什么是集成運(yùn)放？采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的應(yīng)用電路分析

1. 什么是集成運(yùn)放

全稱(chēng)為：集成運(yùn)算放大器

我們拆解來(lái)看：

集成：將電路封裝，留出接口，使其模塊化，便于移植。

運(yùn)算：這里涉及到的是一些數(shù)學(xué)運(yùn)算，不過(guò)這里的運(yùn)算對(duì)象不是簡(jiǎn)單的數(shù)字，而是電參量，是對(duì)電參量進(jìn)行了加減乘除、積分、微分等計(jì)算。

放大器：就是把電參量進(jìn)行放大，比如把電壓從1V放大至5V。

總的來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)內(nèi)部元器件的電參量關(guān)系將電參量進(jìn)行運(yùn)算，達(dá)到放大的目的。

2. 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性

集成運(yùn)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(yùn)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(rèn)為集成運(yùn)放是一個(gè)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(yùn)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(xiàn)稱(chēng)為 電壓傳輸特性 ，即：UO=f(UP-UN)。對(duì)于正、負(fù)兩路電源供電即 雙電源供電的集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 如圖4.1.2(b)所示。從圖示曲線(xiàn)可以看出，集成運(yùn)放有線(xiàn)性放大區(qū)域(稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū))和飽和區(qū)域(稱(chēng)為非線(xiàn)性區(qū))兩部分。在線(xiàn)性區(qū)，曲線(xiàn)的斜率為電壓放大倍數(shù);在非線(xiàn)性區(qū)，輸出電壓只有兩種可能的情況，+UOM或-UOM。

由于集成運(yùn)放放大的是差模信號(hào)，且沒(méi)有通過(guò)外電路引入反饋，故稱(chēng)其電壓放大倍數(shù)為差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，記作Aod，因而當(dāng)集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)有：uo= Aod(uP- uN)，通常Aod非常高，可達(dá)幾十萬(wàn)倍，因此 集成運(yùn)放電壓傳輸特性中的線(xiàn)性區(qū)非常之窄。

集成運(yùn)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(dāng)信號(hào)反向輸入時(shí)存在(即信號(hào)從負(fù)輸入端流進(jìn)，而正輸入端接地)

3. 比例運(yùn)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(diǎn)穩(wěn)定電路演變而來(lái)的，隨著溫度的變化，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q會(huì)發(fā)生偏移，即零漂，基本的差分放大電路如下圖所示：

2)對(duì)于共模輸入信號(hào)：當(dāng)U11和UI2大小相等，極性相同的時(shí)候，由于電路參數(shù)對(duì)稱(chēng)，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(shí)輸出電壓為0，說(shuō)明差分電路對(duì)于共模信號(hào)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(duì)于差模輸入信號(hào)：當(dāng)U11和UI2大小相等，極性相反的時(shí)候，由于電路參數(shù)對(duì)稱(chēng)，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(shí)輸出電壓為或者的2倍，說(shuō)明差分電路對(duì)于差模信號(hào)具有放大作用。

(4)正是由于差分放大電路對(duì)共模信號(hào)強(qiáng)大的抑制作用，所以差分放大電路通常被用于運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。

2、鏡像電流源

基本鏡像電流源電路如下圖所示：

3、互補(bǔ)輸出級(jí)

(1)直接耦合互補(bǔ)輸出級(jí)

在集成運(yùn)算放大器中的互補(bǔ)輸出級(jí)摒棄了輸出電容，如下圖所示，這種電路稱(chēng)為無(wú)輸出電容的功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)OCL電路。

在這種電路中，T1和T2的特性是對(duì)稱(chēng)的，采用了雙電源供電，靜態(tài)時(shí)，兩個(gè)晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓可以忽略不計(jì)，假定晶體管的基射極電壓忽略不計(jì)，輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)在正半軸時(shí)，晶體管T1導(dǎo)通，晶體管T2截止，此時(shí)正電源供電，電流輸出如實(shí)線(xiàn)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(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)半軸時(shí)，晶體管T2導(dǎo)通，晶體管T1截止，此時(shí)負(fù)電源供電，電流輸出如虛線(xiàn)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(jiàn)，電路中的兩個(gè)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(chēng)為“互補(bǔ)”工作方式。

(2)消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)

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(hào)，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(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使兩個(gè)晶體管均處在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)，如下圖所示。

值得注意的是，一旦靜態(tài)工作點(diǎn)失調(diào)，例如R2，D1，D2，任意一個(gè)元件虛焊，則會(huì)導(dǎo)致從+VCC經(jīng)過(guò)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(guò)，導(dǎo)致T1和T2兩個(gè)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(guò)大導(dǎo)致?lián)p壞。因此，通常在電路中的輸出回路中接入熔斷器來(lái)保護(hù)晶體管和負(fù)載。

4、運(yùn)算放大器概述

集成運(yùn)算放大器最初多用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算(如比例，積分，微分，求和，求差等等)，所以又被稱(chēng)為運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放，集成運(yùn)放電路由輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，如下圖所示。

(1)輸入級(jí)：又稱(chēng)為前置級(jí)，一般輸入級(jí)是一個(gè)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(hào)的能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小，由于輸入級(jí)的性能直接影響著集成運(yùn)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(guò)程中，輸入級(jí)的變化最大。

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

(3)輸出級(jí)：輸出級(jí)應(yīng)具有輸出電壓線(xiàn)性范圍寬，輸出電阻小(即帶負(fù)載能力強(qiáng))，非線(xiàn)性失真小等特點(diǎn)。集成運(yùn)放的輸出級(jí)多采用互補(bǔ)輸出電路。

(4)偏置電路：偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用電流源電路為各級(jí)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(diǎn)。

5、運(yùn)算放大器的應(yīng)用

常用的運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路常見(jiàn)的有比例運(yùn)算電路，加減運(yùn)算電路，積分運(yùn)算電路，微分運(yùn)算電路，對(duì)數(shù)運(yùn)算單路，指數(shù)運(yùn)算電路，通過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路又可以設(shè)計(jì)出模擬乘法器和模擬除法器，除了搭建模擬信號(hào)的運(yùn)算電路，還可以組成有源濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率分量的提取。

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

注意：分析運(yùn)算放大電路最基本的兩個(gè)點(diǎn)就是“虛斷”和“虛短”兩個(gè)特性。