集成运算放大器及其基本电路

5．1．1　集成运算放大器及其基本电路

1）集成运算放大器的组成和种类

早期的运算放大器由二极管、晶体管、电阻、电容等分立元件组成，用于完成模拟信号的比例放大，加、减、乘、除、积分、微分等运算，故称运算放大器。后来，随着集成电路的出现和发展，上述电路各个元件及彼此间的连线被一起制造在一块半导体芯片上，并封装成金属圆壳或塑料、陶瓷双列直插式构件（见图5．1），成为通用的模拟集成电路功能元件。

图5．1　集成运放外形和图形符号

这种集成运算放大器（简称集成运放）的组成通常分为四部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路。输入级采用差动放大电路（能有效地放大差模信号，抑制共模信号，抑制零漂，有较高的输入电阻）；中间级采用多级共发射极放大电路，以获得较高的电压放大倍数；输出级常为射极输出或互补对称电路，使具有较小的输出阻抗与足够大的输出功率；偏置电路为各级提供合适的静态工作点。

集成运放种类很多，一般分为通用型和特殊型。特殊型用于某种性能指标要求特别高的场合，如高精度型、高阻抗型、高速度型等。在应用集成运放时，需要知道各个引脚的用途及放大器的主要参数。图5．2是两种封装形式的集成运放的引脚排列图，其中：IN_＋（3脚）为同相输入端；IN_－（2脚）为反相输入端；OA1、OA2（1脚、5脚）为外接调零电位器端；OUT（6脚）为输出端；V_＋（7脚）为正电源端，V_－（4脚）为负电源端；8脚为空脚。

图5．2　集成运放的线性放大器工况

集成运放的图形符号如图5．1（c）所示。

2）集成运放的线性工作状态

集成运放在开环工作时，往往因太大的电压放大倍数，使输出处于饱和状态。而用做放大器的线性工作情况，集成运放均带有深度负反馈。其工作原理如图5．2所示。根据反馈控制理论，输出与输入之间的关系是：

式中：A（s）为集成运放开环传递函数；F（s）为反馈网络传递函数；X_o（s）、X_i（s）分别为输出、输入的拉普拉斯变换式。

误差为：

因为集成运放的开环静态放大倍数很大，A₀＝｜A（s）｜_s＝0可达10⁵～10⁷以上，故当引入深度负反馈后总能满足｜A（s）F（s）｜》1，于是输入、输出关系变为：

稳态误差为：

当为阶跃输入时e_ss会变得很小，甚至为0。

因此，在带有深度负反馈的集成运放线性工作状态下，基本集成运放的差动电压输入应接近于0，即两个输入端IN＋、IN－的电位十分接近，如同短路一样，但不是真正的短路，故称为虚短状态。同时，由于基本集成运放输入端的阻抗很大，从几百千欧到几万兆欧，故基本运放中流过输入端IN＋、IN－的电流会很小，甚至接近于0，如同断路一样，但又不是真正的断路，故称虚断。

因此，带有深度负反馈的集成运放，其输出、输入的关系只与反馈传递函数F（s）有关（见（式5．3）），而与基本集成运放的A（s）几乎无关。基本集成运放本身的非线性误差被有效抑制，运放输入端的工作状态处在虚短和虚断的状态。

3）基本放大电路

工作在线性状态的集成运放放大电路有比例运算、加法运算、积分运算和微分运算等电路。

（1）比例运算放大电路

放大电路按信号从IN_＋、IN_－或双端输入而分为同相、反相、差动比例放大三种，如图5．3所示。

图5．3　比例运算放大电路

①同相比例放大。如图5．3（a）所示。根据集成运放线性工作状态特性和虚断概念可知，i＝0，故结点m对参考地的电压为：

式中：F₀为反馈系数，

由（式5．3）可知：

或用虚短概念Vo，得式（5．6）结果。

②反相比例放大。如图5．3所示，据虚断概念，i＝0；又据虚短概念，结点的对地电位等于IN_＋端电位，故V_m＝0，即m点为虚地，因此：

③差动输入比例放大。如图5．3（c）所示，采用叠加原理：

式中：

若R₁＝R2，R₃＝R_f（符合电路平衡），则

④电压跟随器。如图5．4所示，为同相输入的特例。根据式（5．6），当R_f＝1，R₁＝∞时，得V_o＝V_i。该电路用于匹配阻抗（提高电路输入阻抗，减小输出阻抗），以提高带负荷的能力。

图5．4　电压跟随器

图5．5　加法运算电路

（2）加法运算

加法运算电路如图5．5所示。本电路用于诸信号的相加。

若令R₁＝R₂＝…＝R_n＝R_f，则可表示为：

即输出电压为诸输入信号电压的代数和，但相位相反。使用这种加法器时，各输入信号应有一个公共接地点，以避免信号之间互相干扰。

（3）积分运算和微分运算电路

积分运算电路如图5．6（a）所示，它与反相运算的差别仅是反馈电阻R_f改用反馈电容C_f。如用复阻抗表示反馈阻抗，则电容C的复阻抗为1／（C_fs），这样，输入、输出的关系可表示为：

或

式中：RC_f为积分时间常数。

图5．6　积分运算与微分运算电路

微分运算电路如图5．6（b）所示。如用复阻抗表示输入端阻抗，并应用虚地概念，则

式中：R_fC和RC均为时间常数。

写成时间函数形式：

图5．7为积分运算和微分运算电路的输入、输出时间响应曲线。

图5．7　积分运算与微分运算响应曲线