運算放大器大多被制作成集成電路,所以常稱為集成運算放

1、 運算放大器大多被制作成集成電路，所以常稱為集成運算放大電器，簡稱為集成運放。在一個集成電路中，可以含有一個運算放大器，也可以含有多個(兩個或四個)運算放大器，集成運算放大器既可作直流放大器又可作交流放大器，其主要特征是電壓放大倍數(shù)高，功率放大很大，輸入電阻非常大和輸出電阻較小。由于集成運算放大器具有體積小、重量輕、價格低、使用可靠、靈活方便、通用性強等優(yōu)點，在檢測、自動控制、信號產(chǎn)生與信號處理等許多方面得到了廣泛應用。 8.3集成運算放大電路集成運算放大電路8.3.1集成運放的理想化條件集成運放的理想化條件 (1) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)趨于無窮； (2) 輸入電阻趨于無窮； (3) 輸出電阻

2、趨于零； (4) 共模抑制比趨于無窮； (5) 有無限寬的頻帶； (6) 當輸入端u -= u + 時，uo=0。 目前，集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)均在104以上，輸入電阻達到兆歐數(shù)量級，輸出電阻在幾百歐以下。因此，作近似分析時，常常對集成運放作理想化處理。 對于工作在線性狀態(tài)的理想集成運放，對于工作在線性狀態(tài)的理想集成運放，具有兩個重要特性。 1. 理想集成運放兩輸入端間的電壓為0，但又不是短 路，故常稱為“虛短”。 2. 理想運放的兩個輸入端不取電流，但又不是開路，一般稱為“虛斷”。 對于工作在非線性狀態(tài)的理想集成運放對于工作在非線性狀態(tài)的理想集成運放，則具有： 當 時， ；當 時，

3、。其中 是集成運放的正向或反向輸出電壓最大值。uu0iiuuOmOUuuuOmOUuOmU集成運放輸出電壓與差分輸入電壓之間的關(guān)系，可用圖8.19所示的電壓傳輸特性來描述。圖8.19運算放大器的電壓傳輸特性 8.3.2基本運算電路基本運算電路1. 反相比例運算電路 反相比例運算電路如圖8.20所示。圖8.2 0 反相比例運算電路 由虛短、虛斷可得： FIiiiiuu00FOIRuRu1IFOuRRu12. 同相比例運算電路同相比例運算電路如圖8.21所示。圖8.21同相運算電路由虛短、虛斷可得： FIiiiiuuu101RuRuuIFOIIFOuRRu)1 (1 3. 加減運算電路(1) 加法

4、運算電路 加法運算電路如圖8.22所示。 圖8.22 加法運算電路 因反相輸入端為“虛地”，故得 于是，輸出電壓為當時 ，則1221112112221111RuRuiiRuiRuiRuiIIIIFOFIIII)(212111IFIFOuRRuRRuFRRR1211)(21IIOuuu 例8.4 在圖8.22所示的反相加法運算電路中，若R11=5k，R12=10k，RF=20 k，uI1=1V，uI2=2V，最大輸出電壓 V。求輸出電壓 。 解： 因 ，故電路工作在線性區(qū)，可實現(xiàn)反相加法運算。12OmUOuOmOUu VuRRuRRuIFIFO8) 210201520()(212111 (2)

5、減法運算電路 減法運算電路如圖8.23所示。圖中減數(shù)加到反相輸入端，被減數(shù)經(jīng)R2、R3分壓后加到同相輸入端。 圖8.23 減法運算電路 由圖可知 故得 FOFIIIRuuiRuuiuRRRuu11123231123231)1 (IFIFOuRRuRRRRRu 當 時，上式為 即輸出電壓與輸入電壓的差值（ ）成正比例。 當 時，上式為 可見輸出電壓等于兩個輸入電壓的差，從而能進行減法運算。 FRRRR321，)(121IIFOuuRRu21IIuuFRRRR32112IIOuuu 4. 積分運算電路 積分運算電路如圖8.24所示。圖中，用CF代替RF構(gòu)成反饋電路。 圖8.24 積分運算電路 設電

6、容器CF上初始電壓UC(0)=0 ，隨著充電過程的進行，電容器CF兩端的電壓為 d t 由圖8.24可知 故 d t CFCiCu1CIIiRui1IFCOuCRuu11 5. 微分運算電路 微分運算是積分運算的逆運算。積分電路中，電阻R1與電容CF的位置對調(diào)一下，即得微分電路，電路如圖8.25所示。 圖8.25 微分運算電路 由圖8.25可知： 故 CFFICCiRuidtduCdtduCi0dtduCRRiuIFFCO1. 電壓電流變換器 (1) 接地負載電壓電流變換器 接地負載電壓電流變換器如圖8.26所示。 圖8.26 帶接地負載的電壓電流變換電路 8.3.3信號測量電路信號測量電路

7、由圖8.26，根據(jù)“虛短”概念，由疊加定理可得解得 由KCL得 將 代入上式，整理得 211212RRRuRRRuuuOILILOuRRuRRRu121211212RuRuuiiiLLORRLOu1RuiIL (2) 懸浮負載電壓電流變換器 懸浮負載電壓電流變換器電路如圖8.27所示。 （a）反相電壓電流變換器 （b）同相電壓電流變換器 圖8.27 懸浮負載的電壓電流變換器 圖8.27（a）是一個反相電壓電流變換器，它是一個電流并聯(lián)負反饋電路，它的組成與反相放大器很相似，所不同的是現(xiàn)在的反饋元件（負載）可能是一個繼電器線圈或內(nèi)阻為RL的電流計。流過懸浮負載的電流為 圖8.27（b）是一個同相電

8、壓電流變換器，它是一個電流串聯(lián)負反饋電路。該電路的負載電流為LILRuiLILRui 2. 電流電壓變換器 電流電壓變換器如圖8.28所示，它是一個電壓并聯(lián)負反饋電路。這個電路本質(zhì)上是一個反相放大器，只是沒有輸入電阻。輸入電流直接接到集成運放的反相輸入端。 （a）基本電路 （b）典型電路 圖8.28 電流電壓變換器 圖8.28(a)是一個基本的電流電壓變換器，根據(jù)集成 運 放 的 “ 虛 斷 ” 和 “ 虛 地 ” 概 念 ， 有 和 ，故 ，從而有 圖8.28(b)是一個經(jīng)常用在光電轉(zhuǎn)換電路中的典型電路。圖中V是光電二極管，工作于反向偏置狀態(tài)。 根據(jù)集成運放的“虛斷”和“虛地”概念可得 故

9、0i0uIFiiFIFFORiRiuFFOLFRiuiiFLORiu 3. 電壓、電流的測量 一塊普通的電工儀表表頭，若與集成運放相連，可以改裝成一塊靈敏度較高的電子儀表，實現(xiàn)交、直流測量。 (1) 電壓測量 圖8.29所示為直流毫伏表的典型原理電路圖。 圖8.29 直流毫伏表 能測量小于1mV的微小電壓值，而一般的萬用表不可能有如此高的靈敏度。 集成運放接成串聯(lián)負反饋電路，輸入電阻極高，理想條件下為無窮大，一般電工儀表達不到（測量電壓時，要求儀表的內(nèi)阻越高越好）。 表頭滿量程電壓值不受表頭內(nèi)阻RG阻值的影響。只要是滿量程的表頭，換用前后不改變毫伏表性能。因此，表頭互換性較普通電表好。 由于R

10、F阻值很小，可用溫度系數(shù)較低的電阻絲繞制，提高了儀表的性能。 以上述表頭為基礎，構(gòu)成的多量程直流電壓表如圖8.30所示。圖8.30多量程直流電壓表 (2) 電流測量 在上述1mV表頭電路基礎，加上分流器，可構(gòu)成多量程的直流電流表，如圖8.31所示。 圖8.31 多量程直流電流表 根據(jù)圖8.31，由“虛短”、“虛斷”概念可得：1mV電壓表的輸入 為被測電流 與分流電阻 的乘積，即 故 XUXIXRFGXXXRIRIUXFGXRRII 4. 測量放大器 測量放大器電路如圖8.33所示 圖8.33 測量放大電路 由圖8.33可知： (1) 熱敏電阻 和R組成測量電橋。當電橋平衡時 ，相當于共模信號，

11、故輸出 ，若測量橋臂感受溫度變化后，產(chǎn)生與 相應的微小信號變化，這相當于差模信號，能進行有效地放大。 (2) 三個集成運放分為二級。第一級由A1和A2組成對稱差分放大電路，它們均為同相比例放大器，具有串聯(lián)反饋的形式，輸入電阻很大。第二級是A3，它是差分放大器，具有抑制共模信號的能力。 tR21SSuu0OutR1Su 1. 信號幅度比較電路 (1) 電壓比較器 電壓比較電路如圖8.34所示 。圖8.34電壓比較器 8.3.4 信號處理電路信號處理電路 由圖8.34(a)可知：當 時，輸出為高電平 ；當 時，輸出為低電平 。電壓傳輸特性如圖8.34(b)所示。說明 若 加在同相輸入端， 加在反相

12、輸入端，則電壓傳輸特性如圖8.35(a)所示。 實用中，集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)總是有限的，現(xiàn)設V。則電壓比較器輸出達到最大輸出電壓時所需的凈輸入電壓為 (mV)REFIUu OmUREFIUu OmUIuREFU10,105OmuUAOmU1 . 0|uOmREFIIdAUUuu 故： 反相端輸入， mV時，V；mV時， V。電壓傳輸特性如圖8.35（b）實線所示。 同相端輸入， mV時， V； mV時，V。電壓傳輸特性如圖8.35（b）虛線所示。 1 . 0REFIUu10OmOUu1 . 0REFIUu10OmOUu1 . 0REFIUu10OmOUu1 . 0REFIUu10OmOU

13、u (a) 同相端輸入時電壓傳輸特性 (b) 非理想集成運放時電壓傳輸特性 圖8.35 電壓比較器傳輸特性 不接基準電壓，即時，電路如圖8.36（a）所示，該電路稱為過零比較器。 （a）電路圖 （b）電壓傳輸特性 圖8.36過零比較器 0REFU由圖8.36（a）可知：時，電壓比較器輸出高電平；當時，電壓比較器輸出低電平。當由負值變?yōu)檎禃r，輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖?；當由正值變?yōu)樨撝禃r，輸出電壓由低電平跳變?yōu)楦唠娖?。通常把比較器輸出電壓從一個電平跳變?yōu)榱硪粋€電平所對應的輸入電壓稱為閾值電壓(又稱門限電壓)。 0Iu0IuIuOuIuOuOuTU 為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出

14、端的數(shù)字電路電平相配合，可在輸出端接一個雙向穩(wěn)壓管進行限幅，如圖8.37（a）所示。其電壓傳輸特性如圖8.37（b）所示 。 圖8.37 有限幅的過零比較器 例8.6 設計一個簡單的電壓比較器，要求如下： UREF=2V；輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V；當輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。 解：因輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。故輸入信號應加在反相輸入端，同相輸入端加2V的參考電壓。 又因輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V，故可采用具有限幅作用的硅穩(wěn)壓管接在輸出端，它的穩(wěn)定電壓為6V。當輸出高電平時，穩(wěn)壓管作普通二極管使用，其導通電壓約為0.7V，故輸出電壓為0.7V

15、；當輸出低電平時，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓為6V，故輸出電壓為-6V。綜上所述，滿足設計要求的電路如圖8.38所示。 圖8.38 例8.6的電路圖 (2) 滯回比較器 滯回特性的比較器(又稱施密特觸發(fā)器)，如圖8.39所示 。8.39 滯回比較器 由圖8.39(a)可知 當輸出為+UZ時， ，稱為上限閾值電壓；當輸出為-UZ時，稱為下限閾值電壓 。)(322322ZOURRRuRRRuTZUURRRu322TZUURRRu322 說明 由于該電路存在正反饋，因而輸出高、低電平轉(zhuǎn)換很快。 例如，設開始時uO=UZ，當uI增加到UT+，使uO 有下降趨勢時，正反饋過程為： 這個正反饋過程很快使輸出uO由UZ

16、跳轉(zhuǎn)到-UZ。 兩個閾值的差稱為回差電壓，即調(diào)節(jié)R2、R3的比值，可改變回差電壓值?；夭铍妷捍?，抗干擾能力強，延時增加。實用中，就是通過調(diào)整回差電壓來改變電路某些性能的。 OIIdOuuuuuu)(TTUUU 還可以在同相端再加一個固定值的參考電壓UREF。此時，回差電壓不受影響，改變的只是閾值，在電壓傳輸特性上表現(xiàn)為特性曲線沿uI前后平移。因此，抗干擾能力不受影響，但越限保護電路的門限發(fā)生了改變。 目前有專門設計的集成比較器供選用。常用的單電壓集成比較器、四電壓集成比較器 引腳圖如圖8.40所示。 631J75339CB（a）單電壓集成比較器 （b）四電壓集成比較器 圖8.40 常用電壓比較

17、器引腳圖 例8.7 電路如圖8.41（a）所示，試求上、下限閾值電壓，并畫出電壓傳輸特性。 （a）電路圖 （b）電壓傳輸特性 圖8.41 例8.7的圖 解：由電路可知，當反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓時，輸出電壓被雙向穩(wěn)壓管箝位于在高電平6V。此時，同相輸入端電壓即為上限閾值電壓 V=1.5V當 V時，輸出電壓由高電平6V跳變?yōu)楸浑p向穩(wěn)壓管箝位的低電平 V。此時，同相輸入端電壓跳變?yōu)橄孪揲撝惦妷?V) = V6103010TU5 . 1Iu66(103010TU5 . 1 故當反相輸入端電壓 V時，輸出電壓由低電平 V跳變?yōu)楦唠娖?V。電壓傳輸特性如圖8.41（b）所示。 (3) 窗口比較器

18、 窗口比較器的電路圖和電壓傳輸特性如圖8.42所示， 主要用來檢測輸入電壓 是否在兩個電平之間。 圖8.42 窗口比較器 5 . 1Iu6Iu 2信號幅度的采樣保持 采樣保持電路的任務是將信號定期和設備接通（稱為采樣），并且將那時的信號保持下來，直至下一次采樣后，又保持在新的電平。采樣保持電路是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路的一個組成部分，其基本電路如圖8.43所示。 圖8.43 基本采樣保持電路 為了提高采樣保持電路的輸入電阻，降低電路的輸出電阻，以便減小信號源和負載對電路性能的影響，實用中可采用已制成單片集成電路的集成采樣保持器，其各引腳功能如圖8.44所示。 圖8.44LF198/298/398

19、采樣保持電路 3. 有源濾波器 采用集成運放可以在低頻范圍內(nèi)構(gòu)成相當簡單的濾波器電路，如圖8.45所示。主要用作測量信號的低通濾波。 (a) 反相比例放大LPF （b）同相比例放大LPF 圖8.45 低通濾波器（LPF） 例8.8 試確定圖8.45(b)所示的低通濾波器的電阻和電容值。要求 kHz，Au=2。 解 已知 kHz，先取C=0.01F，由求取R值，故取用標稱值。 根據(jù)集成運放同相和反相兩個輸入端直流通路電阻平衡要求，有。1Cf1CfRCfC21kCfRC9 .151001.0101212163kR16kRRRF16/1 已知 。 故 ， ，但標稱值無 ，則R1、RF均可采用二個標稱

20、值為 和 的精密電阻串聯(lián)來代替。211RRAFu11RRFkRRF321k32k10k22 1. 正弦信號產(chǎn)生電路 正弦信號產(chǎn)生電路，習慣上稱正弦波振蕩器，基本上是由放大器、正反饋、選頻電路以及限幅器組成，如圖8.46所示。 圖8.46 正弦波振蕩器電路簡圖 8.3.5 波形產(chǎn)生電路波形產(chǎn)生電路 正弦波振蕩器的振蕩條件相位條件：指從輸出端反饋到輸入端的反饋電壓相位與原輸入電壓同相，即引入正反饋。 振幅條件指：當閉環(huán)放大倍數(shù)大于1時，電路可以產(chǎn)生振蕩。在臨界振蕩狀態(tài)時，其閉環(huán)放大倍數(shù)等于1。 實用中，正弦波振蕩器有多種類型，不管哪種類型都是遵循相位條件和振幅條件設計的。振蕩電路分析也是依據(jù)這兩個

21、條件進行的。故障分析時，首先判斷起放大作用的元件是否正常工作(判斷振幅條件)，然后判斷選頻電路是否正常工作(判斷相位條件)。 由集成運放組成的正弦波振蕩器的典型實例是RC文氏橋振蕩器，如圖8.47所示。該電路的主要特點是采用RC串并聯(lián)電路作為選頻和反饋電路，集成運放和RF、R1構(gòu)成同相比放大電路。 圖8.47 RC文氏橋振蕩器 由圖可知令 則 RCf21022)(13ffffFoo2222)212(31)1(31fRCfRCRCRCUUFof(1) 當時，反饋信號與原輸入信號同相位，滿足相位條件；反饋電路輸出電壓只有反饋電路輸入電壓的，且最大。因此，集成運放組成的放大電路中RF略大于2R1時就

22、能滿足振幅條件，從而產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率為。若，電路不能起振；若，輸出電壓的波形會產(chǎn)生接近方波失真。 (2) 當時，反饋電路輸出信號與輸入信號的相位不同相，無的正弦波信號電壓輸出。 0ff 310f12RRF12RRFou0ff (3) 為產(chǎn)生振蕩，f = f0 信號電壓必須有一個從微弱開始逐漸增大，直至穩(wěn)定的過程。實用中，常采用改變RF/ R1 來實現(xiàn)穩(wěn)幅。例如，選擇負溫度系數(shù)的熱敏電阻作反饋電阻RF，當輸出電壓增加使RF的功耗增大，它的溫度上升，其負溫度系數(shù)使它的阻值下降，于是閉環(huán)電壓放大倍數(shù)減小，達到穩(wěn)幅目的。同理，也可選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻作電阻R1，實現(xiàn)穩(wěn)幅。 RC文氏橋振蕩電路結(jié)構(gòu)

23、簡單，起振容易，頻率調(diào)節(jié)方便，適用于低頻振蕩場合，最高振蕩頻率一般為10100kHz。 例8.9 在圖8.47中， 試求 該振蕩電路的頻率范圍？ 該采用多大的、什么樣的電阻才能得到較理想的正弦波輸出電壓？ 解： 振蕩電路的頻率范圍可由式 求得 下限頻率為 Hz 上限頻率為 HzkRnFCkRF20,100,10010RCf2109 .15101001010014. 321219301RCf15910100101014. 321219302RCf 電阻R1由同相比例運算電路的放大倍數(shù)為3求得 因： 故： 為實現(xiàn)穩(wěn)幅， 應采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻。 1R311RRAFufkRRF10220131

24、2. 非正弦信號產(chǎn)生電路 (1) 方波發(fā)生器 方波發(fā)生器的電路如圖8.48(a)所示。 (a)電路圖 (b)波形圖 圖8.48 方波發(fā)生器 在 期間： 電容C充電，按指數(shù)曲線上升，在 時刻，使輸出翻轉(zhuǎn)為 ，如圖8.48(b)波形所示。 在 期間： 電容C放電，按指數(shù)曲線下降，在 時刻，使輸出又翻轉(zhuǎn)為 。這樣又回到初始狀態(tài)，以后按上述過程周而復始，形成振蕩，輸出 為方波。 振蕩周期由RC充、放電快慢決定。10tZoUu21 tt1tt ZoUu2tt ZoUuou 若想獲得矩形波，只要設法控制電容C的充、放電快慢，使充電時間常數(shù)和放電時間常數(shù)不同即可。具體電路如圖849（a）所示，圖8.49（b

25、）為輸出波形。 （a）電路圖 （b）波形圖 圖8.49 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器 (2) 鋸齒波發(fā)生器 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖8.50（a）所示。該電路的主要特點是同相輸入滯回比較器（A1）起開關(guān)作用；積分運算電路(A2)起延時作用。 （a）電路圖 （b）波形圖 圖8.50 鋸齒波發(fā)生器 (3) 壓控振蕩器 壓控振蕩器的電路如圖10.51所示，圖中控制端電壓規(guī)定為正。 （a）電路 （b）電壓波形 圖10.51壓控振蕩器及電壓波形 1. 合理選用集成運放型號 集成運放的主要技術(shù)指標有： (1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)指集成運放在開環(huán)狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)。一般要求數(shù)量級越高越好，高質(zhì)量的集成運放可達140dB以上。 (2) 輸入失調(diào)電壓 輸入失調(diào)電壓指輸入電壓為零時，輸出端出現(xiàn)的電壓換算到輸入端