硬件基础之集成运放

2023-11-19

一、技术理论

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、电阻和电容等元器件以及它们之间的连线所组成的电路制作在一起，使其具有特定功能的芯片。

2.集成运放

集成运放，全称集成运算放大器，是具有超高放大倍数（可达 $10^{5}$ 甚至 $10^{6}$ ）的集成电路。常用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等）。

3.集成运放构成

如下图，集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分构成。

①输入级

输入级又称前置级，通常是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求输入阻抗高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强，静态电流小，对整个集成运放的性能参数至关重要。

②中间级

中间级是集成运放的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（晶体管）（或共源（MOS管））放大电路，其电压放大倍数可达几千倍。

③输出级

输出级具有输出电压线性范围宽、输出阻抗小（即带载能力强）、非线性失真小等特点，通常采用互补输出电路。

④偏置电路

偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。

4.集成运放符号

5.集成运放特点

①开环差模放大倍数（增益）超级大

②差模输入电阻超级大

③输出电阻超级小

6.集成运放用途

7.集成运放常用封装

双路运放 - SOP8，DIP - 8

四路运放 - SOP14，DIP - 14

二、工作原理

1.电压传输特性

集成运放的输出电压 $U_{o}$ 与输入电压（同相输入端与反相输入端的电位差）（ $U_{p}-U_{n}$ ）之间的关系曲线称为电压传输特性，即：

$U_{o}=f(U_{p}-U_{n})$

对于正、负两路供电的集成运放，曲线如下：（双电源，单电源只有正半）

曲线分析：

线性区：

$U_{o}=A_{od}*(U_{p}-U_{n})$ ，其中 $A_{od}$ 为差模开环放大倍数，非常高，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 $U_{om}$ ，要么 $-U_{om}$ ，达到饱和，一般用于比较器。

2.“虚短”与“虚断”

“虚短”

对于理想运放，当工作在线性区时， $U_{o}=A_{od}*(U_{p}-U_{n})$ ， $A_{od}$ 无穷大，得出：

$U_{p}-U_{n}=\frac{U_{o}}{A_{od}}=0$ ，得出：

$U_{p}=U_{n}$ ，即输入端“虚短”。

“虚断”

对于理想运放，输入电压 $R_{i}$ 无穷大， $U_{p}-U_{n} = 0$ ，得出：

$I_{p}=I_{n}=\frac{U_{p}-U_{n}}{R_{i}}=0$ ，即输入端“虚断”。

利用“虚短”和“虚断”，计算出集成运算电路输出电压与输入电压的公式。

3.负反馈

从集成运放的电压传输特性可知，开环应用时，由于放大倍数 $A_{od}$ 很大，导致线性区非常窄，无法应用到运算电路中，比如：

$A_{od}=1000000$ ，供电电压正负10V，只有当 $\left | U_{p}-U_{n} \right |<10uV$ 时，电路才工作在线性区，而输入电压纹波，温度影响等都会超过10uV，电路无法使用。

所以为了解决上述问题，引入了负反馈，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，达到改善电路性能，稳定放大倍数的目的。

三、电压跟随器

1.理论分析图

四、反向求和运算电路

五、I-V转换电路

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