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1、第五章 集成运放本讲稿第一页，共二十九页集成电路集成电路集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。上。高增益的直接耦合的集成的多级放大高增益的直接耦合的集成的多级放大高增益的直接耦合的集成的多级放大高增益的直接耦合的集成的多级放大器器器器。集成电路的优点：集成电路的优点：集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路
2、；小、中、大、超大规模集成电路；5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介一一 集成运算放大器芯片集成运算放大器芯片1 1 概念概念本讲稿第二页，共二十九页圆壳式圆壳式 双列直插式双列直插式 扁平式扁平式 单列直插式单列直插式 菱形式菱形式集成电路的封装形式集成电路的封装形式封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。本讲稿第三页，共二十九页1.电路元件制作在一个芯片上，电路元件制作在一个芯片上，元器件精度低，元器件精度低，但具有良好的一致性但具有良好的一致性和同向偏差，有利于实现需要对称结构的电路。采用和同向偏差，有利于实现需要对称结构的电路。采
3、用直接耦直接耦合合，差分放大电路差分放大电路。2.在集成电路中，制造三极管（在集成电路中，制造三极管（NPNNPN）比制造大电阻和二极管方便。）比制造大电阻和二极管方便。大电阻用恒流源代替或外接；二极管一般用三极管的发射结大电阻用恒流源代替或外接；二极管一般用三极管的发射结构成构成。3.几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接大电容要外接。4.电感不能集成，如需电感，也只能外接。电感不能集成，如需电感，也只能外接。集成电路结构特点集成电路结构特点5.集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗
4、很小，在毫瓦以下。下。本讲稿第四页，共二十九页2.2.集成运放的原理电路集成运放的原理电路 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。输入级输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。偏置电流源偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。互补输出级互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。中间放大级中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。本讲稿第五页，共二十
5、九页-VEE+VCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差分放大器差分放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器+极极性性判判断断集成运放内部结构（举例）集成运放内部结构（举例）本讲稿第六页，共二十九页 Ri 大大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：KCMR 很大很大 Ro 小：几十小：几十 几百几百 Aod 很大很大:104 107理想运放：理想运放：Ri KCMR Ro 0 0Aod 运放符号：运放符号：uo u-u+国内符号
6、国内符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端国际符号国际符号uNuP P uoAod差模开环放大倍数差模开环放大倍数本讲稿第七页，共二十九页3.3.集成运算放大器芯片简介集成运算放大器芯片简介（1）外形与符号）外形与符号运算放大器外形图运算放大器外形图 (a)(b)(a)国家标准符号 (b)原符号本讲稿第八页，共二十九页（2）LM324简介简介LM324是是TTL电路的一个典型产品，电路的一个典型产品，属于通用型集成运放。具有较宽的电属于通用型集成运放。具有较宽的电压范围，既可采用双电源供电，也可压范围，既可采用双电源供电，也可采用单电源供电。采用单电源供电。本讲稿第九页，共二十九页1.1
7、.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数A Aododq开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。q一般在一般在105 108.5（100170dB）之间。之间。q理想运放理想运放Aod为为。2.共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。3.3.差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻Rid4.4.输出电阻输出电阻R Ro oRo=几十几十-几百几百。二二 集成运放的主要参数集成运放的主要参数双极型管双极型管Ri1M
8、 ，场效应管，场效应管可达可达100M 以上以上。KCMR=20lg(Aod/Aoc)(dB)本讲稿第十页，共二十九页5.输入失调电压输入失调电压输入失调电压输入失调电压UIO及其温漂及其温漂及其温漂及其温漂 dU UIOIO/dT/dTUIO是使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压是使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压uI=0时，输出电压折合到输入端电压的负值：时，输出电压折合到输入端电压的负值：UIO=-uo/AoddUIO/dT是是UIO温度系数，是衡量温度系数，是衡量运放温漂运放温漂的重要参数，的重要参数，其值愈小，温漂愈小其值愈小，温漂愈小.UIO愈小愈好，一般为愈小愈好，一般为（
9、110）mV。uoUIO+表征运放内部电路对表征运放内部电路对称性的指标。称性的指标。NEXT本讲稿第十一页，共二十九页六、输入失调电流六、输入失调电流IIO及其温漂及其温漂 dIIO/dTIIO=|IBP-IBN|：反映输入级差放管输入电流的不对称程度。反映输入级差放管输入电流的不对称程度。一般为一般为 1nA 0.1 A七、输入偏置电流七、输入偏置电流 IIB集成运放输入电压为集成运放输入电压为0时，两输入端静态电流的平均值时，两输入端静态电流的平均值一般为一般为10nA1 AVO+IBNIBP+VCC含义：含义：IIB小小输入阻抗高，零漂小输入阻抗高，零漂小本讲稿第十二页，共二十九页八、
10、最大共模输入电压八、最大共模输入电压UIcmax输入级正常工作允许的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入级正常工作允许的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，输入差分对管出现饱和，KCMR显著下降，放大器失去共模抑制能力显著下降，放大器失去共模抑制能力。九、最大差模输入电压九、最大差模输入电压UIdmax 指运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。超过后，指运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。超过后，可能会使输入级的管子反向击穿。可能会使输入级的管子反向击穿。本讲稿第十三页，共二十九页三三 理想运放及其重要结论理想运放及其重要结论uiuo_+AvouPu
11、Nuo+UOM-UOMui=up-uN线性放大区线性放大区ABui在在AB之间，工作在线性工作区之间，工作在线性工作区；ui在在AB之外，工作在非线性工作区之外，工作在非线性工作区。1 电压传输特性及工作模式电压传输特性及工作模式本讲稿第十四页，共二十九页4）输入失调电压和输入失调电流为零。）输入失调电压和输入失调电流为零。2 集成运放理想化的条件集成运放理想化的条件1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Kd；2）输入阻抗）输入阻抗ri；3）输出阻抗）输出阻抗ro0；本讲稿第十五页，共二十九页3 理想运放的两个重要结论理想运放的两个重要结论（1）虚）虚 短短因为因为Ad，则，则ui=u+-u-
12、=uo/Kd=0，所以，所以u+=u-。这样，两个输入端。这样，两个输入端可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为零电位，称为为零电位，称为“虚地虚地”(imaginary ground)。因为因为ri，所以，所以Ii=（u+-u-)/ri=0（2）虚）虚 断断即从输入端流入或流出的电流为零，好像输入端与运放器件断开一样，但即从输入端流入或流出的电流为零，好像输入端与运放器件断开一样，但实际上不是断开，所以称虚断。实际上不是断开，所以称虚断。本讲稿第十六页，共二十九页5.2 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应
13、用 输入电压输入电压ui经电阻经电阻R1由反相由反相输入端输入，输出端与反相输入端输入，输出端与反相端之间接一反馈电阻端之间接一反馈电阻RF，同，同相输入端与地之间接一平衡相输入端与地之间接一平衡电阻电阻R2，且，且R2=R1/RF，以，以保证运放输入端的对称。保证运放输入端的对称。1.反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路一一 三种基本运算电路三种基本运算电路本讲稿第十七页，共二十九页因Ii=0，故i1if，因此又因u+u-=0，因此 KF为反相放大器的闭环电压放大倍数，它只与外接电阻R1、RF有关，而与集成运放本身参数无关。只要电阻值足够精确，则输出电压uo与输入电压ui可得到高精度的比
14、例关系，负号表示uo与ui相位相反，所以称反相放大器。本讲稿第十八页，共二十九页（1）输出电压与输入电压成比例关系，比例系数为RF/R1,当RF=R1时，uo=-ui，构成反相器。结论：结论：（2）比例系数的大小仅与运放外电路参数RF与R1的取值有关。本讲稿第十九页，共二十九页 将反相放大器中R1端接地，输入电压ui经电阻R2由同相输入端输入，即可构成同相放大器，实现输出电压uo与输入电压ui之间的同相比例运算。2.同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路本讲稿第二十页，共二十九页因Ii=0，故i1if，因此又因ui=u+u-，因此 uo与与ui之间的比例关系也与之间的比例关系也与运放本身的参
15、数无关，电路运放本身的参数无关，电路精度和稳定度都很高。精度和稳定度都很高。KF为为正表示正表示uo与与ui同相，并且同相，并且KF总是大于或等于总是大于或等于1，这一点，这一点与反相放大器不同。与反相放大器不同。当当RF=0时时KF=1，电路，电路就变成电压跟随器。就变成电压跟随器。本讲稿第二十一页，共二十九页解：放大电路由解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其中串行连接而成，其中A1是跟随器，因此是跟随器，因此Uo1=Ui=2V 它又是它又是A2的输入信号电压，的输入信号电压，A2是反相放是反相放大器，因此大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V 例例本讲稿第二十二页，共二十九页右图
16、是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输入，根据理想运放条件，得 3.差动输入比例运算电路差动输入比例运算电路当R1=R2，R3=RF时，R1=R2=R3=RF，则uo=ui1-ui2。本讲稿第二十三页，共二十九页二、算数求和运算电路二、算数求和运算电路R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。适应不同的需要。1、反相求和运算电路、反相求和运算电路本讲稿第二十四页，共二十九页i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1特点特点：调节某一路：调节某一路信号的输入电阻信号的输入电阻不影响其
17、他路输不影响其他路输入与输出的比例入与输出的比例关系。关系。当当 R11=R12=R 时，时，本讲稿第二十五页，共二十九页2 2、同相求和运算电路、同相求和运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR2R3ui2本讲稿第二十六页，共二十九页此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+与与 ui1 和和 ui2 的关系如的关系如何？何？注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单同相求和电路的各输入信号的放大倍
18、数互相影响，不能单独调整。独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）本讲稿第二十七页，共二十九页-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求和运算电路，左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位如何求同相输入端的电位？提示：提示：1.虚开路：流入同相端的电虚开路：流入同相端的电流为流为0。2.节点电位法求节点电位法求u+。本讲稿第二十八页，共二十九页本章小结本章小结1运算放大器都使用差动放大器作为输入级。运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集集成成运运放放的的主主要要品品种种是是BJT集集成成运运放放、FET集集成成运运放放以以及及由由这这两两种种工工艺艺结结合合而而得得到到的的BiMOS和和BiCMOS集集成成运放。运放。4集集成成运运放放是是模模拟拟集集成成电电路路的的典典型型组组件件。在在实实际际的的电电路分析中，应掌握其电压传输特性。路分析中，应掌握其电压传输特性。本讲稿第二十九页，共二十九页