第十章集成运放

1、 10.1 集成电路集成电路 集成电路是集成电路是20 世纪世纪 60 年代发展起来的放大器年代发展起来的放大器件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上而成。在一块很小的半导体芯片上而成。 集成电路的发展进程：集成电路的发展进程： 1960 年：小规模集成电路年：小规模集成电路 SSI。 1966 年：中规模集成电路年：中规模集成电路 MSI。 1969 年：大规模集成电路年：大规模集成电路 LSI 。 1975 年：超大规模集成电路年：超大规模集成电路 VLSI 。 集成电路分类集成电路分类 (1) 模拟集成电路模拟集成电路

2、 处理模拟信号的集成电路。处理模拟信号的集成电路。 如集成功率放大器、集成运算放大器等。如集成功率放大器、集成运算放大器等。 (2) 数字集成电路数字集成电路 处理数字信号的集成电路。处理数字信号的集成电路。 如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。 集成电路芯片集成电路芯片集成运算放大器简称集成运放，它是集成运算放大器简称集成运放，它是一个具有开环电压放大倍数很高的多级直一个具有开环电压放大倍数很高的多级直接耦合放大器，由输入级、中间级和输出接耦合放大器，由输入级、中间级和输出级三个基本部分组成。级三个基本部分组成。特点：特点：输入级采用差分放大电路，

3、输入级采用差分放大电路，KCMRR 和和 ri 很高。很高。 中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 输出级采用互补对称功率放大电路或共集放大输出级采用互补对称功率放大电路或共集放大 电路，电路， ro 很小，带负载能力很强。很小，带负载能力很强。采用直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。采用直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 输入端输入端 输出端输出端 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 1. 集成运放的电路结构框图集成运放

4、的电路结构框图+VCCuO+-VEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C净输入电压净输入电压2. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号 uD uuuO Ao 同相输入端同相输入端 反相输入端反相输入端 输出端输出端 集成运算放大器早先所用符号集成运算放大器早先所用符号 12345678A741空脚空脚调零端调零端输出输出调零端调零端反相输入反相输入同相输入同相输入+Ucc-Ucc3. 集成运算放大器的外形及管脚排列集成运算放大器的外形及管脚排列外形外形4. 集成运算放大器的

5、典型连接电路集成运算放大器的典型连接电路1. 1. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 rid 4. 共模抑制比共模抑制比 KCMRR5. 输入失调电压输入失调电压 Uio 、输入失调电流、输入失调电流 Iio 6. 输入偏置电流输入偏置电流 IB1 、 IB23. 开环输出电阻开环输出电阻 ro 7. 通频带宽度通频带宽度 BW1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (uD)在线性区：在线性区：uo = Auo( (u+ u)在饱和区：在饱和区：u+ u 时

6、，时， uo = +UOM u+1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：|1| FA|fA |1| FA22|)|1(1|)|1(|)|1( 1|FAFAFAFAAdAd f|)|1(1|)|1(1|)|1(1AAFAFAFAf f FAAA1|11|AAdFAAAdff 例例 10.2.1 某放大电路的某放大电路的 | A | =1 000，由于某一，由于某一原因原因, 使其变化率为使其变化率为 ，若电路的反馈系，若电路的反馈系数数 | F | = 0.009，则闭环电压放大倍数为多少？闭环电，则闭环电压放大倍数为多少？闭环电压放大倍数压放大倍数Af的相对变化率又为多少？的相对变化

7、率又为多少？= 2% 1 10.0091000 = 20% 解解 d| A| | A| 1 1| F | A| = d| Af | | Af | d| A| | A |= 20% 100009. 0100011000|1| FAAAf而而 ：110009. 010001|1| FA负反馈负反馈Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波ui无负反馈无负反馈f|Au|BWf 1 AF BW1）电压负反馈稳定了输出电压。）电压负反馈稳定了输出电压。FAuiudufuoRL稳定过程：稳定过程：uo uf uduofiduuu2）电流负反馈稳定了

8、输出电流。）电流负反馈稳定了输出电流。 AFiouoRLidiiif稳定过程：稳定过程：io if idiofidiiiuiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= (ube + uf ) ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：bfbebiifiuuiur uf+bbeiu FArr0ifi1 ifbiiuiurbebe i无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：fbiiuiur beibeifiiibube+o0of)1(rFAr FArr0oof1 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有电压

9、负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压源输出特性，故输出电阻降低。恒压源输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流源输出特性，故输出电阻提高。恒流源输出特性，故输出电阻提高。电压负反馈：稳定输出电压、降低输出电阻电压负反馈：稳定输出电压、降低输出电阻各种反馈类型的特点各种反馈类型的特点电流负反馈：稳定输出电流、提高输出电阻电流负反馈：稳定输出电流、提高输出电阻串联负反馈：提高放大电路输入电阻串联负反馈：提高放大电路输入电阻并联负反馈：减小放大电路输入电阻并联负反馈：减小放大电路输入电阻六、为改善性能引入负反馈的一般原则六、为改善

10、性能引入负反馈的一般原则 要稳定静态工作点要稳定静态工作点 引入直流负反馈引入直流负反馈 要稳定输出电压要稳定输出电压 引入电压负反馈引入电压负反馈 要稳定输出电流要稳定输出电流 引入电流负反馈引入电流负反馈 要增大输入电阻要增大输入电阻 引入串联负反馈引入串联负反馈 要减小输入电阻要减小输入电阻 引入并联负反馈引入并联负反馈 要增大输出电阻要增大输出电阻 引入电流负反馈引入电流负反馈 要减小输出电阻要减小输出电阻 引入电压负反馈引入电压负反馈例：试引入合适的负反馈以满足如下要求例：试引入合适的负反馈以满足如下要求(8(8分分) ) 要稳定输出电压、提高输入电阻应引入（要稳定输出电压、提高输入

11、电阻应引入（ ）；）；(A)电压串联负反馈电压串联负反馈 要稳定输出电流、减小输入电阻应引入（要稳定输出电流、减小输入电阻应引入（ ）；）；(D)电流串联负反馈电流串联负反馈 要增大输入电阻、提高输出电阻应引入（要增大输入电阻、提高输出电阻应引入（ ）；）；(B) 电压并联负反馈电压并联负反馈(C)电流并联负反馈电流并联负反馈end 要减小输入电阻、减小输出电阻应引入（要减小输入电阻、减小输出电阻应引入（ ）。）。ACDB一、理想集成运算放大器的技术指标一、理想集成运算放大器的技术指标 (1) 开环差模电压放大倍数Aod=; (2)差模输入电阻rid=; (3) 共模抑制比CMRR=; (4)

12、输出电阻rod=0。 2）在如下集成运算放大器的技术指标中，哪个指）在如下集成运算放大器的技术指标中，哪个指标不是理想集成运算放大器的技术指标？标不是理想集成运算放大器的技术指标？(2分分)(A) 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod=; (B) 输入电阻输入电阻rid=0; (C) 共模抑制比共模抑制比CMRR=; (D) 输出电阻输出电阻rod=0; 1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)饱和区：饱和区：u+ u 时，时， uo = +UO

13、M u+ u 时，即时，即uD 0时，时， uo=+UOM +UCC ，输输出为正的饱和值；出为正的饱和值； (2) u+ u 时，即时，即uD 0 ui = Ui u 时，时， uo=+UOM ，输出为正的饱和值；输出为正的饱和值； (2) u+UR，uo=+ UOMui 12. 2. 振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定UoAF =1_UdUf_UoUf Ud Uom起振条件起振条件起振过程：起振过程：Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，UB是要求输出的是要求输出的幅度。起振时幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=UB 。 电路接通电源瞬间，放大电路中存在

14、噪声即电路接通电源瞬间，放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有满足相位条件的其中也包括有满足相位条件的fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+ B =2n ，即可起振。即可起振。稳幅过程：稳幅过程： 起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅措施，起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅措施，则这时若则这时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。 达到需要的幅值后，将参数调整为达到

15、需要的幅值后，将参数调整为|AF|=1，即可达到稳幅的目的。即可达到稳幅的目的。具体方法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111 AFUUAFUUAFUUBoBoBo时时，时时，时时， 才能起振才能起振 振荡稳定振荡稳定 不能起振不能起振 | Ao | F | 1 | Ao | F | = 1 | Ao | F |1 总之，起振过程是由总之，起振过程是由 | Ao | F | 1， 一直到一直到 | Ao | F | = 1， 达到稳定的过程。达到稳定的过程。 振荡波形振荡波形uoR2uiuR1RFRCCRuf同相比例运算电

16、路同相比例运算电路选频电路选频电路RFR1）A =（1+ 其电压放大倍数为其电压放大倍数为是由集成运放构成的是由集成运放构成的同相比例运算电路。同相比例运算电路。由由RC串并联电路组成，串并联电路组成，它也是正反馈电路。它也是正反馈电路。1. RC振荡电路的组成振荡电路的组成)1()1(112211221CRCRCCRRUUOf j12211CRCR 可可见见：当当时，反馈网络相移为时，反馈网络相移为0 0。R1C1R2C2OUfU2. 2. RC串并联选频网络的频率特性串并联选频网络的频率特性Z1 Z2 212ZZZUUOf 1111CjRZ 2222211CjRCjRZ )(如果：如果：R

17、1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：RCfo21电压传输特性：电压传输特性：212121CCRRfo即振荡频率为：即振荡频率为：)1()1(112211221CRCRCCRRUUOf j021fRC f 2 )(3100ffffjUUOf 电压传输特性：电压传输特性：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofOfUU31+90 90 f0)(3100ffffjUUOf 2002)(31ffffUUOf 3arctan00ffff fofOfUU31+90 90 f0可见：当可见：当 f=RCfo21时时反馈电压幅值最大。反馈电压幅值最大。选频网络的输出电压选频网络的输出电压Uf与输入电

18、压与输入电压UO同相位。同相位。31)(312002 ffffUUOf 03arctan00ffff R1RFRCCRufuouot0uf F = 0,RFR1）, A=（1+ A = 0为了满足为了满足AF.=1,A=3RFR1）=3 , （1+RF=2R1起振时应满足起振时应满足RF2R13. 3. 如何满足自激振荡的条件如何满足自激振荡的条件=F =Uf_Uo13_ 当当 f=RCfo 21 时时半导体半导体热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+ + RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐渐增大则逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出逐渐减小，使得输出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。4. 4. 稳幅措施稳幅措施用具有负温度系数的热敏电阻用具有负温度系数的热敏电阻