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集成运算放大器食品科学与工程 姓名：王光军 学号：0802061011引言：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。它的增益高（可达60180dB），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（60170dB），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0.20.25mm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。 目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。正文：一、集成运算放大器的分类 按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。1通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid（1091012）W,IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。5低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。6高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。二、集成运算放大器的使用要点1集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。（1）对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E）与负电源（-E）分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。（2）单电源供电方式单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。2集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。3集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作,就需外加一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。另外,防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（10mF）和一高频滤波电容（0.01mF0.1mF）。4集成运放的保护问题集成运放的安全保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。（1）电源保护电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变。对于性能较差的电源,在电源接通和断开瞬间,往往出现电压过冲。（2）输入保护集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高（超出该集成运放的极限参数范围）,集成运放也会损坏。（3）输出保护当集成运放过载或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护,使用这些器件就不需再加输出保护。三、基本放大电路的最佳设计1、影响放大电路工作的因素放大电路的工作情况受多方面的影响，除了受其自身参数外，还受电源、输入信号和静态工作点等因素的影响。其中静态工作点(即Q点)是最关键的因素。因为Q点的选取决定放大电路不失真输出的动态范围，因而在这个意义上来说，Q点会影响放大电路的放大能力(有别于放大倍数)。2 最佳动态范围的计算这里要讨论的是，在图l所示电路中，当电源电压、电路参数(除Rw)确定后，如何确定Q点(实际是指将Rw之值调为多少)，才能在输出端获得最大的输出能力。我们知道，当晶体管集电极电位在静态值基础上波动才会有交流信号输出，而其向高低两个方向变化的幅度和幅度的对称性决定了放大电路不失真输出的动态范围，因为发射极旁路电容足够大，信号的频率足够高，所以动态时发射极电位保持不变(与静态值相等)；此方法在实验中得到了验证，有利于深入理懈放大电路的工作原理和指导实验。当输出端带载和发射极接有负反馈(交流)电阻时，情况稍微复杂些，但分析方法类同。四、集成运放电路反馈类型的简易判断方法将输出信号的一部分或全部通过反馈网络引回到输入端的过程称为反馈，它是电子技术中的重要概念，反馈的极性和类型决定了反馈电路的功能和特性如正反馈能实现振荡，在放大电路中引入负反馈，可使放大电路的性能得到显著改善；串联负反馈可增大输入电阻，并联负反馈能减少输入电阻；电压负反馈可稳定输出电压，电流负反馈能稳定输出电流。因此。在反馈电路的分析与计算中。判断反馈极性和类型是非常重要的一个环节。反馈极性的判断常用瞬时极性法，看引入反馈后，电路的净输入信号是增强还是减弱，增强者是正反馈，削弱者为负反馈。反馈类型的判断，作者根据模拟电子技术教学过程中的经验总结出简单易学的方法如下。负反馈放大电路的基本类型判断：（1）电压反馈和电流反馈电压反馈：反馈信号取自输出电压的部分或全部。采用的判别方法是使uo=O (R 短路)，若反馈消失则为电压反馈。电流反馈：反馈信号取自输出电流。采用的判别方法是使io-0(R 开路)，若反馈消失则为电流反馈。（2）串联反馈和并联反馈串联反馈：反馈信号与输入信号以电压相减的形式在输入端出现。并联反馈：反馈信号与输入信号以电流相减的形式在输入端出现。反馈信号与输入信号在不同节点为串联反馈，在同一个节点为并联反馈；反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈。反馈取自非输出端为电流反馈，并把它应用于模拟电子课程教学中，让学生加深对反馈类型判断的理解。五、电流反馈集成运放的特点及应用设计通过上面的讨论可以看出，电流反馈集成运放最突出的优点是具有高速、宽带特性，可以象VOA一样应用于反馈电路中，且呈现出与闭环增益无关的近似恒定的带宽。这样，不仅改善了电路的高频特性，而且在高频下可获得更高的环路增益，以减少失真，改善精度 电流反馈集成运放的第二个突出优点是开环输出电阻小(典型值为零点几到几欧)，输出电流大(50-100 mA)，具有驱动大电容负载(高达1000 pF)的能力。因此在转换速率、大信号带宽要求较高的场合，常用CFOA代替VOA，如高速通信电路、电流电压转换器、FDTV的视频放大器、光电二极管放大器、同轴电缆驱动放大器等等。电流反馈运放也存在一些不足，主要有：(1)共模抑制比较低。这是因为输入缓冲级的NP聪曹llPNP管不可能完全匹配，以及它们的基区宽度调制效应引起的。当NPN管的VcB增加时会引起PNP管的IVcBI下降，它们对输出的作用是相同的，使共模输出加大，Kc 藏小。一般CFOA的Kcm在5O70 dB之间，比VOA的K m低得多。(2)反相输人端的偏置电流较大，一般为几到几十微安 越是因为输人缓冲级的NPN管与PNP管在何样王c下VBE不同，且口值也不一样使得它们的基极电流不等，造成反相输人端有较大静态电流。由cFOA组成放大电路的设计比较简单。因为可由反馈电阻R 设定带宽，由电阻R 设定闭环增益。首先，根据设计指标提出的闭环带宽的要求选定反馈电阻RF；然后根据闭环增益的要求确定电阻Rt之值。值得注意，由于闭环增益的主极点与R 有关，该主极点必须比相邻的非主极点低得多，以保证有足够的相位裕度和闭环稳定性，R 的值不能太小，其最小值与CFOA的型号有关，一般手册中会给出参考值。六、集成运算放大器的基本运算电路实验原理本实验所采用的集成运放的型号为A741（或F007），引脚排列如图1所示。它是8脚双列直插式组件，2脚和3脚为反相和同相输入端，6脚为输出端，7脚和姓脚为正、负电源端，1脚和5脚为失调调零端。在1脚与5脚之间可接入一个几十欧姆的电位器并将滑动触头接到负电源端。8脚为空脚。 集成运算放大器按照输入方式可分为同相、反相、差动三种接法。按照运算关系可分为比例、加法、减法、积分、微分等，利用输入方式与运算关系的组合，可接成各种运算电路。图1 A74l引脚排列1，反相比例运算电路反向比例运算电路如图2所示。根据电路分析，这种电路的输出电压为 图2 反相比例运算电路2反相加法器电路如果运算放大器的反相端同时加入几个信号，接成如图3的形式，就构成了反相加法器电路，它能对同时加入的几个信号电压进行代数相加运算。 图3 反相加法器如果把运算放大器看做是理想的，那么输出电压与输入电压之间的关系为如果几个输入电阻R1=R2=R3=，并以R表示，那么 为了保证运算放大器的两个输入端处于平衡对称的工作状态，克服失调电压、失调电流的影响，在电路中应尽量保证运算放大器两个输入端的外电路的电阻相等。因此，在反相输入的运算放大器电路中，同相端与地之间要串接补偿电阻凡，凡的阻值应是反相输入电阻与反馈电阻的并联值，即R4=R1/R2/R3/Rf。3，差动运算放大电路（减法器）差动输入运算放大器电路如图4所示。根据电路分析，这种电路的输出电压为说明了输出与输入之间具有相减关系，所以这种电路又称为减法器. 电路中，同相输入电路参数与反相输入电路应保持对称，即同相输入端的分压电路也应由R1和Rf来构成。图4 差动放大器电路4微分器微分器的输出电压与输入电压的微分成正比，在线性系统中作为微分来使用，而在脉冲数字电路中用做波形变换。在图5所示的电路中， 图5 微分器图中Ri的作用是限制高频增益，使高频增益下降为Rf/Ri。只有当输入信号频率ffc=1/(2RiC)）时电路才起微分作用。七、集成运算放大器基本应用基本应用：1、差动输入级 使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。2、中间放大级 由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。3、输出级 可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。输出级一般为互补对称推挽电路。 4、偏置电路 为各级电路提供合适的静态工作点。为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。八、应用集成运算放大器时需注意的问题1、输入信号选用交、直流量均可， 但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。2、调零为提高运算精度，在运算前， 应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压U0，细心调节RW，使U0为零（即失调电压为零）。如运放没有调零端子，若要调零，可按图77所示电路进行调零。一个运放如不能调零，大致有如下原因： 组件正常，接线有错误。 组件正常，但负反馈不够强（RFR1 太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。组件内部损坏，应更换好的集成块。3、消振一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零， 亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激，常采用如下