集成運算放大器課件

1、WXHWXH1一、集成電路的發(fā)展過程一、集成電路的發(fā)展過程WXHWXH24 4、19741974年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。 1 1、19041904年年, ,電子三極管（真空三極管）為第一次。電子三極管（真空三極管）為第一次。2 2、19481948年，費來明發(fā)明了晶體三極管為第二次。年，費來明發(fā)明了晶體三極管為第二次。3 3、19581958年，集成電路年，集成電路 移相振蕩器移相振蕩器 為第三次。為第三次。（中國（中國6565年生產第一塊年生產第一塊TTLTTL與非門）與非門）WXHWXH3現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平

2、均1 12 2年翻一番的速度在增大。年翻一番的速度在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 19991948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小規(guī)模小規(guī)模 中規(guī)模中規(guī)模 大規(guī)模大規(guī)模 超大規(guī)模超大規(guī)模 超超大規(guī)模超超大規(guī)模 超億規(guī)模超億規(guī)模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSISSI MSI LSI VLSI ULSI GSI理論集成度理論集成度 10-100 10010-100 1001000 10001000 10001010萬萬 1010萬萬100100萬萬 100100萬萬1 1億億 1 1億億商業(yè)集成度商業(yè)集成度

3、1 10 1001 10 1001000 10001000 10002 2萬萬 2 2萬萬5 5萬萬 5050萬萬 10001000萬萬 觸發(fā)器觸發(fā)器 計數(shù)器計數(shù)器 單片機單片機 1616位和位和3232位位 圖象圖象 SRAMSRAM 加法器加法器 ROM ROM 微處理器微處理器 處理器處理器 128128位位CPUCPU（1 1）設計技術的提高，簡化電路，合理布局布線）設計技術的提高，簡化電路，合理布局布線（2 2）器件的尺寸縮小（工藝允許的最細線條）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細線條） （生產環(huán)境：超凈車間）（生產環(huán)境：超凈車間）（3 3）芯片面積增大，從）芯片面積增大，從1 15 5

4、 mmmm2 2到現(xiàn)在的到現(xiàn)在的1 1 cmcm2 219671967年在一塊晶片上完成年在一塊晶片上完成10001000個晶體管的研制成功。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集成電路集成度的提高主要依靠三個因素7777年美國年美國3030mmmm2 2制作制作1313萬個晶體管，即萬個晶體管，即6464K K位位DRAMDRAM。WXHWXH4 目前使用的目前使用的1616兆位兆位DRAMDRAM集成電路的集成電路的線條寬度線條寬度為為0.5 0.5 微米微米， 6464兆位兆位DRAMDRAM集成電路的集成電路的線條寬度線條寬度為為0.3 0.3 微米微米，繼續(xù)發(fā)展可

5、望，繼續(xù)發(fā)展可望達到達到0.010.01微米微米，0.010.01微米的概念相當于微米的概念相當于3030個原子排成一列的個原子排成一列的長度長度。這一尺寸在半導體集成電路中，已經成為。這一尺寸在半導體集成電路中，已經成為極限極限，再小，再小PNPN結的理論就不存在了，或者說作為電子學范疇的集成電路結的理論就不存在了，或者說作為電子學范疇的集成電路已達極限，就會從電子學躍變到已達極限，就會從電子學躍變到量子工學量子工學的范疇，由量變到的范疇，由量變到質變，隨之而來的一門新的工程學質變，隨之而來的一門新的工程學對量子現(xiàn)象加以工程對量子現(xiàn)象加以工程應用的應用的“量子工學量子工學”也就誕生了，由這一

6、理論指導而將做成也就誕生了，由這一理論指導而將做成的的量子器件量子器件，將，將延續(xù)集成電路的發(fā)展延續(xù)集成電路的發(fā)展?，F(xiàn)在美國和日本正投。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，并且在入大量的人力和物力進行這方面的研究，并且在“原子級加原子級加工工”方面取得了一定的成果。方面取得了一定的成果。在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？WXHWXH5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，門電路，觸發(fā)器，計數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。微處理器等電路。 7474系列，系列，74LS74LS，74HC74HC，40004000系列，

7、系列，CMOSCMOS等各種型號。等各種型號。WXHWXH6 LM741 1 2 3 48 7 6 51 12 23 34 45 56 67 78 8 LM741 1 2 3 48 7 6 5WXHWXH7 4 4、元件的精度低，但對稱性好，溫度特、元件的精度低，但對稱性好，溫度特性好。性好。 1 1、制造容量大于、制造容量大于2000PF2000PF的電容元件很困難，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。耦合放大電路。 2 2、制造太大和太小的電阻不經濟，占用硅、制造太大和太小的電阻不經濟，占用硅面積大。一般面積大

8、。一般R R的范圍為的范圍為10010030K30K，大電阻，大電阻用恒流源代替。用恒流源代替。3 3、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。WXHWXH8中間級中間級輸出級輸出級偏置電路偏置電路輸入級輸入級四、電路的簡單說明四、電路的簡單說明WXHWXH9 運算放大器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。兩個輸入端一個輸出端，一般電源都不畫。單運放：單運放： LM741/ LM741/ A741A741雙運放：雙運放：LM747LM747（雙（雙741741）單電源四運放

9、：單電源四運放：LM124/224/324LM124/224/324雙電源四運放：雙電源四運放：LM148/248/348 LM148/248/348 等等。等等。四、電路的簡單說明四、電路的簡單說明 LM741 1 2 3 48 7 6 5WXHWXH10uu0uuu0uWXHWXH11WXHWXH12WXHWXH13uu0u0uA實際運放上述指標接近理想化條件，故用理想運放代替實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。際運放所引起的誤差并不嚴重，在工程上是允許的。uu0uridu0r0u-u+u0WXHWXH14o+Uo(sat)-U

10、o(sat)u+ - u-u0實際特性理想特性uu0uWXHWXH15o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)ridu0r0U-U+u0WXHWXH16o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)uu0uWXHWXH1717-2 17-2 運算放大器在信號運算方面的應用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：理想運放應滿足的條件： ridu0r0U-U+u0(1)“(1)“虛短虛短”(2)“(2)“虛斷虛斷”但是，這兩個條件的使用必須是運放工作在線性區(qū)。但是，這兩個條件的使用必須是運放工作在線性區(qū)。 我們已經知道：我們

11、已經知道：A Auouo，則當輸入差模信號，則當輸入差模信號極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使運放運放飽和。飽和。4 4、共模抑制比、共模抑制比K KCMRRCMRR3 3、開環(huán)輸出電阻、開環(huán)輸出電阻r ro o2 2、差模輸入電阻、差模輸入電阻r ridid1 1、開環(huán)放大倍數(shù)、開環(huán)放大倍數(shù)A Auouo00WXHWXH18uou-u+ +-R反相輸入端。反相輸入端。WXHWXH1917.2.117.2.1、比例運算、比例運算電路結構電路結構QR2R1RFuiu0iFi1閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)1 1、反相比例、反相比例iufuuA0 u u- -=

12、u=u+ +又又虛斷虛斷 u u- -=u=u+ +=0=0則電流則電流i i1 1等于等于電流電流i iF FFiRuRu0100即：10RRuuAFiufWXHWXH20反相器時當, 1,1ufFARRR2R1RFuiu0iFi1WXHWXH210rRiuro11iif電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋R2R1RFuiu0iFi1WXHWXH22R2=R1/RF特別說明：特別說明：R2R1RFuiu0iFi1P112P112例例17.2.117.2.1請同學自學。請同學自學。WXHWXH23R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1= i3=i4+i5Ui/R1= -Ua/R3-Ua/R

13、3=Ua/R4+(Ua-U0)/R5)RRRR1 (RRuuA453513i0uWXHWXH24R2R1RFuiu0iFi111RRAFuf電路結構電路結構2 2、同相比例、同相比例跟隨器, 1ufAR2RFuiu0時或當10RRFFRRR/12WXHWXH250rroifR2R1RFuiu0iFi1WXHWXH26接有分壓電阻接有分壓電阻R R3 3時，時，A Aufuf的求法為：的求法為：uRRuF)1 (100rRRro32ifR1/RF=R2/R3平衡電阻：平衡電阻：電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋R2R1RFuiu0iFi1R33231FufRRR)RR1 (AiFuRRRRR3231)

14、1 (WXHWXH2717.2.217.2.2、加法運算、加法運算)(3132121110iFiFiFuRRuRRuRRuR2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i3WXHWXH28R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui2uRRuF)1(10)/(2222321232112123222322iiuRRRRRuRRRRRu)/)(1 (222232123211212322232210iiFuRRRRRuRRRRRRRuWXHWXH291 i1FouRRu從這里可以看出，本電路的同從這里可以看出，本電路的同相放大倍數(shù)最多只能比反相大相放大倍數(shù)最多只能比反相大1 117

15、.2.317.2.3、減法運算、減法運算R2R1RFui2u0iFi1R3ui12i1Fu)RR1 ( 時當3F12RR,RR)uu(RRu2i1 i1Fo233RRRu ui1i1為電流并聯(lián)負反饋；為電流并聯(lián)負反饋； u ui2i2為電壓串聯(lián)負反饋為電壓串聯(lián)負反饋WXHWXH30這就非常有意義如令, 0uuRRR)R/RR1 (uRRuRRu3i2i23341F3i4F1 i1Fo這在后面所講的這在后面所講的設計電路中非常有用。設計電路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R4WXHWXH3117.2.417.2.4、積分運算、積分運算R2R1CFuiu0iFi1dtdu

16、ciRuioFi11tCRUuuFIoi1為常數(shù)時特別地當dtCRuduFio1dtuCRuiFo11WXHWXH32R2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)tCRUuFIo1當當U UI I大于大于0 0時時tu00 0+U0（sat)當當U UI I小于小于0 0時時+ + +11fRUiiiWXHWXH33PI調節(jié)器)1(11odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI調節(jié)器ifucRFWXHWXH34Foi11RudtduCi17.2.517.2.5、微分運算、微分運算R2C1RFuiu0iFi1dtduCRui1FoP119P119例例17.2.817.2.8

17、是一個比例是一個比例- -微分調節(jié)器微分調節(jié)器（簡稱（簡稱PDPD調節(jié)器），自學。調節(jié)器），自學。WXHWXH35例如：試畫出下列函數(shù)關系的運算電路例如：試畫出下列函數(shù)關系的運算電路17.2.617.2.6、已知輸出與輸入的函數(shù)關系，設計電路。、已知輸出與輸入的函數(shù)關系，設計電路。(1) (1) u u0 0=-5u=-5ui i(2) (2) u u0 0=5u=5ui i(4) (4) u u0 0=5u=5ui1i1-2u-2ui2i2(3) (3) u u0 0=-5u=-5ui1i1+2u+2ui2i2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3

18、ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R4WXHWXH3617-3 17-3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用體積小、效率高體積小、效率高WXHWXH37缺點：缺點：1 1、用于低頻（受集成運放的限制）、用于低頻（受集成運放的限制） 2 2、必須有直流電源、必須有直流電源 3 3、可靠性差、可靠性差 4 4、不能用于高電壓大電流、不能用于高電壓大電流0 0f fA Au u0 0f fA Au u0 0f fA Au u0 0f fA Au uWXHWXH38R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu u0 0無源低通濾波器無源低通濾波器

19、無源高通濾波器無源高通濾波器R2R1RFuiu0R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu u0 0有源低通濾波器有源低通濾波器有源高通濾波器有源高通濾波器WXHWXH39一、低通濾波器一、低通濾波器 111uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR1WXHWXH4010111111 jRFRRCjRFRUUAioufRC10 20111 0o0 幅頻特性RCf 210或式中的式中的稱為特征頻率稱為特征頻率A Aufuf的模為的模為幅頻特性幅頻特性WXHWXH41時當0 110o0 幅頻特性22110ufufARFRA時當 也稱為截止頻率0 0Auf時當WXHWXH42二階

20、有源低通濾波器二階有源低通濾波器RR1RFuiu0CRCWXHWXH43二、高通濾波器二、高通濾波器iUCj1RRU有源高通濾波器uiuo +-RCRFR1RCj11UiWXHWXH4410ioufj11RFR1RCj111RFR1UUARC10 20uf/11RFR1A0o0 幅頻特性RCf 210或式中的式中的稱為特征頻率稱為特征頻率A Aufuf的模為的模為幅頻特性幅頻特性WXHWXH45時當0 0Auf22110ufufARFRA時當 也稱為截止頻率0 0o0 幅頻特性11時當WXHWXH4617.3.2、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當輸入信號變化較快時要求輸

21、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束時的狀態(tài)。采樣保持采樣之間保持上一次采樣結束時的狀態(tài)。采樣保持技術常用于數(shù)字電路、計算機和程序控制等裝置中。技術常用于數(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控制信號控制信號ououi采采樣樣 保保持持t輸入輸出波形控制信號控制信號WXHWXH4717.3.3、電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1uiUo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性uouiuR其傳輸特性如圖所示其傳輸特性如圖所示W(wǎng)XHWXH48Uo(sat)-Uo(s

22、at)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電壓比較器可以用做波形變換WXHWXH49uRuo +-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有時為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出在某一特定值，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在比較器的輸出端與反相端之間跨接一個雙向穩(wěn)壓管間跨接一個雙向穩(wěn)壓管DzDz，作，作雙向限幅用。雙向限幅用。uRuo +-R2有限幅電壓比較器R1uiDzWXHWXH50例題例題17.3.1 電路如圖所示，輸入電