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1、第十二章集成运算放大器及其应用课时1本讲稿第一页，共五十八页集成电路简介集成电路简介在在半半导导体体制制造造工工艺艺的的基基础础上上，把把整整个个电电路路中中的的元元器器件件制制作作在在一一块块硅硅基基片片上上(厚厚约约0.2-0.250.2-0.25毫毫米米，面面积积约约零零点点几几平平方方毫毫米米)，构构成成特特定定功功能能的的电电子子电电路路，称称为为集集成成电电路路。由由于于具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、耗耗电电省省、成成本本低低、可可靠靠性性高高和和电电性性能能优优良良等等突突出出优优点点，所所以以随随着着微微电电子子技技术术的的进进步步，集集成成电电路路得得到到了了飞飞速速的
2、的发发展展。从从6060年年代代以以来来，集集成成电电路路的的发发展展经经历历了了小小规规模模集集成成电电路路（SSISSI）、中中规规模模集集成成电电路路（MSIMSI）、大大规规模模集集成成电电路路（LSILSI）和和超超大大规规模模集集成成电电路路（VLSIVLSI）四四个个阶阶段段，目目前前已已能能在在一一小小块块硅硅基基片片上上制制作作（光刻光刻）出上亿个元器件。）出上亿个元器件。本讲稿第二页，共五十八页一、集成电路的分类一、集成电路的分类1、按集成度分为：、按集成度分为：小规模：小规模：(0100)个元件个元件/基片基片 中规模：中规模：(1001000)个元件个元件/基片基片 大
3、规模：大规模：(10001万万)个元件个元件/基片基片 超大规模：超大规模：(1万以上万以上)个元件个元件/基片基片3本讲稿第三页，共五十八页2、按功能分为：按功能分为：模拟模拟集成电路集成电路 数字数字集成电路集成电路线性集成电路线性集成电路非线性集成电路非线性集成电路 在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运集成运算放大器（简称集成运放或运放）放或运放）是应用极为广泛的一种是应用极为广泛的一种。该电路为本章讨论。该电路为本章讨论的重点。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。
4、号成线性关系。集成运放属于线性集成电路。集成运放属于线性集成电路。本讲稿第四页，共五十八页二、集成电路的封装形式二、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 菱形式本讲稿第五页，共五十八页运算放大器外形图运算放大器外形图6本讲稿第六页，共五十八页三、模拟集成电路的特点三、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，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，特元件参数绝对值有同向的偏差，温度匀一性好，特性相同。性相同。用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器
5、件 电路中的电阻元件是由硅半导体中的体电阻构成，电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阻值的范围一般为几十欧到2020千欧左右，范围不大，且电千欧左右，范围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达阻值精度不易控制，误差可达10%-20%10%-20%左右。故左右。故在集成电在集成电路中，高阻值的电阻多用路中，高阻值的电阻多用BJT或或FET等有源器件组成的等有源器件组成的恒流源电路代替。恒流源电路代替。本讲稿第七页，共五十八页34采用复合结构的电路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，故集成电复合结构电路的性能较佳，制作并不困难，故集成电路中路
6、中多用复合管、共射多用复合管、共射-共基、共集共基、共集-共基等组合电路。共基等组合电路。级间采用直接耦合方式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。故在集成电容构成，误差较大。而电感的制造非常困难。故在集成电路中，电路中，级间都采用直接耦合方式。级间都采用直接耦合方式。5二极管由二极管由BJT的发射结构成的发射结构成 电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。本讲稿第八页，共五十八页一、一、直接耦合放大电路的零点漂移问题直接
7、耦合放大电路的零点漂移问题可以放大直流、交流信号可以放大直流、交流信号零漂：零漂：输入短路时，输出输入短路时，输出仍有缓慢变化的电仍有缓慢变化的电压产生。压产生。即输出电即输出电压偏离原来的起始压偏离原来的起始点而上下漂动。点而上下漂动。主要原因：主要原因：主要由于温度变化引起，也称主要由于温度变化引起，也称温漂温漂。直流电源波动，器件老化也是原因之一。直流电源波动，器件老化也是原因之一。12-1 差动放大电路差动放大电路9本讲稿第九页，共五十八页 若第一级漂移了若第一级漂移了100 uV，则输出漂移则输出漂移 100m V。若第二级漂移了若第二级漂移了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10
8、 mV。假设假设 可可见见，克克服服零零漂漂第第一级是关键！一级是关键！减小零漂的措施减小零漂的措施 采用采用差动放大电路差动放大电路 若第三级漂移了若第三级漂移了100 uV，则输出漂移则输出漂移 0.1 mV。10本讲稿第十页，共五十八页二、二、差动（差分）放大电路差动（差分）放大电路1 1、电路组成、电路组成结构特点结构特点:对称性结构对称性结构即：即：1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb 差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端：从两输入端同时加信号从两输入端同时加信号双端双端输入输入 从一个输入端
9、对地加信号从一个输入端对地加信号单端单端输入输入11本讲稿第十一页，共五十八页(2)有有公共的射极电阻公共的射极电阻Re组成特点：组成特点：(1)直接耦合的共射极电路直接耦合的共射极电路从集电极从集电极C1 和和C2输出输出 双端输出双端输出差动放大电路可以有两个输出端：差动放大电路可以有两个输出端：从集电极从集电极C1或或C2 对地输出对地输出 单端输出单端输出12本讲稿第十二页，共五十八页注意：注意：（1）静态分析）静态分析电路对称电路对称T放大的条件：放大的条件：Je正偏正偏、Jc反偏反偏vi1=vi2=0（静态静态）Je正偏正偏 T放大放大 Jc反偏反偏vo=VC1-VC2=0 0 实
10、现：实现：0输入输入 0输出输出 克服零漂克服零漂2 2、电路分析、电路分析13本讲稿第十三页，共五十八页（2）动态定性分析）动态定性分析 输入输入差模信号差模信号大小相等，方向相反大小相等，方向相反另外：另外：Re相当于相当于短路短路 iE=014本讲稿第十四页，共五十八页（2）动态定性分析）动态定性分析 输入输入共模信号共模信号大小相等，方向也相同大小相等，方向也相同另外：另外：Re相当于相当于2Re iE=2 iE1=2 iE215本讲稿第十五页，共五十八页（3）动态定量分析）动态定量分析小信号等效（微变等效）小信号等效（微变等效）电路法电路法利用利用对称特点对称特点，转化为单边电转化为
11、单边电路路求解。求解。四种接法四种接法a.双端输入、双端输出双端输入、双端输出b.双端输入、单端输出双端输入、单端输出c.单端输入、双端输出单端输入、双端输出d.单端输入、单端输出单端输入、单端输出注意：注意：电阻电阻Re 和和RL的处理的处理16本讲稿第十六页，共五十八页双端输入双端输入 差模增益差模增益 双入双出双入双出双入双出双入双出 双入单出双入单出RL各分一半各分一半RL由由T1单独负担单独负担双入单出双入单出Re短路短路17本讲稿第十七页，共五十八页双端输入双端输入 共模增益共模增益 双入双出双入双出双入双出双入双出 双入单出双入单出RL开路开路RL由由T1单独负担单独负担双入单出
12、双入单出Re对单边相当于对单边相当于2Re18本讲稿第十八页，共五十八页双端输入双端输入 共模抑制比共模抑制比双入双出双入双出双入单出双入单出 双入双出双入双出 双入单出双入单出 公共电阻公共电阻Re KCMR 抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强19本讲稿第十九页，共五十八页12-2 12-2 运算放大器的工作原理及主要参数运算放大器的工作原理及主要参数集成电路集成电路 运运算放大器算放大器直接耦合直接耦合 多多级放大电路级放大电路符号：符号：特点：特点：电压增益高（差模）电压增益高（差模）输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小20本讲稿第二十页，共五十八页UEE+UCC u+uo u反相反相
13、输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS 一、原理框图一、原理框图输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相21本讲稿第二十一页，共五十八页对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高 KCMRR ,输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的主要提高带负载能力，给出足够的输出电流输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的
14、多级放大器，输入级和第二级一般）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。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。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）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。率放大，提高带负载的能力。22本讲稿第二十二页，共五十八页1、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Auo为为。2、共模抑
15、制比、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。二、主要参数二、主要参数23本讲稿第二十三页，共五十八页 ri 大大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点运放的特点KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A uo很大很大:104 107理想运放：理想运放：ri KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uoAuo三、理想运算放大器及其分析依据三、理想运算放大器及其分析依据24本讲稿第二十四页，共五十八页uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入
16、之间输出与输入之间加负加负反馈反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Auo例：若例：若UOM=12V，Auo=106，则则|ui|UR时时,uo=+Uom当当ui UR时时,uo=-Uom 1、ui从同相端输入从同相端输入49本讲稿第四十九页，共五十八页+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时,uo=-Uom 2、ui从反相端输入从反相端输入50本讲稿第五十页，共五十八页uoui0+UOM-UOM+uoui3、过零比较器、过零比较器:(UR=0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM51本讲稿第五十一页，共五十八页+uouitui例：例：利用电压比较器将正弦利用电压比较器将正弦波变为方波。波变为方波。uot+Uom-Uom52本讲稿第五十二页，共五十八页电路结构电路结构上下限上下限:二、波形发生器二、波形发生器1 1、矩形波发生器、矩形波发生器53本讲稿第五十三页，共五十八页0UT+uctUT-+UZuo0t -UZT完整的波形：完整的波形：56本讲稿第五十六页，共五十八页波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZT 2 2、三角波发生器、三角波发生器58本讲稿第五十八页，共五十八页