集成運(yùn)放的(運(yùn)算放大器的基本知識)

1.運(yùn)算放大器的 基本知識

集成運(yùn)算放大器 一：零點(diǎn)漂移 零點(diǎn)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(diǎn)漂移是怎樣形成的： 運(yùn)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(diǎn)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(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時（由于一些原因使輸入級的Q點(diǎn)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(diǎn)漂移。

產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)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(shù)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(dāng)輸入信號Ui=0時，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)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(shù) 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(qiáng) （2）差模信號及差模電壓放大倍數(shù) 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(shù)等于單管電壓的放大倍數(shù)。

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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)它的一些指標(biāo) （1）靜態(tài)工作點(diǎn) 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(xué)習(xí)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(shù)為： （用第二章學(xué)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(shù)下降了很多（對零漂具有很強(qiáng)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(chǎn)生影響。

由于Re對差模信號不產(chǎn)生影響，故雙端輸出的差模放大倍數(shù)仍為單管放大倍數(shù)： （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(shù)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(yùn)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(shù)，一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。 4、輸出級：為了提高電路驅(qū)動負(fù)載的能力，一般采用互補(bǔ)對稱輸出級電路 四：集成運(yùn)放的性能指標(biāo) 1、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod 它是指集成運(yùn)放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。

2、最大輸出電壓 Uop-p 它是指一定電壓下，集成運(yùn)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(yùn)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(yùn)放在小信號輸出時的負(fù)載能力。

5、共模抑制比 CMRR 它放映了集成運(yùn)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(yùn)放作為一個完整的獨(dú)立的器件來對待。于是在分析、計(jì)算時我們用等效電路來代替集成運(yùn)放。

由于集成運(yùn)放主要用于頻率不高的場合，因此我們只學(xué)習(xí)低頻率時的等效電路。 。

2.集成運(yùn)放的工作原理

集成運(yùn)放的工作原理如下：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(shù)，經(jīng)輸出部分傳到負(fù)載。

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

補(bǔ)償端外接電容器或阻容電路，以防止工作時產(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。

集成運(yùn)算放大器（Integrated Operational Amplifier）簡稱集成運(yùn)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(yùn)算放大器計(jì)算

記住了，對于負(fù)反饋運(yùn)放電路，遵循“虛斷”和“虛短”兩個規(guī)則；

因?yàn)樘摂?，所以按?jié)點(diǎn)電壓法有：

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

因?yàn)樘摱?，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(shù)計(jì)算吧

4.集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用

基本應(yīng)用

1、差動輸入級 使運(yùn)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(yùn)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(hù)作用以免損壞集成塊。輸出級一般為互補(bǔ)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(diǎn)。為使工作點(diǎn)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(chǎn)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(yīng)考慮運(yùn)放的頻響特性和輸出幅度的限制。

2） 調(diào)零。為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前， 應(yīng)首先對直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時，可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器RW，用直流電壓表測量輸出電壓U0，細(xì)心調(diào)節(jié)RW，使U0為零（即失調(diào)電壓為零）。如運(yùn)放沒有調(diào)零端子，若要調(diào)零，可按圖7-7所示電路進(jìn)行調(diào)零。

一個運(yùn)放如不能調(diào)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(fù)反饋不夠強(qiáng)（RF/R1 太大），為此可將RF短路，觀察是否能調(diào)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(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。④組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。⑤組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。

3） 消振。一個集成運(yùn)放自激時，表現(xiàn)為即使輸入信號為零， 亦會有輸出，使各種運(yùn)算功能無法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時還會損壞器件。在實(shí)驗(yàn)中，可用示波器監(jiān)視輸出波形。為消除運(yùn)放的自激，常采用如下措施

①若運(yùn)放有相位補(bǔ)償端子，可利用外接RC補(bǔ)償電路，產(chǎn)品手冊中有補(bǔ)償電路及元件參數(shù)提供。②電路布線、元、器件布局應(yīng)盡量減少分布電容。③在正、負(fù)電源進(jìn)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(lián)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(chǔ)學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)集成電路應(yīng)用知識比學(xué)習(xí)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(zhì)、三極管基本放大電路的特性、負(fù)反饋的概念，就可以開始學(xué)習(xí)模擬集成電路的基本知識，主要是運(yùn)放的基本性質(zhì)與電路；掌握2進(jìn)制、16進(jìn)制、與、或、非等基本的邏輯概念與運(yùn)算法則，你就踏入數(shù)字集成電路的大門了。

初學(xué)者學(xué)習(xí)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(yīng)用的關(guān)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(shí)驗(yàn)，才能事半功倍地掌握知識，我始終強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：工科是實(shí)踐的學(xué)科，紙上談兵無用。

6.集成運(yùn)算放大器構(gòu)成基本運(yùn)算電路的方法

運(yùn)算放大器（簡稱“運(yùn)放”）的作用是調(diào)節(jié)和放大模擬信號。

常見的應(yīng)用包括數(shù)字示波器和自動測試裝置、視頻和圖像計(jì)算機(jī)板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設(shè)備、航行器用顯示器和航空運(yùn)輸控制系統(tǒng)、汽車傳感器、計(jì)算機(jī)工作站和無線基站。 理想的運(yùn)放 理想的運(yùn)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(fù)反饋可以產(chǎn)生兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)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(jīng)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(fù)反饋還可以提供穩(wěn)定、無失真的輸出電壓。 電壓反饋（VFB）運(yùn)放 電壓反饋運(yùn)放與前文介紹的理想運(yùn)放一樣，它們的輸出電壓是兩個輸入端之間電壓差的函數(shù)。

為設(shè)計(jì)用途，電壓反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)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(fù)反饋可以改變AVOL的大小。

對高精度放大器來說，無反饋運(yùn)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(yùn)放。

AVOL的范圍很大，在數(shù)據(jù)表中它通常以最小/最大值給出。AVOL還隨著電壓電平、負(fù)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(jì)。

當(dāng)運(yùn)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(yùn)算放大器（簡稱“運(yùn)放”）的作用是調(diào)節(jié)和放大模擬信號。常見的應(yīng)用包括數(shù)字示波器和自動測試裝置、視頻和圖像計(jì)算機(jī)板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設(shè)備、航行器用顯示器和航空運(yùn)輸控制系統(tǒng)、汽車傳感器、計(jì)算機(jī)工作站和無線基站。

理想的運(yùn)放 理想的運(yùn)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(fù)反饋可以產(chǎn)生兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)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(jīng)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(fù)反饋還可以提供穩(wěn)定、無失真的輸出電壓。

電壓反饋（VFB）運(yùn)放 電壓反饋運(yùn)放與前文介紹的理想運(yùn)放一樣，它們的輸出電壓是兩個輸入端之間電壓差的函數(shù)。為設(shè)計(jì)用途，電壓反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)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(fù)反饋可以改變AVOL的大小。對高精度放大器來說，無反饋運(yùn)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(yùn)放。 AVOL的范圍很大，在數(shù)據(jù)表中它通常以最小/最大值給出。

AVOL還隨著電壓電平、負(fù)載和溫度的變化而變化，但這些影響都很小，通?？梢院雎圆挥?jì)。 當(dāng)運(yùn)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(chǎn)生的增益，它是電路設(shè)計(jì)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(dá)式，它們被廣泛用在于反相和同相運(yùn)放配置中。 圖2：反相放大器（a）和非反相放大器（b）是兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)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(yùn)放中的噪聲源增益，它反映了放大器的輸入失調(diào)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?yàn)樗挥脕泶_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(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)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(yùn)放的頻率響應(yīng)。 電壓反饋運(yùn)放的增益帶寬積 理想運(yùn)放的增益和帶寬都是無限大的。

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

對數(shù)響應(yīng)曲線（波特圖）給出 了電壓反饋運(yùn)放的增益隨頻率的變化關(guān)系，并有助于解釋GBW。從直流到由反饋環(huán)路的主極點(diǎn)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(yīng)。

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(yùn)放的這種特性使電路設(shè)計(jì)工程師可在帶寬和增益之間進(jìn)行折衷。

在一個波特圖中畫出運(yùn)放的開環(huán)增益和噪聲增益曲線，兩者的交叉點(diǎn)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(diǎn)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(shí)上，噪聲增益漸近地逼近開環(huán)增益。漸近響應(yīng)和真實(shí)響應(yīng)在fCL上下各一個倍程上之差將為1dB。

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

因此，與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放輸入和輸出之間。