集成运放电路概述

初步认识

概念

所谓集成运放电路 ，全称为 集成运算放大电路，为一种高电压放大倍数，高输入电阻，低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

书上的语句简直不说人话，我简单理解一下：

• 集成运算放大电路，就名字就可看出来ta有放大和运算（模拟信号的运算）的功能
• 高电压放大倍数
• 高输入电阻 ，我们希望输入电流非常小，还能得到非常不错的放大性能，所以我们需要输入电阻非常大，使其输入电流非常小
• 低输出电阻，这里也可叫做输出高负载能力，也就是输出电流较大。
• 多级耦合，有三级（输入极，中间级，输出极），采用直接耦合的方式组合。

集成运放电路的特点：

1. 硅片上不能制作大电容，所以集成运放电路采用直接耦合的方式
2. 具有较好的对称性，对温度和其他干扰因素的变化趋势相同，所以集成放大电路中采用各种差动放大电路，作为输入极。
3. 硅片上不适合采用高阻值电阻，所以采用有源元件（晶体管或者场效应管）代替高阻值电阻
4. 采用复合管结构来改善性能

电路组成

由四部分组成， 输出极，中间级，输入极，以及偏执电路。

有两个输入端（同相输入端u_p反相输入端,u_n）和一个输出端u_o.

输入极

输入极为一个高性能的两端差动放大电路，要求输入电阻高，差模放大倍数高，静态电流小。

输入极是把输入的同相输入端u_p反相输入端,u_n 的差的一半作为输入，这就是差模输入，而共模输入就是两者之和的一般作为输入。

共模信号和差模信号这两个概念多用于差分电路如（差分放大电路），若1的电压为V1,2的电压为V2，则1和2的共模信号都为（V1+V2）/2，1的差模信号为（V1-V2）/2,2的差模信号为（V2-V1）/2

同相和反相是指和输出对比，相位是否相同

输入极要求抑制共模信号，介绍一个参数，共模抑制比K_CMR,来衡量对共模信号的抑制，越大抑制能力越好。

中间级

中间级的作用是使 集成运算放大电路具有 较强的放大能力，多采用共射放大电路（反相放大）。为了提高电压的放大倍数，经常采用复合管作为放大管，以恒流源作为集电极负载。

输出极

输出电阻小，带负载能力强

偏置电路

偏置电路负责设置 上面三级的合适静态工作点。

性能指标

开环差模电压放大倍数 A_od

开环就是没有反馈电路

A_od 指在开路下的对差模电压的放大倍数。A_od=Δu_o /Δ (u_p -u_n)。A_od非常大。

共模抑制比

共模抑制比K_CMR,来衡量对共模信号的抑制，越大抑制能力越好

差模输入电阻 r_id

r_id 越大，运放信号获取的电流就越小。

其实还有其他的参数，这里就不多做介绍。

电压传输特性

如上图，使关于差模信号和输出信号的特性曲线，同样也有线性区和饱和区（非线性区）。

线性区满足如下关系 u_o =A_od(u_p -u_n), A_od 也就线性区的斜率，A_od非常大，所以线性区就非常窄。

但是电压也没办法凭空无限增大，放大的电压都是由电源提供的，故正向最大 U_om ，反向最大为 - U_om 。

理想运放

为了方便分析，我们将集成放大电路理想化。而且在实际情况下，此电路和理想下的性能非常接近，误差不大。

理想下，个性能指标如下：

• 差模输入电阻 r_id = ∞
• 开环差模电压放大倍数 A_od =∞
• 共模抑制比 K_CMR 无穷大
• 输出电阻 r_o =0

理想 集成运放在 线性区 的特点

虚短路

在线性区满足此等式 u_o =A_od(u_p -u_n), 由于 A_od 无穷大，所以 u_p -u_n = u_o /∞ =0----> u_p = u_n

在电路中啥时候两点电势相等呢----短路，在短路状态，两点直接被没有电阻的导线相连，所以两端电势相等。而对于现在情况，u_p = u_n 但是没有被真正的导线相连，所以叫虚短路

虚断路

由于u_p = u_n，差模电压作为输入，则净输入电压为0；并且输入电阻 r_id 无穷大， I_p =I_N=u_p/r_id=0。没有电流相当断路，但是这里没有真正的断开，只是电流无限趋近于0，故称为虚断路。

工作在线性区的电路特征

u_o =A_od(u_p -u_n)

由于我们 A_od 无限大，即使在输入端（N,P）加上无限小的电压，则也会进入饱和区,输入电压u_o不是 U_om 就是 -U_om .

为了集成运放电路工作在线性区，我们需要将 u_o 通过反馈电路和 反相输入端u_N 相连构成负反馈。

我们可以通过 是否有负反馈电路来判断是否工作在线性区

理想 集成运放电路 在饱和区 的特点

在电路中，如果集成运放电路没有反馈（开环状态）或者只有正反馈，那么ta工作在饱和区。

u_o =A_od(u_p -u_n)，斜率无穷大，那么电压传输特性曲线如下图

那么 u_p>u_N 输出u_o 为U_OM

那么 u_p<u_N 输出u_o 为-U_OM

这里，不满足虚短路了，但是由于输入电阻无穷大，所以输入电流 I_p=I_N=0,满足虚断路

集成运放电路的应用

我们其实就用上述的虚短路和虚断路来分析

等比例运算电路

反相比例运算电路

如图，有负反馈电路，则工作在线性区。

由于虚断路，没有电流I_p 所以 R₂ 没有分压作用，从而 P点的电势u_p与相连的大地相同等于0，此现象又叫虚地

u_P=u_N=0

对N节点的电流进行分析： I₁=I_N+I_F =I_F

u_i /R₁ = (u_N-u_o)/R_F

得出 u_o = - R_F /R₁ * u_i

u_o 与 u_i 成反相比例，- 就表示 成反相

A_uf=- R_F /R₁

同相比例运算电路

如图，有负反馈电路，则工作在线性区。

我们很容易认为 N端虚地，但这是错误的，因为I₁ 不为0，所以R₁ 会分压，两端电势不相同。

但是 虚断路还是存在的 I_N =I_P=0 ,所以 输入电压u_i等于 u_p ,u_p=u_N

又根据 N点的电流方程可得：

u_N /R₁ = (u_O-u_N)/R_F

又 因为 u_p=u_N =u_i

所以 u_o = (1+ R_F /R₁ ) u_i*

称其为同相比例运算电路

A_uf=1+ R_F /R₁

结语

根据虚断路和虚短路，外加N点的电流方程就可以分析出 比例运算电路，加法，积分等电路。