电子电路电气 第五章

第5章集成运算放大电路5.1集成运算放大器5.2集成运算放大器的应用

5.1

集成运算放大器

由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路称为分立元件电路。把分立元件集成在硅片上组成一个整体,就是集成电路,简称IC。集成电路体积小、密度大、功耗低、引线短、外接线少,可以大大提高电子电路的可靠性和灵活性,减少组装和调整的工作量,降低成本。硅片上所包含的元器件数目称为集成度。按集成度不同,可以将集成电路分为小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。5.1.1集成运算放大器的基本组成

集成运算放大电路(简称集成运放或运放)是发展最早、应用最为广泛的一种集成电路,具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻等特点。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,一般由四部分组成,如图5-1所示。图5-1集成运放的基本组成框图

中间级是一个具有高放大倍数的放大器,主要作用是提高电压增益,多采用共射放大电路。

输出级多为互补对称功率放大电路,具有输出电压线性范围宽、输出电阻小、非线性失真小等特点,其作用是降低输出电阻,提高带负载的能力。

偏置电路的作用是为各级放大电路提供静态工作电流,一般为电流源电路。

集成运放的标准符号如图52所示。图中标为“+”号的为同相输入端,该端信号的相位与输出信号相位相同;标为“-”号的为反相输入端,该端信号的相位与输出信号相位相反。

图5-2集成运放的符号5.1.2集成运算放大器的主要技术指标

1.集成运放的主要特点及技术指标

集成运放的技术指标是电路设计过程中选用集成块的依据,常见的性能指标如下:

(1)差模开环放大倍数Aod。

差模开环放大倍数Aod是在外电路没有连接反馈元件时的电压放大倍数,通常采用分贝表示,即

运算放大器具有高增益的特点,不同功能的运放Aod的数值相差较大,通常在80dB~140dB之间。(2)输入电阻rid。

输入电阻rid是差模输入电压uid的变化量与相应的输入电流iid的变化量之比,即

输入电阻rid是衡量电路中差分管向输入信号源索取电流大小的标志,通常要求rid数值很高,一般可达几千万欧。2.理想集成运放5.1.3集成运算放大器的传输特性

图5-3集成运算放大器的电压传输特性

5.2

集成运算放大器的应用

集成运算放大器的应用非常普遍,可分为线性应用和非线性应用。线性应用主要有运算电路、正弦波振荡电路、有源滤波电路等;非线性应用主要有电压比较器、非正弦波信号发生器等。5.2.1集成运算放大器的线性应用

集成运放在线性应用时,要使运放工作在线性区域,并引入深度负反馈。

1.比例运算电路

1)反相比例运算电路

反相比例运算电路如图5-4所示。图5-4反相比例运算电路

利用“虚短”与“虚断”的概念,运放的两个输入端不取电流,同相端相当于经R2接地,因此有2)同相比例运算电路

同相比例运算电路如图5-5所示。图5-5同相比例运算电路2.加减运算电路

1)减法运算电路

减法运算电路如图5-7所示。图5-7减法运算电路2)加法运算电路

反相加法运算电路如图5-8所示。图5-8反相加法运算电路

信号从集成运放的反相端输入,利用“虚短”与“虚断”的概念,可得【例5-1】电路如图59所示,求输出电压与输入电压的关系式。图5-9例5-1电路图3.积分与微分运算电路

1)微分运算电路

微分运算电路如图510所示。图5-10微分运算电路2)积分运算电路

积分运算电路如图511所示。图5-11积分运算电路4.有源滤波电路

滤波电路的功能是让指定频率范围的信号通过,而对其余频率的信号加以抑制,或使其急剧衰减,其实质是对频率进行选择。由普通

RC电路组成的具有滤波功能的电路称为无源滤波器,其带负载能力较弱,电压放大倍数较低;由集成运放与

R、C元件共同组成的滤波电路属于有源滤波器,具有高输入阻抗、低输出阻抗、带负载能力强等特点,且滤波频率稳定,所以在实际工程中多使用有源滤波器。

根据频率选择范围的不同,滤波器可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF)。低通滤波器按其包含的储能元件数量又可分为一阶低通滤波器和二阶低通滤波器。下面以使用较普遍且结构相对简单的一阶低通滤波器为例来进行介绍。图5-12为有源一阶低通滤波电路,其输入、输出电压等参数以相量的形式表示。图5-12有源一阶低通滤波电路图5-13有源一阶低通滤波