大二下學(xué)期 電子課件第16章 集成運算放大器

第16-17章集成運算放大器及反饋§16.1集成運算放大器的簡單介紹§16.2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用§16.3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用§16.4運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用§16.5使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題§17.3振蕩電路中的正反饋§17.1反饋的基本概念§17.2放大電路中的負(fù)反饋116.1集成運算放大器的簡單介紹一、集成運算放大電路簡介二、集成運放的主要參數(shù)三、理想集成運放及分析依據(jù)四、集成運算放大器的應(yīng)用2一、集成運算放大電路簡介采用微電子技術(shù)將由二極管、晶體管、場效應(yīng)管、電阻、電容等器件組成的具有特定功能的電路都集成在一小塊半導(dǎo)體晶片上，封裝上外殼，向外引出若干個管腳，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的電路。這個電路是一個不可分割的固體塊，所以又稱固體組件。集成電路IC(IntegratedCircuit)---集成電路特點---

體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬集成電路3集成電路的外形(b)圓殼式(a)雙列直插式(d)單列直插式(c)雙列彎插式456混合集成電路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互連線，并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝，再外加封裝而成。傳統(tǒng)蘇繡工藝?yán)C制的集成電路芯片7數(shù)字北京大廈是整合奧林匹克中心區(qū)內(nèi)各類信息的基礎(chǔ)設(shè)施，集成與奧運相關(guān)的信息應(yīng)用，信息保障，應(yīng)急指揮等各項功能，是確保2008年北京奧運會順利召開的綜合通信工程。8集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點1、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到30千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3、幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。5、不能集成電感元件。集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。9集成運放的發(fā)展概況第一代產(chǎn)品基本沿用了分立元件放大電路的設(shè)計思想,采用了集成數(shù)字電路的制造工藝，利用少量橫向PNP管,構(gòu)成以電流源做偏置電路的三級直接耦合放大電路。但是，它各方面性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于分立元件電路，滿足了一般應(yīng)用的要求。典型產(chǎn)品有

A709、國產(chǎn)的F003、5G23等。

第二代產(chǎn)品普遍采用了有源負(fù)載，簡化了電路的設(shè)計，并使開環(huán)增益有了明顯的提高，各方面性能指標(biāo)比較均衡，因此屬于通用型運放，應(yīng)用非常廣泛。典型的產(chǎn)品有

A741、LM324、國產(chǎn)的F007、F324、5G24等。

第三代產(chǎn)品的輸入級采用了超

管，

值高達1000～5000倍，而且版圖設(shè)計考慮了熱效應(yīng)的影響，從而減小了失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的溫漂，增大了共模抑制比和輸入電阻。典型產(chǎn)品有AD508、MC1556、國產(chǎn)的F1556、F030等

第四代產(chǎn)品采用了斬波穩(wěn)零和動態(tài)穩(wěn)零技術(shù)，使各性能指標(biāo)參數(shù)更加理想化，一般情況下不需要調(diào)零就能正常工作，大大提高了精度。典型產(chǎn)品有HA2900、SN62088、國產(chǎn)的5G7650等。101958年，美國德州儀器公司展示了全球第一塊集成電路板(出自杰克-基爾比之手)11諾伊斯提出一種“半導(dǎo)體設(shè)備與鉛結(jié)構(gòu)”模型。1960年，仙童公司制造出第一塊可以實際使用的單片集成電路。121961年，德州儀器為美國空軍研發(fā)出第一個基于集成電路的計算機，即所謂的“分子電子計算機”?！鞍⒉_導(dǎo)航計算機”和“星際監(jiān)視探測器”都采用了集成電路技術(shù)。131962年，德州儀器為“民兵-I”型和“民兵-II”型導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)研制22套集成電路。這不僅是集成電路第一次在導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中使用，而且是電晶體技術(shù)在軍事領(lǐng)域的首次運用。14早在1965年，摩爾就曾對集成電路的未來作出預(yù)測。他推算，到1975年每塊芯片上集成的電子元件數(shù)量將達到65000個。而實際上，每過12個月芯片上集成的電子元件數(shù)量都會翻一番。這就是現(xiàn)在我們所了解的計算機“摩爾定律”。英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一戈登-摩爾151969年，英特爾公司為日本計算機公司最新研發(fā)的“Busicom141-PF”計算機設(shè)計12塊芯片。“Busicom141-PF”計算機16英特爾公司的工程師泰德-霍夫等人卻根據(jù)日本公司的需求提出了另一套設(shè)計方案。于是誕生了歷史上第一個微處理器——4004。

英特爾公司的4004微處理器是第一個在公開市場上出售的計算機元件。17“Microma”液晶數(shù)字表是應(yīng)用“系統(tǒng)芯片”技術(shù)的首款產(chǎn)品。漢米爾頓公司推出的“普爾薩”是世界上第一只數(shù)字手表。1970年，普爾薩剛剛上市時售價為2100美元?！捌諣査_”數(shù)字手表18如今，芯片制造商(如英特爾、AMD等公司)生產(chǎn)的芯片上所集成的晶體管數(shù)量已達到了空前的水平，而且每個晶體管的體積變得非常微小。比如，一個針尖上可以容納3000萬個45毫微米大小的晶體管。此外，現(xiàn)在的處理器上單個晶體管的價格僅僅是1968年晶體管價格的百萬分之一。集成電路工藝突飛猛進19集成運放----高性能的直接耦合多級放大電路。1.集成運放電路的組成及其各部分的作用兩個輸入端一個輸出端若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。放大器20輸入級中間級輸出級偏置電路u+u-uO輸入級：前置級，多采用帶恒流源的差分放大電路。要求ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用帶恒流源的復(fù)合管共射放大電路。

要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用互補輸出級或射極輸出器。

要求ro小，可直接帶負(fù)載。偏置電路：為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。與uo同相與uo反相對地電位對地電位21集成運放

741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C

反相輸入輸出同相輸入接調(diào)零電阻正電源負(fù)電源222.集成運放的外形和管腳12345678A741空腳+UCC-UEE輸出u-u+接調(diào)零電位器接調(diào)零電位器23

u－

u+

uo－＋＋

A

u0：開環(huán)電壓放大倍數(shù)3.集成運放的符號u－：反相輸入端；u+：同相輸入端；uo

：輸出端。與uo反相與uo同相對地電位242）差模輸入電阻rid

與輸出電阻ro

：輸入電阻很高。一般為幾十千歐~幾十兆歐。輸出電阻很低。一般為幾十歐。1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)A

u0

：越大越好。一般為104~1073）共模抑制比KCMRR

：對共模信號的抑制能力。很高。一般為103~107

。(60~140dB)二、集成運放的主要參數(shù)25運放能抑制共模信號的范圍。4）共模輸入電壓范圍UiCM

：運放正常工作時，允許輸入差模電壓的范圍。5）最大差模輸入電壓UidM

：一般略低于正、負(fù)電源電壓。6）最大輸出電壓Uopp

：能使輸入輸出保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓反映了電路的不對稱性，愈小愈好

輸入失調(diào)電壓UIO

輸入失調(diào)電流IIO

輸入偏置電流IIB26a.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

b.差模輸入電阻c.開環(huán)輸出電阻d.共模抑制比由于實際運算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此，后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。三、理想運算放大器及其分析依據(jù)在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：1、理想運算放大器27線性區(qū)：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

uo++

u+u––

2.電壓傳輸特性uo=f(u+-u-)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)

O283.運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=

Auo(u+–u–

)所以(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)O294.運放工作在飽和區(qū)的特點(1)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)30四、集成運算放大器的應(yīng)用首先將集成運放的性能指標(biāo)理想化—理想運放1.理想運放的線性應(yīng)用電路特征：引入負(fù)反饋。Pi-i+反