集成运放基本知识与应用

（1）集成运算放大器的特点

将一个具有特定功能的电子电路中的全部或绝大部分元器件制作在一个硅片上，做成一个独立的器件封装，即为集成电路。集成运算放大器具有体积小、质量轻、耗电省及可靠性高等优点。集成运算放大器还具有下列特点：因为硅片上不能制作大电容与电感，所以模拟集成电路内的电路均采用直接耦合的方式，差分放大电路是最基本的电路，电路中所需的大电容和电感一般采用外接方式；由于硅片上不宜制作高阻值电阻，所以模拟集成电路常以恒流源取代高阻值电阻；由于增加元器件并不增加制造工序，所以集成电路内部允许采用复杂的电路形式，以提高电路的性能；相邻元件具有良好的对称性，这对采用差分放大电路有利。

（2）集成运算放大器的发展概况

集成运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，它的应用十分广泛，且远远超出了运算的范围。常见的集成运算放大器的外形有圆形、扁平形、双列直插式等，引脚数目有8引脚及14引脚等，如图3-1所示。

图3-1 常见的集成运算放大器外形

自1964年FSC公司研制出第一块集成运算放大器μA702以来，发展飞速，相应产品已经历了四代的完善与变革。

第一代产品基本上沿用了分立元件放大电路的设计思想，构成以电流源为偏置电路的三级直接耦合放大电路，能满足一般应用的要求。典型产品有μA709和国产的FC3、F003及5G23等。

第二代产品普遍采用有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了明显提高，各方面的性能指标比较均衡，属于通用型运算放大器。典型产品有μA741和国产的BG303、BG305、BG308、BG312、FC4、F007、F324及5G24等。

第三代产品的输入级采用了超β管，β值在1000～5000，而且在版图设计方面考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流及温度漂移，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有AD508、MC1556和国产的F1556及F030等。

第四代产品采用了斩波稳零的动态稳零技术，使集成运算放大器的各项性能指标和参数更加理想化，一般情况下不需调零就能正常工作，大大提高了产品的精度。典型产品有HA2900、SN62088和国产的5G7650等。

（3）集成运算放大器内电路

集成运算放大器一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。以图3-2所示的简单的集成运算放大器内电路为例进行介绍。

1）输入级。由VT₁和VT₂组成，这是一个双端输入、单端输出的差分放大电路，VT₃是其发射极恒流源。输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求输入电阻较大。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，输入级都采用具有恒流源的差分放大电路，又称差动输入级。

2）中间级。由VT₃和VT₄组成。中间级通常是共发射极放大电路，其主要作用是提供足够大的电压放大倍数，故又称电压放大级。为提高电压放大倍数，有时采用恒流源代替集电极负载电阻R₃。

图3-2 简单的集成运算放大器内电路

3）输出级。主要作用是输出足够大的电流以满足负载的需要，要求输出电阻小，带负载能力强。输出级一般由射极输出器组成，更多的是采用互补对称推挽放大电路。输出级由VT₅和VT₆组成，这是一个射极输出器，R₆的作用是使直流电平移，即通过R₆对直流的降压，来实现零输入时的输出为零。VT₉用作VT₅发射极的恒流源负载。

4）偏置电路。主要作用是为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。VT₇～VT₉组成恒流源形式的偏置电路。VT₈的基极与集电极相连，使VT₈在临界饱和状态下工作，故仍有放大能力。由于VT₇～VT₉的基极电压及参数相同，因而VT₇～VT₉的电流相同。一般VT₇～VT₉的基极电流之和3I_B可忽略不计，于是有I_C7=I_C9=I_REF，其中I_REF=（U_CC+U_EE-U_BEQ）/R₃，当IREF确定后，I_C7和I_C9就成为恒流源。由于I_C7、I_C9与I_REF呈镜像关系，故称这种恒流源为镜像电流源。

集成运算放大器采用正、负电源供电。“+”为同相输入端，由此端输入信号，则输出信号与输入信号同相。“-”为反相输入端，由此端输入信号，则输出信号与输入信号反相。

（4）集成运算放大器的电路符号

集成运算放大器的电路符号如图3-3所示，图中“▷”表示信号的传输方向，“∞”表示放大倍数为理想条件。两个输入端中，“-”号表示反相输入端，电压用“u_-”表示；符号“+”表示同相输入端，电压用“u₊”表示。输出端的“+”号表示输出电压为正极性，输出电压用“u_o”表示。

图3-3 集成运算放大器的符号(www.xing528.com)

（5）集成运算放大器的主要参数

集成运算放大器的参数是评价运算放大器性能优劣的依据。为了正确地挑选和使用集成运算放大器，必须掌握各参数的含义。

1）差模电压增益A_ud。是指在标称电源电压和额定负载下，开环运用时对差模信号的电压放大倍数。A_ud是频率的函数，但通常给出的是直流开环增益。

2）共模电压增益A_uc。是指共模输出电压与共模输入电压之比，表示集成运算放大器对共模输入信号的放大能力。在集成运算放大器的输入级完全对称时，共模增益应趋于零。

3）共模抑制比K_CMRR。是指运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比。即，

K_CMRR=∣A_ud/A_uc∣ （3-1）

K_CMRR越大则说明放大器性能越好。

4）差模输入电阻r_id。是指运算放大器对差模信号所呈现的电阻，即运算放大器两输入端之间的电阻，它反映了输入端向差动信号源索取电流的能力。

5）输出电阻r_od。在开环条件下，运算放大器输出端等效为电压源时的等效动态内阻称为运算放大器的输出电阻。输出电阻r_od的理想值为零，实际值一般为100Ω～1kΩ。

此外，还有开环带宽、单位增益带宽、转换速率、最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电压及最大输出电流等参数。

（6）理想运算放大器的特点

一般情况下，我们把在电路中的集成运算放大器看作理想集成运算放大器。

1）理想运算放大器的主要性能指标

集成运算放大器的理想化性能指标是：开环电压放大倍数A_ud=∞；输入电阻r_id=∞；输出电阻r_od=0；共模抑制比K_CMRR=∞。

此外，放大器没有失调，没有失调温度漂移等问题。尽管理想运算放大器并不存在，但由于集成运算放大器的技术指标都比较接近于理想值，在具体分析时将其理想化是允许的，这种分析所带来的误差一般比较小，可以忽略不计。

2）“虚短”和“虚断”概念

对于理想的集成运算放大器，由于其A_ud=∞，因而若两个输入端之间加无穷小电压，则输出电压将超出其线性范围。因此，只有引入负反馈，才能保证理想集成运算放大器工作在线性区。理想集成运算放大器线性工作区的特点是存在着“虚短”和“虚断”两个概念。

虚短：当集成运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放大器的A_ud→∞，则u_id=u_od/A_ud≈0。由u_id=u₊-u_-≈0，得

u₊≈u_- （3-2）

即反相端与同相端的电压几乎相等，近似于短路又不是真正短路，我们将此现象称为虚短路，简称“虚短”。

另外，当同相端接地时，使u₊=0，则有u_-≈0。这说明同相端接地时，反相端电位接近于地电位，所以此时反相端称为“虚地”。

虚断：由于集成运算放大器的输入电阻r_id→∞，得两个输入端的电流i₊-i_-=0，这表明流入集成运算放大器同相端和反相端的电流几乎为零，所以称为虚断路，简称“虚断”。