集成運(yùn)算放大器具有哪些特點(diǎn)及主要起到什么作用？

集成運(yùn)算放大器(Integrated Operational Amplifier)簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。自從1964年美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司研制出第一個(gè)單片集成運(yùn)算放大器μA702以來，集成運(yùn)算放大器得到了廣泛的應(yīng)用，它已成為線性集成電路中品種和數(shù)量最多的一類。國(guó)標(biāo)統(tǒng)一命名法規(guī)定，集成運(yùn)算放大器各個(gè)品種的型號(hào)有字母和阿拉伯?dāng)?shù)字兩大部分組成。字母在首部，統(tǒng)一采用CF兩個(gè)字母，C表示國(guó)標(biāo)，F(xiàn)表示線性放大器，其后的數(shù)字表示集成運(yùn)算放大器的類型。它的增益高(可達(dá)60~180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，共模抑制比高(60~170dB)，失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時(shí)輸出電壓亦為零的特點(diǎn)，適用于正，負(fù)兩種極性信號(hào)的輸入和輸出。模擬集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型硅片制成，這種硅片是集成電路的基片?；峡梢宰龀霭袛?shù)十個(gè)或更多的BJT或FET、電阻和連接導(dǎo)線的電路。運(yùn)算放大器除具有+、-輸入端和輸出端外，還有+、-電源供電端、外接補(bǔ)償電路端、調(diào)零端、相位補(bǔ)償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環(huán)放大倍數(shù)取決于外接反饋電阻，這給使用帶來很大方便 。

組成編輯 播報(bào)集成運(yùn)算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器，主要由輸入、中間、輸出三部分組成。輸入部分是差動(dòng)放大電路，有同相和反相兩個(gè)輸入端;前者的電壓變化和輸出端的電壓變化方向一致，后者則相反。中間部分提供高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)輸出部分傳到負(fù)載。其中調(diào)零端外接電位器，用來調(diào)節(jié)使輸入端對(duì)地電壓為零(或某一預(yù)定值)時(shí)，輸出端對(duì)地電壓也為零(或另一個(gè)預(yù)定值)。補(bǔ)償端外接電容器或阻容電路，以防止工作時(shí)產(chǎn)生自激振蕩(有些集成運(yùn)算放大器不需要調(diào)零或補(bǔ)償)。供電電源通常接成對(duì)地為正或?qū)Φ貫樨?fù)的形式，而以地作為輸入、輸出和電源的公共端。

集成電路是利用氧化，光刻，擴(kuò)散，外延，蒸鋁等集成工藝，把晶體管，電阻，導(dǎo)線等集中制作在一小塊半導(dǎo)體(硅)基片上，構(gòu)成一個(gè)完整的電路。按功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，其中集成電路運(yùn)算放大器(線性集成電路，以下簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高增益的直接耦合多級(jí)放大電路。

集成電路的特點(diǎn)

1. 單個(gè)元件精度不高，受溫度影響也大，但元器件的性能參數(shù)比較一致，對(duì)稱性好。適合于組成差動(dòng)電路。

2. 阻值太高或太低的電阻不易制造，在集成電路中管子用得多而電阻用得少。

3. 大電容和電感不易制造，多級(jí)放大電路都用直接耦合。

4. 在集成電路中，為了不使工藝復(fù)雜，盡量采用單一類型的管子，元件種類也要少所以，集成電路在形式上和分立元件電路相比有很大的差別和特點(diǎn)。常用二極管和三極管組成的恒流源和電流源代替大的集電極電阻和提供微小的偏量電流，二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代替

5.在集成電路中，NPN管都做成縱向管，β大;PNP管都做成橫向管，β小而PN結(jié)耐壓高。NPN管和PNP管無法配對(duì)使用。對(duì)PNP管，β和(β+1)差別大，IB往往不能忽略。

優(yōu)點(diǎn)

高增益(可以配置較高的放大倍數(shù))

輸入阻抗高(對(duì)輸入信號(hào)影響小)

輸出阻抗低(對(duì)后級(jí)影響小)

共模抑制比較高，抗干擾能力強(qiáng)

1.1、當(dāng)工作在線性區(qū)

運(yùn)放器的放大倍數(shù)是一個(gè)很大的值，工作區(qū)指的是這個(gè)放大倍數(shù)有效的區(qū)域，因?yàn)橐粋€(gè)運(yùn)放器不可能無限放大(受限于供電電壓和自身組成的元器件特性)，所以放大后的輸出電壓有一定的范圍，所以不可能超過這個(gè)范圍，工作在這個(gè)范圍內(nèi)，放大倍數(shù)有效的區(qū)域叫做線性區(qū)，而輸出電壓觸及到最大范圍(此時(shí)放大倍數(shù)已失效，無論輸入輸出相差多大，電壓維持在最大值)，叫做非線性區(qū)。

兩個(gè)重要特點(diǎn)

虛短(理想運(yùn)放兩端輸入電壓近似相等，即U+ = U-，故有虛短(不是絕對(duì)的短路，所以有點(diǎn)虛)的意思)

我們知道運(yùn)放輸出有如下公式，

轉(zhuǎn)換得到如下公式，由于放大倍數(shù)很大，右邊接近為0，所以得到U+ = U-的結(jié)論，即為我們所說的虛短。

一種個(gè)人理解，雖然公式是這樣算，我們也可以一種感性的理解，由于運(yùn)放的放大倍數(shù)很大，要想處于非線性區(qū)(上面解釋線性區(qū)的時(shí)候說明了條件)，則要求運(yùn)放兩端輸入電壓壓差不能相差太大，所以就能得到U+約等于 U-，也就是虛短了。

虛斷(理想運(yùn)放的輸入電流近似等于0，即 I+ = I- = 0)

由于運(yùn)放的輸入阻抗非常非常大，輸入電壓除以輸入阻抗則接近0，所以運(yùn)放器的兩端的輸入電流為0，就像斷開一樣，所以叫做虛斷。

1.2、當(dāng)工作在非線性區(qū)

此時(shí)輸出只有兩種可能：正最大、負(fù)最大。

其實(shí)可以當(dāng)做比較器(一般來說單純做比較器，成本會(huì)低些)，更常見的是不提供負(fù)電壓，則此時(shí)的情形是當(dāng)U+> U-時(shí)，輸出最大電壓(主要有運(yùn)放的供電電壓決定)，當(dāng)U+< U-，輸出0，這兩個(gè)一高一低的狀態(tài)，可以當(dāng)做邏輯狀態(tài)的1和0。

此時(shí)，仍滿足虛斷，但不滿足虛短(看看線性區(qū)與非線性區(qū)的說明即可)。

二、集成運(yùn)放器的應(yīng)用

2.1、反相比例運(yùn)算 ---- 輸出與輸入相位相反(即方向相反，負(fù)變正，正變負(fù))，大小成比例(放大或縮小)

反相比例運(yùn)算的原理圖如下，

得到輸出與輸入的關(guān)系如下(推導(dǎo)過程略)：其中負(fù)號(hào)體現(xiàn)了反相這一特性。

R1和Rf根據(jù)比例選取，R2一般是近似R1和Rf的并聯(lián)值，能夠增加電路的抗干擾能力。

注意： 工作在線性區(qū)，公式才有效。

應(yīng)用：很多設(shè)備(單片機(jī)等)都只能檢測(cè)到正壓，如果要檢測(cè)負(fù)壓，可以先通過該方法將負(fù)壓轉(zhuǎn)換成正壓，然后檢測(cè)。

2.2、同相比例運(yùn)算

電路原理圖如下：

得到輸出與輸入的關(guān)系如下(推導(dǎo)過程見-- 百度百科：同相比例運(yùn)算電路)：

R1和Rf根據(jù)比例選取，R2一般是近似R1和Rf的并聯(lián)值，能夠增加電路的抗干擾能力。

注意： 工作在線性區(qū)，公式才有效。

電壓跟隨器

此外，同相比例運(yùn)算有一個(gè)比較常用的形式：跟隨器。(詳細(xì)分析：電壓跟隨器的原理)

這種電路相當(dāng)于同相放大一倍，那這樣的電路存在的意義是什么?

存在即合理，電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以 “隔離”前后級(jí)之間的影響 ，此時(shí)也稱之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高(對(duì)輸入信號(hào)影響小)和輸出阻抗低(輸出電壓不易被輸出端的負(fù)載影響)之特點(diǎn)，在電路中起阻抗匹配的作用。

2.3、反相加法運(yùn)算

電路如下：

公式如下：

Ri1、Ri2和Rf根據(jù)比例選取，R2一般是近似Ri1、Ri2和Rf的并聯(lián)值，能夠增加電路的抗干擾能力。

注意： 工作在線性區(qū)，公式才有效。

2.4、減法運(yùn)算

得到如下公式：

當(dāng)R1=R2, R3=Rf時(shí)，得到如下公式：

2.5、積分運(yùn)算電路

電路如下：

得到輸出的公式：(由虛短虛斷和電容電流計(jì)算公式推導(dǎo))

當(dāng)輸入信號(hào)為直流時(shí)，可以得到

其中，t是有限范圍的，不然Uo就會(huì)是無窮大(最大能達(dá)到運(yùn)放的供電電壓，或正或負(fù))，t大過這個(gè)范圍，則保持最大值，范圍如下：

2.6、微分運(yùn)算電路

輸出公式如下：

2.7、電壓比較器

前面的電路，運(yùn)放都是工作在線性區(qū)，而電壓比較器就是工作在非線性區(qū)的一種情況。

構(gòu)成電壓比較器的電路的條件很簡(jiǎn)單：沒有負(fù)反饋回路。

輸出只有兩種結(jié)果，如下：(當(dāng)然，如果運(yùn)放的負(fù)電壓輸入端接地，即接入為0V時(shí)，下面的-Uo(sat)為0，這也是一種比較常見的形式，畢竟提供負(fù)電壓還是有些麻煩的)

輸出的結(jié)果有輸入兩端電壓決定，如下：

集成運(yùn)算放大器是一種特殊的電子器件，它可以實(shí)現(xiàn)高精度的放大，輸出更準(zhǔn)確的信號(hào)，具有低噪聲、穩(wěn)定性和高功率的特點(diǎn)。集成運(yùn)算放大器可以分為模擬集成運(yùn)算放大器、數(shù)字集成運(yùn)算放大器和混合集成運(yùn)算放大器三大類，可以用于實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的放大，并且具有較高的精度和較低的成本。

1. 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器具有低噪聲、穩(wěn)定性和高功率的特點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)高精度的放大，輸出更準(zhǔn)確的信號(hào)，以保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。另外，集成運(yùn)算放大器還具有靈活性和可靠性，可以根據(jù)用戶的要求來定制不同類型的器件。

2. 集成運(yùn)算放大器的分類

集成運(yùn)算放大器可以分為模擬集成運(yùn)算放大器、數(shù)字集成運(yùn)算放大器和混合集成運(yùn)算放大器三大類。模擬集成運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)模擬電路的放大，可以提供更多的控制參數(shù)，適用于模擬信號(hào)的頻率變化范圍較大的應(yīng)用場(chǎng)合;數(shù)字集成運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的放大，可以提供更多的精度和能量，適用于模擬信號(hào)的頻率變化范圍較小的應(yīng)用場(chǎng)合;混合集成運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電路的放大，可以提供更多的控制能力，適用于模擬信號(hào)的頻率變化范圍較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

3. 集成運(yùn)算放大器的作用

集成運(yùn)算放大器可以用于實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的放大，可以有效改善信號(hào)的精度和響應(yīng)速度，達(dá)到良好的信號(hào)質(zhì)量。此外，集成運(yùn)算放大器還具有較高的精度和較低的成本，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

結(jié)論：集成運(yùn)算放大器是一種特殊的電子器件，它可以實(shí)現(xiàn)高精度的放大，輸出更準(zhǔn)確的信號(hào)，具有低噪聲、穩(wěn)定性和高功率的特點(diǎn)。集成運(yùn)算放大器可以分為模擬集成運(yùn)算放大器、數(shù)字集成運(yùn)算放大器和混合集成運(yùn)算放大器三大類，可以用于實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的放大，并且具有較高的精度和較低的成本。集成運(yùn)算放大器可以有效改善信號(hào)的精度和響應(yīng)速度，達(dá)到良好的信號(hào)質(zhì)量。因此，集成運(yùn)算放大器是一種非常有用的電子器件，具有廣泛的應(yīng)用前景。