输入级#

采用差动输入放大电路，为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。

• 差动放大电路
  • 组成：电路两边完全对称。$V_1$,$V_2$是两个型号和特性相同的晶体管
  • 输入信号分析

    • 共模输入信号(干扰信号)：

      电路对共模输入信号无放大作用，完全抑制共模信号

      环境中的电磁干扰（如 50Hz 工频干扰）通常会同时作用在两条信号线上，这种大小和相位都相同的干扰信号叫共模信号。

      共模抑制比（CMRR）： 这个指标越大，说明运放抑制干扰的能力越强。

    • 差模输入信号(有用信号)：

      放大器电压增益是与其工作电流成正比

      差模输入 $u_{i1}=-u_{i2}$ 大小相同 极性相反

      差模输入电压 $u_{id}=u_{i1}-u_{i2}=2u_{i1}$

      使得**：** $i_{c1}=-i_{c2}{u}_{o1}=-u_{o2}$

      差模输出电压 $u_{od}=u_{C1}-u_{C2}=u_{o1}-(-u_{o2})$

      差模电压放大倍数 $A_{ud}=\frac{u_{od}}{u_{id}}=\frac{2u_{o1}}{2u_{i1}}=A_{ud1}=-\beta \frac{R_C}{r_{be}}$

      可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。

      差动电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力

    • 两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模

中间级#

采用电平位移电路，为提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路

恒流源电路和有源负载电路基本是一种电路结构(电流镜/恒流源)，只不过由于位置的不同，强调的东西也不同。

简单概括：

恒流源强调”提供恒定电流（偏置）“

有源负载强调“作为负载提供很大的等效电阻（增益）”

• 恒流源

  通常接在差分管尾部或各级偏置回路

  • 作用概括
    • 提供稳定的偏置电流（静态工作点）
    • 提高共模抑制比（CMRR）
    • 实现“一拖多”： 利用一个基准电流，可以产生多个镜像电流，同时为电路的不同级供电。

• 有源负载电路(有源负载是指用晶体管（通常是恒流源电路的输出端）来代替传统的集电极电阻（即所谓的“无源负载”或“电阻负载”）)

  通常接在放大管的集电极/漏极

  • 作用概括
    • 极大地提高电压增益（核心作用）：放大级的增益取决于负载电阻的大小。如果用普通电阻，阻值做不大（否则电压降太高，电源拉不动）；但晶体管在饱和区具有很高的动态内阻（$r_{ce}$），这使得负载电阻可以高达几百千欧甚至兆欧级别，从而让单级放大器的增益大幅提升
    • 节省芯片面积：在集成电路制造中，制作一个大阻值的电阻（如 $100k\Omega$）需要占用巨大的硅片面积，而制作一个晶体管占用的面积非常小。所以，IC 设计中“能用晶体管就不用电阻”
  1. 有源集电极负载电路
  2. 有源负载差动放大电路

输出级#

采用互补推挽输出放大电路

• 对集成运放输出级的要求是：

  • 具有很低的输出电阻和较高的输入电阻
  • 具有一定的输出功率
  • 具有尽可能高的效率
  • 具有过流和过压保护措施等

• 互补推挽输出电路

  优点： 效率高，管耗小，有利于降低结温，延长管子寿命，减小散热器体积。

  缺点： 在输出信号 $u_o$ 的波形中带有交越失真。

偏置电路#

其作用是给各级电路提供所需的电源电压，保证静态工作点稳定

理想集成运放的基本条件(集成运放必须要工作于线性状态)#

1. 差模电压增益为无限大，即$A_{ud}$ = $\infty$
2. 输入电阻为无限大，即$R_{id}$ = $\infty$
3. 输出电阻为零，即$r_o$ = 0
4. 共模抑制比为无限大，即CMRR = $\infty$
5. 转换速率为无限大，即$S_R$ = $\infty$
6. 具有无限宽的频带
7. 失调电压、失调电流及其它们的温漂均为零
8. 干扰和噪声均为零

理想集成运放的两个重要特性#

1. **虚短：**两输入端的电位相等 $u_{+}=u_{-}$

   注意：只有在深度负反馈，且集成运放工作于线性状态时，才存在虚短。

   因为虚短是由理想运放的增益无限大且引入了负反馈决定的。如果运放工作在开环状态（非线性），即使是理想集成运放，也不会有虚短现象。

   • 线性状态：按比例方法信号。输出电压 $u_o$ 与输入电压 $u_d$ 成线性比例关系（$u_o=A_{uf}\cdot u_i$）。即：如果输入是一个正弦波，输出也是一个被放大且完美的正弦波，不会变形。
   • 非线性状态主要是开环或引入正反馈。常见电路是：电压比较器、滞回比较器（史密特触发器）、方波发生器。

2. 虚断：两输入端的输入电流为零 $i_{+}=i_{-}=0$

   虚断是由理想运放的输入电阻无限大决定的，无论处于什么状态都成立。

闭环自激振荡产生的条件#

由图可写出，输出电压为:$U_o=U_d{A}_d=(U_i-U_f)A_d=(U_i-F{U}_o)A_d$

• $A_d(s)$[或$A_d$]—放大器的开环增益函数

• $F(s)[或F]$—反馈函数

• $U_o(s)[或U_o]$—输出电压

• $U_i(s)[或U_i]$—输入电压

• $U_f(s)[或U_f]$—反馈电压

  闭环增益为 $A_F(s)=\frac{U_o(s)}{U_i(s)}=\frac{A_d(s)}{1+A_d(s)F(s)}$

  $A_F(s)$ —— 闭环增益，$A_d(s)F(s)$ —— 环路增益。

  由上式可知，当 $A_d(s)F(s)=-1$ 时，$A_F(s)\to \infty$

  所以产生自激振荡的条件是：$A_d(s)\cdot F(s)=-1\text{或}{A}_d(j\omega )\cdot F(j\omega )=-1$

  振幅条件为：$|A_d(j\omega )\cdot F(j\omega )|>1$（$U_d$ 增大时，$A_d$ 减少）或 $=1$

  相位条件为：$\varphi ={\varphi }_a(\omega )+{\varphi }_F(\omega )=\pm \pi \pm 2n\pi (n=0,1,2,\dots )$

  同时满足振幅、相位两个条件，才会产生自激振荡。