1章12节 集成运算放大器

1、上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束章目录章目录第一节第一节 集成运算放大器简介集成运算放大器简介第二节第二节 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用第三节第三节 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用第第1单元单元教学要求教学要求教学要求教学要求1.了解常用集成电路的分类及常用集成电路的特性和主要功了解常用集成电路的分类及常用集成电路的特性和主要功能。能。2.掌握基本集成运算放大电路的特性及分析方法。掌握基本集成运算放大电路的特性及分析方法。 3.掌握常用集成电路的应用。掌握常用集成电路的应用。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束一、集成电路的工艺特点

2、、分类和型号一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名命名二、集成运算放大器的分类、组成、型号二、集成运算放大器的分类、组成、型号和封装及代表符号和封装及代表符号节目录节目录第一节第一节 集成运算放大器的工作原理及集成运算放大器的工作原理及其应用方式其应用方式三、集成运算放大器的主要技术指标三、集成运算放大器的主要技术指标上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 1.集成电路中的元器件是用相同的工艺在同一块硅片集成电路中的元器件是用相同的工艺在同一块硅片上大批制造的，因此元器件的性能比较一致，对称性好，上大批制造的，因此元器件的性能比较一致，对称性好，适于做差动放大电路。适于做差动放大电路。

3、2.集成电路中的电阻器用集成电路中的电阻器用P型区（相当于型区（相当于NPN型三极管型三极管的基区）的电阻构成，阻值范围一般在几十欧的基区）的电阻构成，阻值范围一般在几十欧几十千欧之几十千欧之间，阻值太高和太低的电阻均不易制造，大电阻多采用外间，阻值太高和太低的电阻均不易制造，大电阻多采用外接方式。接方式。 3.集成电路中的电容是用集成电路中的电容是用PN结的结电容，一般小于结的结电容，一般小于100pF，如必须用大电容时可以外接。，如必须用大电容时可以外接。一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名（一）集成电路中元器件的特点（一）集成电路中元器件的特点上一

4、页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 1.按功能分按功能分 有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路又分为线性和非线性。成电路又分为线性和非线性。 2.按导电类型分按导电类型分 可分为单极型（可分为单极型（MOS场效应管）、双场效应管）、双极型（极型（PNP型或型或NPN型）和两者兼容型三种。其中单极型集型）和两者兼容型三种。其中单极型集成电路又可以分为三种：成电路又可以分为三种：PMOS型、型、NMOS型、型、CMOS型。型。 3.按制造工艺分类按制造工艺分类 可分为半导体集成电路、薄膜集成可分为半导体集成电路、薄膜集成电路和厚膜集成电路。电路和厚膜

5、集成电路。 4.按集成度分类按集成度分类 可分为小规模集成电路、中规模集成可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名（二）集成电路的分类（二）集成电路的分类上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束（三）集成电路的型号命名和外形（三）集成电路的型号命名和外形一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名 1.我国国家标准我国国家标准GB3 430 82规定，半导体集成电路的规定，半导体集成电路的型号由型号由5部分组成，

6、见下表。部分组成，见下表。 第零部分第一部分第二部分第三部分第四部分 用字母表示器件，例如字母C代表中国制造 用字母表示器件的类型，例如字母C代表TTL电路 用数字表示器件系列和品种代号 用字母表示器件工作温度范围，例如，字母C代表070 用字母表示器件封装，例如字母W代表陶瓷扁平封装上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 2.集成电路的封装有陶瓷双列直插、塑料双列直插、陶集成电路的封装有陶瓷双列直插、塑料双列直插、陶瓷扁平、塑料扁平、金属圆形等多种。部分集成电路外形如瓷扁平、塑料扁平、金属圆形等多种。部分集成电路外形如图所示。图所示。一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名一、集成电路的

7、工艺特点、分类和型号命名上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束（一）集成运放的分类（一）集成运放的分类二、集成运算放大器的分类、组成、型号和二、集成运算放大器的分类、组成、型号和封装及代表符号封装及代表符号（二）集成运放的组成框图（二）集成运放的组成框图通常包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。通常包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。 集成运放分为集成运放分为通用型通用型和和特殊型特殊型两大类，其中通用型集两大类，其中通用型集成运放按主要参数由低到高分为通用成运放按主要参数由低到高分为通用型、通用型、通用型和通用型和通用型；特殊型集成运放又分为高输入阻抗型、高精度型、型；特殊型集成运放

8、又分为高输入阻抗型、高精度型、宽带型、低功耗型、高速型和高压型等。宽带型、低功耗型、高速型和高压型等。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元+T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反反 相相 输输 入入 端端同同 相相 输输 入入 端端输输入入级级中中间间级级输输出出级级上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT159

9、2T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB通用型集成运放通用型集成运放F007上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象电流源组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管构成多支路电流源。管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源路作为中间级的有源负载。负载。A路为输出级提供偏置。路为输出

10、级提供偏置。1. 偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：51BE112BEEECCREF)(RUUVVI 分析：分析：上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 T1 、T2和和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到使输入差模信号达到30V以上。以上。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、

11、R3组成具有基极补偿作组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。以提高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。2. 输入级：输入级：上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束3. 中间级：中间级： T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。 T14和和T20管组成互补对称输出级，管组成互补对称输出级，T18、T19和和 R8为为其提供静态偏置以克服交越失真。其提

12、供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保护保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不管在负向电流过大时不致烧坏。致烧坏。4. 输出级：输出级：5. 相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2号腿为反相号腿为反相端。端。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束输入级：输入级： 差分电路，大大减少温漂。差分电路，大大减少温漂。中间级：中间级：采用采用有源负载的共发射极电路，增益大。有源负载的共发射极电路，增益大。为提高放大倍数，常

13、用复合管。为提高放大倍数，常用复合管。输出级：输出级： 具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（ 带负带负 载能力强），非线性失真小。载能力强），非线性失真小。OCL 电路。电路。偏置电路偏置电路： 镜像电流源，微电流源。镜像电流源，微电流源。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束（三）集成运放的型号和封装（三）集成运放的型号和封装二、集成运算放大器的分类、组成、型号和二、集成运算放大器的分类、组成、型号和封装及代表符号封装及代表符号 国家标准国家标准GB3 430 -82规定（见表规定（见表3-1），国产集成运放），国产集成运放的型号由的型号由5部分组成

14、：部分组成：第四部分，用字母表示器件的封装。第四部分，用字母表示器件的封装。第零部分，用字母表示器件；第零部分，用字母表示器件；第一部分，用字母表示器件的类型；第一部分，用字母表示器件的类型；第二部分，用阿拉伯数字表示器件的系列和品种代号；第二部分，用阿拉伯数字表示器件的系列和品种代号；第三部分，用字母表示器件的工作温度和范围；第三部分，用字母表示器件的工作温度和范围；上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束（四）集成运放的代表符号（四）集成运放的代表符号二、集成运算放大器的分类、组成、型号和二、集成运算放大器的分类、组成、型号和封装及代表符号封装及代表符号集成运放的代表符号如图集成运放的

15、代表符号如图a所示，图所示，图b为过去曾用过的符号。为过去曾用过的符号。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束三、集成运算放大器的主要技术指标三、集成运算放大器的主要技术指标（一）开环差模电压放大倍数（一）开环差模电压放大倍数Auo（二）输入失调电压（二）输入失调电压Ui0（三）输入失调电流（三）输入失调电流Ii0（四）输入偏置电流（四）输入偏置电流IiB（五）最大差模输入电压（五）最大差模输入电压Uidm（六）最大共模输入电压（六）最大共模输入电压Uicm（七）差模输入电阻（七）差模输入电阻rid（八）最大输出电压（八）最大输出电压Uopp上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束一

16、、分析理想集成运算放大器线性电路的两一、分析理想集成运算放大器线性电路的两个重要原则个重要原则二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路第二节第二节 集成运算器的线性应用集成运算器的线性应用三、加法器与电压跟随器三、加法器与电压跟随器四、差动放大电路四、差动放大电路五、积分电路五、积分电路六、比例积分放大电路六、比例积分放大电路七、微分电路七、微分电路八、比例积分微分电路八、比例积分微分电路九、使用集成运算放大器应注意的问题九、使用集成运算放大器应注意的问题上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束一、理想集成运算放大器的两个重要原则一、理想集成运算放大器的两个重要原则（1）开环电压放大倍数）

17、开环电压放大倍数 其代表符号如图所示。其代表符号如图所示。（一）理想集成运放的特性（一）理想集成运放的特性uoA（2）差模输入电阻）差模输入电阻idr（3）开环输出电阻）开环输出电阻0or（4）共模抑制比）共模抑制比CMRR（5）没有失调现象）没有失调现象理想集成运放具有以下重要特性。理想集成运放具有以下重要特性。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束1.理想集成运放两输入端电位相等理想集成运放两输入端电位相等 （二）理想集成运放的两个重要原则（二）理想集成运放的两个重要原则uoAuooAUUUUU 两者不相接，但电位又总相等，相当于短路，通常称为两者不相接，但电位又总相等，相当于短路，

18、通常称为“虚短虚短”。如果同相输入端接地（或通过电阻接地），即。如果同相输入端接地（或通过电阻接地），即 U+ = 0，则反相输入电位也为零，但又不接地，则称为，则反相输入电位也为零，但又不接地，则称为“虚虚地地”。 1) ) u+ u( (虚短虚短) )上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束2.理想集成运放输入电流等于零理想集成运放输入电流等于零idr0UU0idirUUI 集成运放是与电路相接的，但输出电流近似为零，相当集成运放是与电路相接的，但输出电流近似为零，相当于断开一样，故通常称为于断开一样，故通常称为“虚断虚断”。2) ) i+ i 0 ( (虚断虚断) )上一页上一页下一

19、页下一页返返 回回结结 束束集成运放的传输特性集成运放的传输特性 实际电路中集成运放的传输特性如图所示。 uo Uom UomO非线性区线性区非线性区ui集成运放的传输特性上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路1.电路结构如图所示。电路结构如图所示。 （一）反相比例运算放大电路及反相器（一）反相比例运算放大电路及反相器2.闭环电路放大倍数闭环电路放大倍数 Auf 1i1NiiRURUUIfofoNfRURUUI1fioufRRUUAfiII 因为因为fo1iRURU则则所以所以上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例

20、运算放大电路 在图中，（在图中，（1）若）若 Uo = 1 V，Rf = 100 k，Ui = 0.2 V，则，则 R1 = ? （2）R1 = 1 k，Rf = 27 k， Ui = 0.1 V，则，则 Uo = ?举例举例上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路（1）（2）1RfoiRUUk2010012 . 0oUi1fURRV7 . 21 . 0127有时为了方便，可以用图示符号表示反相器。有时为了方便，可以用图示符号表示反相器。解解：式中负号表示输出电压和输入电压相位相反。式中负号表示输出电压和输入电压相位相反。上一页上一页下一页下一页返返

21、 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路1.电路结构电路结构（二）同相比例运算放大电路及电压跟随器（二）同相比例运算放大电路及电压跟随器2.闭环电路放大倍数闭环电路放大倍数 Auf fiII 1NiRUI fNofRUUIfio1iRUURU1fiouf1RRUUAiNPUUU上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路 在上页图中，（在上页图中，（1）若）若Rf = 100 k，Auf = 30时，求时，求 R1 = ?（2）当）当R1 = 5.1 k，Rf = 100 k， Uo = 2 V，求，求 Ui = ?（1）（2）1R1uf

22、fARk5 . 3130100iUof11URRRV097. 021001 . 51 . 5 在图中，当在图中，当 R1为无穷大（相当于去掉为无穷大（相当于去掉R1）和）和 Rf 为零（相为零（相当于短路）时，当于短路）时，Auf = 1，则成为电压跟随器，如下页图示。，则成为电压跟随器，如下页图示。举例举例解解：上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束二、比例运算放大电路二、比例运算放大电路 结论结论 （1）集成运算放大器作反相比例运算时输出电压与与输入）集成运算放大器作反相比例运算时输出电压与与输入电压关系为电压关系为 Uo = RfUi / R1。当比例系数。当比例系数 Rf / R

23、1等于等于1 时，集时，集成运算放大器成为反相器。成运算放大器成为反相器。 （2）集成运算放大器作同相比例运算时输出电压与与输入）集成运算放大器作同相比例运算时输出电压与与输入电压关系为电压关系为 Uo = (1 + Rf / R1) Ui，当比例系数，当比例系数(1 + Rf / R1)等于等于 1 时，集成运算放大器成为电压跟随器。时，集成运算放大器成为电压跟随器。电压跟随器电压跟随器当当 R1 = ，Rf = 0 时时上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束三、加法器与电压跟随器三、加法器与电压跟随器集成运算的应用有两个方面，即线性应用和非线性应用。集成运算的应用有两个方面，即线性应

24、用和非线性应用。 集成运放的线性工作区域（图中斜线部分）和非线性工作集成运放的线性工作区域（图中斜线部分）和非线性工作区域（图中斜线以外的部分）如图所示。区域（图中斜线以外的部分）如图所示。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 加法运算又叫求和加法运算又叫求和运算，通常有反相加法运算，通常有反相加法电路和同相加法电路。电路和同相加法电路。在集成运放的反相输入在集成运放的反相输入端，增加多个输入信号端，增加多个输入信号即成为图示的反相加法即成为图示的反相加法电路。电路。)/(3i32i21i1foRURURURU1.加法运算电路加法运算电路三、加法器与电压跟随器上一页上一页下一页下一页返

25、返 回回结结 束束如果使如果使R1 = R2 =R3 = R ，则，则)/(3i32i21i1foRURURURU)(i3i2i1foUUURRU 输出电压正比于各输入电压之和，且相位相反，所以该输出电压正比于各输入电压之和，且相位相反，所以该电路又叫反相加法比例运算电路。电路又叫反相加法比例运算电路。如果使如果使Rf = R ，则，则)(i3i2i1oUUUU 输出电压等于各输入电压之和，由此完成了信号的加法输出电压等于各输入电压之和，由此完成了信号的加法运算。运算。三、加法器与电压跟随器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 减法运算电路是指输出电压与多个输入电压的差值呈减法运算电路

26、是指输出电压与多个输入电压的差值呈比例的电路，常用差动输入方式来实现。比例的电路，常用差动输入方式来实现。)(i1i21foUURRU四四.差动放大器（减法运算电路）差动放大器（减法运算电路）i1i2oUUU如果取如果取 Rf = R1 ，则，则上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 1.在图中，若在图中，若 R1 = 100 k，R2 = 50 k， R3 = 20 k，Rf = 10 k，试写出电路输出电压的表达式，并求出平衡电，试写出电路输出电压的表达式，并求出平衡电阻阻R的值。的值。 根据根据“虚断虚断”概念，概念， Ii = 0，有，有I1 + I2 + I3 = If ；又因

27、为；又因为 N 为为“虚地虚地”点，则点，则I1 = Ui1 / R1 ， I2 = Ui2 / R2 ， I3 = Ui3 / R3 ， If = Uo / Rf 。举例举例解：解：四四.差动放大器差动放大器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束)/(1i31i21i1foRURURURU)05. 002. 001. 0(10i3i2i1oUUUU平衡电阻平衡电阻因此因此故故Rk6 . 5f321/RRRR四四.差动放大器差动放大器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束 2.电路如图所示，若电路如图所示，若 R1 = R2 = R3 = 10 k，Rf1 = 51 k，Rf2 =

28、 100 k，Ui1 = 0.1 V，Ui2 = 0.3 V，求，求Uo1 和和 Uo 。四四.差动放大器差动放大器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束V51. 0)10/1 . 051( 解：本电路是由两级集成运放组成，第一级为反相比例解：本电路是由两级集成运放组成，第一级为反相比例运算放大电路，第二级为加法运算电路。运算放大电路，第二级为加法运算电路。oUo1U1i1f1/ RURRUUR/ )(i2o1f2V1 . 210/ )3 . 051. 0(100四四.差动放大器差动放大器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束tiFtfFcduCRdiCuu1011uiRAiRRC

29、iCuo(a)(b)uiuoOOtt上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束例例 1: 开关延迟电路开关延迟电路当当 uO 6 V 时时 S 闭合，闭合，V6f1IO tCRUu610510384 tms 1 tuItO 3 VtuOO6 V1 mstusO 3 V上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束uoCFuiR2R1+ RF)(fFoCuiRu )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以保

30、证自以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比，可调整比例系数和积分时间常数例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束uoC1uiR2RF+ 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = ifFoi1ddRutuC tuCRuddi1Fo uiRCiCAiRRuo(a )uiuott(b )OO图6.9 微分运算电路上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束uoC1uiR2RF+ R1fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuC

31、RuRRu 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束uoC1uiR2RF+ R1C2dt)u1dtduC(i21i11121o1CRRuccuuiRRF上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器第第5节节 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用集成运放集成运放 RC 桥式振荡器如图所示。桥式振荡器如图所示。（三）集成运放正弦波振荡器（三）集成运放正弦波振荡器上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束0 电压比较器(a)电路; (b)传输特性-U0(sat)+U0(sat)URuiuoR2R1RiUuuu)(0 satoUuRiUu )(00satUu电压比较器电压比较器（时）（1）（时）（2）（一）（一）第三节第三节 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用上一页上一页下一页下一页返返 回回结结 束束第三节第三节 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 电压比较器是将输入