集成运算放大器（运放）原理与应用
集成运算放大器（运放）原理与应用
集成运算放大器（运放）是电子工程领域中一种非常重要的集成电路，具有高放大倍数、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。本文将从技术理论、工作原理、应用电路和实际应用等多个方面对集成运放进行详细讲解。
一、技术理论
1.1 集成电路
集成电路是采用专门的制造工艺，在半导体单晶硅上，把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元器件及它们之间的连线所组成的电路制作在一起，使之具有特定功能的芯片。需要注意的是，运放“IC”和“分立元件”在产品应用中有所不同，通常IC更便于使用。
1.2 集成运放
集成运放，全称集成运算放大器，是一种具有超高放大倍数（可达到10的五次方甚至10的六次方）的集成电路。它常用于各种模拟信号的运算，如比例、求和、求差、积分、微分等。
1.3 集成运放构成
集成运放主要由以下四部分构成：
- 输入级：通常是一个双端输入的高性能差分放大电路，要求输入阻抗高、差模放大倍数大等。
- 中间级：是集成运放的主要放大器，多采用共射（或共源）放大电路，电压放大倍数可达几千倍。
- 输出级：具有输出电压线性范围宽、输出阻抗小等特点，通常采用互补输出电路。
- 偏置电路：用于设置各级放大电路的静态工作点，确保运放正常工作。
1.4 集成运放符号
集成运放的符号通常包含正负电源供电引脚（+Vcc和-Vcc）。运放需要正负电源（如±15V）供电，输出电压范围取决于其供电电压。
1.5 集成运放特点
集成运放具有以下特点：
- 开环差模放大倍数（增益）超级大
- 差模输入电阻超级大
- 输出电阻超级小
1.6 集成运放用途
集成运放的主要用途包括：
- 加减乘除运算
- 积分/微分运算
- 电压跟随器
- 电压比较器
- 同向/反向放大器
- 差分放大器
- I/V转换
- 精密电流源
- 波形发生器
1.7 集成运放常用封装
常见的集成运放封装包括：
- 双路运放lm358：SOP8（贴片）和DIP-8（直插）
- 四路运放：SOP14和DIP-14
二、工作原理
2.1 电压传输特性
集成运放的输出电压Uo与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即Uo=f(Up-Un)。对于正负两路供电的集成运放，其电压传输特性曲线如下：
- 线性区：Uo=Aod*(Up-Un)，其中Aod为差模开环放大倍数，可达几十万倍，因此集成运放的线性区非常窄。
- 非线性区：输出电压要么达到Uom，要么达到-Uom，达到饱和状态，一般用于比较器。
2.2 “虚短”与“虚断”
“虚短”与“虚断”是理解集成运放工作原理的关键概念：
- 虚短：对于理想运放，当工作在线性区时，Uo=Aod*(Up-Un)，由于Aod无穷大，得出Up-Un=Uo/Aod = 0，即Up=Un，称为“虚短”。
- 虚断：对于理想运放，输入电阻Ri无穷大，Up-Un=0，得出Ip=In=(Up-Un)/Ri=0，即输入端“虚断”。
2.3 负反馈
由于集成运放的开环放大倍数Aod超级大，导致线性区非常窄，无法直接应用于运算电路。为了解决这一问题，引入负反馈，将输出电路的一部分或全部通过一定的电路形式返回到输入端，以改善电路性能和稳定放大倍数。
三、电压跟随器
3.1 理论分析图
电压跟随器是一种常用的集成运放应用电路，其主要特点包括：
- 阻抗匹配：输入阻抗很高，可以防止输入电路受到负载的影响。
- 缓冲放大：可以对输入信号进行缓冲放大，增强驱动能力。
- 隔离和保护：可以隔离输入和输出电路，防止互相干扰。
- 电压复制：可以完整复制输入电压，输出电压等于输入电压。
3.2 仿真图
（此处应有仿真图，但原文中未提供）
四、同向与反向比例运算电路
4.1 同向比例运算电路
同向比例运算电路的特点是输入信号从同相输入端输入，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = (1 + Rf/R) * Ui
4.2 反向比例运算电路
反向比例运算电路的特点是输入信号从反相输入端输入，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = -(Rf/R) * Ui
五、反向求和运算电路
5.1 理论分析图
反向求和运算电路可以实现多个输入信号的加法运算，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = -(Rf/R) * (U1 + U2 + ...)
六、差分运算电路
6.1 理论分析图
差分运算电路可以实现两个输入信号的差值运算，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = -(Rf/R) * (U1 - U2)
七、积分与微分运算电路
7.1 积分电路
积分电路可以实现对输入信号的积分运算，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = -(1/RC) * ∫Ui dt
7.2 微分电路
微分电路可以实现对输入信号的微分运算，其输出电压与输入电压的关系为：
Uo = -(RC) * dUi/dt
八、I/V转换电路
I/V转换电路可以将电流信号转换为电压信号，通常由电流检测电路、电压跟随器、减法器和同相比例放大器组成。其目的是将4-20mA的电流信号转换为0-5V的电压信号。
九、产品应用
9.1 检测负载电流
集成运放可以用于检测负载电流，通过I/V转换电路将电流信号转换为电压信号，便于后续处理和显示。
9.2 PWM输出0-10V
集成运放可以用于产生PWM信号，并将其转换为0-10V的电压信号，常用于电机控制等场景。
总结
集成运算放大器是一种非常重要的模拟电路元件，具有广泛的应用场景。通过本文的介绍，读者可以全面了解集成运放的基本概念、工作原理和各种应用电路，为进一步学习和实践打下坚实的基础。