集成运算放大器

一、集成运算放大器的特点

1. 集成运算放大器的符号

图3.3.1中，标有“+”的输入端称为同相输入端，该输入端信号的相位与输出信号相位相同，如图所示;标有“-”的输入端称为反相输入端，该输入端信号的相位与输出信号相位相反，如图(b)所示。如果在同相输入端和反相输入端之间加入差模信号，输出与输入的相位关系如图©所示。

集成运放是有源器件，所以其工作时必须给它提供直流电源。集成运放的供电方式有双电源供电和单电源供电两种。双电源供电是指正电源+Vcc和负电源-Vcc同时供电，如图(a)所示;单电源供电是指供电端一端接电源，另一端接地，如图(b)所示。特别指出的。

2. 集成运放的组成和特点

性能理想的集成运放应该具有高电压增益、高输入电阻、低输出电阻、零点漂移小的特点。

(1)输入级：由于集成运放内部电路各级之间采用直接精合，为了抑制“零点漂移”，绝大多数情况都将差分放大电路作为输入级，而且要求差分放大电路有很高的输入电阻。

(2)中间级：中间级一般由1~2级采用有源负载的共射放大电路组成，这样可以获得很高的电压放大倍数。

(3)输出级：采用输出电阻小、带负载能力强的互补射随器作为输出级。

(4)偏置电路：由电流源构成，向各级电路提供静态工作电流。

3. 复成运放的性能指标

差模开环电压增益Aod

差模开环电压增益是指当集成运放的输入和输出之间无任何外接元件连接时所具有的差模电压放大倍数，即Aod = uod / uId。由于运放的 Aod 非常大，所以常用dB(分贝)表示，一般它的数值在80~140dB。

差模输入电阻Rid

差模输入电阻是指差模信号的输入电阻。R越大，对信号源的影响越小，所以希望其越大越好。集成运放的差模输入电阻一般在105口以上，高的可以达到109口以上。

差模输出电阻Rod

差模输出电阻是从集成运放负载端向放大器看进去的动态电阻。

-3dB开环带宽

当信号频率逐渐升高时，集成运放的差模电压增益会逐渐减小，运放的频率响应具有低通特性，集成运放的差模开环电压增益相比直流增益(最大值)下降3dB时所对应的频率宽度称为-3dB开环带宽。通用型运放的-3dB开环带宽很小，一般仅为几赫兹到几十赫兹。

单位增益带宽 fc

f.是使差模开环电压增益 Aod下降到 0 dB(即运放失去电压放大能力)时的信号频率。

转换速率

转换速率是指当输入一个幅度较大的阶跃信号时，集成运放的输出电压随时间变化的最大速率，单位是V / μm。只有当输入信号的变化速率比转换速率低时，集成运放才能正常工作。

4. 集成运放的开环电压传输特性

开环电压传输特性是指集成运放在不引入反馈的前提下，差模输出电压uo和差模输入电压u+ - u _之间的关系，也称为集成运放的电压传输特性，即

如图所示，当差模输入电压在一定范围的时候，差模输出电压和差模输入电压之间呈线性关系，放大器对差模信号进行无失真的放大，这是集成运放的线性区。当差模输入电压超过规定范围，输出端的管子开始出现饱和，放大器进入非线性区这时输出电压不再随输入变化而变化，只能保持正值(+Uom)或负值(-Uom)。

事实上，由于集成运放的开环电压放大倍数非常大，因此只有当差模输入电压很小(通常在微伏级以下)时，才不会进入非线性区。

5. 理想运算放大器

理想运放是指各方面性能指标都达到理想的运算放大器。理想运放可以等效为图3.3.7所示的模型。理想运放的输入电阻Rid为无穷大，输出电阻Rod为零，开环放大倍数Aod为无穷大。

理想运放的同相和反相输入端没有电流，电路好像是断开的，称之为“虚断”。

根据

由于输出电压uo是个有限值且Aod→oo,因此差模输入电压(u+ - u-)→0.

即同相输入端和反相输入端的电位趋于相等，称之为“虚短”。

虽然理想运放并不存在，但随着微电子技术的发展，目前集成运放的性能指标越来越趋于理想，因此集成运放也具有近似的“虚断”和“虚短”的特点。

二、集成运放的保护措施

1.电源反接保护

如图所示，利用二极管的单向导电特性可以防止由电源极性接反而造成的损坏。当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护作用。

2.输入保护

图(a)利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以避免差模输入电压超过额定值损坏集成运放的内部结构。只要输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则D1或D2中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。图(b)是防止共模电压过大的保护电路，当共模电压超过±U时，其中一个二极管导通，从而限制了输入共模电压幅度。

3.输出保护

为限制集成运放的输出电压和电流，可用两只稳压管反相串联后，并联在负载两端或并联在反馈电阻两端，如图所示。当输出电压小于稳压管稳定电压UZ时，稳压管不导通，保护电路不工作;当输出电压大于UZ时，稳压管工作，将输出端的最大电压幅度限制在±(UZ+0.7V)。