第五章 集成运算放大器
5.1.1 集成运算放大器的基本组成
5.1.2 理想运算放大器的技术指标
5.1.3 反馈的基本概念和类型
5.1.4 经典比例运算电路
5.1.4.1 运放工作在线性区
5.1.4.2 运放工作在饱和区
集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。
集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器，主要由输入级、中间级、输出级和偏置电路 四部分组成。输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端。
5.1.1 集成运算放大器的基本组成：
(1)输入级：差分输入，电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。
(2)中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。
(3)输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。
参数
表征集成运算放大器性能的参数有30多个，常用的有以下10种。
1、开环差模电压放大倍数：简称开环增益，表示运算放大器本身的放大能力。一般为50 000～200 000倍。
2、输入失调电压：表示静态时输出端电压偏离预定值的程度。一般为2～10mV(折合到输入端)。
3、单位增益带宽：表示差模电压放大倍数下降到1时的频率。一般在1MHz左右。
4、转换速率(又称压摆率)：表示运算放大器对突变信号的适应能力。一般在0.5V/μs左右。
5、输出电压和电流：表示运放的输出能力。一般输出电压峰值至峰值要比电源电压低1～3V，短路电流在25mA左右。
6、静态功耗：表示无信号条件下运放的耗电程度。当电源电压为±15V时，静态功耗双极型晶体管一般为50～100mW，场效应管一般为1mW。
7、输入失调电压温度系数：表示温度变化对失调电压的影响。一般为3～5μV/℃(折合到输入端)。
8、输入偏置电流：表示输入端向外界索取电流的程度。双极型晶体管一般为80～500nA，场效应管一般为1nA。
9、输入失调电流：表示流经两个输入端电流的差别。双极型晶体管一般为20～200nA，场效应管一般小于1nA。
10、共模抑制比：表示运放对差模信号的放大倍数和对共模信号放大倍数之比。一般为70～90dB。
5.1.2 理想运算放大器的技术指标
理想运放工作在线性区的特点
它就是正比例函数y=kx的形式。
由于Au0非常大，而uo是有限值，所以只能u+–u_非常非常小。
(1) 差模输入电压约等于0 即 u+= u– ,称“虚短”；
(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i– ≈0 ,称“虚断”（因为输入电阻非常大）。
理想运放工作在饱和区的特点
(1) 输出只有两种可能， +Uo(sat) 或–Uo(sat)
当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat)
u+< u– 时， uo = – Uo(sat) 不存在 “虚短”现象 。
(2) i+= i– ≈0，仍存在“虚断”现象，因为输入电阻很大不会变。
5.1.3 反馈
5.1.3.1 反馈的概念：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。若反馈信号使净输入信号减少，输出幅度下降，则称它为负反馈；若反馈信号使净输入信号增加，输出幅度增加，则称它为正反馈；一般电路为负反馈。
放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。
负反馈—加入反馈后，净输入信号减少，输出幅度下降。
正反馈—加入反馈后，净输入信号增加，输出幅度增加 。
5.1.3.2 负反馈的四种类型
电压串联 负反馈 电压并联 负反馈
电流串联 负反馈 电流并联 负反馈
电流反馈与电压反馈的判断:
令输出等于零，反馈仍然存在的是电流反馈，不在的是电压反馈。
串联反馈与并联反馈的判断:
反馈信号与输入信号接在同一节点是并联反馈，不接在同一节点上是串联反馈。
1.降低放大器的放大倍数，提高稳定性；
2.改善放大器的线性和非线性失真；
3.有效地扩展放大器的通频带；
4.改变输入电阻和输出电阻。
电压负反馈使输出电压稳定，因而输出电阻变小
电流负反馈使输出电流稳定，因而输出电阻变大
串联负反馈使输入电阻变大---记：跟电阻串联一样越串越大
并联负反馈使输入电阻变小---记：跟电阻并联一样越并越小
集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。
运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数。
5.1.4 经典比例运算电路
平衡电阻 R2 = R1 // RF（并联），是为了静态时u+、 u– 对地电阻相同。下同
解：由“虚短”知，V+=V-=0
由“虚断”知，i+=i-=0，所以i1=if，
又i1=（ui-V-）/R1=ui/r1 if=（V- -uo）/Rf=-uo/Rf
所以 ui/R1 = -uo/Rf ---> uo=-Rf/R1*ui
例：如上图，已知R1=2K ，ui=2V，uo=-6V，求此时的Rf和R2的值。
5.1.4.2 同相-比例运算电路
由“虚断”知，i+=i-=0，所以i1=if
所以V-=uo*R1/(R1+Rf) = ui ---> uo=(R1+Rf) /R1*ui
例：R1=1K，Rf=5K，ui=10V，求uo。
5.1.4.3 反相-加法运算电路
由“虚断”知，i+=i-=0，所以i1+i2=if
ui1/R+ui2/R=(0-uo)/Rf
(ui1+ui2)/R=-uo/Rf 如果Rf=R，则
uo=-(ui1+ui2)
5.1.4.4 减法运算电路（差分放大）
解：由“虚短”知，V+=V-
由“虚断”知，i-=0，所以R1与Rf是串联的，所以
i1=if= 所以 
由“虚断”知，i+=0，所以R2与R3是串联的，所以
V+=ui2*R3/(R2+R3)
由“虚短”知，V+=V-=ui2*R3/(R2+R3) ，代入（1）式
如果R2=R1，R3=Rf，则（2）式可化为 uo=Rf/R1(ui2-ui1)
这就是所谓的差分放大。
如果R1=R2=R3=Rf=R，则（2）式可化为 uo=ui2-ui1
利用叠加定理也可算得出上式。
5.1.4.5 电压跟随器
V-=uo V+=ui，由“虚短”知，V+=V- 所以 uo=ui
作用是改变输入、输出电阻。由运放构成的电压随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。
上图右 uo=？
5.1.4.6 信号变换 电流->电压
在自动控制系统中，经常需要将小电流转换成合适的电压进行检测判断，如过流的判断。利用运放就可以实现电流到电压的转换。
例如：有个5mA的电流，要转换成2V的电压，如何设计电路？
思路：将5mA的电流通过一个采样电阻（如100欧），转换成电压，再用比例放大电路，放大到2V。5mA*100=500mV ，需要放大4倍至2V，可以用同相、反相比例或差分放大电路。
5.1.5 非线性应用电路
(1) 输出只有两种可能， +Uo(sat) 或–Uo(sat)
当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat)
u+< u– 时， uo = – Uo(sat) ---不存在 “虚短”现象 。
(2) i+= i– ≈0，仍存在“虚断”现象，因为输入电阻很大不会变。
5.1.5.1 过零电压比较器
5.1.5.2 任意电压比较器
