第十章 集成运算放大器

1、(4-1)第十章第十章 集成运算放大器集成运算放大器(4-2)(4-3)集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 10.1 集成运放的简单介绍集成运放的简单介绍(4-4)10.1.1 10.1.1 集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点1. 电路元件制作在一

2、个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外接。3. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。(4-5)UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS10.2 10.2

3、原理框图（基本结构）原理框图（基本结构）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(4-6)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

4、入级和第二级一般采用差动放大器。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。(4-7)一、开环电压放大倍数一、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 。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般10

5、0dB以上。以上。主要参数主要参数(4-8) 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很大很大: 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理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据(4-9)uiuo+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_+AuoCo

6、OMEuUmax例：若例：若UOM=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(4-53)+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(4-54)uoui0+UOM-UOM+uoui3、过零比较器、过零比较器: (UR =0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM(4-55)+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-Uom(4-56)+uiuoui0+

7、UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRR uo UZ电压比较器的另一种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负反馈回路上(4-57)分析分析1. 因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。2. 当当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：U+HomUURRRU2113. 当当uo负饱和时负饱和时(uo =UOM) ：LomUURRRU211+uoRR2R1ui参考电压由参考电压由输出电压决定输出电压决定特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。运放处于非线性状态

8、。4.4.迟滞比较器迟滞比较器(4-58)omHURRRU211omLURRRU211分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH - UL)为为回差回差。当当ui 增加到增加到UH时，输出时，输出由由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当当ui 减小到减小到UL时，输出时，输出由由-Uom跳变到跳变到Uom 。传输特性：传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起小于回差的干扰不会引起跳转。跳转。跳转时，正反馈加跳转时，正反馈加速跳转。速跳转。(4-59)tuiUom-UomtuiUHUL例：例：迟滞比较器的输入迟滞比较器的输入为正弦波时，画

9、出为正弦波时，画出输出的波形。输出的波形。+uoRR2R1ui(4-60)1.电路结构电路结构ZURRRUf11T ZURRRUf11T 上下限上下限:矩形波发生器矩形波发生器u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用(4-61)2.工作原理：工作原理：(1) 设设 uo = + UZ , 此时，此时，uO给给C 充电充电, uc ，则：则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ变成变成UZ 。在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , 设设uC初始值

10、初始值uC(0+)= 0uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC(4-62)此时，此时，C向向u uO O放电放电, ,再反向充电再反向充电(2) 当当uo = -UZ 时，时， u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC(4-63)0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC(4-64)三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为+UZ。(4-65)波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZTuR-+Z+uRR+12