電子技術(shù)基礎(chǔ)——集成運算放大器
一、集成運算放大器簡介
集成運算放大器是具有高的開環(huán)放大倍數(shù)和深度負反饋的直接耦合放大器，運算放大器可以完成加減、微積分、乘除等運算，所以稱為運算放大器。
二、集成運算放大器的基本電路
集成運算放大器內(nèi)部的多極基本放大電路由四部分組成(圖1-2-9):輸入極、中間極、輸出極和偏置電路。其中：輸入極：是決定集成運算放大器性能關(guān)鍵的一級，要求它的零點漂移少，輸入電阻高，所以都采用差分放大電路。
中間極：是將輸入極輸出的信號電壓加以放大，一般是由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。
輸出極：輸出級直接與負載相連，所以這一級要求有足夠的電壓放大幅度和輸出功率，滿足負載的需要。同時要求輸出電阻小，帶負載能力強。一般由互補對稱電路或射極輸出器組成。
偏置電路的作用是為上述三個級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，確定各級的靜態(tài)工作點。
作為集成電路，雖然其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，但其外部電路并不復(fù)雜，學(xué)習(xí)時，要重點掌握它的引腳定義性能參數(shù)和應(yīng)用方法。
三、運算放大器的基本特性和符號
這種運算放大器通過7個管腳與外電路相接。圖中各管腳的定義和作用如下：
管腳2為反相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是反相的；
管腳3為同相輸入端，由此端接輸入信號，則輸出信號與輸入信號是同相的；
管腳4為負電源端，接負10V穩(wěn)壓電源；
管腳5為正電源端，接正10V穩(wěn)壓電源；
管腳6為輸出端：
管腳1和管腳5為外接調(diào)零電位器(通常為10kΩ)的兩個端子；
管腳8為空腳。
在分析運算放大器時，為便于分析和計算，將它視作理想運算放大器，理想運算放大器的特點如下：
(1)差模放大倍數(shù)Au極高，可視為無窮大(Aud→∞)。
(2)共模放大倍數(shù)非常低，可視為0,因而共模抑制比Kow可視為無窮大(KCMR→∞)。
(3)輸入電阻n相當大，可視為無窮大，因而不取輸入信號的電流(ri→,Ii→∞)。
(4)輸出電阻r。很低，可視為趨于0,即具有理想的恒壓輸出(ro→∞)。
理想集成運算放大器的電路符號如圖1-2-11所示，它有兩個輸入端和一個輸出端。反相輸人端標上“一”號，同相輸入端標上“+”號。它們對“地”的電壓(即各端的電位)分別用“u-、u+和u。表示。
集成運算放大器表示輸人、輸出電壓關(guān)系的傳輸特性曲線如圖1-2-12所示。由圖可見，傳輸持性曲線分為線性區(qū)和飽和區(qū)。集成運算放大器可工作在線性區(qū)，也可工作在飽和區(qū)，但分析方法不一樣。
如果在反相輸入端有輸入信號時，同相輸入端接地，即u+≈0,根據(jù)式(1-2-1)可得出：反相輸入u+～0。它并不是真的接地，通常稱為“虛地”。
(2)由于理想運算放大器的輸人電阻趨于無窮大，故認為反相輸入端與同相輸入端的輸入電流均趨于零，即有
i+≈i-≈0(虛斷) (1-2-9)
當集成運算放大器工作在飽和區(qū)時，上述兩條簡化原則就不適用了，這時輸出電壓只有兩種可能，等于輸出最高正電壓(正飽和電壓)或輸出最高負電壓(負飽和電壓),這兩個電壓的絕對值可能不相等，可通過在輸出端加雙向穩(wěn)壓管來獲得等值反向的輸出電壓。即有
當u+>u_時，uo =+Uo（sat）
當u+>u_時，uo=—Uo（sat） (1-2-10)
此外，運算放大器工作在飽和區(qū)時，兩個輸入端的輸入電流也等于零。
四、集成運算放大器主要參數(shù)
(1)最大輸出電壓Uopp:能使輸出電壓和輸入電流保持不失真的最大輸出電壓。
(2)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud:在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)，Aud越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，精度也越高。
(3)輸入失調(diào)電壓UIo當理想的集成運放的輸入電壓為零時，為使輸出電壓也為零，需要在其輸入端施加的補償電壓，其值一般在幾個毫伏級，顯然越小越好。
(4)輸入偏值電流IIB:當集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端的偏置電流的平均值，其值越小越好。
(5)輸入失調(diào)電流Iio:輸入失調(diào)電流是指輸入信號為0時，兩個輸入端靜態(tài)基級電流之差，Iio在0點幾微安級，其值越小越好。
(6)差模輸入電阻Ru和輸出電阻Rid:差模輸入電阻R;a是集成運放兩輸入端間對差模信號的動態(tài)電阻，其值為幾十千歐到幾兆歐。輸出電阻Ro是集成運放開環(huán)時，輸出端對地的電阻，其值為幾十到幾百歐。
(7)共模抑制比KcMR:是集成運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)比值的對數(shù)值。其值一般大于80dB
(8)最大差模輸入電壓UIdm:是集成運放輸入端間所承受的最大差模輸入電壓。超過該電壓值，其中的一個晶體管發(fā)射結(jié)將會出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。
(9)最大共模輸入電壓UICM:集成運放輸入端間所承受的最大共模輸入電壓，如果超過該電壓值，則KcMR將明顯下降。
五、運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用
可見uo和ui間的比例關(guān)系與運算放大器本身無關(guān)，只取決于電阻，其精度和穩(wěn)定性非常高。注意Auf為正值，這表示uo和ui同相，且Auf必是大于或等于1,即只能放大信號，這是其與反相比例運算電路不同之處。
3.反相加法運算電路
如圖1-2-15所示，則構(gòu)成反相加法運算電路。
當R11=R12=R13=R1時，則上式為
uo=-(ui1+ui2+ui₃) (1-2-14)
平衡電阻R2=R11//R12//R13//RF
4.減法運算電路
可見，輸出電壓與兩個輸入電壓的差值成正比，所以該電路又稱為差分放大器或差分比例運算電路。其差模放大倍數(shù)只與電阻R₁、RF的取值有關(guān)。
當R₁=R時，則得
u0=(ui2-ui1) (1-2-17)
六、集成運算放大器使用時注意事項
(1)使用前應(yīng)認真查閱有關(guān)手冊，了解所用集成運算放大器的各引腳排列位置，外接電路。特別要注意正、負電源端，輸出端，同相、反相輸入端的位置。
(2)集成運算放大器接線要正確可靠。其輸出端要避免與地、正電源、負電源短接，以免器件損壞。另外，輸出端所接負載不易過小，否則有可能損壞器件或使輸出電壓波形變差。
(3)輸入信號不能過大，輸入信號過大會造成阻塞現(xiàn)象或損壞器件。另外，應(yīng)注意輸人信號源能否為集成運放提供直流電源，否則應(yīng)為集成運放提供直流通路。
(4)電源電壓不能過高，極性絕不能接反。應(yīng)先調(diào)劑好直流電源的輸出電壓，然后接人電路。
(5)集成運放的調(diào)零。調(diào)零時應(yīng)注意輸出端電壓表要用小量程電壓擋，并在閉環(huán)條件下進行。
七、集成運算放大器在汽車上的應(yīng)用
集成運算放大器可用于蓄電池電壓監(jiān)視器。
集成運算放大器還用于汽車中的轉(zhuǎn)速表電路、晶體管溫度傳感器電路發(fā)動機冷卻系水穩(wěn)調(diào)節(jié)器電路、道路結(jié)冰報警器電路、蓄電池充電器電路、燃油量顯示器電路、水溫顯示器電路、刮水器節(jié)拍調(diào)節(jié)電路等電路。
