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第四编 集成电路器件发展：离散→集成→编程第十三章 集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier，简称集成运放）13.1 集成运放的基础知识一、集成运放的结构及原理*如：电脑图13-1 集成运放的内部结构（负反馈：x↑→ C－f(x)↑ → x↓）差分放大 偏置电路 中间放大 （甲乙类）互补放大及过流保护集成运放F006的内部电路图集成运算放大器的符号二、集成运放的主要参数1. 开环电压增益AVd、开环带宽fH（－3dB）和单位增益带宽fT（－0dB）2. 最大差模输入电压Vidmax（非线性）、共模抑制比 KCMR（即AVd/AVc）及最大共模输入电压Vicmax（使AVd/AVc降半）3. 输入偏置电流IIB（均值）、输入失调电流II0（差值）、输入失调电压 VI0 及温漂开环放大与闭环放大 集成运放的输入偏置电路4. 开环输入电阻Rid 、开环输出电阻Rod 及静态功耗Pc 5. 输出峰峰电压VOPP（不失真）、最大输出电流IOM（VOPP时）及转换速率SR（－0dB）三、集成运放的分类及选用1. 按性能指标分类（1）通用型（2）高速型（3）宽带型（4）低漂移型（5）高精度型（6）高阻型（7）低功耗型（8）高压大功率型也可按其他方式分类。

2. 集成运放的选择（1）信号源的性质根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择运放的差模输入电阻rid、－3dB带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数2）负载的性质根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响3）精度要求对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往有精度要求；而作电压比较，往往有响应时间、灵敏度等要求应根据这些要求选择运放的开环差模增益Avd、失调电压VIO、失调电流IIO及转换速率SR等指标参数4）环境条件比如，根据环境温度的变化范围，相应地选择运放的失调电压及失调电流的温漂dVIO/dT、dIIO/dT等参数根据所能提供的电源（如干电池等）选择运放的电源电压根据对功耗有无限制，选择运放的功耗参数等等5）运放的综合性能优值系数：K＝SR/(IIBVI0) 式中，SR为转换速率，其值越大，运放的交流特性越好IIB为运放的输入偏置电流，VI0为输入失调电压IIB和VI0越小,运放的直流特性越好所以，对于放大音频、视频等交流信号,选SR大的运放比较合适；而对于处理微弱的直流信号，选用精度比较高的运放比较合适（即失调电流、失调电压及温飘均比较小）。

四、集成运放的使用要点1.集成运放的供电（1）对称双电源供电集成运放大多采用这种方式供电在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压2）单电源供电将运放的-VEE引脚接地，＋VCC接电源正极为保证运放内部具有合适的静态工作点，运放输入端一般要加一直流电位运放的输出在直流电位基础上随输入信号变化 反相端输入 同相端输入单电源供电方式2．集成运放的调零外接元件调零 外加补偿电压调零3．集成运放的消振(a) 补偿端补偿 (b) 输入端补偿 (c) 反馈补偿及电源端补偿集成运放的消振电路4．集成运放的保护主要有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护a) 电源反接保护 (b) 电压过冲保护集成运放的电源保护(a) 差模电压限制 (b) 共模电压限制集成运放的输入保护(a) 输出端限压 (b) 反馈限压集成运放的输出保护五、集成运放的应用基础1. 理想运放理想的集成运放（简称理想运放）具有如下特性：① 开环电压增益Avd＝∞。

共模抑制比KCMR＝∞② 输入电阻Rid＝∞输出电阻Rod＝0③ 输入偏置电流IB1＝IB2＝0④ 失调电压VIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂dVI0/dT、失调电流温漂dII0/dT均为零⑤ 开环带宽 fH＝∞⑥ 无内部干扰和噪声或等效输入噪声＝0理想运放符号2. 虚短和虚断理想运放工作性放大状态时，输出电压为VO＝Avd（V＋－V－），因为Avd＝∞，而VO总是有限值，所以Vid＝V＋－V−＝VO/Avd＝0 ，或V＋＝V－此即虚短概念由于输入电阻Rid＝∞，故其输入电流II＝Vid/Rid＝0此即虚断概念3. 负反馈放大反馈放大器组成框图13.2 集成运放的基本应用一、集成运放的线性应用1.基本放大电路（1）反相放大 ， Av= Vo Vi =- Rf R1 1+ R3 R1 1+ Rf R2 反相放大器 T型反馈反相放大器反相放大器的主要特点是：共模影响小，但输入电阻低2）同相放大同相放大器 电压跟随器同相放大器的主要特点是：输入电阻大，但有共模干扰。

3）差分放大当满足R1＝R2，Rf＝R3 时，可得：差分放大器 典型的仪用放大器2.求和运算VO= -I1+I2 Rf = - Rf R1 Vi1+ Rf R2 Vi2 反相求和电路 同相求和电路2.积分运算与微分运算（1）积分运算基本电路 实用电路积分电路积分电路只能用于交流信号输入，它是一个低通滤波器2）微分运算基本电路 改进电路微分电路微分电路只适用于交流信号输入，并且是一个高通滤波器二、集成运放的非线性应用1.比较电路（1）基本比较器基本比较器（3）迟滞比较器迟滞比较器△v=viH-viL= R1 R2 voH -voL 这种电路，即使输入信号中叠加有噪声，只要噪声电平在回差范围以内，输出就不会发生因噪声所引起的“多重触发”的误动作，当然其响应略有回差延迟。

2.有源滤波有源低通滤波器及其频率响应特性有源高通滤波器及其频率响应特性3、振荡电路 f= 1 2π RfC ln1+ 2R1 R2 文氏电桥正弦振荡电路 张弛振荡电路13.2.3 集成运放实用电路举例VO＝－(R2/R1)VI线性刻度欧姆表温度传感器双限温控器三分频有源滤波器▲习题七1、请分别推导图13-18电路的放大倍数和图13-31电路的回差电压2、简述图13-38电路振荡原理和图13-43电路的温控原理第十四章 集成时基电路（555 Timer，定时器：精度高、温漂小、功能多、速度快用途广泛）14.1 时基电路555的基础知识555是模拟与逻辑组合电路世界各大器件公司或厂家都在生产，其功能及内部电路大同小异，都具有相同的引脚 时基电路555的引脚一、时基电路555的组成及原理 双极型555电路的典型内部结构如下图包括两个电压比较器、一个基本R-S触发器、一个输出级、一个放电管和一个分压器等几个组成部分双极型555电路常见的型号如NE555、LM555、CA555、CB555等。

（湖满放水） 分压器 比较器 R-S触发器 输出级双极型555电路的典型结构（要点：2置6清、中保持）各种双极型555电路的内部电路大同小异，在此以CA555为例分析其内部电路和工作原理时基电路CA555的电路原理图时基电路CA555的真值表引脚阈值端TH（6脚）触发端（2脚）复位端（4脚）RS输出端VO（3脚）放电端DIS（7脚）电平任意≤VCC／3高（1.4V）X1高（置位）悬空电平≥2VCC／3＞VCC／3高（1.4V）10低（复位）低电平＜2VCC／3＞VCC／3高（1.4V）00保持原电平保持原电平电平任意任意低（≤0.3V）XX低（强制复位）低CMOS型555电路的功能结构CMOS型555电路的整体结构与双极型555电路基本相同，但稍有区别比如，三个分压电阻均为100kΩ，而非5kΩ，以适应CMOS电路高输入阻抗的需要其R-S触发器的电路组成与双极型电路也有所不同CMOS型555与双极型555电路的特性参数有些差异比如， CMOS型的输入阻抗很高（可达1010Ω），静态功耗很小，但负载电流及放电电流也较小等二、时基电路555的主要参数双极型和CMOS型555时基电路的特性参数是有差别的。

而双时基电路和单时基电路，除了静态电流相差一倍之外，其余参数完全相同1）电源电压和静态电流双极型555电路的电源电压一般为Vcc＝+4.5V～+16V，而CMOS型555电路的工作电压一般为VDD＝+3V～+18V静态电流也称电源电流，是555电路空载时的消耗电流，用I0表示在电源电压15V时，双极型555电路如CB555的静态电流典型值为10rnA，而CMOS型555电路如CB7555的静态电流为0.12mA电源电压和静态电流的乘积为静态功耗可见CMOS型555时基电路的静态功耗远比双极型555时基电路的小2）阈值电压和阈值电流阈值电压是指加在555电路的阈值端TH上并能使电路发生翻转的电压值，用VTH表示，其数值与所用的电源电压有关在VC端悬空的情况下，VTH＝2VCC／3（或2VDD／3）阈值电流是指在阈值电压下使555电路发生翻转时所需的电流，用ITH表示双极型CB555的阈值电流为0.1μA，而CMOS型CB7555的阈值电流只要50pA3）触发电压和触发电流触发电压是指加在555电路的触发端上并能使电路发生翻转的电压值，用VTR。