第二章 运算放大器基础1 -3学时

《模拟电子技术》教学大纲课程编码：1041803课程性质：专业基础课适用专业：电子信息工程学分学时：5学分，90学时（理论教学72学时，实验教学18学时）开设学期：第3学期一、教学目的通过该课程的学习，使学生熟悉模拟电子技术的基本理论、基础知识和基本技能，熟悉模拟电子电路的组成、工作原理，掌握模拟电子电路的分析方法和性能指标的计算，具备正确运用模拟电子电路的能力。

二、教学重点与难点1．重点：半导体器件基础，放大电路分析基础，负反馈放大电路，集成运算放大器，信号的运算与处理电路，信号产生电路，直流稳压电源。

2．难点：负反馈放大电路，集成运算放大器，信号产生电路，直流稳压电源。

三、教学方法建议讲授法、启发式、讨论式、小组合作式。

四、教学内容第一章绪论（4学时）教学要求：了解模拟电子技术研究的对象、特点和方法，模拟电子技术与数字电子技术、计算机组成原理、接口技术等课程之间的关系；了解电子系统、信号及其频谱、模拟信号与数字信号的区别；掌握电子技术中放大电路的基本知识。

1．信号2. 信号的频谱3. 模拟信号和数字信号4. 放大电路模型5. 放大电路的主要性能指标第二章运算放大器（8学时）教学要求：掌握虚短和虚断的概念；掌握基本运算放大电路的结构特点、工作原理及性能指标的计算。

1．集成电路运算放大器2. 理想运算放大器3. 基本线性运放电路4. 同相输入和反相输入放大电路的其他应用第三章二极管及其基本电路（8学时）教学要求：掌熟悉半导体的基本知识；理解PN结的形成及特性；掌握半导体二极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数；熟悉半导体二极管的基本电路及其分析方法；了解特殊二极管的结构、工作原理等。

1．半导体的基本知识2. PN结的形成及特性3. 二极管4. 二极管的基本电路及其分析方法5. 特殊二极管第四章双极结型三极管及放大电路基础（10学时）教学要求：了解多极放大电路的级间耦合以及放大电路的频率响应；掌握放大电路的组成原则、工作原理、分析方法和性能指标等基本概念；掌握放大电路静态工作点的确定、放大电路的H参数小信号模型分析法；掌握放大电路的三种组态、特点、应用范围；理解放大电路的直流工作状态、放大电路的动态分析、静态工作点的稳定。

实验题目集成运算放大器的非线性应用（3学时）一、实验目的：
１．加深理解集成运算放大器在波形产生方面的应用。

２．掌握RC串并联选频网络特性的测试方法和振荡频率的测量方法。

二、预备知识：
1．复习集成运算放大器的非线性应用。

2．学习使用集成运算放大器设计一个正弦波发生器。

3．完成预习报告。

三、实验项目：
1．RC串并联网络测试。

（１）测试其频率特性，并绘制曲线，求出f0；
（２）测试其输出函数；
（３）改变电容C的容量，并测试f0。

２．正弦波发生器的研究。

（１）设计并组装正弦波发生器电路。

（２）测试负反馈对振荡器的影响。

（３）测量振荡平衡条件——即负反馈放大器的电压放大倍数A uf。

（４）振荡频率测量。

（５）完成实验报告，要求：
①画出所设计的实验电路。

②列表、整理实验数据。

③分析误差原因。

④回答思考题。

四、思考题：
若电路元件完好、且安装无错，但仍不能产生振荡，使分析可能产生的原因。

运算放大器基础知识概要运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种重要的电路元件，被广泛应用于电子工程中。

它由一个差分输入和一个差分放大器组成，具备高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等特性。

本文将对运算放大器的基础知识进行概要介绍。

一、运算放大器的基本结构运算放大器通常由差分放大器、级联放大器和输出级组成。

差分放大器是运算放大器的核心部分，它由一对输入电压分别连接到放大器的非反相输入端（+）和反相输入端（-）。

通常，差分放大器还配备一个负反馈网络，将输出信号与输入信号进行比较，以实现放大器的稳定性和精确性。

二、运算放大器的主要参数1. 增益：运算放大器的增益指的是输入信号与输出信号之间的比例关系。

与放大器中的电压增益AV有关的参数有开环增益Ao和封闭环增益Af。

2. 输入电阻和输入偏置电流：输入电阻是衡量运算放大器对输入电流的敏感度的指标，通常用欧姆（Ω）表示。

输入偏置电流则是指差分输入端的电流不一致性。

3. 输出电阻：输出电阻是指运算放大器的输出端对负载电阻的影响，输出电阻越小，输出电压对负载的影响越小。

4. 带宽和相位裕度：运算放大器的带宽是指其放大功能有效的频率范围，相位裕度则是指输出信号相对于输入信号的相移。

5. 失调电压和失调电流：运算放大器的失调电压是指在输入信号为零时输出信号的基准电平。

失调电流是指在输入电路中存在的任何源产生的电流不平衡。

三、运算放大器的应用领域运算放大器广泛应用于模拟电路和数字电路中。

在模拟电路中，它可以用于电压放大、电流放大、信号滤波、加法器、减法器、积分器等。

在数字电路中，运算放大器可以用作比较器、电压参考源等。

结语运算放大器是电子工程中不可或缺的一部分，通过差分放大、反馈控制等功能，实现了信号的放大、稳定性和精确性。

本文概要介绍了运算放大器的基础知识，包括其基本结构、主要参数和应用领域，为读者提供了一个初步了解运算放大器的视角。

集成电路分析与设计课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：集成电路分析与设计所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业方向必修课学分：5（二）课程简介、目标与任务；《集成电路分析与设计》是微电子科学与工程专业一门重要的专业必修课。

本课程主要分为数字集成电路部分和模拟集成电路部分。

数字集成电路部分内容主要包括集成电路中的元器件的结构、制备、特性；集成电路的典型工艺；常用的数字双极集成电路和MOS集成电路的电路结构、工作原理；数字集成电路的设计方法和计算机辅助设计。

模拟集成电路部分内容主要包括模拟集成电路中的基本单元电路，集成运算放大器、集成稳压器的基本结构、基本特点、电路设计，数模转换器以及模数转换器的基本原理以及基本类型。

通过对本课程的学习，使学生能够掌握各种集成电路包括双极集成电路、MOS 集成电路和BiCMOS电路的典型电路结构及其制造工艺；熟练掌握构成数字集成电路以及模拟集成电路基本单元结构、工作机理、及其与数字、模拟系统的关系；掌握基本电路单元的设计能够识别和绘制版图，能够用相应软件进行模拟仿真；了解数字集成电路以及模拟集成电路的设计方法和基本过程。

为后继专业课的学习、将来在集成电路领域从事科研和技术工作奠定良好的理论基础。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；本课程的先修课程是半导体物理、半导体器件、固体电子学或固体电子器件、半导体工艺原理或集成电路工艺原理等，这几门课程为集成电路分析与设计在材料、器件和工艺等方面提供了必要的知识基础。

学生通过对本课程的学习，可以为后续的集成电路的计算机辅助设计等课程的学习以及微电子专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础。

（四）教材与主要参考书。

课程教材：《半导体集成电路》朱正涌著，清华大学出版社出版主要参考书目：《集成电路原理与设计》甘学温等著，北京大学出版社《数字集成电路—电路、系统与设计（第二版）》（美）拉贝艾（JanM Rabaey）等著，周润德等译，电子工业出版社（2010年）《数字集成电路——设计透视（第2版）》国外大学优秀教材——微电子类系列（影印版）[美]拉贝（Rabaey J.M.）钱德拉卡山（Chandrkasan，A.）尼科利奇（Nikolic，B.）著，清华大学出版社《模拟CMOS集成电路设计》[美] 毕查德〃拉扎维著，陈贵灿等译，西安交通大学出版社二、课程内容与安排第一章集成电路基本制造工艺（共3学时）第一节双极集成电路工艺（1学时）第二节MOS集成电路工艺（1学时）第三节 BiCMOS集成电路工艺（1学时）第二章集成电路中的晶体管及其寄生效应（共6学时）第一节理想本征集成双极晶体管的EM模型（3学时）第二节集成双极晶体管的有源寄生效应（2学时）第三节集成双极晶体管的无源寄生效应（1学时）第三章晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路（共12学时）第一节一般TTL与非门（3学时）第二节TTL逻辑结构（3学时）第三节OC门（2学时）第四节三态逻辑门（1学时）第五节集成电路中的简化逻辑门（3学时）第四章发射极耦合逻辑（ECL）电路（共6学时）第一节 ECL门电路的工作原理（3学时）第二节 ECL门电路的逻辑扩展（3学时）第五章MOS反相器（共15学时）第一节基本NMOS反相器（6学时）第二节CMOS反相器（3学时）第三节静态反相器（3学时）第四节动态反相器（3学时）第六章MOS基本逻辑单元（共12学时）第一节NMOS逻辑结构（3学时）第二节CMOS逻辑结构（3学时）第三节传输门逻辑（3学时）第四节各种逻辑类型的比较（2学时）第五节触发器（1学时）第七章模拟集成电路中的基本单元电路（9学时）第一节单管、复合器件及双管放大级（3学时）第二节恒流源电路（3学时）第三节基准电压源电路（3学时）第八章集成运算放大器（9学时）第一节运算放大器的输入级（2学时）第二节运算放大器的输出级（2学时）第三节双极型集成运算放大器（2学时）第四节MOS集成运算放大器（3学时）第九章开关电容电路（6学时）第一节开关电容等效电路（2学时）第二节开关电容积分器（2学时）第三节开关电容放大器（2学时）第十章数模和模数转换器（12学时）第一节数模转换器的基本原理（3学时）第二节数模转换器的基本类型（3学时）第三节模数转换器的基本原理（3学时）第四节模数转换器的基本类型（3学时）（一）教学方法与学时分配课程组织：主要采用多媒体教学，PowerPoint讲稿；板书作为辅助；考试：平时30%，期末考试70%；学时分配：本课程共90学时，其中，数字集成电路部分占54学时，模拟集成电路部分占36学时；（二）内容及基本要求主要内容：●集成电路的基本制造工艺【重点掌握】：集成双极晶体管和集成MOS晶体管的结构和基本工艺；【掌握】：二极管、双极晶体管、MOS晶体管的单管制备过程；●晶体管-晶体管逻辑电路【重点掌握】：TTL门电路的特性，以及基于TTL电路的逻辑单元结构；【掌握】：掌握TTL电路基本单元的结构和工作原理；【了解】：STTL、LSTTL、ASTTL、ALSTTL电路；●MOS反相器【重点掌握】：CMOS反相器的原理、结构特点；【掌握】：其他结构反向器的原理及其特点，不同反相器之间的区别；【了解】：静态反相器和动态反相器的特点；●MOS逻辑单元及功能部件【重点掌握】：基于CMOS反相器的逻辑单元结构、基于不同结构反相器逻辑功能结构的设计；【掌握】：传输门逻辑的特点及其应用；【了解】：各种逻辑类型之间的区别，触发器的设计；●模拟集成电路中的基本单元电路【重点掌握】：模拟集成电路基本单元电路结构及其工作原理；【掌握】：基准电压源电路；●集成运算放大器【重点掌握】：集成运算放大器的特点及集成运算放大器的设计；【掌握】：不同类型的集成运放；【了解】：运算放大器的输入级及输出级电路；●数模和模数转换器【重点掌握】：数模转换器以及模数转换器的基本原理；【掌握】：数模转换器以及模数转换器的类型；制定人：李颖弢审定人：批准人：日期：。

绪论运算放大器是电压控制型电压源模型，其增益（放大倍数）非常大。

运算放大器有5个端子、4个端口的有源器件。

其符号和内部结构如图1所示：图1 运算放大器模型和内部结构图图中电压VCC和VEE是由外部电源提供，通常决定运算放大器的输出电压等级。

符号“＋”和“—”分别表示同相和反相。

输入电压Vp和Vn以及输出电压Vo都是对地电压。

运算放大器的五个接线端构成了一个广义节点，如果电流按照图1所示定义，根据KCL（基尔霍夫电流定律）有如下公式：得出的。

如果我们仅仅考虑输入和输出电流来列出KCL，则等式不成立，即：－Vn。

Ri是放大器的输入电阻，Ro是输出电阻。

放大参数A称为开环增益。

运算放大器的开环结构定义为：运算放大器的结构中不包括将输入和输出端连接起来的回路。

图2 运算放大器的等效电路模型如果输出端不接任何负载，输出电压为：该公式说明，输出电压Vo是与输入电压Vp和Vn之差的函数。

因此可以说该运算放大器是差值放大器。

大多数实际的运算放大器的开环放大倍数是非常大的。

例如，比较常用的741型运算放大器，它的放大倍数为200000Vo/Vi，甚至一些运算放大器的放大倍数达到108 Vo/Vi。

反映输入电压和输出电压关系的曲线称为电压传输特性，而且该曲线是放大器电路设计和分析的基础。

运算放大器的电压传输曲线如图3所示：图3 电压传输特性曲线注意：该曲线有2个变化区域，一个为在Vi＝0V附近时，输出电压和输入电压成正比例放大，称之为线性区域；另一个为Vo随Vi改变而不变的区域，称之为饱和区（或非线性区）。

可以通过设计让运算放大电路工作在上述的2个区域。

在线性区域Vo和Vi直线的斜率是非常大的，实际上，它与开环放大倍数A相等。

例如，741运算放大器正负电源电压为VCC=+10V，VEE=－10V，Vo的饱和值（最大输出电压）一般在±10 V，而当A＝200000 Vo/Vi 时，可以算出输入的电压非常小：10/200,000 = 50μV。