第7章集成运算放大器及其应用电路振荡器

1、 集成电路是集成电路是20 世纪世纪 60 年代发展起来的固体组年代发展起来的固体组件。它是利用微电子技术将元件、导线、电路集件。它是利用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上而成。成在一块很小的半导体芯片上而成。 集成电路的发展进程：集成电路的发展进程： 1960 年：小规模集成电路年：小规模集成电路 SSI。 1966 年：中规模集成电路年：中规模集成电路 MSI。 1969 年：大规模集成电路年：大规模集成电路 LSI 。 1975 年：超大规模集成电路年：超大规模集成电路 VLSI 。 集成电路分类集成电路分类 (1) 模拟集成电路模拟集成电路 处理模拟信号的电路。处

2、理模拟信号的电路。 如集成功率放大器、集成运算放大器等。如集成功率放大器、集成运算放大器等。 (2) 数字集成电路数字集成电路 处理数字信号的电路。处理数字信号的电路。 如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。 集成电路芯片集成电路芯片 集成运放是具有很高开环电压放大倍集成运放是具有很高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大器，由输入级、中数的多级直接耦合放大器，由输入级、中间级和输出级三个基本部分组成。间级和输出级三个基本部分组成。特点：特点：输入级采用差分放大电路，输入级采用差分放大电路，KCMR 和和 ri 很高。很高。 中间级采用多级共射电路，起电压

3、放大作用。中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 输出级采用互补对称功率放大电路或共集放输出级采用互补对称功率放大电路或共集放大电路，大电路，ro 很小，带负载能力很强。很小，带负载能力很强。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 输入端输入端 输出端输出端 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 运算放大器的组成运算放大器的组成 +VCCuO+-VEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17

4、T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C净输入电压净输入电压uD uuuO Ao 同相输入端同相输入端 反相输入端反相输入端 输出端输出端 集成运算放大器的另一种符号集成运算放大器的另一种符号 集成运算放大器的电路符号集成运算放大器的电路符号 12345678A741空脚空脚调零端调零端输出输出调零端调零端反相输入反相输入同相输入同相输入+UCC-UEE外形外形 集成运算放大器的外形及管脚排列集成运算放大器的外形及管脚排列 集成运算放大器的外部接线图集成运算放大器的外部接线图 + UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO 12345678A74

5、1空脚空脚调零端调零端输出输出调零端调零端反相输入反相输入同相输入同相输入+UCC-UEEuD uuuO Ao 1. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 rid 4. 共模抑制比共模抑制比 KCMRR5. 输入失调电压输入失调电压 Uio 、输入失调电流、输入失调电流 Iio 6. 输入偏置电流输入偏置电流 IB1 、 IB23. 开环输出电阻开环输出电阻 ro 7. 通频带宽度通频带宽度 BW 开环电压放大倍数：开环电压放大倍数：Ao 开环输入电阻：开环输入电阻：ri 开环输出电阻：开环输出电阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u

6、 uuO uD 理想运放的符号理想运放的符号 uo= f (uD) +UOM uD= u+ u uoUOMuo+ u+u+UCCUEE OuDuD = u+ u 集成运放的输出电压集成运放的输出电压uo与输入电压与输入电压uD 之间的关之间的关系称为集成运放的电压传输特性。系称为集成运放的电压传输特性。 +UOM uD= u+ u uoUOM线性区线性区 O饱和区饱和区在线性区：在线性区：uo = AuuD在饱和区：在饱和区：uD 0 时，时， uo = +UOM +UCC uD 0时，即时，即u+ u时，时， uo=+UOM +UCC ，输输出为正的饱和值；出为正的饱和值； (2) uD 0

7、 时，即时，即u+ 0 ui = Ui u 时，时， uo=+UOM ，输出为正的饱和值；输出为正的饱和值； (2) u+uo0 0；时，时，uu +uo0 0。时，时，输出端不接输出端不接限幅电路时限幅电路时， uo = UOM输出端接输出端接限幅电路限幅电路(DZ)时时， uo = UZ 3. 电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素 输出电压的高、低电平值输出电压的高、低电平值UOH、UOL； 门限门限( (槛槛) )电压电压UT （输出电压发生跳变时所（输出电压发生跳变时所对应的输入电压）对应的输入电压） ； 输出电压在输入电压经过输出电压在输入电压经过UT时的跳变方向。时的跳变方向。

8、uoui0UOHUOLUT上行上行 单限电压比较器单限电压比较器uoui0UOHUOLUT 输出电压在输入电压单方向变化时仅跳变输出电压在输入电压单方向变化时仅跳变一次，只有一个门限电压。一次，只有一个门限电压。UZ-UZUT2UT10uiuo 滞回电压比较器滞回电压比较器 输出电压在输入电压单方向变化时仅跳变输出电压在输入电压单方向变化时仅跳变一次，但输入电压变化方向时门限电压不同。一次，但输入电压变化方向时门限电压不同。 窗口电压比较器窗口电压比较器 有两个门限电压，但输出电压在输入电压有两个门限电压，但输出电压在输入电压单方向变化时可跳变两次。单方向变化时可跳变两次。电压传输特性电压传输

9、特性uiuoURR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跳变。发生跳变。参考电压参考电压 uiuoOUR当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只跳变一次。只跳变一次。ui u - -，uo= + UOMui UR时，时， u + URL uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2当当 uI URH 时时, uO1= UOM uO2= UOMuO= = uO1 = =UOM URH URL uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2 uO1= UOM uO2= UOMuO= = 0 URH URL 当当 URLu

10、IURH 时时,uRLuRHuIuOO+ uOM电压传输特性电压传输特性uRHuO2 uO1 D1 uO uRL uI A1A2D2 电压比较器小结电压比较器小结 1.1.在电压比较器中，集成运放工作在非线性在电压比较器中，集成运放工作在非线性区，输出电压只有高、低电平两种数值；区，输出电压只有高、低电平两种数值； 2.2.输出电压与输入电压的关系一般用电压传输出电压与输入电压的关系一般用电压传输特性来描述；输特性来描述； 3.3. 电压传输特性的三个要素是：电压传输特性的三个要素是： 输出电压的高、低电平值输出电压的高、低电平值UOH、UOL（取决于（取决于电源电压或限幅电路）；电源电压或限

11、幅电路）；门限电压门限电压UT（令（令u+ = = u- -时求出的输入电压时求出的输入电压uI就是门限电压就是门限电压) )；输出电输出电压在输入电压经过门限电压压在输入电压经过门限电压UT时的跳变方向。时的跳变方向。填空题（每空填空题（每空2分）：分）： 1.常用的电压比较器有常用的电压比较器有 、 和和 三种类型；三种类型；单限比较器单限比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器 2.单限电压比较器指的是单限电压比较器指的是 ；当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只跳变一次只跳变一次 正弦波信号发生器是在没有外加输入信号的情况正弦波信号发生器是在没有外加输入信号的情况下，

12、仅依靠电路的自激振荡而得到频率和幅度均稳定下，仅依靠电路的自激振荡而得到频率和幅度均稳定的正弦波输出信号，故又称之为正弦波自激振荡器。的正弦波输出信号，故又称之为正弦波自激振荡器。正弦波振荡器在检测、通讯、遥控和自动控制等领域正弦波振荡器在检测、通讯、遥控和自动控制等领域得到广泛地应用。根据选频电路所用元件不同，通常得到广泛地应用。根据选频电路所用元件不同，通常将正弦波振荡器分为将正弦波振荡器分为RC正弦波振荡器、正弦波振荡器、LC正弦波振正弦波振荡器和石英晶体正弦波振荡器三种类型。荡器和石英晶体正弦波振荡器三种类型。1. 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX 只有正反馈电路才能产

13、生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfXfidXXX 改成正反馈改成正反馈+一、自激振荡的建立条件一、自激振荡的建立条件基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdU oU fU 2.产生产生自激振荡的条件自激振荡的条件反馈信号代替了放大电路的输入信号。反馈信号代替了放大电路的输入信号。doUUA ofUUF dfUU 如果：如果：,ifUU 则去掉则去掉,iU 仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiU + +dU oU fU 则正弦波信号发生器产生则正弦波信号发生器产生自激振荡的自激

14、振荡的平衡条件为：平衡条件为：1 dfofdoUUUUUUFA得得dfUU 由由反馈电压反馈电压与输入电压的大小相等，与输入电压的大小相等，Uf = Ud 即即1 |dfUUFA(1) 幅度平衡条件：幅度平衡条件：反馈电压反馈电压 Uf 与输入电压与输入电压Ud同相同相, 为正反馈。为正反馈。(n=0,1, 2 )即即 = A+ F = 2n 1 dfofdoUUUUUUFAAAA |FFF | |FAFAFAFA)(则则(2) 相位平衡条件相位平衡条件:相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；幅度条件幅度条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大

15、电路的放大倍数达到。1 |dfUUFA一个正弦波自激振荡器只有同时满足这一个正弦波自激振荡器只有同时满足这两个条件时，电路才能维持自激振荡。两个条件时，电路才能维持自激振荡。1 dfofdoUUUUUUFA = A+ F = 2n 才能起振才能起振 振荡稳定振荡稳定 不能起振不能起振 | A | F | 1 | A | F | = 1 | A | F |1 总之，振荡过程是由总之，振荡过程是由 | A | F | 1， 一直到一直到 | A | F | = 1， 最终达到稳定的过程。最终达到稳定的过程。 振荡波形振荡波形正弦波振荡电路由以下四部分组成：正弦波振荡电路由以下四部分组成： （3 3

16、）正反馈网络：保证电路起振，使放大电路的）正反馈网络：保证电路起振，使放大电路的输入信号等于反馈信号；输入信号等于反馈信号； （1 1）放大电路：保证将微小的起振信号放大；）放大电路：保证将微小的起振信号放大； （2 2）选频网络：确定振荡频率，使电路产生单一）选频网络：确定振荡频率，使电路产生单一频率的正弦波输出波形；频率的正弦波输出波形； （4 4）稳幅环节：保证电路从起振到平衡，使输出）稳幅环节：保证电路从起振到平衡，使输出信号的幅值稳定。信号的幅值稳定。 在许多实用电路中，常将选频网络和正反馈网络在许多实用电路中，常将选频网络和正反馈网络合二为一，由同一电路同时实现选频和正反馈。合二为

17、一，由同一电路同时实现选频和正反馈。 R1RFuo uRCCRufRC正反馈选频网络正反馈选频网络同相比例同相比例放大电路放大电路 限幅环节限幅环节(负反馈负反馈) 振荡频率：振荡频率：RCfo21R1RFRCCRufuof0=12 RC F = 0,RFR1）, A=（1+ A = 0为了满足为了满足AF =1,A=3RFR1）=3 , （1+RF=2R1起振时应满足起振时应满足RF2R1=F =Uf_Uo13_当当 f =时，时，uf与与uo同相，为正反馈。同相，为正反馈。使得使得AF 1则有则有 A+ F=0 稳幅措施稳幅措施R1RFRCCRufuo用具有负温度系数的热敏用具有负温度系数的热敏电阻电阻RT代替代替RF。RTufRTR1） A=（1+uoT RTA填空题：填空题： 1. 正弦波振荡电路是由基本正弦波振荡电路是由基本放大电路、放大电路、 、 和和 四部分组成；四部分组成；稳幅环节稳幅环节选频网络选频网络正反馈网络正反馈网络 2.正弦波振荡器产生正弦波振荡器产生自激振荡的相位平衡条件自激振荡的相位平衡条件是是 ，幅度平衡条件是，幅度平衡条件是 ；起振的相位条件是起振的相位条件是 ，幅度条件，幅度条件是是 ，RC正弦波振荡器的振荡频率为正弦波振荡器的振荡频率为 。 A+ F = 2n 1 |FA A+ F = 2n 1 |FARC21本章基本要求本章基本要求 1.