集成運算放大器

1、 集成電路集成電路把整個電路中的元器件制作在一把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構成具有某種特定功能的電子塊硅基片上，構成具有某種特定功能的電子1.集成電路集成電路的主要的主要特點特點 體積小，體積小，重量輕，成本低，重量輕，成本低，可靠性可靠性高，高，組組裝和調試裝和調試的難度小。的難度小。（1）按功能分）按功能分 a. 模擬集成電路模擬集成電路 主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和電流信號。電流信號。 b. 數字集成電路數字集成電路 主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號。電流信號。 數字集成電路種類多，形式較為簡單，

2、數字集成電路種類多，形式較為簡單，通用性強。通用性強。（2）按）按集成度集成度分分a. 小規(guī)模集成電路（小規(guī)模集成電路（SSI：small scale integration circuit) 一塊芯片上包含的元一塊芯片上包含的元器件在器件在100個以下個以下。b. 中規(guī)模集成電路（中規(guī)模集成電路（MSI：middle scale integration circuit) 一塊芯片上包含的一塊芯片上包含的元器件在元器件在1001000之間之間。c. 大規(guī)模集成電路（大規(guī)模集成電路（LSI：large scale integration circuit) 一塊芯片上包含的一塊芯片上包含的元器件在

3、元器件在1000100000之間。之間。d. 超大規(guī)模集成電路（超大規(guī)模集成電路（VLSI：very large scale integration circuit) 一塊芯片上包含一塊芯片上包含的元器件在的元器件在100000以上以上。d. 目前的目前的集成電路集成電路（a a）已經）已經可以在一片硅片上集成幾千萬只，甚可以在一片硅片上集成幾千萬只，甚至上億只晶體管至上億只晶體管。（b）集成電路集成電路的性能（高速度和低功耗等）的性能（高速度和低功耗等）也迅速也迅速提高提高（c）集成電路集成電路仍在高速發(fā)展。集成度每仍在高速發(fā)展。集成度每24年年增加一倍增加一倍。（d）出現出現的系統(tǒng)級芯片的

4、系統(tǒng)級芯片（SOCsystem on chip）（e）集成電路集成電路逐步向集成系統(tǒng)逐步向集成系統(tǒng)（integrated system）的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。 (3) 按制造工藝按制造工藝分分a .半導體集成電路半導體集成電路 將將元器件和電路集成在一塊硅片上元器件和電路集成在一塊硅片上。b .薄膜集成電路薄膜集成電路 集成電路集成電路的元器件和電路由不到一微米的元器件和電路由不到一微米厚的金屬半導體或金屬氧化物重疊而厚的金屬半導體或金屬氧化物重疊而成成.c. 厚膜集成電路厚膜集成電路 厚膜集成電路厚膜集成電路與薄膜集成電路基本相與薄膜集成電路基本相同，膜的厚度約幾微米到幾十同，膜的厚度約幾

5、微米到幾十微米微米.（1） 線性集成電路線性集成電路 輸出信號輸出信號與輸入信號呈與輸入信號呈線性關線性關系。系。 集成集成運算放大器、集成音頻功運算放大器、集成音頻功率放大器、集成高頻率放大器、集成高頻、中頻放大器、中頻放大器等等。（2） 非線性集成電路非線性集成電路 輸出信號輸出信號與輸入信號呈非線性與輸入信號呈非線性關系。關系。 集成集成振蕩器、混頻器、檢波器、振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關穩(wěn)壓電源等集成開關穩(wěn)壓電源等(1) 集成集成運算放大器簡稱集成運運算放大器簡稱集成運放。放。(2) 集成集成運算放大器的主要運算放大器的主要功能功能。 a. 完成比例、求和、積分、微分、對完成比例、

6、求和、積分、微分、對數、反對數、乘法等數字運算數、反對數、乘法等數字運算。 b. 信號處理。信號處理。 c. 波形產生。波形產生。 (1) 電壓電壓放大倍數高，放大倍數高，103105倍。倍。 (2) 輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。 (3) 輸出電阻小，幾百歐輸出電阻小，幾百歐以下。以下。 (4) 通用型和靈活性強、成本低、用途廣、通用型和靈活性強、成本低、用途廣、互換性互換性好。好。 (5) 是線性集成電路中發(fā)展最早、應用最是線性集成電路中發(fā)展最早、應用最廣、最為龐大的一族成員。廣、最為龐大的一族成員。 1. 典型結構典型結構輸入級輸入級輸出級輸出級中間級中間級

7、偏置電路偏置電路輸入輸入輸出輸出（1）偏置電路偏置電路 為各級為各級電路提供直流偏置電流，并使整個運電路提供直流偏置電流，并使整個運放的靜態(tài)工作點穩(wěn)定且功耗較小放的靜態(tài)工作點穩(wěn)定且功耗較小。（2）輸入輸入級級 具有具有與輸出同相和反相的兩個輸入端，較高與輸出同相和反相的兩個輸入端，較高的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。輸入級是一的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。輸入級是一個差動個差動放大器。放大器。 (3) 中中間級間級 主要主要進行電壓放大，具有很高的電壓增益。進行電壓放大，具有很高的電壓增益。中間級是直接耦合的多級中間級是直接耦合的多級放大器放大器 (4) 輸出級輸出級 為為負載提供足夠的

8、電壓和電流，具有負載提供足夠的電壓和電流，具有很小的輸出電阻和較大的動態(tài)范圍。輸出級很小的輸出電阻和較大的動態(tài)范圍。輸出級一般采用互補推挽電路。一般采用互補推挽電路。（1 1）開環(huán)差模電壓放大倍數開環(huán)差模電壓放大倍數（2 2）差模輸入電阻）差模輸入電阻（3 3）輸出電阻輸出電阻 udAidR0oRuo_+ +A uu)(udo uuAu udA0udo Auuu uu虛短虛短 對于對于運放工作運放工作在線在線性區(qū)的應用電路，虛短性區(qū)的應用電路，虛短和虛斷是分析其輸入信號和輸出信號關系的兩和虛斷是分析其輸入信號和輸出信號關系的兩個基本出發(fā)點。個基本出發(fā)點。uo_+ +A u u i i idR0

9、 ii虛斷虛斷比例運算比例運算電路電路作用作用：將輸入信號按比例放大。將輸入信號按比例放大。類型類型： 根據根據輸入信號接法輸入信號接法同相比例同相比例反相比例反相比例差分比例差分比例比例運算電路比例運算電路1. 1. 反相比例運算電路反相比例運算電路(1)電路電路uoR1R2ui u u_+ + RFA ui加在反相輸入端。加在反相輸入端。(2) 參數計算參數計算Fo1iRuRu ii= if虛斷虛斷：1FioufRRuuA ui虛地虛地 u u_+ + RFR1R2iiifA i虛短：虛短：0 uu uu虛斷：虛斷：02 Riu(3) 特點特點 虛地，虛地，uic=0，對，對KCMR要求低

10、。要求低。 Rif不大（不大（R1）。uo與與 ui 反相。反相。 uo 1FioufRRuuA RFR1uiiiif_+ + R2AF12/ RRR 平衡電阻，使輸入端對地平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。態(tài)時輸入級的對稱性。2. 同相比例運算電路同相比例運算電路 iiifiuR ui接到同相輸入端。接到同相輸入端。oF11uRRRu iuu oF11iuRRRu 虛斷虛斷 uu1Fiouf1RRuuA 虛短虛短 R2= R1 / RFiiR1R2uiuo_+ + RFA(3) 特點特點 uic ui 0，對，對KCMR要求高要求高。 Ri

11、f 1Fuf1RRA uo與與 ui 同相。同相。 RFui_+ + AR1R2ii1電壓跟隨器電壓跟隨器iouuuu 作用與射極輸出器作用與射極輸出器相同，但電壓跟隨性能相同，但電壓跟隨性能更好。更好。1Fiouf1RRuuA R1R2uiuo_+ + RFAuiuo_+ + A3. 差動比例運算電路差動比例運算電路電路電路的輸出電壓與兩輸入電壓之差成正比，實現了的輸出電壓與兩輸入電壓之差成正比，實現了差動比例運算。差動比例運算。 RFuouiiu設設o1iuu i1F1ouRRu o2iuu 設設 uRRu)1(1Fo2F1iFuRRRu i1Fo2uRRu o2o1ouuu ) (ii1

12、FuuRR 11RR FFRR _+ + R11RFRA 比例比例運算電路小結運算電路小結uoi2_+ + RFR1R2uiii u uA反相比例運算電路反相比例運算電路RFiiuiuo_+ + R1R2 u uA同相比例運算電路同相比例運算電路iuRFui1RFRuo_+ + R1A差動比例運算電路差動比例運算電路（1）都引入了負反饋，因都引入了負反饋，因此運放工作在線性區(qū)，有此運放工作在線性區(qū)，有虛短，虛斷的特點虛短，虛斷的特點 ；反相；反相比例運算電路存在虛地現比例運算電路存在虛地現象，象，uic=0。求和運算電路求和運算電路1.反相輸入求和電路反相輸入求和電路實際應用時，可適當增加或減

13、少輸入端的個實際應用時，可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。數，以適應不同的需要。F21/RRRR R2RFR1ui2uoRui1_+ A10 uuf21iii )(i22Fi11FouRRuRRu i2ifi1R2R1ui2uoRui1調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響其他路輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便。其他路輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便。_+ RFABA2. 同相輸入求和電路同相輸入求和電路電路特點：電路特點： 無虛地，無虛地，uic0實際應用時實際應用時,可根據需要，適當增加或減少輸可根據需要，適當

14、增加或減少輸入端的個數。入端的個數。2221F1/RRRR R1RFui1uoR21R22ui2 +A1此電路如果以此電路如果以 u+ 為輸入為輸入 ，則輸出為：則輸出為： uRRu)1(1Fo)(1(2i2221211i2221221FouRRRuRRRRRu 注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影響，不能單獨調整。響，不能單獨調整。流入運放輸入端的電流為流入運放輸入端的電流為0 0（虛斷）（虛斷）i2222121i1222122uRRRuRRRu 2i22Fi121FuRRuRR uo_+ + RFR1Aui2ui1R21R223. 雙

15、端求和運算電路雙端求和運算電路 實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。以適應不同的需要。R2 R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521/RRRRRR _+A 求和求和運算電路小結運算電路小結（1）都引入了負反饋，都引入了負反饋，因此運放工作在線性區(qū)，因此運放工作在線性區(qū)，有虛短，虛斷的特點有虛短，虛斷的特點 ；反相求和運算電路存在反相求和運算電路存在虛地現象，虛地現象，uic=0反相求和運算電路反相求和運算電路同相求和運算電路同相求和運算電路雙端求和運算電路雙端求和運算電路Ruo_+ + RFR1R2Aui2ui1

16、RFR1uo_+ + Aui2ui1R21R22R5R1ui1uo_+ + R2Aui2ui4ui3R3R4R6 求和求和運算電路小結運算電路小結（2）uo的表達式的表達式)(i22F1i1FouRRuRRu 反相：反相：同相：同相：2i22F1i21FouRRuRRu 雙端：雙端：)(4i43i32i211i5oRuRuRuRuRu 反相求和運算電路反相求和運算電路同相求和運算電路同相求和運算電路雙端求和運算電路雙端求和運算電路Ruo_+ + RFR1R2Aui2ui1uo_+ + Aui2ui1R21R22RFR1uo_+ + R2Aui2ui4ui3R3R4R6R5R1ui1 求和求和運

17、算電路小結運算電路小結Ruo_+ + RFR1R2Aui2ui1uo_+ + RFR1Aui2ui1R21R22uo_+ + R5R1R2Aui2ui1ui4ui3R3R4R6（3）參數調節(jié)）參數調節(jié) 反相求和運算電路，參數調反相求和運算電路，參數調節(jié)方便，應用較廣。節(jié)方便，應用較廣。 同相、雙端求和運算電路，同相、雙端求和運算電路，參數調節(jié)繁瑣，應用很少。參數調節(jié)繁瑣，應用很少。雙端求和運算電路雙端求和運算電路同相求和運算電路同相求和運算電路反相求和運算電路反相求和運算電路 積分積分和微分運算電路和微分運算電路1.積分電路積分電路iiiCRuiii tuCiddCC uouCC+ -ui-+

18、RR) 0(dt1Ci0oUuRCut 虛地點虛地點Couu 虛地虛地Ciii 虛斷虛斷A積分電路輸入一直流電壓積分電路輸入一直流電壓tuo0)0(dt1C0oUURCut tui0U-UOMMOM1UTRCU URCUTOMM TM積分時限積分時限輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出飽和。輸出飽和。RCUt 2.微分電路微分電路u= u+= 0RuioR dtduCiiC RCii dtduRCuio uit0t0 uouoiRtu sini 輸入：輸入：則則:tRCu coso 滯后滯后9090o o, ,移相作用移相作用uiuC+ -CiC+RRA 有源有

19、源濾波電路濾波電路 有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。應的放大器。 濾波器的功能：對頻率進行選擇濾波器的功能：對頻率進行選擇, ,過濾掉噪過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。聲和干擾信號，保留下有用信號。 濾波器的分類：濾波器的分類： 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF） 各種各種濾波器理想的幅頻特性：濾波器理想的幅頻特性：|A|0C通帶通帶阻帶阻帶A0|A|0CA0阻帶阻帶通帶通帶|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通

20、（1）低通）低通（2）高通）高通（1）帶通）帶通（1）帶阻）帶阻 濾波器的用途濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。一些較高頻率成分的干擾。一一. 低通有源濾波器低通有源濾波器1. 一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無源無源)CjRCjuuAiO 11 RCj 11H11 j 傳遞函數：傳遞函數：RC1H截止頻率：截止頻率：幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-1此電路的缺點：此電路的缺點：1、帶負載能力差。、帶負載能力差。2

21、、無放大作用。、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-0.707 H0 1|A|截止頻率截止頻率2.一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1 (1HfjRR)1(OHjAiOuuA 傳遞函數：傳遞函數：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCH幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線RC1Huu+A+i+uuRf1RRCo傳遞函數：傳遞函數：iOuuA )11)(1 (1H

22、fjRR幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (HfRRA缺點：阻帶衰減太慢。缺點：阻帶衰減太慢。 H0.707 1+Rf/R10 1+Rf/R1|A|3.二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1 (CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA 傳遞函數：傳遞函數：幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線 當當 Ao3時，濾波器時，濾波器可以穩(wěn)定工作可以穩(wěn)定工作 。 此時此時特性與特性與Q有關。當有關。當Q=0.707時，幅頻特性時，幅

23、頻特性較平坦。較平坦。 當當ffL時，幅頻特性時，幅頻特性曲線的斜率曲線的斜率 為為-40dB/dec 當當Ao3時，源濾波器自激。時，源濾波器自激。O31AQ 222o)()(1 QAAHH 二二. . 高通有源濾波器高通有源濾波器uAuRRufO1o)1 ()11)(1 (1LfjRR)1(OLjAiOuuA 傳遞函數：傳遞函數：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCL1.一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRu幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線RC1L幅頻特性：幅頻特性：21)(11)

24、1 (LfRRA缺點：阻帶衰減太慢。缺點：阻帶衰減太慢。iOuuA 傳遞函數：傳遞函數：)11)(1 (1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1) L|A|由此繪出頻率響應特性曲線由此繪出頻率響應特性曲線 (2)(2)通帶增益通帶增益1fO+1=RRAuuu+RfRiRmuCA+oR1+uC2L22L)(1-)(1QA （1）幅頻特性：）幅頻特性：RC1L其中：其中：O31AQ幅頻特性曲線幅頻特性曲線 當當AO3時，電路自激時，電路自激。 當當 Ao3時，濾波器時，濾波器可以穩(wěn)定工作可以穩(wěn)定工作 。 此時特此時特性與性與Q有關。當有關。當Q=0.

25、707時，幅頻特性時，幅頻特性較平坦。較平坦。 當當f fL時，幅頻特時，幅頻特性曲線的斜率為性曲線的斜率為+40dB/dec。 三三. 有源帶通濾波器有源帶通濾波器 可由低通和可由低通和高通串聯(lián)得到高通串聯(lián)得到1111CR A0A2A1A0阻阻帶帶通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶OO 1 2 AA0O 2 1通通帶帶阻阻帶帶阻阻帶帶低通截止頻率低通截止頻率2221CR 高通截止頻率高通截止頻率必須滿足必須滿足12 uuRCR+Cfi1o+uRA+uRR2VV低 通 濾 波 器高 通 濾 波 器uiuo12四四. 有源帶阻濾波器有源帶阻濾波器 可由低通和高通并聯(lián)得到可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足必須滿足12 A0A2A1A0阻阻帶帶通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶OO 1 2 AA0O 1 2通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶VV1/2A+1RfRRRRCCC2uiuoVVu低 通 濾 波 器iu1o高 通 濾 波 器212.2.1 TTL與非門電路與非門電路+5 VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4Y+5 VA B C R1C1B1T1 等效電路等效電路