集成运放电路概述

初步认识

概念

所谓集成运放电路 ,全称为 集成运算放大电路,为一种高电压放大倍数,高输入电阻,低输出电阻多级直接耦合放大电路

书上的语句简直不说人话,我简单理解一下:

  • 集成运算放大电路,就名字就可看出来ta有放大和运算(模拟信号的运算)的功能
  • 高电压放大倍数
  • 高输入电阻 ,我们希望输入电流非常小,还能得到非常不错的放大性能,所以我们需要输入电阻非常大,使其输入电流非常小
  • 低输出电阻,这里也可叫做输出高负载能力,也就是输出电流较大。
  • 多级耦合,有三级(输入极,中间级,输出极),采用直接耦合的方式组合。

集成运放电路的特点

  1. 硅片上不能制作大电容,所以集成运放电路采用直接耦合的方式
  2. 具有较好的对称性,对温度和其他干扰因素的变化趋势相同,所以集成放大电路中采用各种差动放大电路,作为输入极。
  3. 硅片上不适合采用高阻值电阻,所以采用有源元件(晶体管或者场效应管)代替高阻值电阻
  4. 采用复合管结构来改善性能

电路组成

组成

由四部分组成, 输出极,中间级,输入极,以及偏执电路。

有两个输入端(同相输入端up反相输入端,un)和一个输出端uo.

输入极

输入极为一个高性能的两端差动放大电路,要求输入电阻高,差模放大倍数高,静态电流小。

输入极是把输入的同相输入端up反相输入端,un 的差的一半作为输入,这就是差模输入,而共模输入就是两者之和的一般作为输入。

共模信号和差模信号这两个概念多用于差分电路如(差分放大电路),若1的电压为V1,2的电压为V2,则1和2的共模信号都为(V1+V2)/2,1的差模信号为(V1-V2)/2,2的差模信号为(V2-V1)/2

同相和反相是指和输出对比,相位是否相同

输入极要求抑制共模信号,介绍一个参数,共模抑制比KCMR,来衡量对共模信号的抑制,越大抑制能力越好。

中间级

中间级的作用是使 集成运算放大电路具有 较强的放大能力,多采用共射放大电路(反相放大)。为了提高电压的放大倍数,经常采用复合管作为放大管,以恒流源作为集电极负载。

输出极

输出电阻小,带负载能力强

偏置电路

偏置电路负责设置 上面三级的合适静态工作点。

性能指标

开环差模电压放大倍数 Aod

开环就是没有反馈电路

Aod 指在开路下的对差模电压的放大倍数。Aod=Δuo /Δ (up -un)。Aod非常大。

共模抑制比

共模抑制比KCMR,来衡量对共模信号的抑制,越大抑制能力越好

差模输入电阻 rid

rid 越大,运放信号获取的电流就越小。

其实还有其他的参数,这里就不多做介绍。

电压传输特性

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如上图,使关于差模信号和输出信号的特性曲线,同样也有线性区和饱和区(非线性区)。

线性区满足如下关系 uo =Aod(up -un), Aod 也就线性区的斜率,Aod非常大,所以线性区就非常

但是电压也没办法凭空无限增大,放大的电压都是由电源提供的,故正向最大 Uom ,反向最大为 - Uom

理想运放

为了方便分析,我们将集成放大电路理想化。而且在实际情况下,此电路和理想下的性能非常接近,误差不大。

理想下,个性能指标如下:

  • 差模输入电阻 rid = ∞
  • 开环差模电压放大倍数 Aod =∞
  • 共模抑制比 KCMR 无穷大
  • 输出电阻 ro =0

理想 集成运放在 线性区 的特点

虚短路

在线性区满足此等式 uo =Aod(up -un), 由于 Aod 无穷大,所以 up -un = uo /∞ =0----> up = un

在电路中啥时候两点电势相等呢----短路,在短路状态,两点直接被没有电阻的导线相连,所以两端电势相等。而对于现在情况,up = un 但是没有被真正的导线相连,所以叫虚短路

虚断路

由于up = un,差模电压作为输入,则净输入电压为0;并且输入电阻 rid 无穷大, Ip =IN=up/rid=0。没有电流相当断路,但是这里没有真正的断开,只是电流无限趋近于0,故称为虚断路

工作在线性区的电路特征

uo =Aod(up -un)

由于我们 Aod 无限大,即使在输入端(N,P)加上无限小的电压,则也会进入饱和区,输入电压uo不是 Uom 就是 -Uom .

为了集成运放电路工作在线性区,我们需要将 uo 通过反馈电路和 反相输入端uN 相连构成负反馈

我们可以通过 是否有负反馈电路来判断是否工作在线性区

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理想 集成运放电路 在饱和区 的特点

在电路中,如果集成运放电路没有反馈(开环状态)或者只有正反馈,那么ta工作在饱和区。

uo =Aod(up -un),斜率无穷大,那么电压传输特性曲线如下图

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那么 up>uN 输出uo 为UOM

那么 up<uN 输出uo 为-UOM

这里,不满足虚短路了,但是由于输入电阻无穷大,所以输入电流 Ip=IN=0,满足虚断路

集成运放电路的应用

我们其实就用上述的虚短路和虚断路来分析

等比例运算电路

反相比例运算电路

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如图,有负反馈电路,则工作在线性区。

由于虚断路,没有电流Ip 所以 R2 没有分压作用,从而 P点的电势up与相连的大地相同等于0,此现象又叫虚地

uP=uN=0

对N节点的电流进行分析: I1=IN+IF =IF

ui /R1 = (uN-uo)/RF

得出 uo = - RF /R1 * ui

uo 与 ui 成反相比例,- 就表示 成反相

Auf=- RF /R1

同相比例运算电路

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如图,有负反馈电路,则工作在线性区。

我们很容易认为 N端虚地,但这是错误的,因为I1 不为0,所以R1 会分压,两端电势不相同。

但是 虚断路还是存在的 IN =IP=0 ,所以 输入电压ui等于 up ,up=uN

又根据 N点的电流方程可得:

uN /R1 = (uO-uN)/RF

又 因为 up=uN =ui

所以 uo = (1+ RF /R1 ) ui*

称其为同相比例运算电路

Auf=1+ RF /R1

结语

根据虚断路和虚短路,外加N点的电流方程就可以分析出 比例运算电路,加法,积分等电路。

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Q.E.D.


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