集成電路分類課件

第十七章集成運算放大器本章內(nèi)容：主要介紹集成電路在信號運算和信號處理方面的應用?！?7-1集成運放的簡單介紹一、集成電路的發(fā)展過程科學研究和生產(chǎn)的需要推動著電子技術(shù)的發(fā)展，而電子器件和電路的改進又帶來了科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)水平的進一步提高。迄今，電子器件已經(jīng)經(jīng)歷了四次重大的變革。2/6/202314、1974年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。

1、1904年,電子三極管（真空三極管）為第一次。2、1948年，費來明發(fā)明了晶體三極管為第二次。3、1958年，集成電路[移相振蕩器]為第三次。一、集成電路的發(fā)展過程（中國65年生產(chǎn)第一塊TTL與非門）2/6/20232現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均1～2年翻一番的速度在增大。1948196619711980199019981999

小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模超大規(guī)模超超大規(guī)模超億規(guī)模

SSIMSILSIVLSIULSIGSI理論集成度10-100100～10001000～10萬10萬～100萬100萬～1億＞1億商業(yè)集成度110100～10001000～2萬2萬～5萬＞50萬＞1000萬

觸發(fā)器計數(shù)器單片機16位和32位圖象SRAM加法器ROM微處理器處理器128位CPU（1）設計技術(shù)的提高，簡化電路，合理布局布線（2）器件的尺寸縮小（工藝允許的最細線條）（生產(chǎn)環(huán)境：超凈車間）（3）芯片面積增大，從1～5mm2到現(xiàn)在的1cm21967年在一塊晶片上完成1000個晶體管的研制成功。集成電路集成度的提高主要依靠三個因素由于現(xiàn)在這三方面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問題？77年美國30mm2制作13萬個晶體管，即64K位DRAM。2/6/20233二、集成電路的分類模擬集成電路：集成運算放大器，集成功放，集成穩(wěn)壓電源，集成模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換及各種專用的模擬集成電路。而集成運放只是模擬集成電路中的一種，但是應用最為廣泛的一種。由于最初用于作運算用，所以稱為集成運算放大器，而現(xiàn)在的功能已經(jīng)遠遠超過了當時的功能，而得到了方泛的應用。大類分：模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路：門電路，觸發(fā)器，計數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。74系列，74LS××，74HC××，4000系列，CMOS等各種型號。2/6/20235三、集成運放的結(jié)構(gòu)及特點結(jié)構(gòu)上有圓殼式、扁平式和雙列直插式三種，管腳引出線有8、10、12、14等多種。LM741

12348765結(jié)構(gòu)12345678LM741

123487652/6/20236特點：

4、元件的精度低，但對稱性好，溫度特性好。1、制造容量大于2000PF的電容元件很困難，如需大電容必須外接，所以集成運放都采用直接耦合放大電路。2、制造太大和太小的電阻不經(jīng)濟，占用硅面積大。一般R的范圍為100Ω～30KΩ，大電阻用恒流源代替。3、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。2/6/20237

運算放大器實際上就是一個直接耦合的多級放大電路，它有兩個輸入端一個輸出端，一般電源都不畫。單運放：LM741/A741雙運放：LM747（雙741）單電源四運放：LM124/224/324雙電源四運放：LM148/248/348等等。四、電路的簡單說明LM741

123487652腳為反相輸入端。由此端輸入信號，則輸出信號和輸入信號是反相的。3腳為同相輸入端。由此端輸入信號，則輸出信號和輸入信號是同相的。各管腳的用途是：4腳為負電源端。7腳為正電源端。6腳為輸出端。1和5腳為外接調(diào)零電位器（通常為10KΩ）的兩個端子。8腳為空腳。其典型接法如下圖所示2/6/20239154237610KΩ-15V+15V簡化電路符號電路符號2/6/202310五、主要參數(shù)3、輸入失調(diào)電壓Uio：理想的運放，當輸入電壓ui1=ui2=0時，輸出電壓u0=0。但在實際運放中，由于制造中元件參數(shù)的不對稱性等原因，當輸入電壓為零時，輸出電壓不等于零。反過來說，如果要u0=0，必須在輸入端加一個很小的補償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。2、開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)電壓放大倍數(shù)。1、最大能輸出電壓UOPP：能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為運算放大器的最大能輸出電壓。2/6/202311六、理想運算放大器及其分析依據(jù)1、理想運算放大器條件實際運放上述指標接近理想化條件，故用理想運放代替實際運放所引起的誤差并不嚴重，在工程上是允許的。ridu0r0u-u+u0Au0開環(huán)放大倍數(shù)Auo→∞差模輸入電阻rid→∞開環(huán)輸出電阻ro→0uo=Auo(u+-u-)共模抑制比KCMRR→∞uo=∞(u+-u-)2/6/202313o+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0右圖所示為運放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸特性。從圖中看到，實際特性與理想特性很接近。實際特性理想特性2、分析依據(jù)：分析運放電路時，首先要區(qū)分集成運放是工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)（飽和區(qū)）2/6/202314o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+-u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)從運放的傳輸特性看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)，運放在不同區(qū)工作時的分析方法不同：線性區(qū)：uo=Auo(u+-u-)因為uo為有限值，Auo為無限大，所以(u+-u-)≈0。即u+≈u-我們稱為“虛短”因為rid→∞，故兩輸入端的輸入電流為零。我們稱為“虛斷”ridu0r0U-U+u0Au02/6/202315§17-2運算放大器在信號運算方面的應用理想運放應滿足的條件：

由此得出了兩個重要結(jié)論ridu0r0U-U+u0Au0(1)“虛短”(2)“虛斷”但是，這兩個條件的使用必須是運放工作在線性區(qū)。我們已經(jīng)知道：Auo→∞，則當輸入差模信號極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使運放飽和。4、共模抑制比KCMRR3、開環(huán)輸出電阻ro2、差模輸入電阻rid1、開環(huán)放大倍數(shù)Auo→∞→∞→∞→02/6/202317下面我們就分別討論之。uou-u+∞

++-但我們也已經(jīng)知道：負反饋能減小放大電路的放大倍數(shù)，而且反饋愈深這種作用愈明顯；加上負反饋在其它方面還可以改善放大電路的性能，所以——接下來的問題是負反饋從輸出端引到同相端還是反相端。解決的方法是：在電路中引入深度負反饋。R——反相輸入端。2/6/20231817.2.1、比例運算①電路結(jié)構(gòu)虛短QR2R1RFuiu0iFi1②閉環(huán)放大倍數(shù)1、反相比例∴u-=u+又∵虛斷∴u-=u+=0則電流i1等于電流iF2/6/202319閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻電壓并聯(lián)負反饋③特點：R2R1RFuiu0iFi1a.共模輸入電壓為0b.ro=0帶負載能力強c.ri小對輸入電流有一定的要求2/6/202321R2為平衡電阻，其目的是消除靜態(tài)時的不對稱對輸出電壓的影響，它不影響放大倍數(shù)。對雙極型三極管組成的電路有要求。R2=R1//RF特別說明：R2R1RFuiu0iFi1P112例17.2.1請同學自學。2/6/202322R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R52/6/202323閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻R2R1RFuiu0iFi1③特點：A共模u+=u-=uI對KCMRR要求高Bro=0帶負載能力強CrI高電壓串聯(lián)負反饋2/6/202325接有分壓電阻R3時，Auf的求法為：R1//RF=R2//R3平衡電阻：電壓串聯(lián)負反饋R2R1RFuiu0iFi1R32/6/20232617.2.2、加法運算1、反相加法運算因為i1+i2+i3=iF所以ui1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(0-u0)/RF特點：放大倍數(shù)互不影響。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i32/6/202327從這里可以看出，本電路的同相放大倍數(shù)最多只能比反相大117.2.3、減法運算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1為電流并聯(lián)負反饋；ui2為電壓串聯(lián)負反饋2/6/202329這在后面所講的設計電路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R42/6/20233017.2.4、積分運算R2R1CFuiu0iFi12/6/202331R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)積分電路除用于信號運算處，還用于控制測量系統(tǒng)中、方波三角波變換。當UI大于0時tu00+U0（sat)當UI小于0時++與以前學過的RC積分電路相比，運放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。因為：充電電流基本恒定2/6/202332PI調(diào)節(jié)器右圖是在控制和測量系統(tǒng)中常用的比例-積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF2/6/20233317.2.5、微分運算R2C1RFuiu0iFi1P119例17.2.8是一個比例-微分調(diào)節(jié)器（簡稱PD調(diào)節(jié)器），自學。2/6/202334例如：試畫出下列函數(shù)關(guān)系的運算電路17.2.6、已知輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，設計電路。(1)u0=-5ui(2)u0=5ui(4)u0=5ui1-2ui2(3)u0=-5ui1+2ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R42/6/202335§17-3運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器除了能對輸入信號進行運算外，還能對輸入信號進行處理。信號處理電路的種類很多，這里只討論幾種常用電路的工作原理。17.3.1、有源濾波器

所謂濾波器就是一種選頻網(wǎng)絡，它讓有用信號通過，而對其余頻段的信號起衰減作用。它可以只用一些無源元件（R、L、C等）組成，也可以用無源元件與有源元件組成，前者稱為無源濾波器，后者稱為有源濾波器。和無源濾波器比較，有源濾波器的主要優(yōu)點是：效率高、帶負載能力強、體積小、效率高。2/6/202336缺點：1、用于低頻（受集成運放的限制）2、必須有直流電源3、可靠性差4、不能用于高電壓大電流濾波器按其作用可分為：0fAu低通高通帶通帶阻0fAu0fAu0fAu2/6/202337前面我們已經(jīng)講過RC組成的無源濾波器RCuiu0RCuiu0無源低通濾波器無源高通濾波器R2R1RFuiu0RCuiu0RCuiu0有源低通濾波器有源高通濾波器2/6/202338一、低通濾波器uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR12/6/202339o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為——幅頻特性2/6/202340o幅頻特性2/6/202341二階有源低通濾波器RR1RFuiu0CRC2/6/202342二、高通濾波器有源高通濾波器uiuo∞

++-RCRFR12/6/202343o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為——幅頻特性2/6/202344o幅頻特性2/6/20234517.3.2、采樣保持電路當輸入信號變化較快時要求輸出信號能快速而準確地跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計算機和程序控制等裝置中。uiuo∞

++-RC采樣保持電路ucR1S控制信號ououi采樣保持t輸入輸出波形控制信號2/6/20234617.3.3、電壓比較器uRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui運放工作于開環(huán)狀態(tài)，uR是參考電壓，當輸入與參考電壓有微小差值時，輸出信號便會達到飽和，即運放工作于非線性—飽和區(qū)。

uR等于零時，稱為過零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性uouiuR其傳輸特性如圖所示2/6/202347Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比較器將正弦波變換為矩形脈沖uotuRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui電壓比較器可以用做波形變換2/6/202348uRuo∞

++-R2有限幅電壓比較器R1uiDz傳輸特性+UzououiuR-Uz有時為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出端的數(shù)字電路的電平配合，可在比較器的輸出端與反相端之間跨接一個雙向穩(wěn)壓管Dz，作雙向限幅用。uRuo∞