1、 第三章 集成运算放大电路集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。最早开始应用于 1940年， 1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用。运算放大器主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测量及波形产生方面也获得广泛应用。4运放 LM324 集成运算放大器发展历程简介单运放 LM7413.1 集成运放的基本单元电路集成电路简称 IC (Integrated Circuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路集成电路 : 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。即在半导
2、体制作工艺的基础上，把整个电路中的元器件及连接导线制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，成为集成电路。集成电路及其分类（按结构、功能） :1、小规模集成电路（ 0-100个元件）中规模集成电路（ 100-1000个元件）大规模集成电路（ 1000个元件以上）超大规模集成电路（十万个元件以上） 2、集成运算放大器集成功放集成高频放大器集成中频放大器集成比较器 集成放大器的符号和实物图片(a) (b)(a)原符号 (b)国家标准符号运算放大器 实物图片8 7 6 5LM7411 2 3 4LM3241 2 3 4 5 6 71Vo 1Vn 1Vp 2Vp 2Vn 2Vo4Vo 4Vn 4Vp
3、3Vp 3Vn 3Vo14 13 12 11 10 9 8-+-+-+-+12V-12V单运放四运放8 7 6 54321-UCC+UCC uou+u-调零调零空双列直插式 单运放 外部引脚标志-VCC 输出端uo+VCC 同相输入端反相输入端u+u-73LM741 6 2 4 1 51k 10kLM741 8个管脚：2：反相输入端3：同相输入端6：输出端7 、 4 ：外接正负电源端1、 5：外接调零电位器8：空脚8 7 6 5LM7411 2 3 4管脚简介LM3241 2 3 4 5 6 71Vo 1Vn 1Vp 2Vp 2Vn 2Vo4Vo 4Vn 4Vp 3Vp 3Vn 3Vo14 1
4、3 12 11 10 9 8-+-+-+-+12V-12V外接图-VCC 输出端uo+VCC 同相输入端反相输入端u+u-73LM741 6 2 4 1 51k 10k管脚说明P133:LM741 电路原理图集成电路内部结构的特点：2. 输入级采用差动放大电路电路。 元件制作在同一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。3. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到 30千欧。 高阻值电阻成本高，占用面积大且精度低。一般高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。1.直接 耦合的多级放大电路。 几十 pF 以下的小电容用 PN结的结电容构成、大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。一
5、、 运算放大器结构特点 1、运算放大器是一个高增益的直接耦合放大器；2、运算放大器第一级总是采用差分放大器，末级采用射极输出器，因此，它有两个输入端、一个输出端。 3.1.1 集成运放的组成及电路符号同相输入端： uo与 u+的位相相同。反相输入端： uo与 u-的位相相反。Aod： 开环差模电压放大倍数 。uid反相输入端同相输入端uo=Auouid 二、电路符号：Auouu+u-u+ uo-uid+-+-uid+u-u+ uo- A+ +三、集成运算放大器的方框图 输入级：具有良好的稳定性能，采用 差分放大电路 ； 中间级：提供足够大的放大倍数，用 CE放大电路 ； 输出级：提供足够的输出
6、功率，用 互补对称电路， 带负 载能力强； 偏置电路： 电流源电路 ，向各级提供合适的偏置电流。两个输入端 一个输出端对输入级的要求： 尽量减小零点漂移 ,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 Ri 尽可能大。输入级一般采用差分放大器。对中间级的要求： 足够大的电压放大倍数。常采用 复合三极管 共 e放大电路。对输出级的要求： 尽可能提高带负载能力，给出足够的输出电流 io 。 即输出阻抗 Ro小。输出级采用互补对称式射极跟随器 功率放大器，以进行功率放大，提高带负载的能力。-VEE+VCCu+uou反相输入端同相输入端T3T4T5T1 T2IS原理框图：输入级中间级输出级与 uo反相与 uo同
7、相3.2 集成运放的典型电路和参数P133 典型的集成运放 双极型集成运放 LM741CMOS 集成运放 C14573一、引脚3.2.1 双极型集成运放 LM741LM741 的引脚及连接示意图(a) (b)连接示意图3.2.2集成运放的主要参数集成运算放大器的符号+ A反相输入端同相输入端1、开环差模电压增益 Auo若用对数表示，定义为理想情况 Auo 为无穷大； 实际情况 Auo 为 100 140 dB。输出端+uou+u-2、最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。3、最大差模输入电压 UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。4、最大输出电压 UOPP输出
8、电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。5、输入失调电压 UIO定义： 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放： UIO 为 1 10 mV；高质量运放： UIO 为 1 mV 以下。6、输入失调电流 IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。7、输入偏置电流 IIB8、差模输入电阻 rid9、差模输出电阻 ro定义： 输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。定义： 一般集成运放为几兆欧。10、共模抑制比 KCMR定义：多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。通用型运算放大器通用型运
9、算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。以典型的通用型运放 LM741 为例：开环增益（ 开环差模电压放大倍数 ） 100 dB、（ 105）最大差模输入电压 UIdm =30 V最大输出电压范围 UOPP=13 V共模输入电压范围 13 V、输入失调电压 1 2 mV、输入失调电流 20 nA、差模输入电阻 2 M，共模抑制比 90 dB、输出电阻 75 、转换速率 0.5 V/s。uu+ uo运算放大器的电路模型与特点放大电路处在线性工作状态且 信号源单独作用时：从净输入端 (u+-u-)之间看进去运放等效为 ri ， 从输出 (uo )之间看进去运放用戴维宁定理等效为一个受控电压源 A(u
10、+-u-)和一个内阻 ro相串联 。-+rirouoA(u+-u-)u+u-+-i-i+1、运算放大器的电路模型 2、实际运算放大器的特点开环电压放大倍数A=106108 很大 很大 很 小差摸输入电阻ri =1061011 输出电阻ro=10100 共模抑制比 KCMR=80dB140dB 很大3、实际运放的传输特性-+rirouoA(u+-u-)u+u-+-i-i+uo(u+-u-)+Uopp-Uopp 其中：(1)线性工作 (放大 )区-+ 时 , uo=+Uopp(3)反向饱和区u+-u- + 时 , 正饱和区： uo=+Uoppu+-u- u 时， uO = + UOpp当 u+ u 时 , uO = UOpp1. uO 的值只有两种可能在非线性区内， (u+ u)可能很大，即 u+ u。 “ 虚短 ” 不存在2. 理想运放的输入电流等于零实际运放 Auo ， 当 u+ 与 u 差值比较小时，仍有 Auo (u+ u )UOPP， 运放工作在线性区。例如： F007 的 UOM = 14 V， Auo 2 105 ， 线性区内输入电压范围uOu+uO实际特性非线性区 非线性区线性区但 线性区范围很小。集成运放的传输特性曲线-
