124五月2023第十二章運(yùn)算放大器本章內(nèi)容：主要介紹集成電路在信號(hào)運(yùn)算和信號(hào)處理方面的應(yīng)用?！?2-1集成運(yùn)算放大器一、集成電路的發(fā)展過(guò)程

科學(xué)研究和生產(chǎn)的需要推動(dòng)著電子技術(shù)的發(fā)展，而電子器件和電路的改進(jìn)又帶來(lái)了科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提高。迄今，電子器件已經(jīng)經(jīng)歷了四次重大的變革。224五月20234、1974年，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路為第四次。

1、1904年,電子三極管（真空三極管）為第一次。2、1948年，費(fèi)來(lái)明發(fā)明了晶體三極管為第二次。3、1958年，集成電路[移相振蕩器]為第三次。一、集成電路的發(fā)展過(guò)程（中國(guó)65年生產(chǎn)第一塊TTL與非門）324五月2023現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均1～2年翻一番的速度在增大。

1948196619711980199019981999

小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模超大規(guī)模超超大規(guī)模超億規(guī)模

SSIMSILSIVLSIULSIGSI理論集成度

10-100100～10001000～10萬(wàn)10萬(wàn)～100萬(wàn)100萬(wàn)～1億＞1億商業(yè)集成度

110100～10001000～2萬(wàn)2萬(wàn)～5萬(wàn)＞50萬(wàn)＞1000萬(wàn)

觸發(fā)器計(jì)數(shù)器單片機(jī)16位和32位圖象SRAM

加法器ROM微處理器處理器128位CPU（1）設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，簡(jiǎn)化電路，合理布局布線（2）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細(xì)線條）（生產(chǎn)環(huán)境：超凈車間）（3）芯片面積增大，從1～5mm2到現(xiàn)在的1cm21967年在一塊晶片上完成1000個(gè)晶體管的研制成功。集成電路集成度的提高主要依靠三個(gè)因素

由于現(xiàn)在這三方面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問(wèn)題？77年美國(guó)30mm2制作13萬(wàn)個(gè)晶體管，即64K位DRAM。424五月2023

目前使用的16兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.5微米，64兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.3微米，繼續(xù)發(fā)展可望達(dá)到0.01微米，0.01微米的概念相當(dāng)于30個(gè)原子排成一列的長(zhǎng)度。這一尺寸在半導(dǎo)體集成電路中，已經(jīng)成為極限，再小PN結(jié)的理論就不存在了，或者說(shuō)作為電子學(xué)范疇的集成電路已達(dá)極限，就會(huì)從電子學(xué)躍變到量子工學(xué)的范疇，由量變到質(zhì)變，隨之而來(lái)的一門新的工程學(xué)——對(duì)量子現(xiàn)象加以工程應(yīng)用的“量子工學(xué)”也就誕生了，由這一理論指導(dǎo)而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展?，F(xiàn)在美國(guó)和日本正投入大量的人力和物力進(jìn)行這方面的研究，并且在“原子級(jí)加工”方面取得了一定的成果。集成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？

如果“有”，它的極限是多少？還有沒(méi)有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。524五月2023二、集成電路的分類

模擬集成電路：集成運(yùn)算放大器，集成功放，集成穩(wěn)壓電源，集成模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換及各種專用的模擬集成電路。而集成運(yùn)放只是模擬集成電路中的一種，但是應(yīng)用最為廣泛的一種。由于最初用于作運(yùn)算用，所以稱為集成運(yùn)算放大器，而現(xiàn)在的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)的功能，而得到了方泛的應(yīng)用。大類分：模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路：門電路，觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。

74系列，74LS××，74HC××，4000系列，CMOS等各種型號(hào)。624五月2023三、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)上有圓殼式、扁平式和雙列直插式三種，管腳引出線有8、10、12、14等多種。LM741

12348765結(jié)構(gòu)12345678LM741

12348765724五月2023特點(diǎn)：

4、元件的精度低，但對(duì)稱性好，溫度特性好。1、制造容量大于2000PF的電容元件很困難，如需大電容必須外接，所以集成運(yùn)放都采用直接耦合放大電路。2、制造太大和太小的電阻不經(jīng)濟(jì)，占用硅面積大。一般R的范圍為100Ω～30KΩ，大電阻用恒流源代替。3、集成工藝是做的元件愈單純愈好做。824五月2023中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入級(jí)4、偏置電路給前三部分提供固定的和合適的偏置電流，一般由恒流源電路構(gòu)成。四、電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明1、輸入級(jí)要求：輸入電阻高，零點(diǎn)漂移小，采用差放2、中間級(jí)一般采用共射放大電路3、輸出級(jí)要求，輸出電阻低，帶載能力強(qiáng)，能輸出較大的電壓幅度及功率。一般都由互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成924五月2023

運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)直接耦合的多級(jí)放大電路，它有兩個(gè)輸入端一個(gè)輸出端，一般電源都不畫(huà)。單運(yùn)放：LM741/A741雙運(yùn)放：LM747（雙741）單電源四運(yùn)放：LM124/224/324雙電源四運(yùn)放：LM148/248/348等等。四、電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明LM741

123487652腳為反相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是反相的。3腳為同相輸入端。由此端輸入信號(hào)，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是同相的。各管腳的用途是：4腳為負(fù)電源端。7腳為正電源端。6腳為輸出端。1和5腳為外接調(diào)零電位器（通常為10KΩ）的兩個(gè)端子。8腳為空腳。其典型接法如下圖所示1024五月2023154237610KΩ-15V+15V簡(jiǎn)化電路符號(hào)電路符號(hào)1124五月2023五、主要參數(shù)3、輸入失調(diào)電壓Uio：理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓ui1=ui2=0時(shí)，輸出電壓u0=0。但在實(shí)際運(yùn)放中，由于制造中元件參數(shù)的不對(duì)稱性等原因，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓不等于零。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果要u0=0，必須在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。2、開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：在沒(méi)有外接反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。1、最大能輸出電壓UOPP：能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為運(yùn)算放大器的最大能輸出電壓。1224五月20235、輸入偏置電流IiB

輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流。4、輸入失調(diào)電流Iio：輸入失調(diào)電流是指輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流之差。6、最大共模輸入電壓UiCM

運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)具有抑制的性能，但這個(gè)性能是在規(guī)定的范圍內(nèi)才具備。1324五月2023六、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1、理想運(yùn)算放大器條件實(shí)際運(yùn)放上述指標(biāo)接近理想化條件，故用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的。ridu0r0u-u+u0Au0開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Auo→∞差模輸入電阻rid→∞開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→0uo=Auo(u+-u-)共模抑制比KCMRR→∞uo=∞(u+-u-)1424五月2023o+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0

右圖所示為運(yùn)放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸特性。從圖中看到，實(shí)際特性與理想特性很接近。實(shí)際特性理想特性2、分析依據(jù)：分析運(yùn)放電路時(shí)，首先要區(qū)分集成運(yùn)放是工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)（飽和區(qū)）1524五月2023o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+-u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)

從運(yùn)放的傳輸特性看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)，運(yùn)放在不同區(qū)工作時(shí)的分析方法不同：線性區(qū)：uo=Auo(u+-u-)因?yàn)閡o為有限值，Auo為無(wú)限大，所以(u+-u-)≈0。即u+≈u-我們稱為“虛短”因?yàn)閞id→∞

，故兩輸入端的輸入電流為零。我們稱為“虛斷”ridu0r0U-U+u0Au01618扎五頓月巧20皺23o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+-u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和湖區(qū)：uo≠Auo(u+-u-)當(dāng)u+>u-時(shí),uo=+好Uo(葵sa瘡t)當(dāng)u+<u-時(shí),uo=-巾Uo(芳sa只t)但兩比輸入酬端的己輸入仔電流仍為凈零。1718竿五子月糠20嶄23§1背2-殃2理想奔集成吳運(yùn)算惹放大污器的者分析崇方法理想模運(yùn)放綢應(yīng)滿識(shí)足的你條件候：由此州得出備了兩極個(gè)重趴要結(jié)牛論ridu0r0U-U+u0Au0(1陽(yáng))“虛短”(2殲)“虛斷”但是針，這嬌兩個(gè)壺條件污的使沖用必妄須是凳運(yùn)放逃工作雙在線健性區(qū)廉。我們漁已經(jīng)彼知道稈：Auo→∞，則策當(dāng)輸悶入差涂模信觀號(hào)極區(qū)小時(shí)掌（如吵毫伏霜級(jí)以想下的貫信號(hào)撒），惠也足個(gè)以使運(yùn)放頌飽和止。4、共扔模抑渾制比KCM敗RR3、開(kāi)霧環(huán)輸工出電損阻ro2、差執(zhí)模輸挨入電艱阻rid1、開(kāi)著環(huán)放福大倍跡數(shù)Auo→∞→∞→∞→01818詢五歸月滲20毯23下面輛我們鈴就分散別討累論之搖。uou-u+∞

++-但我區(qū)們也推已經(jīng)怕知道緞：負(fù)濃反饋卵能減頂小放露大電霉路的芹放大踏倍數(shù)梁，而叨且反意饋愈宰深這絞種作始用愈己明顯要；加遵上負(fù)告反饋膚在其退它方內(nèi)面還窯可以威改善榴放大分電路鋒的性脅能，勻所以——接下膠來(lái)的詠問(wèn)題孤是負(fù)反皂饋從輸燦出端捧引到忽同相協(xié)端還齡是反腐相端采。解決為的方蠟法是副：在家電路殺中引僵入深度悉負(fù)反財(cái)饋。R——反相勤輸入幸端。1918釘五捆月瘦20絡(luò)2312湯.2抗.1、比茅例運(yùn)奶算①電路炭結(jié)構(gòu)虛短QR2R1RFuiu0iFi1②閉環(huán)乓放大偵倍數(shù)1、反玩相比石例∴廉u-=u+又∵叛虛斷∴福u-=u+=0則電發(fā)流i1等于電流iF2018往五特月寶20低23當(dāng)實(shí)痛際運(yùn)脈放接絡(luò)近于雞理想閣運(yùn)放阻的條戶件時(shí)嬌，其疾精度僵主要甩取決趁于電朵阻，拋這是屠因?yàn)榍‰娐废炛胁晒杂昧烁禈O深蓮度的作負(fù)反襪饋而固獲得寬的重魂要優(yōu)脾點(diǎn)。對(duì)于鵝反相尺比例矛運(yùn)算院還有“虛地”的概脹念。蕉反相櫻端為侮虛地望的現(xiàn)騎象是及反相崇輸入把運(yùn)算犁放大恰器的涉重要甚特點(diǎn)宏，應(yīng)唉當(dāng)指塵出“虛地”并非秘真正隙的地脅。反相器時(shí)當(dāng),1,1-==ufFARRR2R1RFuiu0iFi12118序五祥月貢20姿23閉環(huán)晌輸入紗電阻響和輸執(zhí)出電密阻電壓重并聯(lián)綢負(fù)反薄饋③特點(diǎn)可：R2R1RFuiu0iFi1a.共模脆輸入中電壓放為0b.講ro=0帶負(fù)拴載能箭力強(qiáng)c.呆ri小對(duì)付輸入灰電流表有一脾定的襖要求2218雅五效月茄20珍23R2為平刑衡電犬阻，梁其目球的是玩消除筆靜態(tài)務(wù)時(shí)的普不對(duì)戀稱對(duì)專輸出前電壓擴(kuò)的影勻響，埋它不影禽響放帝大倍妨數(shù)。對(duì)雙時(shí)極型拔三極煌管組低成的蹈電路競(jìng)有要廟求。R2=R1//魂RF特別蘋說(shuō)明臟：R2R1RFuiu0iFi1P1璃12例17賞.2泥.1請(qǐng)同揭學(xué)自碌學(xué)。2318頑五返月左20士23R2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=完i3=i4+i5Ui/R1=鉗-U嘆a/敞R3-Ua/R3=Ua/R4+(貨Ua-U0)/忽R52418路五喘月饒20遞23R2R1RFuiu0iFi1②閉環(huán)霞放大采倍數(shù)因?yàn)槲蔡摱蘵+=u龍-=釘ui因?yàn)檎鹛摂鄆F=i1(u0-ui)/序RF=ui/R1①電路透結(jié)構(gòu)2、同丙相比唐例R2RFuiu02518辛五逮月拒20私23閉環(huán)罩輸入剛電阻亡和輸躍出電仿阻R2R1RFuiu0iFi1③特點(diǎn)嬸：A共模u+=u-=uI對(duì)KCM恭RR要求族高B職ro=0帶負(fù)禾載能險(xiǎn)力強(qiáng)C旁rI高電壓季串聯(lián)橋負(fù)反預(yù)饋2618迎五黃月吐20喜23接有抖分壓別電阻R3時(shí)，Auf的求缺法為匪：R1//尺RF=R2//舟R3平衡諷電阻剝：電壓縮慧串聯(lián)久負(fù)反促饋R2R1RFuiu0iFi1R32718鳥(niǎo)五浴月思20繼2312晨.2畝.2、加末法運(yùn)肌算1、反憑相加消法運(yùn)運(yùn)算因?yàn)閕1+i2+i3=iF所以u(píng)i1/R11+ui2/R12+ui3/R13=(愚0-莫u0)/吩RF特點(diǎn)竭：放埋大倍美數(shù)互喚不影捏響。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i32818飲五揪月珠20氣23R21R1RFui1u0iFi1R22R23ui22、同咽相加梳法運(yùn)饑算2918過(guò)五吐月面20宴23從這糠里可漆以看樓出，險(xiǎn)本電遭路的念同相放額大倍肢數(shù)最釀多只什能比晝反相乓大112坐.2合.3、減院法運(yùn)騾算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui1為電婆流并予聯(lián)負(fù)微反饋鐮；ui2為電披壓串研聯(lián)負(fù)囑反饋3018蹈五拿月取20句23這在桐后面籃所講恩的設(shè)計(jì)候電路端中非貌常有問(wèn)用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R43118作五伙月匠20澤2312茂.2理.4、積敗分運(yùn)吩算R2R1CFuiu0iFi13218購(gòu)五榆月鋼20島23R2R1CFuiu0iFi1-U0（sa叔t)積分系電路調(diào)除用蠶于信季號(hào)運(yùn)法算處增，還講用于某控制貝測(cè)量綿系統(tǒng)欲中、漂方波屠三角駱波變慶換。當(dāng)UI大于0時(shí)tu00+U0（sa盞t)當(dāng)UI小于0時(shí)++與以艦前學(xué)責(zé)過(guò)的RC積分盼電路版相比殿，運(yùn)底放所精構(gòu)成甩的有禿源積忌分電痰路其迅積分聞曲線疾的線暗性度刺較好億。因肅為：充電電流基本恒定3318尤五習(xí)月炸20仗23PI調(diào)節(jié)夜器右圖塔是在悄控制樓和測(cè)閘量系釘統(tǒng)中竿常用怒的比西例-積分賣調(diào)節(jié)斬器（PI調(diào)節(jié)愉器）鑰：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF3418容五率月筐20捉2312倘.2帝.5、微翁分運(yùn)叔算R2C1RFuiu0iFi1P1企19例17皂.2逃.8是一嫌個(gè)比賺例-微分貢調(diào)節(jié)炒器（簡(jiǎn)架稱PD調(diào)節(jié)炕器）媽，自鄰學(xué)。3518我五瓜月董20畏23例如桐：試汽畫(huà)出何下列錯(cuò)函數(shù)礙關(guān)系陶的運(yùn)姻算電誰(shuí)路12肢.2蹦.6、已落知輸館出與撫輸入貢的函肥數(shù)關(guān)誕系，報(bào)設(shè)計(jì)銷電路偵。(1丟)茂u0=-秒5ui(2派)沖u0=5侮ui(4笨)謊u0=5瓶ui1-2概ui2(3諒)在u0=-顆5ui1+2剩ui2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R43618濕五蛙月至20乞23§1伐2-護(hù)3運(yùn)算攜放大賊器在富信號(hào)拼處理稀方面滅的應(yīng)攏用運(yùn)算拐放大咐器除膝了能些對(duì)輸儲(chǔ)入信投號(hào)進(jìn)吸行運(yùn)氧算外者，還元能對(duì)刷輸入握信號(hào)移進(jìn)行播處理回。信赴號(hào)處權(quán)理電緩路的壓種類僑很多霜，這妥里只哲討論牌幾種鹽常用把電路浮的工恰作原倚理。12淹.3蔬.1、有歡源濾嚇波器所謂濾波兩器就菌是一帝種選慶頻網(wǎng)泥絡(luò)，它雜讓有芝用信反號(hào)通晃過(guò)，社而對(duì)愈其余上頻段慈的信體號(hào)起哄衰減低作用桌。它累可以彩只用頑一些憐無(wú)源啊元件似（R、L、C等）啄組成卡，也佛可以孔用無(wú)腳源元倡件與伏有源研元件丈組成貓，前見(jiàn)者稱居為無(wú)源拐濾波辮器，后者劃稱為有源外濾波歉器。和無(wú)剪源濾薄波器珠比較膝，有閑源濾牌波器改的主逗要優(yōu)點(diǎn)鳳是：匪效率炭高、筐帶負(fù)佳載能逢力強(qiáng)瓜、體積孤小、脈效率載高。3718愈五慕月胡20廟23缺點(diǎn)備：1、用歲于低象頻（請(qǐng)受集勉成運(yùn)藥放的友限制眼）2、必吉須有倘直流愈電源3、可靠靠性歌差4、不膊能用其于高犬電壓析大電渾流濾波報(bào)器按會(huì)其作愿用可范分為殿：0fAu低通高通帶通帶阻0fAu0fAu0fAu3818逐五撒月苦20漠23前面道我們每已經(jīng)炸講過(guò)RC組成怠的無(wú)源繪濾波轉(zhuǎn)器RCuiu0RCuiu0無(wú)源轉(zhuǎn)低通昌濾波厲器無(wú)源剖高通違濾波李器R2R1RFuiu0RCuiu0RCuiu0有源微低通驕濾波響器有源佳高通央濾波逼器3918桂五陡月穩(wěn)20角23一、品低通碼濾波惑器uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR14018起五塔月芳20賊23o幅頻物特性式中對(duì)的稱為慶特征偷頻率Auf的模白為——幅頻源特性4118培五家月傭20株23o幅頻特性4218硬五死月嗓20慕23二階途有源挪低通婦濾波伸器RR1RFuiu0CRC4318居五淋月妄20緒23二、總高通滔濾波竿器有源惜高通巡壽濾波改器uiuo∞

++-RCRFR14418豆五構(gòu)月泰20煙23o幅頻利特性式中勸的稱為期特征胖頻率Auf的模謎為——幅頻臺(tái)特性4518探五讓月隊(duì)20臭23o幅頻特性4618唉五圖月議20即2312催.3愿.2、采去樣保染持電困路當(dāng)輸增入信始號(hào)變非化較本快時(shí)憤要求播輸出由信號(hào)便能快弓速而梨準(zhǔn)確社地跟攀隨輸話入信釘號(hào)的歐變化晚進(jìn)行核間隔守采樣通。在愚兩次按采樣妖之間脆保持佛上一毛次采獨(dú)樣結(jié)摧束時(shí)兇的狀枝態(tài)。震采樣床保持淡技術(shù)節(jié)常用偷于數(shù)冊(cè)字電殿路、做計(jì)算牽機(jī)和瀉程序瞧控制方等裝吊置中友。uiuo∞

++-RC采樣保持電路ucR1S控制信號(hào)ououi采樣保持t輸入輸出波形控制衛(wèi)信號(hào)4718騎五卸月距20西2312牛.3象.3、電案壓比內(nèi)較器uRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui運(yùn)放脫工作洽于開(kāi)環(huán)漿狀態(tài)社，uR是參盼考電扭壓，當(dāng)輸償入與纖參考更電壓功有微太小差期值時(shí)戀，輸計(jì)出信膀號(hào)便均會(huì)達(dá)炮到飽在和，痕即運(yùn)慈放工忘作于狼非線題性—飽和深區(qū)。uR等于研零時(shí)傾，稱竿為過(guò)撈零比勒較器警。Uo(屯sa秘t)-Uo(步sa辱t)o傳輸?shù)√匦評(píng)ouiuR其傳昂輸特涌性如旺圖所耕示4818鄭五皆月之20柏23Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuRouotuRUo(飲sa菠t)-Uo(竿sa骨t)o比較漲器將窄正弦宣波變換為落矩形辯脈沖uotuRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui電壓檔比較淋器可爸以用考做波蝦形變柴換4918璃五廟月侍20促23uRuo∞