什么是集成運放？采用集成運算放大器構(gòu)成的應用電路分析

1. 什么是集成運放

全稱為：集成運算放大器

我們拆解來看：

集成：將電路封裝，留出接口，使其模塊化，便于移植。

運算：這里涉及到的是一些數(shù)學運算，不過這里的運算對象不是簡單的數(shù)字，而是電參量，是對電參量進行了加減乘除、積分、微分等計算。

放大器：就是把電參量進行放大，比如把電壓從1V放大至5V。

總的來說，就是通過內(nèi)部元器件的電參量關(guān)系將電參量進行運算，達到放大的目的。

2. 集成運放的電壓傳輸特性

集成運放有 同相輸入端 UP和 反相輸入端 UN，這里的“同相”、“反相”是指運放的輸入電壓UP、UN與輸出電壓UO之間的相位關(guān)系。

從外部看，可以認為集成運放是一個雙端輸入、單端輸出，具有高差模放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻、能較好地抑制溫度漂移的 差分放大電路 。

集成運放的輸出電壓UO與輸入電壓即同相輸入端與反相輸入端之間的電位差UP-UN之間的關(guān)系曲線稱為 電壓傳輸特性 ，即：UO=f(UP-UN)。對于正、負兩路電源供電即 雙電源供電的集成運放的電壓傳輸特性 如圖4.1.2(b)所示。從圖示曲線可以看出，集成運放有線性放大區(qū)域(稱為線性區(qū))和飽和區(qū)域(稱為非線性區(qū))兩部分。在線性區(qū)，曲線的斜率為電壓放大倍數(shù);在非線性區(qū)，輸出電壓只有兩種可能的情況，+UOM或-UOM。

由于集成運放放大的是差模信號，且沒有通過外電路引入反饋，故稱其電壓放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)，記作Aod，因而當集成運放工作在線性區(qū)時有：uo= Aod(uP- uN)，通常Aod非常高，可達幾十萬倍，因此 集成運放電壓傳輸特性中的線性區(qū)非常之窄。

集成運放的三大特性：虛短、虛斷、虛地

虛短：UP=UN，兩輸入端電壓相等。

虛斷：IP=IN=0，兩輸入端的輸入電流為0。

虛地：UP=UN=0，當信號反向輸入時存在(即信號從負輸入端流進，而正輸入端接地)

3. 比例運算電路

1. 反相比例

虛短：uP=uN

虛斷：iN=iP=0

虛地：uN=uP=0

1、差分放大電路

(1)差分放大電路是由典型的工作點穩(wěn)定電路演變而來的，隨著溫度的變化，放大電路的靜態(tài)工作點Q會發(fā)生偏移，即零漂，基本的差分放大電路如下圖所示：

2)對于共模輸入信號：當U11和UI2大小相等，極性相同的時候，由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管產(chǎn)生的電流變化相等，因此集電極電位的變化也相等，那么此時輸出電壓為0，說明差分電路對于共模信號具有很大抑制作用，在參數(shù)理想的情況下，共模輸出為0。

(3)對于差模輸入信號：當U11和UI2大小相等，極性相反的時候，由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管產(chǎn)生的電流變化相等，因此集電極電位的變化也相等，那么此時輸出電壓為或者的2倍，說明差分電路對于差模信號具有放大作用。

(4)正是由于差分放大電路對共模信號強大的抑制作用，所以差分放大電路通常被用于運算放大器的輸入級。

2、鏡像電流源

基本鏡像電流源電路如下圖所示：

3、互補輸出級

(1)直接耦合互補輸出級

在集成運算放大器中的互補輸出級摒棄了輸出電容，如下圖所示，這種電路稱為無輸出電容的功率放大電路，簡稱OCL電路。

在這種電路中，T1和T2的特性是對稱的，采用了雙電源供電，靜態(tài)時，兩個晶體管均處于截止狀態(tài)，輸出電壓可以忽略不計，假定晶體管的基射極電壓忽略不計，輸入信號為正弦信號，當輸入信號在正半軸時，晶體管T1導通，晶體管T2截止，此時正電源供電，電流輸出如實線部分所示，電路處于射極輸出形式，且輸出電壓近似等于輸入電壓;當輸入信號在負半軸時，晶體管T2導通，晶體管T1截止，此時負電源供電，電流輸出如虛線部分所示，電路也處于射極輸出形式，且輸出電壓與輸入電壓相等，由此可見，電路中的兩個晶體管T1和T2輪流工作，輸出與輸入之間雙向跟隨。這兩只晶體管的這種交替工作的方式稱為“互補”工作方式。

(2)消除交越失真的互補輸出級

上述所涉及的直接輸出形式的OCL電路雖然可以輸出較大的信號，但是由于晶體管本身的基射極電壓不為零，所以有可能產(chǎn)生交越失真，為了消除交越失真，應當設置合適的靜態(tài)工作點，使兩個晶體管均處在臨界導通或微導通的狀態(tài)，如下圖所示。

值得注意的是，一旦靜態(tài)工作點失調(diào)，例如R2，D1，D2，任意一個元件虛焊，則會導致從+VCC經(jīng)過R1，T1管的發(fā)射結(jié)，T2管的發(fā)射結(jié)，R3到-VCC形成通路，有較大的基極電流IB1和IB2流過，導致T1和T2兩個晶體管產(chǎn)生很大的集電極電流，并且T1和T2的壓降均為VCC，以至于晶體管由于功耗過大導致?lián)p壞。因此，通常在電路中的輸出回路中接入熔斷器來保護晶體管和負載。

4、運算放大器概述

集成運算放大器最初多用于各種模擬信號的運算(如比例，積分，微分，求和，求差等等)，所以又被稱為運算放大電路，簡稱集成運放，集成運放電路由輸入級，中間級，輸出級和偏置電路四部分組成，如下圖所示。

(1)輸入級：又稱為前置級，一般輸入級是一個雙端輸入的高性能差分放大電路，一般要求其輸入電阻高，差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強，靜態(tài)電流小，由于輸入級的性能直接影響著集成運算放大器的大多數(shù)性能參數(shù)，因此，幾代產(chǎn)品的更新過程中，輸入級的變化最大。

(2)中間級：中間級時整個放大電路的主放大器，其作用是使集成運放具有較強的放大能力，多采用共射極放大電路或者共源級放大電路，并且為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復合管作為放大管，以恒流源做集電極負載，其電壓放大倍數(shù)可達千倍以上。

(3)輸出級：輸出級應具有輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻小(即帶負載能力強)，非線性失真小等特點。集成運放的輸出級多采用互補輸出電路。

(4)偏置電路：偏置電路用于設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點，采用電流源電路為各級提供合適的集電極(或發(fā)射極，漏極)靜態(tài)工作電流，從而確定了合適的靜態(tài)工作點。

5、運算放大器的應用

常用的運算放大器的應用電路常見的有比例運算電路，加減運算電路，積分運算電路，微分運算電路，對數(shù)運算單路，指數(shù)運算電路，通過對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路又可以設計出模擬乘法器和模擬除法器，除了搭建模擬信號的運算電路，還可以組成有源濾波器，實現(xiàn)對信號頻率分量的提取。

運算放大器的應用電路，在之前的電路分析部分中已經(jīng)給出過一部分運算放大器的舉例，這里僅做一些電路的總結(jié)，具體推導過程可以參照電路分析部分。常見的運算放大器的應用電路如下表所示。

注意：分析運算放大電路最基本的兩個點就是“虛斷”和“虛短”兩個特性。