青海大学电工电子12集成运算放大器及其应用

1、112-1 差动放大电路差动放大电路12-2 运算放大器的工作原理及主要参数运算放大器的工作原理及主要参数12-3 运算放大器的线性应用运算放大器的线性应用12-4 运算放大器的非线性应用运算放大器的非线性应用在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上基片上( (厚约厚约0.2-0.250.2-0.25毫米，面积约零点几平方毫米毫米，面积约零点几平方毫米) ) ，构成特定功能的，构成特定功能的电子电路，称为电子电路，称为集成电路。集成电路。由于由于具有体积小、重量轻、耗电省、成本低、具有体积小、重量轻、耗电省、成本

2、低、可靠性高和电性能优良等突出优点，可靠性高和电性能优良等突出优点，所以随着微电子技术的进步，集成所以随着微电子技术的进步，集成电路得到了飞速的发展。从电路得到了飞速的发展。从6060年代以来，集成电路的发展经历了小规模年代以来，集成电路的发展经历了小规模集成电路（集成电路（SSISSI）、中规模集成电路（）、中规模集成电路（MSIMSI）、大规模集成电路（）、大规模集成电路（LSILSI）和）和超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSIVLSI）四个阶段，目前已能在一小块硅基片上制作）四个阶段，目前已能在一小块硅基片上制作（光刻光刻）出上亿个元器件。）出上亿个元器件。3一、集成电路的分类一

3、、集成电路的分类1、按集成度分为：、按集成度分为： 小规模：小规模：(0100)个元件个元件/基片基片 中规模：中规模：(1001000)个元件个元件/基片基片 大规模：大规模：(10001万万)个元件个元件/基片基片 超大规模：超大规模：(1万以上万以上)个元件个元件/基片基片2、按功能分为：按功能分为： 模拟模拟集成电路集成电路 数字数字集成电路集成电路线性集成电路线性集成电路非线性集成电路非线性集成电路 在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集集成运算放大器（简称集成运放或运放）成运放或运放）是应用极为广泛的一种是应用极为广泛的一种。该电路为。该电路为本章讨论的重点。本

4、章讨论的重点。 线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系。和输入信号成线性关系。集成运放属于线性集成电路。集成运放属于线性集成电路。二、集成电路的封装形式二、集成电路的封装形式 圆壳式 双列直插式 扁平式 单列直插式 菱形式6运算放大器外形图运算放大器外形图三、模拟集成电路的特点三、模拟集成电路的特点12电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性 各元件在同一块硅片上，经相同工艺制造出各元件在同一块硅片上，经相同工艺制造出来，元件参数绝对值有同向的偏差，温度匀一性来，元件参数绝对值有同向的偏差，温度匀一性

5、好，特性相同。好，特性相同。用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件 电路中的电阻元件是由硅半导体中的体电阻构电路中的电阻元件是由硅半导体中的体电阻构成，电阻值的范围一般为几十欧到成，电阻值的范围一般为几十欧到2020千欧左右，范千欧左右，范围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达10%-20%10%-20%左右。故左右。故在集成电路中，高阻值的电阻多用在集成电路中，高阻值的电阻多用BJT或或FET等有源器件组成的恒流源电路代替。等有源器件组成的恒流源电路代替。34采用复合结构的电路采用复合结构的电路 复合结构电路的性能较佳，制作并不困难，复合结构电路的

6、性能较佳，制作并不困难，故集成电路中故集成电路中多用复合管、共射多用复合管、共射- -共基、共集共基、共集- -共共基等组合电路。基等组合电路。级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式 电路中的电容量不大，约在几十皮法以下，常电路中的电容量不大，约在几十皮法以下，常用结结电容构成，误差较大。而电感的制造非常困用结结电容构成，误差较大。而电感的制造非常困难。故在集成电路中，难。故在集成电路中，级间都采用直接耦合方式。级间都采用直接耦合方式。5二极管由二极管由BJT的发射结构成的发射结构成 电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。9一、一、直

7、接耦合放大电路的零点漂移问题直接耦合放大电路的零点漂移问题可以放大直流、交流信号可以放大直流、交流信号零漂：零漂： 输入短路时，输出输入短路时，输出仍有缓慢变化的电仍有缓慢变化的电压产生。压产生。即输出电即输出电压偏离原来的起始压偏离原来的起始点而上下漂动。点而上下漂动。主要原因：主要原因：主要由于温度变化引起，也称主要由于温度变化引起，也称温漂温漂。直流电源波动，器件老化也是原因之一。直流电源波动，器件老化也是原因之一。12-1 差动放大电路差动放大电路10 100,=V1A 若第一级漂移了若第一级漂移了100 uV，则输出漂移则输出漂移 100m V。若第二级漂移了若第二级漂移了100 u

8、V，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设 可见，克服零漂可见，克服零漂第一级是关键！第一级是关键！。 1= 100,=V3V2AA 减小零漂的措施减小零漂的措施 采用采用差动放大电路差动放大电路 若第三级漂移了若第三级漂移了100 uV，则输出漂移则输出漂移 0.1 mV。11二、二、差动（差分）放大电路差动（差分）放大电路 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 1 1、电路组成、电路组成结构特点结构特点:对称性结构对称性结构即：即： 1= 2= V

9、BE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb 差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端： 从两输入端同时加信号从两输入端同时加信号双端双端输入输入 从一个输入端从一个输入端对地对地加信号加信号单端单端输入输入12 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE + - - Rb1 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE iC2 Rc2 +VCC vo2 T2 Re2 - -VEE + - - Rb1 vi2 + - - Rb2 (2)有有公共的射极电阻公共的射极电

10、阻Re vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 组成特点：组成特点：(1)直接耦合的共射极电路

11、直接耦合的共射极电路从集电极从集电极C1 和和C2输出输出 双端输出双端输出差动放大电路可以有两个输出端：差动放大电路可以有两个输出端：从集电极从集电极C1或或C2 对地输出对地输出 单端输出单端输出13 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 注意：注意： vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 （1）静态分析）静态分析

12、电路对称电路对称T放大的条件：放大的条件：Je正偏正偏、Jc反偏反偏vi1 = vi2 = 0（静态静态）BEEEB1B2be0()(1)2VVIIRR C1B1C2IIICE1C1ECE2VVVVC1CCC1cC2=VVI RV0.7V-=BEB1E VVV Je正偏正偏 T放大放大 Jc反偏反偏vo = VC1 - - VC2 = 0 0 实现：实现： 0输入输入 0输出输出 克服零漂克服零漂2 2、电路分析、电路分析14 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T

13、1 T2 （2）动态定性分析）动态定性分析 输入输入差模信号差模信号vi1 0 vi2 0 vo2 0 VC2 vo1 0 VC1 vo 0 大小相等，方向相反大小相等，方向相反 iE1 0 IE1 iE2 0 IE2 另外：另外：Re相当于相当于短路短路 iE = 015（2）动态定性分析）动态定性分析 输入输入共模信号共模信号大小相等，方向也相同大小相等，方向也相同 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 vi1 0 vi2 0 另外：另外：Re相当于相

14、当于2Re iE = 2 iE1 = 2 iE2 vo 0 vo1 0 VC1 vo1 0 VC1 iE1 0 IE1 iE1 0 IE1 16（3）动态定量分析）动态定量分析 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 小信号等效（微变等效）小信号等效（微变等效）电路法电路法利用利用对称特点对称特点，转化为单边转化为单边电路电路求解。求解。四种接法四种接法a. 双端输入、双端输出双端输入、双端输出b. 双端输入、单端输出双端输入、单端输出c. 单端输入、双端输

15、出单端输入、双端输出d. 单端输入、单端输出单端输入、单端输出注意：注意：电阻电阻Re 和和RL的处理的处理17双端输入双端输入 差模增益差模增益 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 双入双出双入双出V1i1o1i2i1o2o1idoVD=Av2v2vvv

16、vvvA beLcVD)21/(=rRRRAb 双入双出双入双出 双入单出双入单出V1i1o1i2i1o1idoVD121=Av2vvvvvvA beLcVD1)/(21=rRRRAb beLcVD2)/(21=rRRRAb RL各分一半各分一半RL由由T1单独负担单独负担 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - 双入单出双入单出Re短路短路18双端输入双端输入 共模增益共模增益 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2

17、 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 双入双出双入双出0=ico2o1icoVC vvvvvA双入双出双入双出 双入单出双入单出V1i1o1icoVC1=AvvvvA ebR21rRRRA)()/(=beLcVC1 RL开路开路RL由由T1单独负担单独负担双入单出双入单出Re对单边相当于对单边相当于2Re19双端输入

18、双端输入 共模抑制比共模抑制比 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 双入双出双入双出双入单出双入单出beLcidoVD)21/(=rRRRvvAb beLcido1VD1)/(21=rRRRvvAb 0=ico2o1icoVC vvvvvAebR21rRR

19、RvvA)()/(=beLcico1VC1 VCVDCMRAAKbebebebebebrRR1rR2R21rRK )()()(CMR 双入双出双入双出 双入单出双入单出 公共电阻公共电阻Re KCMR 抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强2012-2 12-2 运算放大器的工作原理及主要参数运算放大器的工作原理及主要参数集成电路集成电路 运算放大器运算放大器直接耦合直接耦合 多级放大电路多级放大电路符号：符号：特点：特点： 电压增益高（差模）电压增益高（差模）输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小21UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS 一

20、、原理框图一、原理框图输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相22对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高 KCMRR , , 输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动

21、放大器。级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。功率放大，提高带负载的能力。231、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Auo为为 。2、共模抑制比、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。二、主要参数二、

22、主要参数24 ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放的特点运放的特点KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A uo很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：uu+ uo u u+ uoAuo三、理想运算放大器及其分析依据三、理想运算放大器及其分析依据25uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+AuoCoOMEuUmax例：若例：若U

23、OM=12V，Auo=106，则则|ui| UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 1、ui从同相端输入从同相端输入50+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 2、 ui从反相端输入从反相端输入51uoui0+UOM-UOM+uoui3、过零比较器、过零比较器: (UR =0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM52+uouitui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正弦波变为方波。弦波变为方波。uot+Uom-Uom53电路结构电路结构ZURRRUf11T ZURRRUf11T 上下限上下限:二、波形发生器二、波形发生器u+A+-