第十二章集成运算放大器及其应用课时

第十二章集成运算放大器及其应用课时1第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五集成电路简介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(厚约0.2-0.25毫米，面积约零点几平方毫米)，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。由于具有体积小、重量轻、耗电省、成本低、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，集成电路得到了飞速的发展。从60年代以来，集成电路的发展经历了小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）四个阶段，目前已能在一小块硅基片上制作（光刻）出上亿个元器件。第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、集成电路的分类1、按集成度分为：

小规模：(0~100)个元件/基片

中规模：(100~1000)个元件/基片

大规模：(1000~1万)个元件/基片

超大规模：(1万以上)个元件/基片3第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、按功能分为：模拟集成电路

数字集成电路线性集成电路非线性集成电路

在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放或运放）是应用极为广泛的一种。该电路为本章讨论的重点。

线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系。集成运放属于线性集成电路。第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、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第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五运算放大器外形图6第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五三、模拟集成电路的特点12电路结构与元件参数具有对称性

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，温度匀一性好，特性相同。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成，电阻值的范围一般为几十欧到20千欧左右，范围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达10%-20%左右。故在集成电路中，高阻值的电阻多用BJT或FET等有源器件组成的恒流源电路代替。第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五34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，故集成电路中多用复合管、共射-共基、共集-共基等组合电路。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，级间都采用直接耦合方式。5二极管由BJT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。第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、直接耦合放大电路的零点漂移问题可以放大直流、交流信号零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。主要原因：主要由于温度变化引起，也称温漂。直流电源波动，器件老化也是原因之一。12-1

差动放大电路9第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五若第一级漂移了100uV，则输出漂移100mV。若第二级漂移了100uV，则输出漂移10mV。假设可见，克服零漂第一级是关键！减小零漂的措施采用差动放大电路若第三级漂移了100uV，则输出漂移0.1mV。10第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、差动（差分）放大电路1、电路组成结构特点:对称性结构即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb

差动放大电路一般有两个输入端：从两输入端同时加信号——双端输入从一个输入端对地加信号——单端输入11第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五(2)有公共的射极电阻Re组成特点：(1)直接耦合的共射极电路从集电极C1

和C2输出

——双端输出差动放大电路可以有两个输出端：从集电极C1或C2对地输出

——单端输出12第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五注意：（1）静态分析电路对称T放大的条件：Je正偏、Jc反偏vi1=vi2=0（静态）

Je正偏

T放大

Jc反偏vo=VC1-

VC2=0实现：0输入0输出克服零漂2、电路分析13第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（2）动态定性分析——输入差模信号大小相等，方向相反另外：Re相当于短路iE=014第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（2）动态定性分析——输入共模信号大小相等，方向也相同另外：Re相当于2ReiE=2iE1=2iE215第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（3）动态定量分析小信号等效（微变等效）电路法利用对称特点，转化为单边电路求解。四种接法a.双端输入、双端输出b.双端输入、单端输出c.单端输入、双端输出d.单端输入、单端输出注意：电阻Re和RL的处理16第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五双端输入

——差模增益双入双出双入双出双入单出RL各分一半RL由T1单独负担双入单出Re短路17第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五双端输入

——共模增益双入双出双入双出双入单出RL开路RL由T1单独负担双入单出Re对单边相当于2Re18第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五双端输入——

共模抑制比双入双出双入单出双入双出双入单出公共电阻Re

KCMR

抑制零漂能力增强19第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五12-2运算放大器的工作原理及主要参数集成电路运算放大器直接耦合多级放大电路符号：特点：电压增益高（差模）输入电阻大输出电阻小20第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS

一、原理框图输入级中间级输出级与uo反相与uo同相21第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。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，以进行功率放大，提高带负载的能力。22第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1、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105107之间。理想运放的Auo为。2、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。二、主要参数23第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五

ri

大:几十k

几百k运放的特点KCMRR很大

ro

小：几十几百

Auo很大:104107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Auo

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAuo三、理想运算放大器及其分析依据24第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++Auo例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。线性放大区25第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点26第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五理想运放的符号_++u+u-u027第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五10-3运算放大器的线性应用虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。u+uo_++u–Ii信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用28第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五一、比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。29第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虚短路虚开路1、反相输入30第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i231第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、同相输入_++R2R1RPuiuou-=u+=ui虚短路虚开路32第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五_++uiuo3、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。33第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、加法运算作用：将若干个输入信号之和按比例放大。类型：同相求和和反相求和。34第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1、反相求和运算R12_++R2R11ui2uoRPui135第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。36第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、同相求和运算-R1RF++ui1uoR21R22ui237第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五此电路如果以u+为输入，则输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与

ui1

和ui2的关系如何？注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）38第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：三、减法运算39第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuo四、积分运算应用举例：40第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。41第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。42第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：五、微分运算43第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五六、有源滤波器滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类:低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2.按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类:一阶，二阶…

高阶44第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五有源滤波器的优点：1.不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。45第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1、有源低通滤波器RR1RFC+-+46第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R47第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五电路中的运放处于非线性状态。++Auouo一、电压比较器10-4运算放大器的非线性应用48第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

1、ui从同相端输入49第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

2、ui从反相端输入50第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五uoui0+UOM-UOM++uoui3、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM51第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom52第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五电路结构上下限:二、波形发生器1、矩形波发生器53第五十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五工作原理：(1)设uo

=

+UZ,