硬件基础之集成运放

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（可达甚至）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  与输入电压（同相输入端与反相输入端的电位差）（）之间的关系曲线称为电压传输特性，即：

        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：

，其中  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，要么，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，，无穷大，得出：

 ，得出：

，即输入端“虚短”。

“虚断”

 对于理想运放，输入电压  无穷大，，得出：

 ，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 很大，导致线性区非常窄，无法应用到运算电路中，比如：

，供电电压正负10V，只有当时，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