集成运算放大器具有哪些特点及主要起到什么作用？

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。自从1964年美国仙童半导体公司研制出第一个单片集成运算放大器μA702以来，集成运算放大器得到了广泛的应用，它已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。国标统一命名法规定，集成运算放大器各个品种的型号有字母和阿拉伯数字两大部分组成。字母在首部，统一采用CF两个字母，C表示国标，F表示线性放大器，其后的数字表示集成运算放大器的类型。它的增益高(可达60~180dB)，输入电阻大(几十千欧至百万兆欧)，输出电阻低(几十欧)，共模抑制比高(60~170dB)，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便 。

组成编辑 播报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、中间、输出三部分组成。输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端;前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致，后者则相反。中间部分提供高电压放大倍数，经输出部分传到负载。其中调零端外接电位器，用来调节使输入端对地电压为零(或某一预定值)时，输出端对地电压也为零(或另一个预定值)。补偿端外接电容器或阻容电路，以防止工作时产生自激振荡(有些集成运算放大器不需要调零或补偿)。供电电源通常接成对地为正或对地为负的形式，而以地作为输入、输出和电源的公共端。

集成电路是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等集成工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体(硅)基片上，构成一个完整的电路。按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，其中集成电路运算放大器(线性集成电路，以下简称集成运放)是模拟集成电路中应用最广泛的，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。

集成电路的特点

1. 单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。适合于组成差动电路。

2. 阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。

3. 大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。

4. 在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替

5.在集成电路中，NPN管都做成纵向管，β大;PNP管都做成横向管，β小而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，β和(β+1)差别大，IB往往不能忽略。

优点

高增益(可以配置较高的放大倍数)

输入阻抗高(对输入信号影响小)

输出阻抗低(对后级影响小)

共模抑制比较高，抗干扰能力强

1.1、当工作在线性区

运放器的放大倍数是一个很大的值，工作区指的是这个放大倍数有效的区域，因为一个运放器不可能无限放大(受限于供电电压和自身组成的元器件特性)，所以放大后的输出电压有一定的范围，所以不可能超过这个范围，工作在这个范围内，放大倍数有效的区域叫做线性区，而输出电压触及到最大范围(此时放大倍数已失效，无论输入输出相差多大，电压维持在最大值)，叫做非线性区。

两个重要特点

虚短(理想运放两端输入电压近似相等，即U+ = U-，故有虚短(不是绝对的短路，所以有点虚)的意思)

我们知道运放输出有如下公式，

转换得到如下公式，由于放大倍数很大，右边接近为0，所以得到U+ = U-的结论，即为我们所说的虚短。

一种个人理解，虽然公式是这样算，我们也可以一种感性的理解，由于运放的放大倍数很大，要想处于非线性区(上面解释线性区的时候说明了条件)，则要求运放两端输入电压压差不能相差太大，所以就能得到U+约等于 U-，也就是虚短了。

虚断(理想运放的输入电流近似等于0，即 I+ = I- = 0)

由于运放的输入阻抗非常非常大，输入电压除以输入阻抗则接近0，所以运放器的两端的输入电流为0，就像断开一样，所以叫做虚断。

1.2、当工作在非线性区

此时输出只有两种可能：正最大、负最大。

其实可以当做比较器(一般来说单纯做比较器，成本会低些)，更常见的是不提供负电压，则此时的情形是当U+> U-时，输出最大电压(主要有运放的供电电压决定)，当U+< U-，输出0，这两个一高一低的状态，可以当做逻辑状态的1和0。

此时，仍满足虚断，但不满足虚短(看看线性区与非线性区的说明即可)。

二、集成运放器的应用

2.1、反相比例运算 ---- 输出与输入相位相反(即方向相反，负变正，正变负)，大小成比例(放大或缩小)

反相比例运算的原理图如下，

得到输出与输入的关系如下(推导过程略)：其中负号体现了反相这一特性。

R1和Rf根据比例选取，R2一般是近似R1和Rf的并联值，能够增加电路的抗干扰能力。

注意： 工作在线性区，公式才有效。

应用：很多设备(单片机等)都只能检测到正压，如果要检测负压，可以先通过该方法将负压转换成正压，然后检测。

2.2、同相比例运算

电路原理图如下：

得到输出与输入的关系如下(推导过程见-- 百度百科：同相比例运算电路)：

R1和Rf根据比例选取，R2一般是近似R1和Rf的并联值，能够增加电路的抗干扰能力。

注意： 工作在线性区，公式才有效。

电压跟随器

此外，同相比例运算有一个比较常用的形式：跟随器。(详细分析：电压跟随器的原理)

这种电路相当于同相放大一倍，那这样的电路存在的意义是什么?

存在即合理，电压跟随器常用作中间级，以 “隔离”前后级之间的影响 ，此时也称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高(对输入信号影响小)和输出阻抗低(输出电压不易被输出端的负载影响)之特点，在电路中起阻抗匹配的作用。

2.3、反相加法运算

电路如下：

公式如下：

Ri1、Ri2和Rf根据比例选取，R2一般是近似Ri1、Ri2和Rf的并联值，能够增加电路的抗干扰能力。

注意： 工作在线性区，公式才有效。

2.4、减法运算

得到如下公式：

当R1=R2, R3=Rf时，得到如下公式：

2.5、积分运算电路

电路如下：

得到输出的公式：(由虚短虚断和电容电流计算公式推导)

当输入信号为直流时，可以得到

其中，t是有限范围的，不然Uo就会是无穷大(最大能达到运放的供电电压，或正或负)，t大过这个范围，则保持最大值，范围如下：

2.6、微分运算电路

输出公式如下：

2.7、电压比较器

前面的电路，运放都是工作在线性区，而电压比较器就是工作在非线性区的一种情况。

构成电压比较器的电路的条件很简单：没有负反馈回路。

输出只有两种结果，如下：(当然，如果运放的负电压输入端接地，即接入为0V时，下面的-Uo(sat)为0，这也是一种比较常见的形式，毕竟提供负电压还是有些麻烦的)

输出的结果有输入两端电压决定，如下：

集成运算放大器是一种特殊的电子器件，它可以实现高精度的放大，输出更准确的信号，具有低噪声、稳定性和高功率的特点。集成运算放大器可以分为模拟集成运算放大器、数字集成运算放大器和混合集成运算放大器三大类，可以用于实现多种信号的放大，并且具有较高的精度和较低的成本。

1. 集成运算放大器的特点

集成运算放大器具有低噪声、稳定性和高功率的特点。它可以实现高精度的放大，输出更准确的信号，以保证信号的准确性。另外，集成运算放大器还具有灵活性和可靠性，可以根据用户的要求来定制不同类型的器件。

2. 集成运算放大器的分类

集成运算放大器可以分为模拟集成运算放大器、数字集成运算放大器和混合集成运算放大器三大类。模拟集成运算放大器可以实现模拟电路的放大，可以提供更多的控制参数，适用于模拟信号的频率变化范围较大的应用场合;数字集成运算放大器可以实现数字电路的放大，可以提供更多的精度和能量，适用于模拟信号的频率变化范围较小的应用场合;混合集成运算放大器可以实现模拟和数字电路的放大，可以提供更多的控制能力，适用于模拟信号的频率变化范围较大的应用场合。

3. 集成运算放大器的作用

集成运算放大器可以用于实现多种信号的放大，可以有效改善信号的精度和响应速度，达到良好的信号质量。此外，集成运算放大器还具有较高的精度和较低的成本，可以满足不同应用场合的需求。

结论：集成运算放大器是一种特殊的电子器件，它可以实现高精度的放大，输出更准确的信号，具有低噪声、稳定性和高功率的特点。集成运算放大器可以分为模拟集成运算放大器、数字集成运算放大器和混合集成运算放大器三大类，可以用于实现多种信号的放大，并且具有较高的精度和较低的成本。集成运算放大器可以有效改善信号的精度和响应速度，达到良好的信号质量。因此，集成运算放大器是一种非常有用的电子器件，具有广泛的应用前景。