11.集成运放

集成电路是采用专门的制造工艺，在半导体单晶硅上，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件以及它们之间的连线所组成的电路制作在一起，使其具有特定功能的芯片。

1.组成

集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分构成。

①输入级

输入级又称前置级，通常是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求输入阻抗高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强，静态电流小，对整个集成运放的性能参数至关重要。

②中间级

中间级是集成运放的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（晶体管）（或共源（MOS管））放大电路，其电压放大倍数可达几千倍。

③输出级

输出级具有输出电压线性范围宽、输出阻抗小（即带载能力强）、非线性失真小等特点，通常采用互补输出电路。

④偏置电路

偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。

2.特点

①开环差模放大倍数（增益）超级大

②差模输入电阻超级大

③输出电阻超级小

3.用途

1.加减乘除                2.积分/微分                    3.电压跟随器

4.电压比较器            5.同向/反向放大器       6.差分放大器

7、I/V转换              8、精密电流源              9、波形发生器

4.工作原理

信号输入：

当输入信号从 “-” 端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相;

当输入信号从 “+” 端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相;

当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。

理想运放：

一个理想的运算放大器必须具备下列特性（这些东西是理论东西，就算不懂这些名词，也不影响后面我们会使用运放）：

无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开环回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。

线性区：Vout = 开环增益* ( Vin+ - Vin-) ，

开环增益为差模开环放大倍数，非常高，可达几十万倍，因此，集成运放的线性区非常窄。

假如运放的正输入端的电压高于负输入端的电压 ，即便只高一点点，由于开环增益无限大，所以他还是会产生他能够输出的最大正电压 。

相反的，假如运放的正输入端的电压低于负输入端的电压 ，所以他还是会产生他能够输出的最大负电压。

非线性区：输出电压要么Uom，要么−Uom，达到饱和，一般用于比较器。

电流流向

运放的输入端是没有电流流入或者流出的，但是输出端是可以经过电流的！ 因为他有着无限大的输入阻抗。

输出端的电流流向如下图所示

（电流通过正电源流向输出，或者通过输出流向负电源）

输出端的这些电流是由运放的供电端提供的，

为什么运放的输出最大值不可能超过供电电源，输出的最小值不可能低于负电源

（ 电流是从电压高的地方流向电压低的地方 ）。

5.单电源供电和双电源供电

最开始运放都是双电源供电，一个正电源一个负电源且绝对值相同。应变便携设备低功耗的需求，减少电源个数降低电源电压的节能需求。

总结：单的都能用双的，双的用单的会有问题。

1：在放大直流信号时

如果采用双电源运放，则选择双电源供电。 如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作。

2：在放大交流信号时

无论是单电源运放还是双电源运放，采用正负双电源供电都可以正常工作； 对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大，要采用单电源，就需要所谓的“偏置”。

区别

双电源的总动态范围、输出电压/电流、精度、负载抗干扰性优于单电源运放。

a）供电电压的区别

b）单电源供电的同向输入放大器要求输入电压不能为负

c）单电源供电的反向输入放大器要求输入电压不能为正

d）单电源供电的运放要放大交流信号必须提供合适的偏置电压。

6.参数

极限参数: 供电电压范围、输入电压范围、工作温度、存储温度

关键参数: 输入偏置电流 Ib、输入失调电流 Ios、输入失调电压 Vos、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）ΔVos/ΔT、电源电压抑制比 PSRR、共模抑制比 CMRR、 共模输入电压 Vcm、轨到轨、开环增益(Aol)、增益带宽积(GBW)、单位增益带宽、输入阻抗 Rin

7.负反馈

把输出端的电压，引入到负输入端的操作，形成了一个负反馈电路。

负反馈电路分析

Vin+如果大于Vin-，那么Vout就会不断升高，但是此时Vout通过与Vin-相连，会导致Vin-也不断升高，直到Vin-基本等于Vin+，Vout不再继续升高的时候，电路就形成一个稳定状态。

因为运放输入端没有电流流入，所以电流要么从VIn-流向Vout，要么从Vout流向Vin-一条线路上，所以R2的电流和R1的电流永远是相等的又因为最终负输入端的电压会等于0V，所以R2的电流I2=Vin-/R2

(0-Vout) / R1=Vin- /R2    化简得到Vout = - (R1/ R2) * Vin-

8.负反馈对电路影响

1.降低放大倍数

2. 提高放大倍数的稳定性

3. 减小非线性失真和噪声

4.改变了输入电阻

从输入端来看，负反馈包括串联负反馈、并联负反馈两种：

串联反馈：使放大电路的输入电阻增大；

并联反馈：使放大电路的输入电阻减小。

5.改变了输出电阻

从输出端来看，负反馈电压负反馈、电流负反馈两种：

电压反馈：有利于稳定电压，使放大电路的输出电阻减小；

电流反馈：有利于稳定电流，使放大电路的输出电阻增大。

8.正反馈

负反馈降低了电路的放大能力，但能够改善电路的放大性能，减小了波动，电路稳定性更好。

正反馈提高了电路的放大能力（可以自己根据运放特性想象一下）， 在正反馈中，输入和输出信号的相位相似，因此两个信号相加，适用于振荡电路中。

9.虚短与虚断(线性区工作区)

虚短：Vin+ 基本等于 Vin- 的。分析的时候就当成短路了一样来分析，但不是真正的短路。

虚断：虚断，其实也就指的是运放的输入端没有电流流入和流出。把两个输入端想象成断开的，称为虚断。运放的输入阻抗非常非常高。电流可以忽略.

10.应用

电压跟随器

Vout = V- ≈ V+ = Vin           ➩ Vout ≈ Vin

电压跟随的的时候反馈电阻要加上。原因：可以防止干扰，让电路更稳定。    电阻：几百欧姆到 10K 之内。

反向比例电路

V+ 接 GND ➩ V- ≈ V+ = 0

R1 和 R99 上电流一样：➩( Vin- V-) / R1 = (V- - Vout ) / R99

➩ Vout = - (R99 / R1)* Vin

Rx 称之为直流平衡电阻， 设计电阻大小：Rx = R1 // R99

原因：为了使内部的差分放大器尽量处于平衡状态，提高电路的共模抑制比和减小零漂。

两个输入端电位始终近似为零（同相端接地，反相 端虚地），只有差模信号，抗干扰能力强

同向比例电路

在同相放大器电路中，输入信号是加在正相输入端，且输入波形和输出波形的相位是相同的。

V+ = Vin

R1 和 R99 电流相等：(Vout - V-) / R99 =( V- - 0) / R1

➩ Vout = [1 + (R99 / R1)]Vin

Rx = R1 // R99

输入阻抗和运放的输入阻抗相等，接近无穷大。

积分电路

电容上的电压等于流过其电流的积分       Vout = - 1 / C ∫ i5 dt

C5 电流 和 R1 电流相等

➩ i5 = i1 = Vin / R

➩ Vout = - (1 / RC ) ∫ Vin dt

用途：

①将方波变成三角波         ②去除高频干扰        ③移相           ④在模数转换中，将电压量变为时间量

在使用积分电路的时候，为了防止低频信号增益过高，常在电容上并联一个电阻。

差分放大

放大差模信号，抑制共模信号。利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点, 被广泛用于直接耦合电路和测 量电路的输入级。

11.比较器电路

理论上一个开环组态（无负反馈）的运放可以发挥低端比较器的作用。

当正相输入端（V+） 的电压高于反相输入端（V-）时，由于运放较高的开环增益，在输出端输出一个正向饱和电压+Usat。

当反相输入端（V-）的电压高于正相输入端（V+）时，在输出端输出一个反向饱和电压-Usat。

11.1过零比较器

输出会在输入电压经过零点时从低转换到高或从高转换到低。

11.2电压比较器

将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器。

12.滤波器

种类

按所处理的信号可分为模拟的和数字的两种；

按所采用的元器件可分为有源和无源

按通过信号的频段可分为以下五种: 低通滤波器( LPF ) 高通滤波器( HPF ) 带通滤波器( BPF ) 带阻滤波器( BEF ) 全通滤波器( APF )

按频率特性在截止频率 fp 附近形状的不同可分为 Butterworth , Chebyshev 和 Bessel 等。

作用

1、将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比；

2、滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度；

3、从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。

1.时域和频域

时域信号：幅值随时间变化的信号。

频域信号：幅值随频率变化的信号。

动态信号从时间域变换到频率域主要通过傅立叶级数和傅立叶变换实现。周期信号靠傅立叶级数，非 周期信号靠傅立叶变换。时域越宽，频域越短。

任何周期函数波形，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。

不同频率的正弦波称为频率分量。时间差除周期再乘2Pi，就得到了相位差。相位谱是从下面看。

2.滤波电路

滤波电路分为无源滤波和有源滤波两种

无源滤波即 R、L、C 组成

有源滤波器是在无源 RC 滤波器的基础上增加了运放。

RC低通滤波器

将一个电阻与信号路径串联，并将一个电容与负载并联，可以产生RC低通响应。

原理：

由于电容C具有隔直通交的特性，所以输入的高频分量相当于经过电阻R后直接对地短接，并没有输出到后端负载上，只有低频的输入分量才会输出到后端。

截止频率

RC低通滤波器的截止频率实际上是输入信号幅度降低3dB的频率(选择该值是因为幅度降低3dB对应于功率降低50%)。因此，截止频率也称为-3 dB频率。

幅频和相频特性

传递函数

  滤波系数

    设计合适的截止频率即对采集的信号进行滤波。

一阶低通滤波模型

13.IIR 与 FIR 滤波器区别

FIR 滤波器：有限单位冲激响应滤波器，没有反馈回路，稳定性更强，输出取决于当前输入数据和历史输入数据。实时滤波，不需要等待前一个信号的滤波输出。

IIR 滤波器：无限脉冲响应滤波器，有反馈回路，稳定性弱一点，取决于当前输入数据、历史输入数据、历史输出数据，存在一定时间延迟，没有 FIR 快，需要等待上一个 信号的滤波输出。

14.零点漂移（温漂）

① 电源电压稳定性：决定了静态工作点 Q

② 元器件的老化变性：器件老化，阻值改变

③ 温度变化：三极管是半导体元器件，很容易受温度的影响，参数会改变

解决： 恒温措施；补偿法：采用热敏元件来抵消放大器的变化；采用直流负反馈稳定静态工作点。

15.共发射、共集电极、共基极、

共射极放大电路：信号由基极输入，集电极输出，既能放大电压 也能放大电流。

共集电极放大电路：信号由基极输入，发射极输出，只有电流放 大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。

共基极电路：信号由发射极输入，集电极输出，只有电压放大作 用，没有电流放大，有电流跟随作用。