集成運放的(運算放大器的基本知識)

1.運算放大器的 基本知識

集成運算放大器 一：零點漂移 零點漂移可描述為：輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化。

它又被簡稱為：零漂 零點漂移是怎樣形成的： 運算放大器均是采用直接耦合的方式，我們知道直接耦合式放大電路的各級的Q點是相互影響的，由于各級的放大作用，第一級的微弱變化，會使輸出級產生很大的變化。當輸入短路時（由于一些原因使輸入級的Q點發(fā)生微弱變化 象：溫度），輸出將隨時間緩慢變化，這樣就形成了零點漂移。

產生零漂的原因是：晶體三極管的參數受溫度的影響。解決零漂最有效的措施是：采用差動電路。

二：差動放大電路 1、差動放大電路的基本形式 如圖（1）所示 基本形式對電路的要求是：兩個電路的參數完全對稱兩個管子的溫度特性也完全對稱。 它的工作原理是：當輸入信號Ui=0時，則兩管的電流相等，兩管的集點極電位也相等，所以輸出電壓Uo=UC1-UC2=0。

溫度上升時，兩管電流均增加，則集電極電位均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩管的電流和電壓變化量均相等，其輸出電壓仍然為零。 它的放大作用（輸入信號有兩種類型） （1）共模信號及共模電壓的放大倍數 Auc 共模信號---在差動放大管T1和T2的基極接入幅度相等、極性相同的信號。

如圖（2）所示 共模信號的作用，對兩管的作用是同向的，將引起兩管電流同量的增加，集電極電位也同量減小，因此兩管集電極輸出共模電壓Uoc為零。因此：。

于是差動電路對稱時，對共模信號的抑制能力強 （2）差模信號及差模電壓放大倍數 Aud 差模信號---在差動放大管T1和T2的基極分別加入幅度相等而極性相反的信號。如圖（3）所示 差模信號的作用，由于信號的極性相反，因此T1管集電極電壓下降，T2管的集電極電壓上升，且二者的變化量的絕對值相等，因此： 此時的兩管基極的信號為： 所以：，由此我們可以看出差動電路的差模電壓放大倍數等于單管電壓的放大倍數。

基本差動電路存在如下問題： 電路難于絕對對稱，因此輸出仍然存在零漂；管子沒有采取消除零漂的措施，有時會使電路失去放大能力；它要對地輸出，此時的零漂與單管放大電路一樣。 為此我們要學習另一種差動放大電路------長尾式差動放大電路 2：長尾式差動放大電路 它又被稱為射極耦合差動放大電路，如右圖所示：圖中的兩個管子通過射極電阻Re和Uee耦合。

下面我們來學習它的一些指標 （1）靜態(tài)工作點 靜態(tài)時，輸入短路，由于流過電阻Re的電流為IE1和IE2之和，且電路對稱，IE1=IE2， 因此： （2）對共模信號的抑制作用 在這里我們只學習共模信號對長尾電路中的Re的作用。由于是同向變化的，因此流過Re的共模信號電流是Ie1+Ie2=2Ie，對每一管來說，可視為在射極接入電阻為2Re。

它的共模放大倍數為： （用第二章學的方法求得） 由此式我們可以看出Re的接入，使每管的共模放大倍數下降了很多（對零漂具有很強的抑制作用） （3）對差模信號的放大作用 差模信號引起兩管電流的反向變化（一管電流上升，一管電流下降），流過射極電阻Re的差模電流為Ie1-Ie2，由于電路對稱，所以流過Re的差模電流為零，Re上的差模信號電壓也為零，因此射極視為地電位，此處“地”稱為“虛地”。因此差模信號時，Re不產生影響。

由于Re對差模信號不產生影響，故雙端輸出的差模放大倍數仍為單管放大倍數： （4）共模抑制比（CMRR） 我們一般用共模抑制比來衡量差動放大電路性能的優(yōu)劣。CMRR定義如下： 它的值越大，表明電路對共模信號的抑制能力越好。

有時還用對數的形式表示共模抑制比，即：，其中為差模增益。CMR的單位為：分貝 （dB） (5)一般輸入信號情況 如果差動電路的輸入信號，即不是共模也不是差模信號時：我們要把輸入信號分解為一對共模信號和一對差模信號，它們共同作用在差動電路的輸入端。

例1：如右圖所示電路，已知差模增益為48dB，共模抑制比為67dB,Ui1=5V,Ui2=5.01V， 試求輸出電壓Uo 解：∵=48dB，∴Aud≈-251， 又∵CMR=67dB ∴CMRR≈2239 ∴Auc=Aud/CMRR≈0.11 則輸出電壓為： 三：集成運放的組成 它由四部分組成： 1、偏置電路； 2、輸入級：為了抑制零漂，采用差動放大電路 3、中間級：為了提高放大倍數，一般采用有源負載的共射放大電路。 4、輸出級：為了提高電路驅動負載的能力，一般采用互補對稱輸出級電路 四：集成運放的性能指標 1、開環(huán)差模電壓放大倍數 Aod 它是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數。

2、最大輸出電壓 Uop-p 它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。 3、差模輸入電阻rid 它的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。

要求它愈大愈好。 4、輸出電阻 rO 它的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。

5、共模抑制比 CMRR 它放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好。

五：低頻等效電路 在電路中集成運放作為一個完整的獨立的器件來對待。于是在分析、計算時我們用等效電路來代替集成運放。

由于集成運放主要用于頻率不高的場合，因此我們只學習低頻率時的等效電路。 。

2.集成運放的工作原理

集成運放的工作原理如下：集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數的直接耦合放大器，主要由輸入、中間、輸出三部分組成。

輸入部分是差動放大電路，有同相和反相兩個輸入端；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，經輸出部分傳到負載。

它的引出端子和功能如圖所示。其中調零端外接電位器，用來調節(jié)使輸入端對地電壓為零（或某一預定值）時，輸出端對地電壓也為零（或另一個預定值）。

補償端外接電容器或阻容電路，以防止工作時產生自激振蕩（有些集成運算放大器不需要調零或補償）。供電電源通常接成對地為正或對地為負的形式，而以地作為輸入、輸出和電源的公共端。

集成運算放大器（Integrated Operational Amplifier）簡稱集成運放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。

3.集成運算放大器計算

記住了，對于負反饋運放電路，遵循“虛斷”和“虛短”兩個規(guī)則；

因為虛斷，所以按節(jié)點電壓法有：

Vn*(1/R1+1/R2+1/Rf) - Ui1/R1 - Ui2/R2 = Uo/Rf;

因為虛短，即：Vn = Vp（虛短）；而 Vp = Ui3;

所以有： （Ui1-Vn）/R1 + (Ui2-Vn)/R2 = (Vn-Uo)/Rf;

Uo = Rf*[ Ui3*(1/R1+1/R2+1/Rf) - Ui1/R1 - Ui2/R2 ];

同理；

Vp = Ui2*R2/(R1+R2);

Vn*(1/R1+1/R2) - Ui1/R1 = Uo/R2;

好了，自己去代入具體參數計算吧

4.集成運算放大器基本應用

基本應用

1、差動輸入級 使運放具有盡可能高的輸入電阻及共模抑制比。

2、中間放大級 由多級直接耦合放大器組成，以獲得足夠高的電壓增益。

3、輸出級 可使運放具有一定幅度的輸出電壓、輸出電流和盡可能小的輸出電阻。在輸出過載時有自動保護作用以免損壞集成塊。輸出級一般為互補對稱推挽電路。 4、偏置電路 為各級電路提供合適的靜態(tài)工作點。為使工作點穩(wěn)定，一般采用恒流源偏置電路。

需要注意的問題（也有誤差產生的原因）：

1） 輸入信號選用交、直流量均可， 但在選取信號的頻率和幅度時，應考慮運放的頻響特性和輸出幅度的限制。

2） 調零。為提高運算精度，在運算前， 應首先對直流輸出電位進行調零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當運放有外接調零端子時，可按組件要求接入調零電位器RW，調零時，將輸入端接地，調零端接入電位器RW，用直流電壓表測量輸出電壓U0，細心調節(jié)RW，使U0為零（即失調電壓為零）。如運放沒有調零端子，若要調零，可按圖7-7所示電路進行調零。

一個運放如不能調零，大致有如下原因：① 組件正常，接線有錯誤。② 組件正常，但負反饋不夠強（RF/R1 太大），為此可將RF短路，觀察是否能調零。③ 組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現自鎖現象，因而不能調零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復正常，則屬于這種情況。④組件正常，但電路有自激現象，應進行消振。⑤組件內部損壞，應更換好的集成塊。

3） 消振。一個集成運放自激時，表現為即使輸入信號為零， 亦會有輸出，使各種運算功能無法實現，嚴重時還會損壞器件。在實驗中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消除運放的自激，常采用如下措施

①若運放有相位補償端子，可利用外接RC補償電路，產品手冊中有補償電路及元件參數提供。②電路布線、元、器件布局應盡量減少分布電容。③在正、負電源進線與地之間接上幾十μF的電解電容和0.01~0.1μF 的陶瓷電容相并聯以減小電源引線的影響。

具體誤差原因請參考論文：

5.集成電路基礎學習

學習集成電路應用知識比學習分立元件組成的電路簡單的多，你只要掌握二極管、三極管的基本性質、三極管基本放大電路的特性、負反饋的概念，就可以開始學習模擬集成電路的基本知識，主要是運放的基本性質與電路；掌握2進制、16進制、與、或、非等基本的邏輯概念與運算法則，你就踏入數字集成電路的大門了。

初學者學習電子電路最重要的是不要糾纏在弄懂原理上，記住基本電路和器件的特性才是應用的關鍵，隨著知識的積累會有豁然開朗的一天。要創(chuàng)造條件動手搭建電路，只有動手實驗，才能事半功倍地掌握知識，我始終強調一點：工科是實踐的學科，紙上談兵無用。

6.集成運算放大器構成基本運算電路的方法

運算放大器（簡稱“運放”）的作用是調節(jié)和放大模擬信號。

常見的應用包括數字示波器和自動測試裝置、視頻和圖像計算機板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設備、航行器用顯示器和航空運輸控制系統(tǒng)、汽車傳感器、計算機工作站和無線基站。 理想的運放 理想的運放如圖1所示。

通過電阻元件（或者更普遍地通過阻抗元件）施加的負反饋可以產生兩種經典的閉環(huán)運放配置中的任何一種：反相放大器（圖2）和非反相放大器（圖3）。這些配置中的閉環(huán)增益的經典等式顯示，放大器的增益基本上只取決于反饋元件。

另外，負反饋還可以提供穩(wěn)定、無失真的輸出電壓。 電壓反饋（VFB）運放 電壓反饋運放與前文介紹的理想運放一樣，它們的輸出電壓是兩個輸入端之間電壓差的函數。

為設計用途，電壓反饋運放的數據表定義5種不同的增益：開環(huán)增益（AVOL）、閉環(huán)增益、信號增益、噪聲增益和環(huán)路增益。 負反饋可以改變AVOL的大小。

對高精度放大器來說，無反饋運放的AVOL值非常大，約為160dB或更高（電壓增益為10,000或更高）。圖1：理想的運放。

AVOL的范圍很大，在數據表中它通常以最小/最大值給出。AVOL還隨著電壓電平、負載和溫度的變化而變化，但這些影響都很小，通常可以忽略不計。

當運放的反饋環(huán)路閉合時，它可以提供小于AVOL的閉環(huán)增益。閉環(huán)增益有信號增益和噪聲增益兩種形式。

運算放大器（簡稱“運放”）的作用是調節(jié)和放大模擬信號。常見的應用包括數字示波器和自動測試裝置、視頻和圖像計算機板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設備、航行器用顯示器和航空運輸控制系統(tǒng)、汽車傳感器、計算機工作站和無線基站。

理想的運放 理想的運放如圖1所示。通過電阻元件（或者更普遍地通過阻抗元件）施加的負反饋可以產生兩種經典的閉環(huán)運放配置中的任何一種：反相放大器（圖2）和非反相放大器（圖3）。

這些配置中的閉環(huán)增益的經典等式顯示，放大器的增益基本上只取決于反饋元件。另外，負反饋還可以提供穩(wěn)定、無失真的輸出電壓。

電壓反饋（VFB）運放 電壓反饋運放與前文介紹的理想運放一樣，它們的輸出電壓是兩個輸入端之間電壓差的函數。為設計用途，電壓反饋運放的數據表定義5種不同的增益：開環(huán)增益（AVOL）、閉環(huán)增益、信號增益、噪聲增益和環(huán)路增益。

負反饋可以改變AVOL的大小。對高精度放大器來說，無反饋運放的AVOL值非常大，約為160dB或更高（電壓增益為10,000或更高）。

圖1：理想的運放。 AVOL的范圍很大，在數據表中它通常以最小/最大值給出。

AVOL還隨著電壓電平、負載和溫度的變化而變化，但這些影響都很小，通?？梢院雎圆挥?。 當運放的反饋環(huán)路閉合時，它可以提供小于AVOL的閉環(huán)增益。

閉環(huán)增益有信號增益和噪聲增益兩種形式。 信號增益（A）指輸入信號通過放大器產生的增益，它是電路設計中頭等重要的增益。

下面給出了電壓反饋電路中信號增益的兩個最常見的表達式，它們被廣泛用在于反相和同相運放配置中。 圖2：反相放大器（a）和非反相放大器（b）是兩種經典的閉環(huán)運放配置。

對于反相放大器，A = -Rfb/Rin 對于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin 其中，Rfb是反饋電阻，Rin是輸入電阻。 噪聲增益指運放中的噪聲源增益，它反映了放大器的輸入失調電壓和電壓噪聲對輸出的影響。

噪聲增益的等式與上述同相放大器的信號增益等式相同。噪聲增益非常重要，因為它被用來確定電路穩(wěn)定性。

另外，噪聲增益還是在波特圖中使用的閉環(huán)增益，波特圖可以向電路設計工程師提供放大器的最大帶寬和穩(wěn)定性信息。環(huán)路增益等于開環(huán)增益與閉環(huán)增益之差，或者等于輸入信號通過放大器并由反饋網絡返回至輸入端的總增益。

圖3:(a)波特圖上的開環(huán)增益和噪聲增益曲線；（b）電流反饋運放的頻率響應。 電壓反饋運放的增益帶寬積 理想運放的增益和帶寬都是無限大的。

最常見的真實運放采用電壓反饋，這種運放的增益和頻率在被稱為“增益帶寬積（GBW）”的特性中是有關系的。電壓反饋運放中的這種關系允許電路設計工程師通過控制反饋電阻（或者阻抗），在帶寬和增益之間進行折衷。

對數響應曲線（波特圖）給出 了電壓反饋運放的增益隨頻率的變化關系，并有助于解釋GBW。從直流到由反饋環(huán)路的主極點決定的頻率之間，增益是恒定不變的。

在該頻率之上，增益以6dB/8倍程或20dB/10倍程的速率衰減。這稱為單極或者一階響應。

6dB/8倍程的衰減速率意味著如果頻率升高一倍，增益就會減半。電壓反饋運放的這種特性使電路設計工程師可在帶寬和增益之間進行折衷。

在一個波特圖中畫出運放的開環(huán)增益和噪聲增益曲線，兩者的交叉點決定了最大帶寬或放大器的閉環(huán)頻率（fCL）（圖4）。這兩條曲線的交叉點在波特圖增益軸（縱軸）上處于比最大增益小3dB的位置上。

事實上，噪聲增益漸近地逼近開環(huán)增益。漸近響應和真實響應在fCL上下各一個倍程上之差將為1dB。

圖4:(a)運放的輸入失調電壓；（b）運放的輸入偏置電流。 電流反饋（CFB）運放 在電流反饋運放中，開環(huán)響應是輸出電壓對輸入電流的響應。

因此，與電壓反饋運放不同，電流反饋運放輸入和輸出之間。