第五章 集成運(yùn)放

第五章集成運(yùn)放第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四集成電路:

將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體基片上。高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；5.1集成運(yùn)算放大器簡介一集成運(yùn)算放大器芯片1概念第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四圓殼式雙列直插式扁平式

單列直插式菱形式集成電路的封裝形式封裝形式是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四1.電路元件制作在一個芯片上，元器件精度低，但具有良好的一致性和同向偏差，有利于實(shí)現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。采用直接耦合，差分放大電路。2.在集成電路中，制造三極管（NPN）比制造大電阻和二極管方便。大電阻用恒流源代替或外接；二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。3.幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4.電感不能集成，如需電感，也只能外接。集成電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四2.集成運(yùn)放的原理電路集成運(yùn)算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖所示。

輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)?；パa(bǔ)輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四-VEE+VCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4級：互補(bǔ)對稱射極跟隨器差動放大器第2級第1級：差分放大器第3級：單管放大器–+極性判斷集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四

Ri

大:幾十k

幾百k運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMR很大Ro

?。簬资畮装貯od

很大:104107理想運(yùn)放：

Ri

KCMR

Ro

0Aod

運(yùn)放符號：

uo－＋＋

u-

u+∞

國內(nèi)符號反相輸入端同相輸入端國際符號＋－uNuP

uoAod差模開環(huán)放大倍數(shù)第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四3.集成運(yùn)算放大器芯片簡介（1）外形與符號運(yùn)算放大器外形圖

(a)(b)(a)國家標(biāo)準(zhǔn)符號(b)原符號第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四（2）LM324簡介LM324是TTL電路的一個典型產(chǎn)品，屬于通用型集成運(yùn)放。具有較寬的電壓范圍，既可采用雙電源供電，也可采用單電源供電。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod開環(huán)狀態(tài)、輸出不接負(fù)載時的差模放大倍數(shù)。一般在105108.5（100～170dB）之間。理想運(yùn)放Aod為。2.共模抑制比KCMR其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。3.差模輸入電阻Rid4.輸出電阻RoRo

=幾十-幾百。二集成運(yùn)放的主要參數(shù)雙極型管Ri>1M

，場效應(yīng)管可達(dá)100M以上。KCMR=20lg(Aod/Aoc)(dB)第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四5.輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂dUIO/dTUIO是使輸出電壓為零時在輸入端所加的補(bǔ)償電壓uI=0時，輸出電壓折合到輸入端電壓的負(fù)值：UIO=-uo/AoddUIO/dT是UIO溫度系數(shù)，是衡量運(yùn)放溫漂的重要參數(shù)，其值愈小，溫漂愈小.UIO愈小愈好，一般為（1～10）mV。uoUIO+–表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。NEXT第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四六、輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂dIIO/dTIIO=|IBP-IBN|：反映輸入級差放管輸入電流的不對稱程度。一般為1nA～0.1A七、輸入偏置電流IIB集成運(yùn)放輸入電壓為0時，兩輸入端靜態(tài)電流的平均值一般為10nA～1AVO–+IBNIBP+VCC含義：IIB小輸入阻抗高，零漂小第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四八、最大共模輸入電壓UIcmax

輸入級正常工作允許的最大共模輸入電壓。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，KCMR顯著下降，放大器失去共模抑制能力。九、最大差模輸入電壓UIdmax指運(yùn)放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。超過后，可能會使輸入級的管子反向擊穿。第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四三理想運(yùn)放及其重要結(jié)論uiuo_++AvouPuNuo+UOM-UOMui=up-uN線性放大區(qū)ABui在AB之間，工作在線性工作區(qū)；ui在AB之外，工作在非線性工作區(qū)。1電壓傳輸特性及工作模式第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四4）輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流為零。2集成運(yùn)放理想化的條件1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Kd→∞；2）輸入阻抗ri→∞；3）輸出阻抗ro→0；第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四3理想運(yùn)放的兩個重要結(jié)論（1）虛短因?yàn)锳d→∞，則ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以u+=u-。這樣，兩個輸入端可以認(rèn)為是虛連接，當(dāng)其中一個輸入端接地時，另一個輸入端也為零電位，稱為“虛地”(imaginaryground)。因?yàn)閞i→∞，所以Ii=（u+-u-)/ri=0（2）虛斷即從輸入端流入或流出的電流為零，好像輸入端與運(yùn)放器件斷開一樣，但實(shí)際上不是斷開，所以稱虛斷。第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四5.2集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用

輸入電壓ui經(jīng)電阻R1由反相輸入端輸入，輸出端與反相端之間接一反饋電阻RF，同相輸入端與地之間接一平衡電阻R2，且R2=R1//RF，以保證運(yùn)放輸入端的對稱。

1.反相輸入比例運(yùn)算電路一三種基本運(yùn)算電路第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四因Ii=0，故i1≈if，因此又因u+≈u-=0，因此

KF為反相放大器的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，它只與外接電阻R1、RF有關(guān)，而與集成運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。只要電阻值足夠精確，則輸出電壓uo與輸入電壓ui可得到高精度的比例關(guān)系，負(fù)號表示uo與ui相位相反，所以稱反相放大器。第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四（1）輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，比例系數(shù)為RF/R1,當(dāng)RF=R1時，uo=-ui，構(gòu)成反相器。結(jié)論：（2）比例系數(shù)的大小僅與運(yùn)放外電路參數(shù)RF與R1的取值有關(guān)。第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四將反相放大器中R1端接地，輸入電壓ui經(jīng)電阻R2由同相輸入端輸入，即可構(gòu)成同相放大器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓uo與輸入電壓ui之間的同相比例運(yùn)算。

2.同相輸入比例運(yùn)算電路第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四因Ii=0，故i1≈if，因此又因ui=u+≈u-，因此

uo與ui之間的比例關(guān)系也與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)，電路精度和穩(wěn)定度都很高。KF為正表示uo與ui同相，并且KF總是大于或等于1，這一點(diǎn)與反相放大器不同。

當(dāng)RF=0時KF=1，電路就變成電壓跟隨器。第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四解：放大電路由A1、A2串行連接而成，其中A1是跟隨器，因此Uo1=Ui=2V

它又是A2的輸入信號電壓，A2是反相放大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V

例第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四右圖是基本的差分放大器，信號電壓同時從雙端輸入，根據(jù)理想運(yùn)放條件，得

3.差動輸入比例運(yùn)算電路當(dāng)R1=R2，R3=RF時，R1=R2=R3=RF，則uo=ui1-ui2。第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四二、算數(shù)求和運(yùn)算電路R12_++R2R11ui2uoRPui1實(shí)際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。1、反相求和運(yùn)算電路第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1特點(diǎn)：調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出的比例關(guān)系。當(dāng)R11=R12=R

時，第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四2、同相求和運(yùn)算電路實(shí)際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF++ui1uoR2R3ui2第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四此電路如果以u+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關(guān)系如何？注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開路）第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期四-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運(yùn)算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛開路：流入同相端的電流為0。2.節(jié)點(diǎn)電位法求u+。第二十八頁，共二十九頁，編輯于