集成运算放大器的简单介绍

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。是发展最早、应用最广泛的一种模拟电路。

集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分点整体。

集成电路的特点：体积小，重量轻、功耗低、可靠性高、成本低、便于大规模生产。

运算放大器的简单介绍

放大器的概念

1. 放大器
   将微弱型号加以放大的器件称为放大器
2. 电压放大倍数（电压增益）

\[A_u=\frac{u_o}{u_i} \]

3. 运算放大器（Operational Amplifier，简称OpAmp）
   由晶体管构成的集成电路称为运算放大器
   1. 增益高、输入电阻高、输出电阻低
   2. 能完成加法、积分、微分等多种数学运算

集成运放的组成

• 输入级：差分放大电路，输入电阻高
• 输出级：射极输出器或互补对称功率放大器、输出电阻低
• 中间级：多级放大电路，增益高
• 偏置电路：由镜像恒流源等电路组成，提供稳定的静态工作点

运算放大器的符号

运放电路图

• 反相输入端（inverting input）：用字母“a”表示，对应的输入电压为 \(u^{-}\)。在运算放大器等电路中，反相输入端是一个重要的概念，输入信号加在该端时，输出信号与输入信号相位相反。

• 同相输入端（noninverting input）：用字母“b”表示，输入电压为 \(u^{+}\)。当输入信号加在同相输入端时，输出信号与输入信号相位相同。

• 输出端（output）：用字母“o”表示，输出电压为 \(u_{o}\)，这是电路最终输出信号的端口。

• 公共端（接地端）：用符号 \(\perp\) 表示，在电路中通常作为参考电位点，很多电路的工作都需要以接地端为基准。

• 开环电压放大倍数（open-loop gain）：用字母“A”表示，它是指在没有反馈回路的情况下，放大器的输出电压与输入电压的比值，是衡量放大器放大能力的一个重要参数。

• \(E^+\)和\(E^-\)：电源端，\(E^+\)为正电源端，\(E^-\)为负电源端, 为放大器提供直流偏置电压。

运放简化电路

运放的输入方式

差分输入

\[u_o = A(u^+ - u^-)=Au_d \]

A: 开环电压放大倍数
\(u^+\)、\(u^-\)：输入电压
\(u_d=u^+ - u^-\)：差分电压

反向输入

\[u_o = -Au^- \]

同向输入

\[u_o = Au^+ \]

主要参数

最大输出电压\(U_{opp}\)

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压

开环电压放大倍数\(A_{uo}\)

运放没有节反馈电路时的差模电压放大倍数。\(A_{uo}\)越大，运算放大器性能越好。

输入失调电压\(u_{io}\)

当\(u^+=u^-=0\)时，\(u_o\)不为0，则\(u_{io}=u_o\)。\(u_{io}\)越小，运算放大器性能越好。

输入失调电流\(u_{io}\)

当\(u^+=u^-=0\)时，\(i^+\)和\(i^-\)不为0，则\(i_{io}=i^+-i^-\)。\(i_{io}\)越小，运算放大器性能越好。

输入偏置电流\(u_{ib}\)

当\(u^+=u^-=0\)时，\(i^+\)和\(i^-\)不为0，则\(i_{ib}=\frac{i^+-i^-}{2}\)。\(i_{ib}\)越小，运算放大器性能越好。

共模输入电压范围\(U_{ICM}\)

运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运算放大器会损坏。

理想运算放大器及其分析依据

理想运算放大器

在分析运算放大器的电路时，一般将它看作时理想的运算放大器。理想化的主要条件：

1. 开环放大倍数：\(A_{uo}=\infty\)
2. 输入电阻：\(R_{id}=\infty\)
3. 输出电阻：\(R_{o}=0\)
4. 共模抑制比：\(K_{CMRR}=\infty\)

由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，为此，后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。

分析依据

1. 运算放大器的外特性

在a, b间加电压\(u_d = u^+ - u^-\)，可得输出电压\(u_o\)与输入电压\(u_d\)的关系:

分为三个区域
1. 线性工作区
\(|u_d|\leq \epsilon\)，\(u_o = Au_d\)
2. 正向饱和区
\(u_d > \epsilon\)，\(u_o = U_{sat}\)
3. 反向饱和区
\(u_d < -\epsilon\)，\(u_o = -U_{sat}\)

\(\epsilon\)时一个数值很小的电压。

2. 理想运算放大器在线性区的特点
   1. 虚短路\(u^+ = u^-\)
      由于运放\(A_{uo}=\infty\)，当\(u^+ = u^-\)时，\(u_d = 0\)，所以\(u_o = 0\)，即运放输出端短路。
   2. 虚断路\(i^+ = i^-=0\)
      由于运放\(R_{id}=\infty\)，所以运放输入端断路。
      
      

\(A_{uo}\)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。

3. 理想运放工作在饱和区的特点
   

   1. 输出只有两种状态：\(U_{sat}\)和\(-U_{sat}\)
      当\(u^+ > u^-\)时，\(u_o = U_{sat}\)；当\(u^+ < u^-\)时，\(u_o = -U_{sat}\)。
   2. 输入端电流为零
      \(i^+ = i^-=0\)，所以运放输入端断路。