《电工电子学 教学课件 ppt 作者 林小玲 第4章 集成运算放大器（基础）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子学 教学课件 ppt 作者 林小玲 第4章 集成运算放大器（基础）（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 集成运算放大器 （基础）,上海大学 自动化系 林小玲, 4.1 集成运算放大器概述, 4.2 放大电路中的负反馈, 4.3 集成运算放大器的应用, 4.4 应用实例,第四章 集成运算放大器, 4.1 集成运算放大器概述,1. 集成电路诞生之前,4.1.1 集成电路和集成运算放大器概述,2. 集成电路诞生与发展,1958年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，同时成本也相对低廉，便于进行大规模生产。 在近50年的时间里，集成电路已经广泛应用于工业、军事、通讯和遥控等各个领域。用集成电路来装
2、配电子设备，其装配密度相比晶体管可以提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可以大大提高。,第一块集成电路板,第一块集成电路板 ：几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手。以晶体管的发明弥补了电子管的不足，,但为了制作和使用电子电路，必须用手工组装和连接各种分立元件，如晶体管、二极管、电容器等。很明显，这种做法是不切实际的。于是，基尔比提出了集成电路的设计方案。,半导体设备与铅结构模型 :是20世纪50年代，许多工程师都想到了的集成电路的概念。美国仙童公
3、司联合创始人罗伯特-诺伊斯就是其中之一。在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后，诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。,1960年，仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最终成为集成电路大规模生产中的实用技术。基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学奖章”。他们被公认为集成电路共同发明者。,分子电子计算机,分子电子计算机： 集成电路优点明显，首先引起了军事及政府部门的兴趣。1961年，德州仪器为美国空军研发出第一个基于集成电路的计算机，即所谓的“分子电子计算机”。美国宇航局也开始对该技术表示了极大兴趣。当时，“阿波罗导航计算机”和“星际监视探测器”都采用了集成电路技术。
4、,集成电路应用于导弹制导系统 : 1962年，德州仪器为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹制导系统研制22套集成电路。这不仅是集成电路第一次在导弹制导系统中使用，而且是电晶体技术在军事领域的首次运用。到1965年，美国空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成电路消费者。,戈登-摩尔提出摩尔定律：英特尔公司的联合创始人之一戈登-摩尔在集成电路的早期发展进程中扮演着重要的角色。早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。他推算，到1975年每块芯片上集成的电子元件数量将达到65000个。而实际上，每过12个月芯片上集成的电子元件数量都会翻一番。这就是现在我们所了解的计算机“摩尔定律”。,
5、“Busicom 141-PF”计算机 ：在20世纪60年代，计算机通常都是笨重的庞然大物。集成电路的出现改变了计算机形象。1969年，英特尔公司为日本计算机公司最新研发的 “Busicom 141-PF”计算机设计12块芯片。但英特尔公司的工程师泰德-霍夫等人却根据日本公司的需求提出了另一套设计方案。于是诞生了历史上第一个微处理器 -4004。,英特尔4004微处理器 ：随着历史的前进，集成电路早已让路于微处理器。英特尔公司的4004微处理器虽然并不是首个商业化的微处理器，但却是第一个在公开市场上出售的计算机元件。据霍夫介绍，4004微处理器的计算能力其实并不输于世界上第一台计算机ENIAC
6、(电子数字积分计算机)，但却比ENIAC小得多。 ENIAC使用了18000个真空管，占据了整个房间。,“普尔萨”数字手表 ：继便携式计算器和数字手表之后，集成电路的下一个主要商业应用也许就是“手腕计算机”。“Microma”液晶数字表是应用“系统芯片”技术的首款产品。汉米尔顿公司推出的“普尔萨”是世界上第一只数字手表。1970年，普尔萨刚刚上市时售价为2100美元。,3. 集成电路工艺沿革,集成电路工艺突飞猛进如今，芯片制造商(如英特尔、AMD等公司)生产的芯片上所集成的晶体管数量已达到了空前的水平，而且每个晶体管的体积变得非常微小。比如，一个针尖上可以容纳3000万个45毫微米大小的晶体管
7、。此外，现在的处理器上单个晶体管的价格仅仅是1968年晶体管价格的百万分之一。,4. 集成运算放大器概述,集成运算放大器是一种放大倍数很高的多级放大的集成电路。它是模拟集成电路中最重要的品种，广泛应用于各种电子电路中。它能够放大从直流至一定频率范围的交流电压。集成运放是模拟集成电路的重要组成部分。,集成运算放大器一般由输入级、中间级和输出级三级及偏置电路组成。输入级与信号源相连，通常要求有很高的输入电阻，能有效地抑制共模信号，并且要求有很强的抗干扰能力。因此，集成运放的输入级通常采用差分放大电路；中间级用来完成电压放大功能，由多级共射放大电路构成；输出级直接与负载相连，使集成运放有较强的带负载
8、能力，一般采用是互补对称放大电路（射极跟随器）以进行功率放大，提高带负载的能力。偏置电路为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。,（b）国内符号 （c）国际符号图 4-1 集成运算放大器方框图和符号,(1) 集成运放的总体结构框图,集成运算放大器符号,反相输入端 u,同相输入端 u+,输出端 uo,美国符号：,国内符号：,Ad：差模电压放大倍数（为正），又称开环电压放大倍数,图4-4 几种集成运算放大器的实物,(2) 集成运放电路的结构特点,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级 一般采用差分放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，
9、以减小输入电流，增加输入电阻。 （3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,为减小IB, 提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管,优点： 减小输入电流，增加输入电阻,集成运放内部结构（举例）,第1级：差分放大器,第2级：差分放大器,第3级：单管放大器,第4级：互补对称射极跟随器,极性判断,原理电路：,1. 原理电路及各级作用,4.1.2 集成运算放大器的工作原理,输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。,中间级：要求电压放大倍数高。本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。常采用带恒流源的共发射极放大电路构
10、成。,偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。,输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,各级作用：,4.1.3 集成运算放大器的分析方法,集成运算放大器电压传输特性是指开环输出时输出电压与输入电压的关系曲线，所谓开环是指电路中只有正向传输，没有反向传输。图4-5所示的是电压传输特性曲线，它包含一个线性区和饱和区。要使集成运放稳定地工作在线性区，必须引入深度的电压负反馈。,1.集成运算放大器的传输特性,线性区,正饱和区,负饱和区,当ud+时： uo = Ao ud = Ao(u+u) 当 ud
11、(+)时： uo = +UOM+UCC 当 ud ()时： uo =UOMUEE,图4-5 电压传输特性,4.1.3.2 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 0 KCMR高: 70dB130dB ,集成运算放大器的等效电路模型
12、（1） 线性工作区,3. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O, 引入深度负反馈时理想运放的分析方法：,引入负反馈后的理想运放,(1) Ao,= 0,即：,u+ = u,虚短路,(2) ri,= 0,虚断路,(3) ro0,uoL=uoc,输出电压不受负载的影响,4. 理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(
13、sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,4.1.4 集成运算放大器的主要技术指标,2.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,3.输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,1. 开环差模电压放大倍数(开环增益) Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也
14、越高。 Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍;,（愈小愈好）,（愈小愈好）,4.输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,（愈小愈好）,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,8. 输入电阻大 ri1M, 有的可达100M以上; 9. 输出电阻小 ro = 几-几十,谢谢!,
