集成電路分類(lèi)課件

第十七章集成運(yùn)算放大器本章內(nèi)容：主要介紹集成電路在信號(hào)運(yùn)算和信號(hào)處理方面的應(yīng)用?！?7-1集成運(yùn)放的簡(jiǎn)單介紹一、集成電路的發(fā)展過(guò)程科學(xué)研究和生產(chǎn)的需要推動(dòng)著電子技術(shù)的發(fā)展，而電子器件和電路的改進(jìn)又帶來(lái)了科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提高。迄今，電子器件已經(jīng)經(jīng)歷了四次重大的變革。2/6/202314、1974年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。

1、1904年,電子三極管（真空三極管）為第一次。2、1948年，費(fèi)來(lái)明發(fā)明了晶體三極管為第二次。3、1958年，集成電路[移相振蕩器]為第三次。一、集成電路的發(fā)展過(guò)程（中國(guó)65年生產(chǎn)第一塊TTL與非門(mén)）2/6/20232現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均1～2年翻一番的速度在增大。1948196619711980199019981999

小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模超大規(guī)模超超大規(guī)模超億規(guī)模

SSIMSILSIVLSIULSIGSI理論集成度10-100100～10001000～10萬(wàn)10萬(wàn)～100萬(wàn)100萬(wàn)～1億＞1億商業(yè)集成度110100～10001000～2萬(wàn)2萬(wàn)～5萬(wàn)＞50萬(wàn)＞1000萬(wàn)

觸發(fā)器計(jì)數(shù)器單片機(jī)16位和32位圖象SRAM加法器ROM微處理器處理器128位CPU（1）設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，簡(jiǎn)化電路，合理布局布線(xiàn)（2）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細(xì)線(xiàn)條）（生產(chǎn)環(huán)境：超凈車(chē)間）（3）芯片面積增大，從1～5mm2到現(xiàn)在的1cm21967年在一塊晶片上完成1000個(gè)晶體管的研制成功。集成電路集成度的提高主要依靠三個(gè)因素由于現(xiàn)在這三方面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問(wèn)題？77年美國(guó)30mm2制作13萬(wàn)個(gè)晶體管，即64K位DRAM。2/6/20233二、集成電路的分類(lèi)模擬集成電路：集成運(yùn)算放大器，集成功放，集成穩(wěn)壓電源，集成模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換及各種專(zhuān)用的模擬集成電路。而集成運(yùn)放只是模擬集成電路中的一種，但是應(yīng)用最為廣泛的一種。由于最初用于作運(yùn)算用，所以稱(chēng)為集成運(yùn)算放大器，而現(xiàn)在的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)的功能，而得到了方泛的應(yīng)用。大類(lèi)分：模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路：門(mén)電路，觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。74系列，74LS××，74HC××，4000系列，CMOS等各種型號(hào)。2/6/20235三、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)上有圓殼式、扁平式和雙列直插式三種，管腳引出線(xiàn)有8、10、12、14等多種。LM741

12348765結(jié)構(gòu)12345678LM741

123487652/6/20236特點(diǎn)：

4、元件的精度低，但對(duì)稱(chēng)性好，溫度特性好。1、制造容量大于2000PF的電容元件很困難，如需大電容必須外接，所以集成運(yùn)放都采用直接耦合放大電路。2、制造太大和太小的電阻不經(jīng)濟(jì)，占用硅面積大。一般R的范圍為100Ω～30KΩ，大電阻用恒流源代替。3、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。2/6/20237

運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)直接耦合的多級(jí)放大電路，它有兩個(gè)輸入端一個(gè)輸出端，一般電源都不畫(huà)。單運(yùn)放：LM741/A741雙運(yùn)放：LM747（雙741）單電源四運(yùn)放：LM124/224/324雙電源四運(yùn)放：LM148/248/348等等。四、電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明LM741

123487652腳為反相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是反相的。3腳為同相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是同相的。各管腳的用途是：4腳為負(fù)電源端。7腳為正電源端。6腳為輸出端。1和5腳為外接調(diào)零電位器（通常為10KΩ）的兩個(gè)端子。8腳為空腳。其典型接法如下圖所示2/6/20239154237610KΩ-15V+15V簡(jiǎn)化電路符號(hào)電路符號(hào)2/6/202310五、主要參數(shù)3、輸入失調(diào)電壓Uio：理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓ui1=ui2=0時(shí)，輸出電壓u0=0。但在實(shí)際運(yùn)放中，由于制造中元件參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)性等原因，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓不等于零。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果要u0=0，必須在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。2、開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：在沒(méi)有外接反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。1、最大能輸出電壓UOPP：能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱(chēng)為運(yùn)算放大器的最大能輸出電壓。2/6/202311六、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1、理想運(yùn)算放大器條件實(shí)際運(yùn)放上述指標(biāo)接近理想化條件，故用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的。ridu0r0u-u+u0Au0開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Auo→∞差模輸入電阻rid→∞開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→0uo=Auo(u+-u-)共模抑制比KCMRR→∞uo=∞(u+-u-)2/6/202313o+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0右圖所示為運(yùn)放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為傳輸特性。從圖中看到，實(shí)際特性與理想特性很接近。實(shí)際特性理想特性2、分析依據(jù)：分析運(yùn)放電路時(shí)，首先要區(qū)分集成運(yùn)放是工作在線(xiàn)性區(qū)還是非線(xiàn)性區(qū)（飽和區(qū)）2/6/202314o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+-u-線(xiàn)性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)從運(yùn)放的傳輸特性看，可分為線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)，運(yùn)放在不同區(qū)工作時(shí)的分析方法不同：線(xiàn)性區(qū)：uo=Auo(u+-u-)因?yàn)閡o為有限值，Auo為無(wú)限大，所以(u+-u-)≈0。即u+≈u-我們稱(chēng)為“虛短”因?yàn)閞id→∞，故兩輸入端的輸入電流為零。我們稱(chēng)為“虛斷”ridu0r0U-U+u0Au02/6/202315§17-2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用理想運(yùn)放應(yīng)滿(mǎn)足的條件：

由此得出了兩個(gè)重要結(jié)論ridu0r0U-U+u0Au0(1)“虛短”(2)“虛斷”但是，這兩個(gè)條件的使用必須是運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。我們已經(jīng)知道：Auo→∞，則當(dāng)輸入差模信號(hào)極小時(shí)（如毫伏級(jí)以下的信號(hào)），也足以使運(yùn)放飽和。4、共模抑制比KCMRR3、開(kāi)環(huán)輸出電阻ro2、差模輸入電阻rid1、開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Auo→∞→∞→∞→02/6/202317下面我們就分別討論之。uou-u+∞

++-但我們也已經(jīng)知道：負(fù)反饋能減小放大電路的放大倍數(shù)，而且反饋愈深這種作用愈明顯；加上負(fù)反饋在其它方面還可以改善放大電路的性能，所以——接下來(lái)的問(wèn)題是負(fù)反饋從輸出端引到同相端還是反相端。解決的方法是：在電路中引入深度負(fù)反饋。R——反相輸入端。2/6/20231817.2.1、比例運(yùn)算①電路結(jié)構(gòu)虛短QR2R1RFuiu0iFi1②閉環(huán)放大倍數(shù)1、反相比例∴u-=u+又∵虛斷∴u-=u+=0則電流i1等于電流iF2/6/202319閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻電壓并聯(lián)負(fù)反饋③特點(diǎn)：R2R1RFuiu0iFi1a.共模輸入電壓為0b.ro=0帶負(fù)載能力強(qiáng)c.ri小對(duì)輸入電流有一定的要求2/6/202321R2為平衡電阻，其目的是消除靜態(tài)時(shí)的不對(duì)稱(chēng)對(duì)輸出電壓的影響，它不影響放大倍數(shù)。對(duì)雙極型三極管組成的電路有要求。R2=R1//RF特別說(shuō)明：R2R1RFuiu0iFi1P112例17.2.1請(qǐng)同學(xué)自學(xué)。2/6/202322R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R52/6/202323閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻R2R1RFuiu0iFi1③特點(diǎn)：A共模u+=u-=uI對(duì)KCMRR要求高Bro=0帶負(fù)載能力強(qiáng)CrI高電壓串聯(lián)負(fù)反饋2/6/202325接有分壓電阻R3時(shí)，Auf的求法為：R1//RF=R2//R3平衡電阻：電壓串聯(lián)負(fù)反饋R2R1RFuiu0iFi1R32/6/20232617.2.2、加法運(yùn)算1、反相加法運(yùn)算因?yàn)閕1+i2+i3=iF所以u(píng)i1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(0-u0)/RF特點(diǎn)：放大倍數(shù)互不影響。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i32/6/202327從這里可以看出，本電路的同相放大倍數(shù)最多只能比反相大117.2.3、減法運(yùn)算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1為電流并聯(lián)負(fù)反饋；ui2為電壓串聯(lián)負(fù)反饋2/6/202329這在后面所講的設(shè)計(jì)電路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R42/6/20233017.2.4、積分運(yùn)算R2R1CFuiu0iFi12/6/202331R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)積分電路除用于信號(hào)運(yùn)算處，還用于控制測(cè)量系統(tǒng)中、方波三角波變換。當(dāng)UI大于0時(shí)tu00+U0（sat)當(dāng)UI小于0時(shí)++與以前學(xué)過(guò)的RC積分電路相比，運(yùn)放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線(xiàn)的線(xiàn)性度較好。因?yàn)椋撼潆婋娏骰竞愣?/6/202332PI調(diào)節(jié)器右圖是在控制和測(cè)量系統(tǒng)中常用的比例-積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF2/6/20233317.2.5、微分運(yùn)算R2C1RFuiu0iFi1P119例17.2.8是一個(gè)比例-微分調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱(chēng)PD調(diào)節(jié)器），自學(xué)。2/6/202334例如：試畫(huà)出下列函數(shù)關(guān)系的運(yùn)算電路17.2.6、已知輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)電路。(1)u0=-5ui(2)u0=5ui(4)u0=5ui1-2ui2(3)u0=-5ui1+2ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R42/6/202335§17-3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器除了能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算外，還能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理電路的種類(lèi)很多，這里只討論幾種常用電路的工作原理。17.3.1、有源濾波器

所謂濾波器就是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，它讓有用信號(hào)通過(guò)，而對(duì)其余頻段的信號(hào)起衰減作用。它可以只用一些無(wú)源元件（R、L、C等）組成，也可以用無(wú)源元件與有源元件組成，前者稱(chēng)為無(wú)源濾波器，后者稱(chēng)為有源濾波器。和無(wú)源濾波器比較，有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是：效率高、帶負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、效率高。2/6/202336缺點(diǎn)：1、用于低頻（受集成運(yùn)放的限制）2、必須有直流電源3、可靠性差4、不能用于高電壓大電流濾波器按其作用可分為：0fAu低通高通帶通帶阻0fAu0fAu0fAu2/6/202337前面我們已經(jīng)講過(guò)RC組成的無(wú)源濾波器RCuiu0RCuiu0無(wú)源低通濾波器無(wú)源高通濾波器R2R1RFuiu0RCuiu0RCuiu0有源低通濾波器有源高通濾波器2/6/202338一、低通濾波器uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR12/6/202339o幅頻特性式中的稱(chēng)為特征頻率Auf的模為——幅頻特性2/6/202340o幅頻特性2/6/202341二階有源低通濾波器RR1RFuiu0CRC2/6/202342二、高通濾波器有源高通濾波器uiuo∞

++-RCRFR12/6/202343o幅頻特性式中的稱(chēng)為特征頻率Auf的模為——幅頻特性2/6/202344o幅頻特性2/6/20234517.3.2、采樣保持電路當(dāng)輸入信號(hào)變化較快時(shí)要求輸出信號(hào)能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號(hào)的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)和程序控制等裝置中。uiuo∞

++-RC采樣保持電路ucR1S控制信號(hào)ououi采樣保持t輸入輸出波形控制信號(hào)2/6/20234617.3.3、電壓比較器uRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，uR是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電壓有微小差值時(shí)，輸出信號(hào)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線(xiàn)性—飽和區(qū)。

uR等于零時(shí)，稱(chēng)為過(guò)零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuR其傳輸特性如圖所示2/6/202347Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比較器將正弦波變換為矩形脈沖uotuRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui電壓比較器可以用做波形變換2/6/202348uRuo∞

++-R2有限幅電壓比較器R1uiDz傳輸特性+UzououiuR-Uz有時(shí)為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出端的數(shù)字電路的電平配合，可在比較器的輸出端與反相端之間跨接一個(gè)雙向穩(wěn)壓管Dz，作雙向限幅用。uRuo∞