1、运算放大器大多被制作成集成电路，所以常称为集成运算放大电路，简称为集成运放。在一个集成电路中，能够含有一个运算放大器，也能够含有多个(两个或四个)运算放大器，集成运算放大器既可作直流放大器又可作交流放大器，其主要特征是电压放大倍数高，功率放大很大，输入电阻非常大和输出电阻较小。因为集成运算放大器含有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。8.3集成运算放大电路集成运算放大电路1/728.3.1集成运放理想化条件集成运放理想化条件(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；(2)输入电阻趋于无穷；(3)输出电阻趋于零；(4
2、)共模抑制比趋于无穷；(5)有没有限宽频带；(6)当输入端u-=u+时，uo=0。当前，集成运放开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻到达兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。所以，作近似分析时，经常对集成运放作理想化处理。2/72对对于于工工作作在在线线性性状状态态理理想想集集成成运运放放，含有两个主要特征。1.理想集成运放两输入端间电压为0，但又不是短路，故常称为“虚短”。2.理想运放两个输入端不取电流，但又不是开路，普通称为“虚断”。对对于于工工作作在在非非线线性性状状态态理理想想集集成成运运放放，则含有：当 时，；当时，。其中是集成运放正向或反向输出电压最大值。3/72集成运放输出电
3、压与差分输入电压之间关系，可用图8.19所表示电压传输特征来描述。图8.19运算放大器电压传输特征4/728.3.2基本运算电路基本运算电路1.反相百分比运算电路反相百分比运算电路如图8.20所表示。图8.20反相百分比运算电路由虚短、虚断可得：5/726/722.同相百分比运算电路同相百分比运算电路如图8.21所表示。图8.21同相百分比运算电路由虚短、虚断可得：7/728/723.加减运算电路(1)加法运算电路加法运算电路如图8.22所表示。图8.22加法运算电路9/72因反相输入端为“虚地”，故得于是，输出电压为当，则10/72 例8.4在图8.22所表示反相加法运算电路中，若R11=5
4、k，R12=10k，RF=20k，uI1=1V，uI2=2V，最大输出电压V。求输出电压。解：因，故电路工作在线性区，可实现反相加法运算。11/72(2)减法运算电路减法运算电路如图8.23所表示。图中减数加到反相输入端，被减数经R2、R3分压后加到同相输入端。图8.23减法运算电路12/72由图可知故得13/72当时，上式为即输出电压与输入电压差值（）成正百分比。当时，上式为可见输出电压等于两个输入电压差，从而能进行减法运算。14/724.积分运算电路积分运算电路如图8.24所表示。图中，用CF代替RF组成反馈电路。图8.24积分运算电路15/72设电容器CF上初始电压UC(0)=0，伴随充
5、电过程进行，电容器CF两端电压为d t由图8.24可知故d t16/725.微分运算电路微分运算是积分运算逆运算。积分电路中，电阻R1与电容CF位置对调一下，即得微分电路，电路如图8.25所表示。图8.25微分运算电路17/72由图8.25可知：故18/721.电压电流变换器(1)接地负载电压电流变换器接地负载电压电流变换器如图8.26所表示。图8.26带接地负载电压电流变换电路8.3.3信号测量电路信号测量电路19/72由图8.26，依据“虚短”概念，由叠加定理可得解得由KCL得将代入上式，整理得20/72(2)悬浮负载电压电流变换器悬浮负载电压电流变换器电路如图8.27所表示。（a）反相电
6、压电流变换器（b）同相电压电流变换器图8.27悬浮负载电压电流变换器21/72图8.27（a）是一个反相电压电流变换器，它是一个电流并联负反馈电路，它组成与反相放大器很相同，所不一样是现在反馈元件（负载）可能是一个继电器线圈或内阻为RL电流计。流过悬浮负载电流为图8.27（b）是一个同相电压电流变换器，它是一个电流串联负反馈电路。该电路负载电流为22/722.电流电压变换器电流电压变换器如图8.28所表示，它是一个电压并联负反馈电路。这个电路本质上是一个反相放大器，只是没有输入电阻。输入电流直接接到集成运放反相输入端。（a）基本电路（b）经典电路图8.28电流电压变换器23/72图8.28(a
7、)是一个基本电流电压变换器，依据集成运放“虚断”和“虚地”概念，有和，故，从而有图8.28(b)是一个经惯用在光电转换电路中经典电路。图中V是光电二极管，工作于反向偏置状态。依据集成运放“虚断”和“虚地”概念可得故24/723.电压、电流测量一块普通电工仪表表头，若与集成运放相连，能够改装成一块灵敏度较高电子仪表，实现交、直流测量。(1)电压测量图8.29所表示为直流毫伏表经典原理电路图。图8.29直流毫伏表25/72能测量小于1mV微小电压值，而普通万用表不可能有如此高灵敏度。集成运放接成串联负反馈电路，输入电阻极高，理想条件下为无穷大，普通电工仪表示不到（测量电压时，要求仪表内阻越高越好）
8、。表头满量程电压值不受表头内阻RG阻值影响。只要是满量程表头，换用前后不改变毫伏表性能。所以，表头交换性较普通电表好。因为RF阻值很小，可用温度系数较低电阻丝绕制，提升了仪表性能。26/72以上述表头为基础，组成多量程直流电压表如图8.30所表示。图8.30多量程直流电压表27/72(2)电流测量在上述1mV表头电路基础，加上分流器，可组成多量程直流电流表，如图8.31所表示。图8.31多量程直流电流表28/72依据图8.31，由“虚短”、“虚断”概念可得：1mV电压表输入为被测电流与分流电阻乘积，即故29/724.测量放大器测量放大器电路如图8.33所表示图8.33测量放大电路30/72由图
9、8.33可知：(1)热敏电阻 和R组成测量电桥。当电桥平衡时 ，相当于共模信号，故输出，若测量桥臂感受温度改变后，产生与对应微小信号改变，这相当于差模信号，能进行有效地放大。(2)三个集成运放分为二级。第一级由A1和A2组成对称差分放大电路，它们均为同相百分比放大器，含有串联反馈形式，输入电阻很大。第二级是A3，它是差分放大器，含有抑制共模信号能力。31/721.信号幅度比较电路(1)电压比较器电压比较电路如图8.34所表示。图8.34电压比较器8.3.4 信号处理电路信号处理电路32/72由图8.34(a)可知：当时，输出为高电平；当时，输出为低电平。电压传输特征如图8.34(b)所表示。说
10、明若加在同相输入端，加在反相输入端，则电压传输特征如图8.35(a)所表示。实用中，集成运放开环电压放大倍数总是有限，现设V。则电压比较器输出到达最大输出电压时所需净输入电压为(mV)33/72故：反相端输入，mV时，V；mV时，V。电压传输特征如图8.35（b）实线所表示。同相端输入，mV时，V；mV时，V。电压传输特征如图8.35（b）虚线所表示。34/72(a)同相端输入时电压传输特征(b)非理想集成运放时电压传输特征图8.35电压比较器传输特征35/72不接基准电压，即时，电路如图8.36（a）所表示，该电路称为过零比较器。（a）电路图（b）电压传输特征图8.36过零比较器36/72由
11、图8.36（a）可知：时，电压比较器输出高电平；当时，电压比较器输出低电平。当由负值变为正值时，输出电压由高电平跳变为低电平；当由正值变为负值时，输出电压由低电平跳变为高电平。通常把比较器输出电压从一个电平跳变为另一个电平所对应输入电压称为阈值电压(又称门限电压)。37/72为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端数字电路电平相配合，可在输出端接一个双向稳压管进行限幅，如图8.37（a）所表示。其电压传输特征如图8.37（b）所表示。图8.37有限幅过零比较器38/72 例8.6设计一个简单电压比较器，要求以下：UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于
12、2V时，输出为低电平。解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采取含有限幅作用硅稳压管接在输出端，它稳定电压为6V。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为-6V。总而言之，满足设计要求电路如图8.38所表示。39/72图8.38例8.6电路图40/72(2)滞回比较器滞回特征比较器(又称施密特触发器)，如图8.39所表示。8.39滞回比较器41/72由图8.39(a)可知当输出为+UZ时，称
13、为上限阈值电压；当输出为-UZ时，称为下限阈值电压。42/72说明因为该电路存在正反馈，因而输出高、低电平转换很快。比如，设开始时uO=UZ，当uI增加到UT+，使uO有下降趋势时，正反馈过程为：这个正反馈过程很快使输出uO由UZ跳转到-UZ。两个阈值差称为回差电压，即调整R2、R3比值，可改变回差电压值。回差电压大，抗干扰能力强，延时增加。实用中，就是经过调整回差电压来改变电路一些性能。43/72还能够在同相端再加一个固定值参考电压UREF。此时，回差电压不受影响，改变只是阈值，在电压传输特征上表现为特征曲线沿uI前后平移。所以，抗干扰能力不受影响，但越限保护电路门限发生了改变。当前有专门设
14、计集成比较器供选取。惯用单电压集成比较器、四电压集成比较器引脚图如图8.40所表示。44/72（a）单电压集成比较器（b）四电压集成比较器图8.40惯用电压比较器引脚图45/72例8.7 电路如图8.41（a）所表示，试求上、下限阈值电压，并画出电压传输特征。（a）电路图（b）电压传输特征图8.41例8.7图46/72解：由电路可知，当反相输入端电压低于同相输入端电压时，输出电压被双向稳压管箝位于在高电平6V。此时，同相输入端电压即为上限阈值电压V=1.5V当V时，输出电压由高电平6V跳变为被双向稳压管箝位低电平V。此时，同相输入端电压跳变为下限阈值电压V)=V47/72故当反相输入端电压 V
15、时，输出电压由低电平 V跳变为高电平6V。电压传输特征如图8.41（b）所表示。(3)窗口比较器窗口比较器电路图和电压传输特征如图8.42所表示,主要用来检测输入电压是否在两个电平之间。图8.42窗口比较器48/722信号幅度采样保持采样保持电路任务是将信号定时和设备接通（称为采样），而且将那时信号保持下来，直至下一次采样后，又保持在新电平。采样保持电路是模数（A/D）转换电路一个组成部分，其基本电路如图8.43所表示。图8.43基本采样保持电路49/72为了提升采样保持电路输入电阻，降低电路输出电阻，方便减小信号源和负载对电路性能影响，实用中可采取已制成单片集成电路集成采样保持器，其各引脚功
16、效如图8.44所表示。图8.44LF198/298/398采样保持电路50/723.有源滤波器采取集成运放能够在低频范围内组成相当简单滤波器电路，如图8.45所表示。主要用作测量信号低通滤波。(a)反相百分比放大LPF（b）同相百分比放大LPF图8.45低通滤波器（LPF）51/72 例8.8试确定图8.45(b)所表示低通滤波器电阻和电容值。要求kHz，Au=2。解 已 知 kHz，先 取 C=0.01F，由 求取R值，故取用标称值。依据集成运放同相和反相两个输入端直流通路电阻平衡要求，有。52/72已知。故，但标称值无，则R1、RF均可采取二个标称值为和精密电阻串联来代替。53/72 1.
17、正弦信号产生电路正弦信号产生电路，习惯上称正弦波振荡器，基本上是由放大器、正反馈、选频电路以及限幅器组成，如图8.46所表示。图8.46正弦波振荡器电路简图8.3.5 波形产生电路波形产生电路54/72正弦波振荡器振荡条件相位条件：指从输出端反馈到输入端反馈电压相位与原输入电压同相，即引入正反馈。振幅条件指：当闭环放大倍数大于1时，电路能够产生振荡。在临界振荡状态时，其闭环放大倍数等于1。实用中，正弦波振荡器有各种类型，不论哪种类型都是遵照相位条件和振幅条件设计。振荡电路分析也是依据这两个条件进行。故障分析时，首先判断起放大作用元件是否正常工作(判断振幅条件)，然后判断选频电路是否正常工作(判
18、断相位条件)。55/72由集成运放组成正弦波振荡器经典实例是RC文氏桥振荡器，如图8.47所表示。该电路主要特点是采取RC串并联电路作为选频和反馈电路，集成运放和RF、R1组成同相比放大电路。图8.47RC文氏桥振荡器56/72由图可知令则57/72(1)当时，反馈信号与原输入信号同相位，满足相位条件；反馈电路输出电压只有反馈电路输入电压，且最大。所以，集成运放组成放大电路中RF略大于2R1时就能满足振幅条件，从而产生振荡，振荡频率为。若，电路不能起振；若，输出电压波形会产生靠近方波失真。(2)当时，反馈电路输出信号与输入信号相位不一样相，无正弦波信号电压输出。58/72(3)为产生振荡，f=
19、f0信号电压必须有一个从微弱开始逐步增大，直至稳定过程。实用中，常采取改变RF/R1来实现稳幅。比如，选择负温度系数热敏电阻作反馈电阻RF，当输出电压增加使RF功耗增大，它温度上升，其负温度系数使它阻值下降，于是闭环电压放大倍数减小，到达稳幅目标。同理，也可选择正温度系数热敏电阻作电阻R1，实现稳幅。RC文氏桥振荡电路结构简单，起振轻易，频率调整方便，适合用于低频振荡场所，最高振荡频率普通为10100kHz。59/72 例8.9在图8.47中，试求该振荡电路频率范围？该采取多大、什么样电阻才能得到较理想正弦波输出电压？解：振荡电路频率范围可由式求得下限频率为Hz上限频率为Hz60/72电阻R1
20、由同相百分比运算电路放大倍数为3求得因：故：为实现稳幅，应采取正温度系数热敏电阻。61/722.非正弦信号产生电路(1)方波发生器方波发生器电路如图8.48(a)所表示。(a)电路图(b)波形图图8.48方波发生器62/72在期间：电容C充电，按指数曲线上升，在时刻，使输出翻转为，如图8.48(b)波形所表示。在期间：电容C放电，按指数曲线下降，在时刻，使输出又翻转为。这么又回到初始状态，以后按上述过程周而复始，形成振荡，输出为方波。振荡周期由RC充、放电快慢决定。63/72若想取得矩形波，只要设法控制电容C充、放电快慢，使充电时间常数和放电时间常数不一样即可。详细电路如图849（a）所表示，
21、图8.49（b）为输出波形。（a）电路图（b）波形图图8.49占空比可调矩形波发生器64/72(2)锯齿波发生器锯齿波发生器电路如图8.50（a）所表示。该电路主要特点是同相输入滞回比较器（A1）起开关作用；积分运算电路(A2)起延时作用。（a）电路图（b）波形图图8.50锯齿波发生器65/72(3)压控振荡器压控振荡器电路如图10.51所表示，图中控制端电压要求为正。（a）电路（b）电压波形图10.51压控振荡器及电压波形66/721.合理选取集成运放型号集成运放主要技术指标有：(1)开环电压放大倍数开环电压放大倍数指集成运放在开环状态下差模电压放大倍数。普通要求数量级越高越好，高质量集成运
22、放可达140dB以上。(2)输入失调电压输入失调电压指输入电压为零时，输出端出现电压换算到输入端数值。或指为了使输出电压为零而在输入端加赔偿电压。8.3.6集成运放使用中问题集成运放使用中问题67/72(3)输入失调电流输入失调电流指输出为零时，流入放大器两输入端静态基极电流之差。(4)共模抑制比共模抑制比在应用中也是一个很主要参数，其数值普通在80dB以上。(5)差模输入电阻集成运放差模输入电阻指运放在开环条件下，两输入端之间等效电阻，普通为几兆欧。(6)输出电阻集成运放输出电阻指在开环条件下，从输出端和地端看进去等效电阻。大小反应了集成运放负载能力。68/722.在使用集成运放时应熟悉管脚
23、功效集成运放类型很多，使用前必需充分查阅该型号器件资料，熟悉其使用方法。惯用集成运放有单运放电路；双运放电路；四运放电路等，这些集成电路电源均为，各引脚功效如图8.53所表示。（a）单运放（b）双运放（c）四运放图8.53惯用集成运放引脚图69/723.集成运放消振与调零消振与调零电路如图8.54所表示。(a)F004(b)A741(F007)图8.54集成运放调零70/724.输入保护输入端保护电路如图8.56所表示。(a)反相输入(b)同相输入图8.56输入保护电路71/721反馈是将输出信号一部分或全部以经过反馈网络送到输入端。负反馈放大电路有四种不一样类型。由瞬时极性判断反馈性质，由输出端判别电压或电流反馈，由输入端判别串联或并联反馈。2差分放大电路是抑制零点漂移最有效电路形式，其特点是电路对称。3集成运放是一个高增益直接耦合放大器，掌握集成运放理想化条件是分析集成运放在线性和非线性应用时基本概念和主要标准。理想运放线性应用时，若反相输入则有u-=u+=0、i-=i+；若同相输入或差分输入则有u-=u+、i-=i+。理想运放组成正弦波振荡器时，关键是要满足振幅条件和相位条件。本章小结本章小结72/72
