模拟电子技术集成运算放大器的基本应用

集成运算放大器的基本应用学习目标理解和掌握集成运放的线性、非线性应用掌握基本运算电路的组成原理及分析计算了解有源滤波器的组成原理6.1

集成运算放大器的线性应用6.2

集成运算放大器的非线性应用6.3

集成运放应用中的实际问题*6.4电路仿真实例集成运放可以构成形式多样、种类繁多的应用电路。集成运放的应用根据运放的工作状态，可分为线性应用电路和非线性应用电路；从功能上可分为信号运算电路、信号处理电路和信号发生电路等。其中信号运算电路、信号处理电路以及正弦波产生电路是集成运放在线性状态的具体应用；电压比较器及其应用（非正弦波产生电路）是集成运放在非线性方面的典型应用。

集成运放的线性应用主要为构成各种基本运算电路和信号处理电路。基本运算电路有比例运算电路、加减运算电路、积分和微分运算电路等；信号处理电路主要介绍有源滤波器。6.1集成运算放大器的线性应用

运算电路的基本构成思想是理想运放，且均为深度负反馈电路，使运放工作在线性区。本章所采用的分析方法是利用理想运放的“虚短”、“虚断”概念，另外还可以用叠加定理来进行分析。1.反相比例运算电路图中引入深度电压并联负反馈，

为直流平衡电阻，也叫补偿电阻，应选择

。输入电压加至运放反相端，所以得名反相输入运算电路。平衡电阻的取值应满足一定原则：即平衡电阻的取值应使运放同相输入端和反相输入端的等效电阻值相等。6.1.1比例运算电路

根据理想运放“虚断”的概念，有

；根据“虚短”的概念，有

，可得

即反相输入端“虚地”了。又有

（虚断），得：

求解得

可以看出：在反相比例运算电路中，输出电压与输入电压成比例关系,且相位相反，只要选用精度高的电阻器就能构成各种不同增益的放大电路，并且输出电压与负载电阻的大小无关。此外,由于反相端和同相端的对地电压都接近于零,所以共模输入电压极小。当

时，

，输入电压与输出电压大小相等,相位相反,称为反相器。反相比例运算电路引入的是深度电压并联负反馈，输入电阻为：

输出电阻为：图中引入深度电压串联负反馈，输入电压经平衡电阻

，加至运放同相端。

根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，得：又

，

整理得：

特别地，若取

或

，同相比例运算电路输入电压与输出电压的关系式变为

即电压跟随器。

同相比例运算电路引入的是深度电压串联负反馈，输入电阻为：

输出电阻为：2.同相比例运算电路

在反相比例运算电路的基础上，增加若干个输入支路，就构成了反相求和运算电路。图中引入深度电压并联负反馈。并且电路参数仍虚满足平衡条件：

运放的反相输入端“虚地”，即

。又由“虚短”的概念可得：

即：整理得：

当

时，输出等于三输入反相之和，即：

1.反相求和运算电路6.1.2加减运算电路

在同相比例运算电路的基础上，增加若干个输入支路，就构成了同相求和运算电路。图中引入深度电压串联负反馈。并且电路参数仍虚满足平衡条件：

由“虚短”和“虚断”的概念可得：

两式联立，得：其中

，将电路参数平衡条件

代入得：

2.同相求和运算电路对

、

来说，

引入的是电压并联负反馈，而对

、

来说，

引入的是电压串联负反馈。

根据“虚短”和“虚断”的概念可得：

整理得：

将电路参数平衡条件

代入得：

若

，可得：

3.加减运算电路

在理想情况下,该电路具有很好的抑制共模信号的能力。但是它有输入电阻低和增益调节困难两大缺点。因此,为了满足输入阻抗和增益可调的要求，在工程上常采用多级运放组成的差动放大器来完成对差模信号的放大。

由“虚断”有：

此电路反相输入端有“虚地”，即

代入上式整理得：

假设初始电压

，当输入为直流信号时，积分输出波形为过原点并随时间线性下降的一条射线；当输入为方波信号时，输出波形为三角波或锯齿波；当输入为正弦波信号时，输出为余弦波。6.1.3积分和微分运算电路1.积分运算电路微分运算是积分运算的逆运算，只要将基本积分电路中的

和

互换就可得到基本微分电路。

本电路反相输入端同样有“虚地”，根据理想运放“虚断”的概念可得：

整理可得：

若输入为方波信号，且

则输出为尖顶脉冲波。

此外，我们可以看到微分运算电路对信号的突变非常灵敏，对信号的缓慢变化反应非常小。因此，在控制系统中常用它来改善系统的动态性能。

2.微分运算电路

在实际应用当中，常采用微分改进电路。图中，

用于限制噪声干扰和突变的输入信号；在基本微分电路中的

和反馈电阻

两端各并联一个小电容，适当选取元件参数可以用来进行相位补偿；双向稳压管用于限制输出电压幅度。

在基本运算电路中，还有一些其他的运算电路，包括对数、指数运算电路，模拟乘法器，除法运算电路，绝对值电路和峰值检波电路等。6.1.4对数、指数和乘法运算电路1.对数运算电路由二极管的伏安特性方程可知，当满足时，上式可近似为：电路中存在“虚地”，又由“虚断”得：由此得：在实际应用中，为了扩大对数运算电路的动态范围，常利用三极管VT的发射结代替二极管VD作为对数元件。2.指数运算电路由“虚短”和“虚断”得：即整理得3.乘法电路乘法电路可以由对数、加法、指数等电路组合而成，目前应用较多的是单片集成模拟乘法器。按输入电压允许的极性分类，模拟乘法器可以分为以下三种：四象限乘法器——两个输入电压极性可正可负，或者正负交替。两象限乘法器——只允许两个输入电压之一极性可正可负，另一个应该是单极性的。单象限乘法器——两个输入电压都只能是单极性的。在模拟乘法器中应用最多的是变跨导模拟乘法器。这种乘法器电路简单，容易集成且工作频率比较高，是性能优良的通用型乘法器，型号有MC1495/1595、AD534、BG314等。恒流源式差分放大电路，输出电压理想情况下较小，且时，代入可得图中电流是一个压控电流源，当时，有代入得：在此电路中，晶体管VT3的跨导不是常数，而是随输入电压的变化而变化，所以称为变跨导模拟乘法器。而且由于电流只能大于零，因而只能为正，可正可负，所以上述电路是一个两象限模拟乘法器。6.1.5有源滤波器1.概念

滤波器——是一种具有频率选择功能的电子电路。

它允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要传送的频率范围进行有效的阻止。滤波器在通信、电子工程、仪器仪表等领域有着广泛的应用。2.分类

滤波器按性能的不同，分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器——由

、

、

的串联或并联组成。有源滤波器——由集成运放和

网络组成。

有源滤波器与无源滤波器相比，其优点主要表现在两个方面：它不用电感元件，体积小，重量轻。由于集成运放的开环增益和输入电阻很高，输出电阻很低，所以有源滤波器还具有一定的电压放大和缓冲作用，无须考虑级联时的匹配问题。

不过，集成运放的带宽有限，使它的应用范围受到了一定限制。由集成运放组成的有源滤波器，多用于几十千赫兹以下的频率范围；在此以上的频率范围，可选用无源滤波器。通带——允许信号通过的频带；阻带——不允许信号通过的频带；截止频率——通带和阻带的临界频率。（1）低通滤波器（LPF）：通过低频（或直流）信号，抑制高频信号或干扰和噪声。用于信号频率较低时。（2）高通滤波器(HPF)：通过高频信号，抑制低频或直流信号。用于信号频率较高时。（3）带通滤波器(BPF)：通过一定频段内的信号，抑制低于或高于该频段的信号、干扰或噪声。用于突出有用信号，削弱其余频段的信号。（4）带阻滤波器(BEF)：抑制一定频段内的信号，通过在此频段以外的信号。主要用来抑制干扰。3.分析方法

一般采用拉普拉斯变换法。将电压、电流变换成象函数

、

。

、

等元件的阻抗分别变换成

、

，其中

，是复频率。因此输出与输入的传递函数为：

由图可得：

由以上二式可得传递函数

令

，则 其中

称为通带电压放大倍数（即

时的增益），

称为特征角频率，

因为传递函数中的次方为1，故称一阶低通有源滤波电路。【例6.1】分析一阶低通有源滤波电路。当

时，对数幅频特性曲线的斜率为

倍频，这与理想特性相差很远。为了改善滤波效果，常采用二阶、三阶或更高阶次的滤波电路。令，则其复数频率特性为：整理得传输函数

该滤波器的通带增益

应小于3，才能保证电路工作稳定，不会自激。

的次方为2，故称二阶低通有源滤波电路。【例6.2】分析二阶低通有源滤波电路。其复数频率特性为：

带通滤波器可由低通和高通滤波器串联来实现，为了得到通带响应，要求低通滤波电路的上限截止频率（

）高于高通滤波电路的下限截止频率（

）。带阻滤波器由带通滤波器和减法器组成。6.2集成运算放大器的非线性应用

在集成运放的非线性应用电路中，运放一般工作在开环或正反馈状态，主要工作在非线性区。在运放的非线性应用中，理想运放的“虚短”和“虚地”不再满足，不过由于运放的输入电阻高，输入偏置电流小，因此仍可近似应用“虚断”的概念。6.2.1电压比较器

电压比较器是运放工作在非线性状态的一种应用，简称比较器。它是一类常用模拟信号处理电路，将一个模拟电压信号与一个基准电压比较，比较结果由输出的高电平

或低电平

来表示。这样，比较器就成了模拟电路和数字电路联系的桥梁。电压比较器在电子测量、自动控制和波形变换等诸多方面都有着广泛的应用。常用的电压比较电路有：单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、集成比较器等。

图中基准电压

，当

时，输出

；当

时，输出

传输特性曲线如图（b）所示。比较器从一种状态跳变为另一状态时，对应的输入电压称为阈值电压或门限电压。在过零比较器中，门限电压为零，因此得名。

在实际应用中，若要使输出电压限幅，可在输出端加双向稳压管限幅，这时输出电压最大值为双向稳压管稳压值

。电阻

的作用为限流。1.单限比较器（1）过零比较器当

时，输出

；当

时，输出

，其传输特性曲线如图（b）所示。在一般单限比较器中，门限电压为

。（2）一般单限比较器

图中，输入信号加在同相端，称同相比较器。若信号加在反相端，参考电压加在同相端，则称反相比较器。比较器可以用来对输入波形进行变换和整形。例如可以将输入的正弦波变换为矩形波，还可以将不规则的输入波形整形为方波信号。【例6.3】如图6.28（a）为一般单限比较器，画出当输入如图6.28（b）所示正弦波时的输出波形。只要设置好参考电压值，就可以得到不同占空比的方波信号。运用叠加原理得：

当

时，

，得阈值电压当

时，

跳变为当

时，

，得另一阈值电压当

时，

跳变为2.滞回比较器

分析比较器的关键是找到阈值电压。根据“虚断”的概念，得：回差电压6.2.2非正弦波信号发生器

信号发生器又称为振荡器，是一种不需要输入信号也能产生各种周期性波形信号的电路装置，例如可以产生正弦波、方波、三角波信号等。

非正弦信号发生器是运放工作在非线性状态的另一种应用。在自动化设备和系统中，经常需要进行性能测试和信息传送，这些都离不开一定的波形作为测试和传递的依据。非正弦信号发生器产生的波形主要有方波、三角波、锯齿波等。它一般由电压比较器和积分延迟环节组成。

方波信号发生器如图所示。它是在滞回比较器的基础上增加了一个积分电路所构成，其中的

，

积分支路引入了电压负反馈，并具有延迟作用。

与电压比较器反馈电压

相比较，从而决定

的极性。假设接通电源时，,，此时1.方波信号发生器该电路的振荡周期通过对充电，按指数规律增大，当增大到等于时，即由跳变到也紧跟着变为负值，电容开始通过放电，而后反向充电。当充电到等于负值的时，又从跳变到。如此周而复始，在输出端便得到一列连续的方波信号。

由于电容的充、放电回路一致，所以输出信号占空比为50%。要想得到不同占空比的矩形波信号，只要使电容的充、放电回路不同，从而导致充、放电的时间常数不等即可。设时，比较器输出电压，

，。此时，电容被充电，从0开始线性下降，也跟着下降，当下降到略小于0时，从跳变到，同时继续下降到0以下。由于，故电容反向充电，于是线性上升，也上升。当上升到略大于0时，又从跳变到，同时增大到0以上。显然电路周而复始，在输出端就可得到周期性的三角波。2.三角波信号发生器

三角波信号发生器由滞回比较器和反向积分电路组成。 该电路的振荡周期由叠加定理得：3.锯齿波信号发生器

锯齿波发生器电路与前述三角波发生器的区别主要在于积分电路充、放电回路不同，可以使积分器的输出为锯齿波。锯齿波发生器被广泛地应用在各种屏幕的扫描系统中。

对应三角波的振荡周期，锯齿波的振荡周期为

占空比为6.3集成运放应用中的实际问题6.3.1集成运放的选择

总的来说，应根据系统对电路的要求、工作现场的情况，参照主要技术指标进行选择，并注意以下原则：性价比是要考虑的首要原则。通常尽量采用通用型集成运放，在通用型集成运放不能满足要求时，再选择专用型集成运放。依据系统要求和现场工作条件来进行选择。若系统要求精度高、温漂小、噪声干扰低，则选择高精度、低温漂、低噪声的集成运放；若系统对功耗有要求时，应选择低功耗运放等。然而集成运放的某些技术指标可能是相互制约的，此时应抓住主要矛盾来进行相应的选择。6.3.2集成运放应用中应注意的问题1.自激振荡的消除 消除自激振荡的方法是补偿法。通常是在运放的适当位置接入补偿电容或补偿电路，破坏电路产生自激振荡的条件，使运放能够稳定地工作。根据补偿网络接入的位置不同，相位补偿方法可分为内补偿和外补偿两种。对于多级放大电路，单纯电容补偿会使放大器在高频时幅值衰减得更快，故通频带变窄。为了弥补这一缺点，可在分立电路的级间插入

补偿网络。利用

在高频时减小

的并联作用，改变放大电路的频率特性消除自激，而又不至于带宽压缩过多。对于集成运放，只要在其补偿端外接电容即可。2.调零

由于输入失调电压和失调电流的存在，当输入信号为0时，输出信号一般不为0。因此许多实际电路需要对集成运放进行调零。

运放的调零可分为内部调零和外部调零两类。内部调零运放设有外接调零电位器的调零引脚。外部调零的原理是：通过调节外接调零电位器，将一个固定电压加在运放输入端，以抵消运放本身的失调电压。3.保护措施（1）输入保护（2）输出保护

常用方法是在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向导通电压以下但是，这一措施的缺点是增加了失调电流造成的误差，同时二极管所产生的温漂会使整个运放的漂移增加，在使用要求较高的场合应注意这一问题。当集成运放输出端过载或短路时，如果没有保护电路，就会使运放损坏。因而一些运放在内部设置了限流保护或短路保护电路。对于没有内部保护电路的集成运放，可采用输出保护电路。图中稳压管VDZ1和VDZ2反向串联，而且稳压值均略高于运放最大输出电压，当由于某种原因使输出电压过高时，稳压管将会反向击穿，使运放的输出电压被限制在VDZ的稳压值。（3）电源保护

利用二极管的单向导电性，可防止因为电源极性接反而造成的损坏。如图所示，在电源引线上分别串联

和

，当电源极性错接时，

和

截止，防止了故障的发生。*6.4电路仿真实例【例6.4】分析同相比例放大电路解：利用Multisim仿真如图6.38所示电路。首先进入Multisim10.0软件开发界面，然后按图6.38(a)绘画电路，接着调节电压源UI，使