第十二章 運算放大器

第十二章運算放大器第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三205五月20234、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）第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三305五月2023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(shè)計技術(shù)的提高，簡化電路，合理布局布線（2）器件的尺寸縮?。üに囋试S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。第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三405五月2023

目前使用的16兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.5微米，64兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.3微米，繼續(xù)發(fā)展可望達到0.01微米，0.01微米的概念相當(dāng)于30個原子排成一列的長度。這一尺寸在半導(dǎo)體集成電路中，已經(jīng)成為極限，再小PN結(jié)的理論就不存在了，或者說作為電子學(xué)范疇的集成電路已達極限，就會從電子學(xué)躍變到量子工學(xué)的范疇，由量變到質(zhì)變，隨之而來的一門新的工程學(xué)——對量子現(xiàn)象加以工程應(yīng)用的“量子工學(xué)”也就誕生了，由這一理論指導(dǎo)而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展。現(xiàn)在美國和日本正投入大量的人力和物力進行這方面的研究，并且在“原子級加工”方面取得了一定的成果。集成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？

如果“有”，它的極限是多少？還有沒有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三505五月2023二、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(yīng)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(dāng)時的功能，而得到了方泛的應(yīng)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。第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三605五月2023三、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

12348765第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三705五月2023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。第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三805五月2023中間級輸出級偏置電路輸入級4、偏置電路給前三部分提供固定的和合適的偏置電流，一般由恒流源電路構(gòu)成。四、電路的簡單說明1、輸入級要求：輸入電阻高，零點漂移小，采用差放2、中間級一般采用共射放大電路3、輸出級要求，輸出電阻低，帶載能力強，能輸出較大的電壓幅度及功率。一般都由互補對稱電路構(gòu)成第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三905五月2023

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第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1005五月2023154237610KΩ-15V+15V簡化電路符號電路符號第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1105五月2023五、主要參數(shù)3、輸入失調(diào)電壓Uio：理想的運放，當(dāng)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(dāng)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。第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1205五月20235、輸入偏置電流IiB

輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流。4、輸入失調(diào)電流Iio：輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。6、最大共模輸入電壓UiCM

運放對共模信號具有抑制的性能，但這個性能是在規(guī)定的范圍內(nèi)才具備。第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1305五月2023六、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(biāo)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(yán)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-)第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1405五月2023o+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)）第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1505五月2023o+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+u0Au0第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1605五月2023o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+-u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)：

uo≠Auo(u+-u-)當(dāng)u+>u-時,uo=+Uo(sat)

當(dāng)u+<u-時,uo=-Uo(sat)

但兩輸入端的輸入電流仍為零。第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1705五月2023§12-2理想集成運算放大器的分析方法理想運放應(yīng)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(dāng)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→∞→∞→∞→0第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1805五月2023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。第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三1905五月202312.2.1、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iF第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2005五月2023

當(dāng)實際運放接近于理想運放的條件時，其精度主要取決于電阻，這是因為電路中采用了極深度的負反饋而獲得的重要優(yōu)點。對于反相比例運算還有“虛地”的概念。反相端為虛地的現(xiàn)象是反相輸入運算放大器的重要特點，應(yīng)當(dāng)指出“虛地”并非真正的地。

反相器時當(dāng),1,1-==ufFARRR2R1RFuiu0iFi1第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2105五月2023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第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2205五月2023R2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(xué)自學(xué)。第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2305五月2023R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R5第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2405五月2023R2R1RFuiu0iFi1②閉環(huán)放大倍數(shù)因為虛短u+=u-=ui因為虛斷iF=i1(u0-ui)/RF=ui/R1①電路結(jié)構(gòu)2、同相比例R2RFuiu0第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2505五月2023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)負反饋第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2605五月2023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R2R1RFuiu0iFi1R3第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2705五月202312.2.2、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。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i3第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2805五月2023R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui22、同相加法運算第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2905五月2023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112.2.3、減法運算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1為電流并聯(lián)負反饋；ui2為電壓串聯(lián)負反饋第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3005五月2023這在后面所講的設(shè)計電路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R4第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3105五月202312.2.4、積分運算R2R1CFuiu0iFi1第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3205五月2023R2R1CFuiu0iFi1-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(dāng)UI大于0時tu00+U0（sat)當(dāng)UI小于0時++

與以前學(xué)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：充電電流基本恒定第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3305五月2023PI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ifucRF第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3405五月202312.2.5、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(xué)。第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3505五月2023例如：試畫出下列函數(shù)關(guān)系的運算電路12.2.6、已知輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計電路。(1)u0=-5ui(2)u0=5ui(4)u0=5ui1-2ui2(3)u0=-5ui1+2ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R4第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3605五月2023§12-3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)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。12.3.1、有源濾波器

所謂濾波器就是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，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。第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3705五月2023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0fAu0fAu0fAu第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3805五月2023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第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3905五月2023一、低通濾波器uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR1第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4005五月2023o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為——幅頻特性第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4105五月2023o幅頻特性第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4205五月2023二階有源低通濾波器RR1RFuiu0CRC第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4305五月2023二、高通濾波器有源高通濾波器uiuo∞

++-RCRFR1第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4405五月2023o幅頻特性式中的稱為特征頻率Auf的模為——幅頻特性第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4505五月2023o幅頻特性第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4605五月202312.3.2、采樣保持電路

當(dāng)輸入信號變化較快時要求輸出信號能快速而準(zhǔn)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第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4705五月202312.3.3、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(dāng)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第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4805五月2023Uo(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第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三4905五月2023uRuo∞

++-R2有限幅電壓比