集成电路分类课件

第十七章集成运算放大器本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号处理方面的应用。§17-1集成运放的简单介绍一、集成电路的发展过程科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历了四次重大的变革。2/6/202314、1974年，出现了大规模集成电路为第四次。

1、1904年,电子三极管（真空三极管）为第一次。2、1948年，费来明发明了晶体三极管为第二次。3、1958年，集成电路[移相振荡器]为第三次。一、集成电路的发展过程（中国65年生产第一块TTL与非门）2/6/20232现在集成电路的规模，正在以平均1～2年翻一番的速度在增大。1948196619711980199019981999

小规模中规模大规模超大规模超超大规模超亿规模

SSIMSILSIVLSIULSIGSI理论集成度10-100100～10001000～10万10万～100万100万～1亿＞1亿商业集成度110100～10001000～2万2万～5万＞50万＞1000万

触发器计数器单片机16位和32位图象SRAM加法器ROM微处理器处理器128位CPU（1）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线（2）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条）（生产环境：超净车间）（3）芯片面积增大，从1～5mm2到现在的1cm21967年在一块晶片上完成1000个晶体管的研制成功。集成电路集成度的提高主要依靠三个因素由于现在这三方面都有所突破，所以集成规模发展很快.这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？77年美国30mm2制作13万个晶体管，即64K位DRAM。2/6/20233二、集成电路的分类模拟集成电路：集成运算放大器，集成功放，集成稳压电源，集成模数A/D转换和数模D/A转换及各种专用的模拟集成电路。而集成运放只是模拟集成电路中的一种，但是应用最为广泛的一种。由于最初用于作运算用，所以称为集成运算放大器，而现在的功能已经远远超过了当时的功能，而得到了方泛的应用。大类分：模拟集成电路数字集成电路数字集成电路：门电路，触发器，计数器，存贮器，微处理器等电路。74系列，74LS××，74HC××，4000系列，CMOS等各种型号。2/6/20235三、集成运放的结构及特点结构上有圆壳式、扁平式和双列直插式三种，管脚引出线有8、10、12、14等多种。LM741

12348765结构12345678LM741

123487652/6/20236特点：

4、元件的精度低，但对称性好，温度特性好。1、制造容量大于2000PF的电容元件很困难，如需大电容必须外接，所以集成运放都采用直接耦合放大电路。2、制造太大和太小的电阻不经济，占用硅面积大。一般R的范围为100Ω～30KΩ，大电阻用恒流源代替。3、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。2/6/20237

运算放大器实际上就是一个直接耦合的多级放大电路，它有两个输入端一个输出端，一般电源都不画。单运放：LM741/A741双运放：LM747（双741）单电源四运放：LM124/224/324双电源四运放：LM148/248/348等等。四、电路的简单说明LM741

123487652脚为反相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是反相的。3脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是同相的。各管脚的用途是：4脚为负电源端。7脚为正电源端。6脚为输出端。1和5脚为外接调零电位器（通常为10KΩ）的两个端子。8脚为空脚。其典型接法如下图所示2/6/20239154237610KΩ-15V+15V简化电路符号电路符号2/6/202310五、主要参数3、输入失调电压Uio：理想的运放，当输入电压ui1=ui2=0时，输出电压u0=0。但在实际运放中，由于制造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，输出电压不等于零。反过来说，如果要u0=0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。2、开环电压放大倍数Auo：在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。1、最大能输出电压UOPP：能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大能输出电压。2/6/202311六、理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器条件实际运放上述指标接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。ridu0r0u-u+u0Au0开环放大倍数Auo→∞差模输入电阻rid→∞开环输出电阻ro→0uo=Auo(u+-u-)共模抑制比KCMRR→∞uo=∞(u+-u-)2/6/202313o+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际特性与理想特性很接近。实际特性理想特性2、分析依据：分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线性区还是非线性区（饱和区）2/6/202314o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分析方法不同：线性区：uo=Auo(u+-u-)因为uo为有限值，Auo为无限大，所以(u+-u-)≈0。即u+≈u-我们称为“虚短”因为rid→∞，故两输入端的输入电流为零。我们称为“虚断”ridu0r0U-U+u0Au02/6/202315§17-2运算放大器在信号运算方面的应用理想运放应满足的条件：

由此得出了两个重要结论ridu0r0U-U+u0Au0(1)“虚短”(2)“虚断”但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。我们已经知道：Auo→∞，则当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。4、共模抑制比KCMRR3、开环输出电阻ro2、差模输入电阻rid1、开环放大倍数Auo→∞→∞→∞→02/6/202317下面我们就分别讨论之。uou-u+∞

++-但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，所以——接下来的问题是负反馈从输出端引到同相端还是反相端。解决的方法是：在电路中引入深度负反馈。R——反相输入端。2/6/20231817.2.1、比例运算①电路结构虚短QR2R1RFuiu0iFi1②闭环放大倍数1、反相比例∴u-=u+又∵虚断∴u-=u+=0则电流i1等于电流iF2/6/202319闭环输入电阻和输出电阻电压并联负反馈③特点：R2R1RFuiu0iFi1a.共模输入电压为0b.ro=0带负载能力强c.ri小对输入电流有一定的要求2/6/202321R2为平衡电阻，其目的是消除静态时的不对称对输出电压的影响，它不影响放大倍数。对双极型三极管组成的电路有要求。R2=R1//RF特别说明：R2R1RFuiu0iFi1P112例17.2.1请同学自学。2/6/202322R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R52/6/202323闭环输入电阻和输出电阻R2R1RFuiu0iFi1③特点：A共模u+=u-=uI对KCMRR要求高Bro=0带负载能力强CrI高电压串联负反馈2/6/202325接有分压电阻R3时，Auf的求法为：R1//RF=R2//R3平衡电阻：电压串联负反馈R2R1RFuiu0iFi1R32/6/20232617.2.2、加法运算1、反相加法运算因为i1+i2+i3=iF所以ui1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(0-u0)/RF特点：放大倍数互不影响。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i32/6/202327从这里可以看出，本电路的同相放大倍数最多只能比反相大117.2.3、减法运算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1为电流并联负反馈；ui2为电压串联负反馈2/6/202329这在后面所讲的设计电路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R42/6/20233017.2.4、积分运算R2R1CFuiu0iFi12/6/202331R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)积分电路除用于信号运算处，还用于控制测量系统中、方波三角波变换。当UI大于0时tu00+U0（sat)当UI小于0时++与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。因为：充电电流基本恒定2/6/202332PI调节器右图是在控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF2/6/20233317.2.5、微分运算R2C1RFuiu0iFi1P119例17.2.8是一个比例-微分调节器（简称PD调节器），自学。2/6/202334例如：试画出下列函数关系的运算电路17.2.6、已知输出与输入的函数关系，设计电路。(1)u0=-5ui(2)u0=5ui(4)u0=5ui1-2ui2(3)u0=-5ui1+2ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R42/6/202335§17-3运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器除了能对输入信号进行运算外，还能对输入信号进行处理。信号处理电路的种类很多，这里只讨论几种常用电路的工作原理。17.3.1、有源滤波器

所谓滤波器就是一种选频网络，它让有用信号通过，而对其余频段的信号起衰减作用。它可以只用一些无源元件（R、L、C等）组成，也可以用无源元件与有源元件组成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。和无源滤波器比较，有源滤波器的主要优点是：效率高、带负载能力强、体积小、效率高。2/6/202336缺点：1、用于低频（受集成运放的限制）2、必须有直流电源3、可靠性差4、不能用于高电压大电流滤波器按其作用可分为：0fAu低通高通带通带阻0fAu0fAu0fAu2/6/202337前面我们已经讲过RC组成的无源滤波器RCuiu0RCuiu0无源低通滤波器无源高通滤波器R2R1RFuiu0RCuiu0RCuiu0有源低通滤波器有源高通滤波器2/6/202338一、低通滤波器uiuo∞

++-RC有源低通滤波器ucRFR12/6/202339o幅频特性式中的称为特征频率Auf的模为——幅频特性2/6/202340o幅频特性2/6/202341二阶有源低通滤波器RR1RFuiu0CRC2/6/202342二、高通滤波器有源高通滤波器uiuo∞

++-RCRFR12/6/202343o幅频特性式中的称为特征频率Auf的模为——幅频特性2/6/202344o幅频特性2/6/20234517.3.2、采样保持电路当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。uiuo∞

++-RC采样保持电路ucR1S控制信号ououi采样保持t输入输出波形控制信号2/6/20234617.3.3、电压比较器uRuo∞

++-R2电压比较器R1ui运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性—饱和区。

uR等于零时，称为过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuR其传输特性如图所示2/6/202347Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比较器将正弦波变换为矩形脉冲uotuRuo∞

++-R2电压比较器R1ui电压比较器可以用做波形变换2/6/202348uRuo∞

++-R2有限幅电压比较器R1uiDz传输特性+UzououiuR-Uz有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管Dz，作双向限幅用。uRuo∞