模电知识点总结（一）运算放大器

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前言

由于模电知识一直没用到，之前一直觉得没有什么用处，但是我越来越发现基础知识的重要性，不然稍微难一点的设计，就看不懂了。于是打算在12月初左右，将模电复习完成，并且全部总结完毕。

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集成运算放大器

Integrated Circuit-Operational Amplifiers （IC-OPA） 集成运放

运算放大器起初用于加法、减法、积分、微分，所以叫运算

对于实际的集成运放，其P端、N端与输出端口O端的相位关系是固定的。

实际运放内部经过输入级差分放大、中间级电压放大、输出级功率放大（运放是由电阻、电容、三极管集成在一块单晶硅上形成的）。

电路符号：V_o =A（V_P-V_N）

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一般情况：
开环增益A在10⁶ 及以上
输入电阻至少10⁴ ，一般在10⁶ （1M欧姆）欧姆及以上
输出电阻在100欧姆及以内
开环带宽BW，对一定频率的信号才有一定的A开环增益

下图为一个简化模型：

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特性：

1. 输出电压不会超过正负电源的电压值。
2. 由于A很大，导致当V_P>V_N的时候，输出电压接近V+。
3. 当V_PN的时候，输出电压接近V-。
4. 现实中不会完全等于正负电压值，会存在一定的差值。

例子：运放的电源电压为正负12V，输入电阻为：0.1M欧，很明显有一段狭窄线性区和饱和区。

其内部还是非常复杂的：

基本线性运放电路

虚短和虚断

当把输出以负反馈的形式接入输入端口的时候，会迫使V_n向V_p逼近，使得两者近似相等，也就是虚短，同时由于输入电阻很大，导致V_n和V_p的输入电流近似为0，也就是虚断。这是闭环工作状态的重要特征。

在这种情况下，我们把A=V_o/V_i称为闭环增益

同向放大电路

同向放大电路中，输出和输入相位相同。
输入电阻近似无穷，输出电阻为0。

电压跟随器

输入电压和输出电压大小相等，相位相同，电压增益等于1，由于输入电阻很大，输出电阻很小，所以常作为阻抗变换器（缓冲器）或功率放大器。
一般接在高阻信号源和低阻负载之间，否则电压都被信号源分走了。（阻抗变换器）

还可用在直流电压表设计上：

Vs是待测电压，该磁电式电流表，通过流过动圈的电流会使指针偏转，Vs=I_M* R₁， 与内阻R_m无关。很像初中学的那个电压表。

反向放大电路

输入电阻为R1（V_i / i₁），因此反向放大电路有一个缺点，输入阻抗比较小（反馈电阻不能太大），所以接入信号源的时候，可能会被信号源内阻分走一部分电压。输出电阻为0，因为不管什么负载加上去，其电压都是V_o。

相位上相当按比例翻转了180°

差分放大电路

注意这里按照两个输入端电压都不为0的情况计算的：

若R4 /R1 = R3 / R2，则

可以看到在这种情况下，是差分放大，所以能完全抑制共模干扰（输入端有相同的电压干扰）

从正端和负端看进去的输入电阻是不一样的

仪用放大器

A1和A2：第一级的差分放大器，A3是第二级的差分运放。


通常情况下，R1选择可变电阻，这样就可以调节电压增益范围，根据公式可以看到对抑制共模电压干扰有效果。

求和电路

反向加法电路：


可以再加一级的反向电路消除负号

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同向输入加法电路：（都是加到P端的）

可以通过叠加定理计算各个公式：

第一个：

第二个：

积分电路

反向积分器：


当输入恒压的时候，可以发现：


最后还是会饱和，但是如果在电容两端并联一个电阻，就不会饱和：

因为随着电压升高，电阻上的电流会变大，导致电容上的电流变小，积分效果变差：

这里因为输入是一个PWM波，所以在低电平的时候，电容上的电压会通过电阻放电，直接最后平衡的时候，高低电平充电和放电一样。
如果是一个恒压，我猜最后会稳定在Vi的十倍（R2/R1），这样电容不会充电了，电流全被R2分走了

常用作显示器的扫描电路、函数发生器（三角波或锯齿波）、有源滤波器、模数转换器

微分电路

电容初始电压为0：



微分电路对高频噪声和干扰敏感，可以将矩形波转换为尖脉冲波。这里这个输出电压没有立刻衰减到0是因为信号源有内阻，给电容充电是一个变换的过程：

实际集成运放参数

理想的运放，输入电压为0时，输出电压也应该为0。实际上输入级微小的变化就会使输出级产生较大的电压。

失调电压V_IO：25℃，标准电源电压下，为了输出电压为0，输入端加入的补偿电压。一般为±（1-10）mV

还有 输入偏置电流I_IB，输入失调电流I_IO，温度漂移等等