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1、第五章 集成运算放大器及其应用集成电路（集成电路（integrated circuit integrated circuit ，ICIC） LM3245.1 基本差动放大电路5.2 集成运算放大器5.3 集成运放的运算电路5.4 集成运放的应用电路5.5 集成运算放大器组成的电压比较器5.6 集成运放的选择原则和使用5.1 5.1 基本差动放大电路基本差动放大电路1 1、直接耦合放大电路需要解决的问题 各级静态工作点之间互相影响、互相牵制 零点漂移问题零点漂移问题 输入端短接（输入端短接（uI =0） ，其输出端电压有忽，其输出端电压有忽大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压大忽小缓慢地、无规则
2、地变化的输出电压这种现象就称为零点漂移。这种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的因素产生零点漂移的因素：温度温度变化化、任何元器件参数的变化，、任何元器件参数的变化，电源的波动。电源的波动。 在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为严重。严重。 零点漂移问题零点漂移问题 图图5-15-1抑制零点漂移的具体措施：抑制零点漂移的具体措施：（1）选用温漂小的元器件；）选用温漂小的元器件；（2）电路元件在安装前要经过认真筛选和）电路元件在安装前要经过认真筛选和“老老 化化”处理，以确保质量和参数的稳定性。处理，以确保质量和参数的稳定性。（3）
3、为了减小电源电压波动引起的漂移，要采）为了减小电源电压波动引起的漂移，要采 用稳定度高的稳压电源。用稳定度高的稳压电源。（4）采用温度补偿电路。）采用温度补偿电路。（5）采用调制型直流放大器。）采用调制型直流放大器。（6）采用差动放大电路。）采用差动放大电路。2 2、差动放大电路、差动放大电路1) 基本差动放大电路基本差动放大电路 双端输入双端输入 双端输出双端输出 图图5-25-2基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零点漂移的能力。点漂移的能力。 温度温度TUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 （UBE )2) 射极耦合差动放大电路 R R E
4、E的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小零点漂移。零点漂移。 温度温度T（UBE )IC1IC2IEUBEUBEUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 长尾长尾图图5-35-3在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，极性相反的信号电压就称为极性相反的信号电压就称为差模信号差模信号 差模信号 调零电位器 RE的存在并不影响对差模信号的放大 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 减小减小增大增大静态工作点静态工作点分析：分析： 在忽略在忽略R RP P时，静态时时，静态时U UI1I1=
5、U UI2I2=0=0，输入回路方程：，输入回路方程： V VEEEE= =I IBQBQR RB B+U+UBEQBEQ+2I+2IEQEQR RE E 可得可得Q Q点为（忽略点为（忽略I IBQBQ时）时） 电路的差模电压放大倍数电路的差模电压放大倍数AuD RB RP时时 差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是为了抑制零点漂移。为了抑制零点漂移。 当在两个集电极之间接有负载电阻当在两个集电极之间接有负载电阻RL时：时： 差模输入电阻差模输入电
6、阻 ：RiD 2(RB +Rbe ) 差模输出电阻差模输出电阻 ：RO=2RC 差模地端差模地端两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。 共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电流同时等量增大，结果输出电压流同时等量增大，结果输出电压U UO OC C =0=0 若电路完全对称，则若电路完全对称，则AuC=0, KCMR 共模信号 KCMR =AuD/AuC晶体管电路设计(上) P212 差动放大电路差动放大电路
7、模拟模拟模拟模拟电子技术基础习题电子技术基础习题电子技术基础习题电子技术基础习题2 2、 其它形式的输入，输出方式其它形式的输入，输出方式 双端输入、单端输出图差动放大电路 图图5-55-5 单端输入、双端输出差动放大电路 图图5-65-6 反相输出反相输出反相输出反相输出 单端输入、单端输出 图图5-75-7 同相输出同相输出同相输出同相输出 单端输入、单端输出 图图5-75-73 3、 提高共模抑制比的电路提高共模抑制比的电路 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 a a）电路）电路 b b）用恒流源表示）用恒流源表示3 3的电路的电路IC3 的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效
8、果。的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。 图图5-85-8晶体管电路设计(上) P212 差动放大电路差动放大电路5.2 5.2 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。 特点:体积小、高可靠性和灵活性等。 分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数和数模转换器等。在模拟集成电
9、路中，和数模转换器等。在模拟集成电路中，集成运算放集成运算放大器（简称集成运放）大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。是应用极为广泛的一种。 什么是集成运算放大电路？什么是集成运算放大电路？ 高增益（高放大倍数）的直接耦合放高增益（高放大倍数）的直接耦合放大电路问世最早，应用最广泛。大电路问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算最初多用于各种模拟信号的运算故称：集成运算放大电路，简称集成运放故称：集成运算放大电路，简称集成运放 (Operational Amplifier) (Operational Amplifier) 。1、集成运放的电路结构及符号、集成运放的电路结构及符号
10、 集成运放组成框图 图图5-95-9 举例：型号为举例：型号为F007F007（比较老的运放）的通用型集（比较老的运放）的通用型集成运放（成运放（A741 A741 代替）代替） 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。双双电电源源 集成运算放大器外形及符号集成运算放大器外形及符号运算放大器的符号a)常用符号 b) 国标符号图图1-41-4图图5-10 5-10 理想运放的图形符号理想运放的图形符号a) a) 符号符号 b) b)标有双电源的运
11、放符号标有双电源的运放符号 LM324是四运放集成电路，它采用是四运放集成电路，它采用14脚双列直插脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。大器，除电源共用外，四组运放相互独立。2、 集成电路的特点集成电路的特点（1）元元器器件件具具有有良良好好的的一一致致性性和和同同向向偏偏差差，因因而而特特别有利于实现需要对称结构的电路。别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集集成成电电路路的的芯芯片片面面积积小小，集集成成度度高高，所所以以功功耗耗很小，在毫瓦以下。很小，在毫瓦以下。（3）不不易易制制造造
12、大大电电阻阻。需需要要大大电电阻阻时时，往往往往使使用用有有源负载。源负载。（4）只只能能制制作作几几十十pF以以下下的的小小电电容容。因因此此，集集成成放放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。1.1.集成运放的理想化条件集成运放的理想化条件 开环差模电压增益开环差模电压增益 AoD 105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 RiD 106（很大）（很大） 输出电阻输出电阻 Ro 100 （很小）（很小） 3 3、集成运放的电压传输特性和主要参数、集成运放的
13、电压传输特性和主要参数 共模抑制比共模抑制比 KCMR （很高）（很高） 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：u uO OA Aodod( (u uP Pu uN N) ) A Aodod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。 (uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。通用型运放 工作电源为双电源双
14、电源2.集成运放的传输特性非非线线性性区区图图5-115-11理想理想运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点因因为 uo = Aod( (uP uN )所以所以(1) 差模输入电压约等于差模输入电压约等于 0 即即 uP= uN ,称称“虚短虚短” (2) 输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 iP= iN 0 ,称称“虚断虚断” 电压传输特性电压传输特性 Aod越大，运放的线性范越大，运放的线性范围越小，必须加围越小，必须加负反馈负反馈才能才能使其工作于线性区。使其工作于线性区。( (理想运放工作在线性区理想运放工作在线性区理想运放工作在线性区理想运放工作在线性区必要条件必要条件必要
15、条件必要条件) ) uP uN uo线性区线性区UOM+UOM) OiPiN理想理想运放工作在饱和区运放工作在饱和区运放工作在饱和区运放工作在饱和区( (非线性区非线性区非线性区非线性区) )的特点的特点的特点的特点(1) (1) 输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能, +, +U UOM OM 或或或或 U UOM OM (2) (2) i iP P= i= iN N 0 0, , , ,仍存在仍存在仍存在仍存在“ “虚断虚断虚断虚断” ”现象现象现象现象电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性当当 uP uN 时，时， uO = + UOM uPuP时，
16、输出是反向饱和电压-UO(sat)； 当uPuN时，输出是正向饱和电压+UO(sat)。 工作在非线性区的运放只有两种输出状态，分别将这两种状态称为输出高电平与输出低电平。 uPuNuNuP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1 5.5.1 单值电压比较器 单值电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，并由输出的高电平或低电平来反映比较结果。 图图5-32 5-32 单值电压比较电路单值电压比较电路a a）U UR R接同相端的电路接同相端的电路 b b）U UR R接同相端的电压传输特性曲线接同相端的电压传输特性曲线c c）U UR R接反相端的电路接反相端的电路 d d）U UR R接反相端的电压传输特性曲线接反相端的电压传输特性曲线e) e) 过零电压比较器过零电压比较器 f) f) 过零电压比较器的电压传输特性曲线过零电压比较器的电压传输特性曲线图5-33 稳压管限幅的单值电压比较器5.5.2 5.5.2 迟滞电压比较器图图5-34 5-34 外界干扰对输出波形的影响外界干扰对输出波形的影响a)a)正弦波正弦波方波变换电路方波变换电路 b) b)输入波形输入波形 c) c)
