电工电子学 第4章 集成运算放大器(基础)

第一块集成电路板
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。
“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
“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。
u– u+
– +Biblioteka +–UEE
uo
+Uo(sat) uo
理想特性
O
线性区
线性区： uo = Auo(u+– u–)
u+– u– 非线性区：
饱和区
实际特性
–Uo(sat)
u> u+ 时， uo = +Uo(sat) u < u– 时， uo = – Uo(sat)
• 集成运算放大器的等效电路模型（1） – 线性工作区 线性工作受控源,
4.1.2 集成运算放大器的传输特性
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。
uo 正饱和区 +UOM
(1) 集成运放的总体结构框图
（b）国内符号 4-1
（c）国际符号图
集成运算放大器方框图和符号
集成运算放大器符号
国内符号：
反相输入端 u－ 同相输入端 u+
－ ＋ ＋
输出端 uo
uo Ad (u u )
Ad：差模电压放大倍数 （为正），又称开环电 压放大倍数
国际符号：
u－ u+
+VCC RC uo RC T2 E
+
T1

优点： +u i2 减小输入 R1 电流，增 加输入电 阻 T4
R2
ui1
+
也可以用场 效应管做输 入级
T3
R3 -VEE
集成运放内部结构（举例）
极性判断 + T3 T4 R3
第1级：差分放大器
第4级：互补对 称射极跟随器
+VCC
RC1 T1 T2
V EE +
输入级 中间级 输出级
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。 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。
+
电压传输特性 uo +Uo(sat) 线性区
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。
◆ 引入深度负反馈时理想运放的分析方法：
－ ＋
uo
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，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
电工电子学
武汉职业技术学院 通信教研室 王碧芳
第4章 集成运算放大电路
1 2 3 4 5 集成运算放大器概述 放大电路中的负反馈 集成运算放大器的线性应用 集成运算放大器的非线性应用 集成运算放大器在波形产生方面的应用
第4章 集成运算放大电路
6 7 8 集成运算放大器使用中的几个问题 本章小结 应用实例
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”。
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。
分子电子计算机
线性区 －ε 0 +ε －UOM
ud
负饱和区
当－ε≤ud≤+ε时： uo = Ao ud = Ao(u+－u－) 当 ud＞ (+ε)时： uo = +UOM≈+UCC 当 ud＜ (－ε)时： uo =－UOM≈－UEE
图4-5 电压传输特性
4.1.3 集成运算放大器的主要技术指标
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，运算精度也越高。 Auo(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍; 2.输入失调电压UIO （愈小愈好） 输入失调电压是使输出电压为零时在输入端所加的 补偿电压。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 ： （愈小愈好） 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。 I IO I B1 I B 2
集成运算放大器构成：输入级、中间级、输出级及 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。
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。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. 集成运算放大器分类
RC2 T5 T6
RC3
RE3 T7 T10 T8 RE4 RL
R1
RE2 RC4
T9 RE5 T11 -VEE
R2
第2级：差分放大器
第3级：单管放大器
（3）原理电路及各级作用
原理电路：
+ V + CC
R c1
反相输入端
R c2 T1 T2 Is
Rc3 T3
T4
+
uo
u- + u ++
T5
同相输入端
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。
4.1.4 理想集成运算放大器
理想运算放大器 Auo 高:1. 80dB～140dB→∞ Auo ～ ， 10 rid11 ， rid 高: 105 →∞ ro 0， K →0 CMR ro 低: 几十 ～几百 K 高: 70dB ～ 130dB 2. uo= f→∞ (ui) CMR电压传输特性 +UCC
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 ri>1M, 有的可达100M以上; 9. 输出电阻小 ro = 几-几十
4.输入偏置电流IIB ： （愈小愈好） 输出电压为零时，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。