第10章集成運(yùn)算放大電路

集成運(yùn)算放大器采用半導(dǎo)體制造工藝，將大量的晶體管、電阻、電容等電路元件及其電路連線制作在一小塊硅單晶上，形成具有特定電路功能的單元電路。一、集成電路（IntegratedCircuit簡稱IC）緒論二、集成電路的特點(diǎn)（同分立器件電路相比）1.集成電路中電阻、電容等無源器件不能象分立元件電路那樣任意選用。集成電路中電阻阻值偏大將占用硅片較大的面積，不利于集成；集成電路中的電容是利用PN結(jié)的結(jié)電容或用二氧化硅層作為電介質(zhì)做成的，不適宜制造幾十皮法以上的電容器，所以集成運(yùn)放電路多采用直接耦合的形式。2.兩者的設(shè)計(jì)思想正好相反分立元件電路：盡量少用晶體管，以降低成本；集成電路：則盡量減少電阻、電容等無源器件，用晶體管等有源器件所取代。3.同一集成電路中的元件參數(shù)一致性和溫度均一性較好，很容易制造對稱性較高的電路集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。三、集成運(yùn)算放大器四、應(yīng)用分類按功能分類按工作區(qū)域分類放大

—信號傳遞，AV、AI、AR（V/I）、AG（I/V）運(yùn)算

—處理

—濾波、峰值、有效值、絕對值、限幅比較

—判斷電壓大小信號產(chǎn)生

—正弦、方波、三角波線性應(yīng)用非線性應(yīng)用

——電壓比較器10.1集成運(yùn)算放大器概述10.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

輸入級

中間級

輸出級偏置電路運(yùn)算放大器方框圖2.集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元反相輸入端同相輸入端1、同相和反相的區(qū)別？2、開環(huán)電壓增益左圖所示為F007集成運(yùn)算放大器的芯片實(shí)物外形圖從實(shí)物外形圖上可看出，F(xiàn)007集成運(yùn)放有8個管腳，管腳的排列圖、電路圖符號如下：1

F0072876543空腳正電源端輸出端調(diào)零端調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端集成運(yùn)放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+15V輸出6513724-15V調(diào)零電位器外部接線圖Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:幾十~幾百KCMR高:70dB~130dB10.1.3運(yùn)算放大器的特點(diǎn)分析集成運(yùn)放的符號：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸1.集成運(yùn)算放大器的傳輸特性集成運(yùn)放的電壓傳輸特性是指輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線，如圖10.1.5所示，包含一個線性區(qū)和兩個飽和區(qū)。圖10.1.5電壓傳輸特性

當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時，輸出電壓uo與輸入電壓(u+－u－)是線性關(guān)系，線性區(qū)的斜率取決于Auo的大小。當(dāng)uo增加到一定值后，就進(jìn)入了飽和區(qū)。正、負(fù)飽和區(qū)的輸出電壓±Uom一般略低于正、負(fù)電源電壓。2.主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB3.理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo

，rid，ro0，KCMR2.電壓傳輸特性uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性uo++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)O3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)

uo

=Auo(u+–

u–

)(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)10.3運(yùn)算放大器的應(yīng)用

集成運(yùn)放的基本應(yīng)用可分為兩類，即線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。當(dāng)集成運(yùn)放外加負(fù)反饋使其閉環(huán)工作在線性區(qū)時，可構(gòu)成模擬信號運(yùn)算放大電路、正弦波振蕩電路和有源濾波電路等；當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)或外加正反饋使其工作在非線性區(qū)時，可構(gòu)成各種幅值比較電路和矩形波發(fā)生器等。本節(jié)介紹模擬信號運(yùn)算電路。所謂比例運(yùn)算，就是輸出電壓uo與輸入電壓ui之間具有線性比例關(guān)系，即uo=Kui。當(dāng)比例系數(shù)|K|>1時，即為放大電路。10.3.1比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路反相輸入比例運(yùn)算放大電路同相輸入比例運(yùn)算放大電路1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，因虛斷，i+=i–=0

，

ifiii–i+uoRFuiRbR++––++–所以iiif

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻Rb=R//RF

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiRbR++––++–因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻Rb=R//RFu+u–

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。

當(dāng)R=或RF

=0時，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiRbR++––++–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–(1)反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

Rb=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–Rb+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

10.3.2加、減運(yùn)算電路(2)同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨(dú)作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：

平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–常用做測量放大電路2、減法運(yùn)算由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF

分析方法2：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––3、積分運(yùn)算

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCF–RFuiR2R1++–++–ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿