《集成电路》课件-第3章 运算放大器集成电路

第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用3.4OP27低噪声高精密运算放大器及其应用第3章运算放大器集成电路3.1.1运算放大器的主要参数1.供电电压VDD和静态电流ICCICC=2.7mAICC=0.16mA3.1运算放大器的一般知识第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数2.输入失调电压，VIO

在输入电压为0时，由于器件的工艺限制，输出电压并不一定为0，存在一定的输出电压。在室温25℃及标准电源电压下，输入电压为0V时，为使输出电压也为0V，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压-反相+同相VinVout=0V≠0V理论上当Vin=0时,Vout=0，实际由于制造工艺的原因则不然如何能让Vout=0，则需要给Vin加一个很小的电压，即失调电压Vio第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识-反相+同相VinVout=VIO=0V即当Vin=VIO时,Vout=0，VIO即失调电压第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数3.输入失调电流，IIO单片运放的制造工艺限制，不能保证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中，输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS，通常情况下IOS很小。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识-反相+同相由于制造工艺的原因两个很小的偏置电流I+和I-不完全相等输入失调电流，IIO就是它们的差I+和I-均很小，所以它们的差也很小I+I-第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识单运放集成电路举例LM741DIP封装SOP封装反相端同相端输出端负电源正电源失调补偿端失调补偿端空脚第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数4.输入偏置电流，IBIAS运放是集成在一个芯片上的多级晶体管放大器,偏置电流即第一级放大器输入晶体管的基极直流电流，它为放大器提供直流工作点，保证放大器工作在线性范围。如果需要放大器对输入信号的影响尽可能小，则可以考虑用J-FET输入的运放.因为J-FET是电压控制器件,其输入偏置电流参数是指输入PN结的反向漏电流,数值应在pA数量级.同样是电压控制的还有MOSFET器件,可以提供更小的输入漏电流。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识-反相+同相图为某三极管运放的偏置电流I+和I-，I+和I-均很小，接近0,这是运放虚断特性的体现。I+I-第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识低输入偏置电流运放（J-FET输入）举例

J-FET输入的运放LF353.因为J-FET是电压控制器件,其输入偏置电流在pA数量级第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数5.共模抑制比，CMRR

共模抑制比是衡量差分放大电路抑制共模信号的能力的参数，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，常用分贝表示。

电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数5.共模抑制比，CMRR

共模抑制比=Δ共模信号/Δ差模信号，常用分贝表示。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数5.共模抑制比，CMRR

共模抑制比=Δ共模信号/Δ差模信号，常用分贝表示。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数6.电源抑制比，PSRR

电源抑制比PSRR是输入电源变化量与运放输出变化量的比值，常用分贝表示。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的量，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数7.增益带宽，GBW运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707倍）所对应的信号频率。又叫单位增益带宽或者-3dB带宽。运放的内部结构决定，当增益增大的时候，相应的带宽就会因为运放的内部影响而减小，但是他们的积却是一个常数。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数7.增益带宽，GBW运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707倍）所对应的信号频率。又叫单位增益带宽或者-3dB带宽。有效值1V正弦小信号输入到1倍放大的运放的输入端，从运放的输出端进行有效值测试，逐渐增加信号频率到一定程度后，输出幅度会下降，当降低到0.707V时，此时的频率值即是GBW第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.1运算放大器的主要参数8.转换速率，SR

运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识表3.1常用集成运算放大器性能比较运放

型号VDDICCVIOIIOIBIASCMRRPSRRGBWSR特色VmAmVnAnAdBdBMHzV/usuA741±151.71208090963.30.5通用LM358+3~+320.72208070100未知4LM324的1/2LM324+3~+32<3259070100未知4通用LF356±15533pA30pA100100550高阻TL084±155.633pA30pA8686416高阻CA3130±162-10mA20.5pA5pA901530高阻OP-27±15310uV71012612082.8高精度ICL76504.5-16(v+~v-)21uV0.5pA10pA12012022.5高精度LM318±5~±205430150100801550高速LM71715-36(v+~v-)834uA10uA85852004100超高速NE5532±3~±2080.510200100100109输出阻抗0.3ΩuA715±185.52704009210065100高速LM4250±1~±188uA337.570760.250.2可编程低功耗LMV9511-3V0.351.50.23277922.71.4低功耗PA94±45010.550pA200pA98..140500高压第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识203.1.2运算放大器的分类运算放大器根据其性能参数，可分成下列几类：1.通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低、产量高，其性能指标能适合于一般性用途。例uA741（单运放）、LM358（双运放）、MC4558（双运放）、LM324（四运放）都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.2运算放大器的分类2.高阻型运算放大器高阻型运算放大器一般使用场效应管组成差分输入级，所有差模输入阻抗非常高,,输入偏置电流非常小,一般为几皮安到几十皮安。用场效应管做输入级别，还具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF356(30pA)、LF347（四运放，20pA）、TL084（四运放，30pA）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140（2pA）等。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.2运算放大器的分类3.低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07（失调电压小于25μV，0.5μV/°C）、OP-27（失调电压小于10μV，0.2μV/°C）、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650（失调电压小于1μV，0.01μV/°C）等，仪表应用时由于检测的信号速率都不高，所以对放大器的速率没太大的要求。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.2运算放大器的分类4.高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器等应用中,要求运算放大器的转换速率SR要高,单位增益带宽BWG要足够大,通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的，因为它们没有高转换速率和宽频率响应。常见的高速型运放有LM318（BWG=15MHz、SR=50V/us）、uA715（BWG=65MHz、SR=100V/us）等。随着电子器件的发展，涌现出更多更高速率的运放，如LM7171（BWG=200MHz、SR=4100V/µs），LM6171（BWG=160MHz、SR=3600V/µs）等可以用于高清数字电视和光纤领域。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.2运算放大器的分类5.低功耗型运算放大器随着电子产品的微型化要求以及便携式产品的普及，必须使用低电源电压供电，这样低功率消耗的运算放大器非常适用。常用的低功耗运算放大器有TL022C（工作电压为±5V~±15V,消耗电流为50~250uA）。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如可编程运放LM4250的供电电源为±1V,消耗电流仅为10uA功耗为10uW。超低电压运放LMV951可以工作在0.9V电压下静态电流0.37mA。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识LMV951在0.9V电压下静态电流0.37mA第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.2运算放大器的分类6.高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如APEX公司生产的PA94集成运放，电源电压可达±450V,输出100mA电流。可以用于高压仪器、半导体仪器设备和可编程高压发生器等场合。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识APEX公司生产的PA94集成运放，电源电压可达±450V,输出100mA电流。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.1.3运算放大器的选择

把握如下几点：1.尽量选用通用集成运放2.需要多个运放时，尽量选择四个运放封装在一起的集成电路3.优值系数K来衡量集成运放的优良程度,其定义为：

K=SR/(Iib*Vos)式中,SR为转换速率，单位为V/us，其值越大，表明运放的交流特性越好；Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA；VOS为输入失调电压,单位是uV。Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。所以,对于放大音频、视频等交流信号的电路,选SR（转换速率）大的运放比较合适，如LM318、NE5532等；对于处理微弱直流信号的电路，如传感器信号，选用精度比较的高的运放比较合适（既要考虑失调电流、失调电压及温飘均比较小，如OP-02）。4.其他因素。例如价格、信号源是电压源还是电流源，运放输出电压和电流的是否满足负载的要求，工作电压、电流、辐射及温湿度等环境条件，等因素是否满足要求。第3章运算放大器集成电路

3.1运算放大器的一般知识3.2.1LM324四运算放大器的特性1.具有宽工作电压范围；单电源3V~32V，双电源±1.6V~±16V2.内含相位校正回路,外围元件少3.消耗电流小:Icc=0.6mA(典型值,R=∞)4.输入失调电压低：±2mV(典型值)5.低输入偏置电流：100nA(典型值)6.封装形式：DIP14SOP14TSSOP14第3章运算放大器集成电路3.1运算放大器的一般知识

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用表3.2LM324极限参数符号参数名典型单位VDD电源电压32V或者±16VVIDR输入差动电压±32VVICR输入共模电压-0.3至32VTS贮存温度-65至+150℃TJ结温150℃PD耗散功率700mWTA=25℃,除非特指第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.1LM324的引脚配置图（顶视）VCCVEE(GND)第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

1.反相交流放大器如图3.2，此放大器可代替晶体管交流放大电路，可用于音频功放的前置放大等。电路无需调试，放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。图3.2反相交流放大器第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

2.同相交流放大器如图3.3，同相交流放大器的特点是输入阻抗高。电源采用单电源V+供电，由R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。图3.3同相交流放大器10k第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用3.比较器当去掉运放的反馈电阻时,运放处于开环放大状态,理论上认为运放的开环放大倍数为无穷大(如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平，反之输出低电平。如图3.4，输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，A1输出高电平；当Ui<U2时，A2输出高电平。A1、A2任何一个输出高电平都会通过开关二极管引起晶体管BG1导通，发光二极管LED就会被点亮。

比如设置好U1=3V,U2=2V,则当Ui>3V或者<2V时，LED点亮。可以用来表示超压或者欠压的告警。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.4比较器应用VO设置好U1=3V,U2=2V,则当Ui>3V或者<2V时，LED点亮。可以用来表示超压或者欠压的告警。3V2VUi>3V10导通截止导通超压告警第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.4比较器应用VO3V2VUi<2V10导通截止导通欠压告警第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.4比较器应用VO3V2V2V

<Ui<3V0截止截止电压适中不告警0截止第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.5交流信号三分配器第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用4交流信号三分配器此电路可将输入的交流信号分成三路输出，而对信号源的影响极小，三路信号之间互不干扰，可分别用作指示、控制、下级驱动等用途。运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，为同相放大状态，且各放大器电压放大倍数均为1，也叫电压跟随器。如图3.5，电路使用单电源工作，R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配输出。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用5加法器图（a）为直流信号反相加法器电路，当R1=R2=R3时，V0=-（V1+V2），R4为平衡电阻用以提供适当偏流防止放大器失调。图（b）为直流信号同相加法器电路，当R1=R2=R3时，V0=（V1+V2）第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

6减法器如图为直流信号减法器电路，它是一种差动放大器，当R1=R2=R3=R4时，U0=U2-U1。直流加法和减法器要求运放必须使用双电源工作。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用U0=C(1+a+b)(U2-U1)7高阻差分放大器如图为高阻差分放大器电路，它具有很高的阻抗，为典型的三运放仪表放大器电路。U0=C(1+a+b)(U2-U1)。该电路在传感器电路中应用很广泛。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

8方波振荡器

如图3.9所示，电源使用单电源+5V，可以将本电路理解成一个施密特触发反相器。

当VO=+5V时，运放+端电位约为4.4V,此时电容C被充电，当电容电压超过4.4V后VO变为0V，此时运放+端电位变为0.62V，电容C通过电阻R被放电，电容电压从4.4V开始逐渐下降，当下降到0.62V时，VO变为+5V，运放+端电位变为4.4V,此时电容C通过电阻R被充电，如此往复形成振荡。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.9方波振荡器9.正弦波振荡器

图3.10（a）为具有再生反馈的双积分式振荡器，元件R1,R2,C1,C2,C3

的值必须很精确，RV1的调节不当可能导致电路输出逐渐降低直到为0V，此时可以调节RV1到输出正弦波的有效值稳定即可，输出频率F=1/(2ΠRC)，其中R为100k，即R1,R2的值，C为10uF，即C1,C2的值,输出VO接了LED支路，频率大约为1Hz，起到呼吸灯的点亮效果。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图.10正弦波振荡器

9.正弦波振荡器

图3.10（b）为文氏桥振荡器，采用双电源供电，输出频率F=1/(2ΠRC)，其中R为100k，即R1,R2的值，C为10uF，即C1,C2的值。

振荡满足三条件：（1）能启动

小信号时，二极管D都截止，所以放大倍数为7倍。只要有一点干扰信号就可以经过7倍放大，打破输入输出都是0的原始状态。（2）幅度平衡

大信号时，二极管D肯定有一个导通，所以放大倍数为3倍左右，在F=1/(2ΠRC)，文氏桥的反馈系数计算为1/3。3*1/3=1，这就是幅度平衡。（3）相位平衡同相放大的相位差是0°，文氏桥的反馈系数计算为1/3，也是属于同相反馈，不会产生相位差，所以相位也是平衡的。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图.10正弦波振荡器

图.10正弦波振荡器

图3.9高灵敏度声音探听器

3.2.4LM324组成的高灵敏度声音探听器放大器由两级LM324运放组成，第一级有110倍增益，第二级有500倍增益。这样高的放大能力，足以将极微弱的声音信号放大，由耳机输出。利用它就能听到很远处人耳无法直接听到的微弱声音。112

倍500倍第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

3.2.5LM324组成的压力测试仪如图3.10所示，电路由左边为压阻式压力传感器MPX2100，或者选用MPS-2107,恒压供电，右边为3个LM324运放组成的差分放大电路。MPX2100是在硅基片上用扩散工艺制成4个电阻阻值相等的应变元件构成惠斯顿电桥。当压力传感器受到压力作用时，一对桥臂的电阻值增大ΔR，另一对桥臂的电阻值减少ΔR，电阻变化量ΔR与压力P成正比，即ΔR=KP，电桥输出电压UO1=E(ΔR/R)=(EK/R)P，即电桥输出电压与压力P成正比。但是电桥输出电压为差分电压，所以需要使用3个LM324接成差分放大器，差分放大器的输出电压和输入电压成比例，所以最后的输出电压VO就和压力P成正比。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

图3.10LM324组成的压力测试仪第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

3.2.6LM324组成的热释红外人体探测器如图3.11所示，热释红外传感器是利用温度变化的特征来探测红外线的辐射。当检测到人体时，传感器输出频率为0.1~10Hz，大小为30mV左右的模拟信号。由于信号微弱，必须对信号先进行滤波再放大。用放大后的信号作为报警电路的触发信号。传感器输出信号经过U1A和U1B组成的两级放大，再经过U1C和U1D的比较器电路进行阈值判断，输出驱动三极管点亮LED，就可以判断是否有人活动。另外两级放大中间应加上去耦电容，防止后极放大返回的电流对前级放大的正常工作产生干扰。当白天有阳光的时候，希望LED不亮，就在U1C的pin9接一个光敏电阻，这样白天有光时，pin9（反相端）电压近似为+5V，比pin10（同相端）上的电压小，U1C输出电压为0，U1D的pin12（同相端）电压为0，pin13(反相端)为0.7V，所以U1D输出电压为0，LED不亮。第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用图3.11LM324组成的红外热释人体探测器（a）同相放大220倍反相放大220倍图3.11LM324组成的红外热释人体探测器（b）比较器比较器红外热释人体传感器第3章运算放大器集成电路

3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一系列高性能低噪声双运算放大器。

相比大多数标准运算放大器，如MC1458、LM358等，它具有更好的噪声性能，更高的输出阻抗和相当高的小信号和电源带宽。NE5532特别适合应用在高保真音响设备、仪器和控制电路以及话音通道放大器等领域。NE5532A版本比NE5532具备更好的噪声电压指标。

第3章运算放大器集成电路3.2LM324通用低功耗四运算放大器及其应用

3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用3.3.1NE5532二运算放大器的特性主要特点：1.具有宽工作电压范围；双电源±3V~±20V2.内含补偿电路,外围元件少3.输出驱动能力强，600Ω,10VRMS4.输入噪声电压低5.转换速率：9V/us

第3章运算放大器集成电路

3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用表3.4NE5532极限参数符号参数名典型单位VDD电源电压±22VVIDR输入差动电压±13VTS贮存温度-65至+150℃TJ结温150℃PD耗散功率780mW第3章运算放大器集成电路

3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用图3.12NE5532的引脚配置图（顶视）

第3章运算放大器集成电路

3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用图3.13NE5532制作的高保真耳机放大器如图电路由一片NE5532承担信号放大作用，直接推动耳机发出声音。电源部分由简单的三极管和稳压二极管组成稳压的正负电源输出。NE5532做小功率音频功放，性能极佳。左声道右声道电源部分图3.14NE5532作前置放大的高保真放大器

如图电路，NE5532作11倍前置放大器，功放部分采用高保真集成块TDA1521，该集成电路外围电路极其简洁，而且还有过热、静噪、短路等保护电路，电压放大倍数固定为30倍。左声道右声道双声道功率放大第3章运算放大器集成电路

3.3NE5532低噪声二运算放大器及其应用图3.15双电源供应电路在图3.15中，7812和7912组成前置放大器的电源部分,由于容量限制，只给NE5532供电，TDA1521的电源抑制比比较大，所以直接使用变压器整流滤波