集成运放及其经典电路详解

集成运放及其经典电路详解

1. 什么是集成运放

全称为：集成运算放大器

我们拆解来看：

• 集成：将电路封装，留出接口，使其模块化，便于移植。
• 运算：这里涉及到的是一些数学运算，不过这里的运算对象不是简单的数字，而是电参量，是对电参量进行了加减乘除、积分、微分等计算。
• 放大器：就是把电参量进行放大，比如把电压从1V放大至5V。

总的来说，就是通过内部元器件的电参量关系将电参量进行运算，达到放大的目的。

2. 集成运放的电压传输特性

集成运放有同相输入端 UP和反相输入端 UN，这里的“同相”、“反相”是指运放的输入电压UP、UN与输出电压UO之间的相位关系。

从外部看，可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出，具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温度漂移的差分放大电路。

集成运放的输出电压UO与输入电压即同相输入端与反相输入端之间的电位差UP-UN之间的关系曲线称为电压传输特性，即：UO=f(UP-UN)。对于正、负两路电源供电即双电源供电的集成运放的电压传输特性如图4.1.2(b)所示。从图示曲线可以看出，集成运放有线性放大区域(称为线性区)和饱和区域(称为非线性区)两部分。在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数；在非线性区，输出电压只有两种可能的情况，+UOM或-UOM。

由于集成运放放大的是差模信号，且没有通过外电路引入反馈，故称其电压放大倍数为差模开环放大倍数，记作Aod，因而当集成运放工作在线性区时有：uo= Aod(uP- uN)，通常Aod非常高，可达几十万倍，因此集成运放电压传输特性中的线性区非常之窄。

集成运放的三大特性：虚短、虚断、虚地

• 虚短：UP=UN，两输入端电压相等。
• 虚断：IP=IN=0，两输入端的输入电流为0。
• 虚地：UP=UN=0，当信号反向输入时存在（即信号从负输入端流进，而正输入端接地）

3. 比例运算电路

1. 反相比例

虚短：uP=uN
虚断：iN=iP=0
虚地：uN=uP=0

2. 同相比例

相比反向比例放大，同向比例放大具有较高的输入阻抗，这是因为同向比例放大信号输入端直接接入运放的输入端，没有任何扇出，而反向比例放大有扇出。

3. 电压跟随器

将输出电压全部反馈到反向输入端，引入电压串联负反馈。

电压跟随器有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，故其可以在多级电路中起到阻抗匹配、隔离的作用。

虚短：uP=uN
虚断：iP=iN=0

对于左图来说：
对于右图来说：

4. 加减运算电路

1. 求和

反相求和运算电路

同相求和运算电路

2. 加减运算电路

我们采用叠加定理来求

改进型差放：

在使用单个集成运放构成的加减运算电路时，存在两个缺点：一是电阻的选取和调整不方便，而是对于每个信号源的输入电阻均较小（即相对于信号源内阻，电路的输入阻抗较小）。

因此可以采用下图的两级电路实现差分比例运算。

5. 积分运算电路

当输入为阶跃信号时，输出为；
当输入为方波信号时，输出为三角波；
当输入为正弦波信号时，输出为余弦波。

6. 微分运算电路

实用型微分运算电路：

在上图所示基本微分运算电路中，无论是输入电压产生阶跃变化，还是脉冲式大幅值干扰，都会使得集成运放内部的放大管进入饱和或截止状态，以至于即使引号消失，管子还不能脱离状态回到放大区，出现阻塞现象，电路不能正常工作；同时，由于反馈网络为滞后环节，它与运放内部的滞后环节相叠加，易于满足自激震荡的条件，从而使电路不稳定。

为解决上述问题，常在输入端串联一个电阻R1以限制输入电流，也就限制了电阻R中的电流；在反馈电阻R上并联稳压二极管，以限制输出电压幅值，保证集成运放中的放大管始终工作在放大区，不至于出现阻塞现象；在R上并联小电容C，起相位补偿的作用，提高电路稳定性。

如下图所示，输入电压与输出电压成近似微分的关系，若输入电压为方波，且(RC<(T为方波的周期)，则输出为尖顶波)。

7. 对数运算电路

8. 指数运算电路

9.仪表放大器

仪表放大器具有高输入阻抗和高共模抑制比。

10.经典放大电路

该电路可提供偏置电压以及对输入信号交流成分放大。