第10章集成运算放大电路

1、第10章集成运算放大器 集成运算放大器集成运算放大器第10章集成运算放大器 采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。能的单元电路。一、集成电路（一、集成电路（Integrated Circuit简称简称IC）绪绪 论论第10章集成运算放大器 二、集成电路的特点二、集成电路的特点（同分立器件电路相比）（同分立器件电路相比）1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路集成电路中电阻、电容等无源器件不能象

2、分立元件电路那样任意选用。那样任意选用。集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式集成运放电路多采用直接耦合的形式。2.两者的设计思想正好相反两者的设计思想正好相反分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶

3、体管集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。等有源器件所取代。3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路容易制造对称性较高的电路第10章集成运算放大器 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。三、集成运算放大三、集成运算放大器器四、四、应用分类应用分类按功能分类按功能分类按工作区域分类按工作区域分类放大放大 信号传递，信

4、号传递，AV、AI、AR（V/I）、）、AG（I/V）运算运算 、 lndtdxxex处理处理 滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅比较比较 判断电压大小判断电压大小信号产生信号产生 正弦、方波、三角波正弦、方波、三角波线性应用线性应用非线性应用非线性应用 电压比较器电压比较器第10章集成运算放大器 10.1集成运算放大器概述集成运算放大器概述10.1.1集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图第10章集成运算放大器 2. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大

5、器的内部组成单元反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端1、同相和反相的区别？2、开环电压增益 210vvvAAA第10章集成运算放大器 左图所示为左图所示为F007F007集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，F007F007集成运放有集成运放有8 8个管脚，个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：管脚的排列图、电路图符号如下：12876543空脚空脚正电源端正电源端输出端输出端调零端调零端调零端调零端 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端负电源端负电源端集成运放的电路图符号集成运放的电路图符号U0U+U-同相输入同相输入反

6、相输入反相输入+15V输出输出6513724-15V调零电位器调零电位器外部接线图外部接线图第10章集成运算放大器 Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB10.1.3运算放大器的特点分析运算放大器的特点分析uo+Auou+u。 。+UCCUEE 第10章集成运算放大器 1. 集成运算放大器的传输特性集成运算放大器的传输特性集成运放的电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系曲线，如图10.1.5所示，包含一个线性区和两个饱和区。 图 10.1.5 电压传输特性 当运放工作在线性区时，输当运放工作在线

7、性区时，输出电压出电压uo与输入电压与输入电压(u+u)是是线性关系，线性区的斜率取决于线性关系，线性区的斜率取决于Auo的大小。的大小。 当当uo增加到一定值后，就进增加到一定值后，就进入了饱和区。正、负饱和区的输入了饱和区。正、负饱和区的输出电压出电压 Uom一般略低于正、负一般略低于正、负电源电压。电源电压。第10章集成运算放大器 2.2.主要参数主要参数1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路

8、时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB第10章集成运算放大器 1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo=

9、 f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+1时，即为放大电路。 10.3.1比例运算电路比例运算电路比例运算电路比例运算电路反相输入比例运算放大电路反相输入比例运算放大电路同相输入比例运算放大电路同相输入比例运算放大电路第10章集成运算放大器 RuuiiiFofRuui（1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， iFouRRuifiiii+RRuuAuFiofuo

10、RFuiRbR+ 所以所以 ii if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对地电对地电阻相同，阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 Rb=R/RF第10章集成运算放大器 RRuuAuFiof第10章集成运算放大器 oFuRRRu因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui iFo)1 (uRRu（1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数RRuuAuFiof1uoRFuiRbR+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻Rb=R/RFu+u第10章集成运算放大器

11、 RRuuAuFiof1第10章集成运算放大器 当当 R= 或或 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiRbR+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ 第10章集成运算放大器 因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得 平衡电阻：平衡电阻： Rb= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ Rb+

12、因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1i1iFouRRuRRu 10.3.2 加、减运算电路加、减运算电路第10章集成运算放大器 1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+第10章集成运算放大器 方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1

13、i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+第10章集成运算放大器 常用做测量常用做测量放大电路放大电路由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则则：R2 / R3 = R1 / RF1 i1F2i3231Fo)1 (uRRuRRRRRu1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu 第10章集成运算放大

14、器 uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+第10章集成运算放大器 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt 第10章集成运算放大器 tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性积分时间

15、线性积分时间线性积分时间线性积分时间Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0 采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故电流基本上是恒定的，故 uo 是时间是时间 t 的一次函数，的一次函数，从而提高了它的线性度。从而提高了它的线性度。输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化tCRUFi1 第10章集成运算放大器 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成uoCFRFuiR2R1+ ifi1电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的以满足控制系统的要求。要求。第10章集成运算放大器 Foi1ddRutuC tuCRuddi1Fo ifi1由