集成运算放大器及其基本应用.docx
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集成运算放大器及其基本应用
集成运算放大器及其基本应用
集成运算放大器及其基本应用；
一、集成运算放大器概述；
集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，采用专门的制造工艺，把晶体管，场效应管，二极管，电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能，一般可以分为线性集成电路，数字集成电路和专用集成电路，而线性集成电路又分为集成运算放大电路，稳压集成电路和功放集成电路等。
1、集成运算放大电路的电路结构特点；
①集成电路中不能制作大电容，电感（变压器），所以均采用直接耦合，所以广泛用于低频，超低频的控制与精密放大。
②集成运放大量采用差分放大器（输入级）和恒流源电路（作偏量电路或有源负载）。
③集成运放中间与末级常采用复合管接法，和复杂的电路结构形式，以提高各方面性能的目的。
2、集成运放的符号，电压传输特性；
①符号；
符号中的“同相”和“反相”是指运放的输入电压与输出电压之间的香味关系，从外部看可以认为集成运放是一个双端输入，单端输出，具有高差模放大倍数，高输入电阻，低输出电阻，能很好抑制温漂的差分放大电路。
②电压传输特性；对于正、负两路电源供电的运放，其电压传输特性如左图所示，从曲线中可以看出，集成运放分为线性区和非线性区两部分，所以在使用和分析集成运放时，重点应先判断运放是工作在线性区还是非线性区。
判断方法是有负反馈且为深度负反馈，一般工作于线性区，如果无引入反馈，开环应用或引入正反馈，一般就工作在线性区。
#图中红线部分就是线性区，应用时必须引入深度的负反馈，根据Uo=f（up-un）此时f为放大倍数。
#图中黑线部分就是非线性区，此时输出只有两种取值；
+Uom或-Uom，Uo=f（up-un）
此时的f≈100⁴~100000⁴，
所以当UP＞UN,Uo=+Uom，
当UP＜UN,Uo=-Uom。
3、集成运放的理想特性；
①开环电压放大倍数Auo=∞，实际可达100⁴~100000⁴。
②输入电阻ri=∞，实际可达几百KΩ至几MΩ，对前级影响小。
③输出电阻ro=0 实际约几百Ω，带载能力强。
④频带宽度fBW从0→∞ 实际约几百KHZ,要求引入深度负反馈。
⑤共模抑制比KCMR=∞ 能有效抑制零漂。
4、关于“虚短”“虚断”与“虚地”的概念；
①虚短；Up=Un
∵Auo=∞→Auo=Uo/Ui=Uo/Up-Un=∞
∴Up-Un=0
②虚断；ip=in=0
∵ri=∞
③虚地；Up=Un=0（只应用于反相比例运放）
5、集成运放使用注意事项；
①使用前了解该集成的基本特性，指导各引脚的功能与作用。
②注意电源的正确供电，不能反接或供电过高，注意是否需要双电源供电。
③小信号，低频，高精度直流放大要进行调零与防自激。
④正确合理选择和使用各种保护措施。
二、集成运放的基本运算
（集成运放的线性引用）→闭环，引入深度负反馈。
1、反相比例运算放大器；
∵Un=Up=0→利用虚地，
又∵ip=in=0→利用虚断→i1=if
∴Auf=Uo/Ui=（-Rf*if）/（R1*i1）=-Rf/R1
∴Uo=-Rf/R1*Ui Uo与Ui成比例关系
其中负号表示Uo与Uo反相，比例系数Rf/R1的数值于大于1，等于和小于1任何值。
#Ri≈R1（输出电阻小）若想增大输入电阻Ri，则R1取值要大，会造成工作不稳定，若想解决此问题可采用T型网络反相比例运算。
2、T型网络反相比例运算放大器；
R2,R3,R4构成T型英文字母，故称为T网络，
Uo=-（R2+R4）/R1*（1+R2∥R4/R3）*Ui，
即；Auf=-（R2+R4）/R1*（1+R2∥R4/R3）
3、同相比例运算放大器；
∵Up=Un=Ui又∵if=Ir
∴Auf=Uo/Ui=（ifRf+Ir*R1）/iR*R1
=R1+Rf/R1→1+Rf/R1
∴Uo=（1+Rf/R1）Ui
3、电压跟随器（同相比例运放的特殊应用）；
Auf=1→Uo≈Ui→称为电压跟随器，R起限流作用，防止电流过大损坏集成运放，电压跟随器比射极跟随器有更好的跟随特性。
4、加减法比例运算放大器；
①反相加法（求和）比例运算放大器；
Uo=-（Rf/R1*Ui1+Rf/R2*Ui2）
若R1=R2=R，则；Uo=-Rf/R（Ui1+Ui2）
#可根据实际应用适当增加或减少输入端的个数，公式仍成立。
#改变电阻的取值，即可改变比例关系，便于调节。
②同相加法（求和）比例运算放大器；
Uo=Rf/R1*Ui1+Rf/R2*Ui2
若R1=R2=R，则；Uo=Rf/R（Ui1+Ui2）
从反相加法比例运算放大器和同相加法比例运算放大器的公式可以看出两者只差yield负号，可根据实际需要进行选择，运用时应注意RP=RN这一条件。
③加减比例运算放大器;
A/减法比例运算放大器（差分（动）放大器）。
Uo=Rf/Ui1-Rf/R2*Ui2
若；R1=R2=R3,
则Uo=Rf/R1（Ui1-Ui2）
B/加减比例运算放大器；
Uo=Rf/R1*Ui1+Rf/R2*Ui2-R3/Rf*Ui3-Rf/R4*Ui4
若；R1=R2=R3=R4=R,
则；Uo=Rf（Ui1+Ui2-Ui3-Ui4）
三、集成比较器的非线性应用
（开环应用）→电压比较器
1、集成运放与比较器的区别；集成运放与集成比较器在电路符号上相同，但是这两种集成却有很大的区别，一般不可互换，主要区别如下；
①比较器翻转速度快，大约在ns数级别，而运放为us数级别；
②运放可接入负反馈，比较器不能接入负反馈，接入负反馈，同无补偿电路，会工作不稳定。
③运放采用推挽电路双极性输出，无需上拉电阻，输出不能并联，而多数比较器为集电极开路单极性输出，需上拉电阻，且可并联，构成“线与”。
2、单限比较器；
①过零比较器；
几点说明；
A、可以利用比较特性将正弦波变为方波。
B、可在输入端加二极管进行限幅，以保护电路。
C、可在输出端接两个稳压二极管（双向），以限制输出幅度。
D、还可以在反相输入端与输出端接双向稳压二极管对输出限幅。
②一般单限比较器；
∵UN=R1/（R1+R2）*Ui+R2/（R1+R2）*UREF
又∵UN=UP=0
∴R1/（R1+R2）*Ui=-R2/（R1+R2）*UREF
Ui=（-R1/R1+R2*UREF）/R1/（R1+R2）
=-R2/（R1+R2）*R1+R2/R1*UREF
∴UT=-R2/R1*REF（Ui=UT）
3、滞回比较器；
∵Ui=UN
UP=R1/（R1+R2）*UZ
令UP=UN
则；Ui=UT=±R1/（R1+R2）*UZ
设Ui＜-UT→UN＜UP→Uo=+UZ→UP=+UT
当Ui＞+UT→UN＞UP→Uo=-UZ→UP=-UT
（反相）加了参考电压的滞回比较器（下行）
∵Ui=UN
UP=R2/（R1+R2）*UREF±R1/（R1+R2）*UZ（叠加原理）
令;UP=UN
UT1=R2/（R1+R2）*UREF-R1/（R1+R2）*UZ
UT2=R2/（R1+R2）*UREF+R1/（R1+R2）*UZ
加了参考电压UREF，可以把传输特性曲线，左移或右移，若UREF为正电压，则左移，UREF为负压右移。
∵UN=0
又∵UP=R1/（R1+R2）*UZ+R2/（R1+R2）*Ui
令；UP=UN
（同相）没有加参考电压滞回比较器（上行）
∴R1/（R1+R2）*UZ+R2/（R1+R2）Ui=0
∴UT=±R1/（R1+R2）*UZ/R2/（R1+R2）
=±R1/（R1+R2）*（R1+R2）/R2
=±R1/R2*UZ
∵UN=UREF
又∵UP=R1/（R1+R2）*UZ+R2/（R1+R2）Ui
令；UP=UN
∴R1/（R1+R2）*UZ+R2/（R1+R2）*Ui=UREF
（同相）加参考电压滞回比较器（上行）
∴UT=±R1/R2*UZ+UREF
∴UT1=R1/R2*UZ+UREF
UT2=-R1/R2*UZ+URFE
4、窗口比较器（双限比较器）；
简单比较器和滞回比较器有一个共同特点，即Ui单方向变化时，Uo只跳变一次，而且智能检测一个电平，如果要判断Ui是否在某两个电平之间，则就要采用窗口比较器，所以又称双限比较器。
要求：
URH＞URL
①当Ui＞URH时
┏Uo1=H→D1导通→Uo=Uo1=H
┗URH＞URL→Ui＞URL→Uo2=L→D2截止→Uo=Uo1=H
②当Ui＜URL时
┏Uo2=H→D2导通→Uo=Uo2=H
┗URH＞URL→Ui＜URH→Uo1=L→D2截止→Uo=Uo2=H
要求：
UR2＞UR1
①当Ui＞UR2时
┏Uo1=L→Uo=L
┗UR2＞UR1→Ui＞UR1→Uo1=H→Uo=L
②当Ui＜UR1时
┏Uo1=L→Uo=L
┗UR2＞UR1→Ui＜UR2→Uo2=H→Uo=L
③UR1＜Ui＜UR2
┏Uo1=H┓
┗Uo2=H┛Uo=H
窗口比较器内容可再适当增加
四、集成运放有源滤波器；
对信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率信号通过。
1、滤波器的相关知识；
①理想滤波器电路的幅频特性；
②无源滤波器；
Au=Uo/Ui=1/2πfC/（R+1/2πfC）
缺点；带载Au↓fp↑
2、低通滤波器（LPF）;
①同相输入LPF；
②反相输入LPF；
3、高通滤波器（HPF）;
高通滤波器与低通滤波器电路具有对偶性，只要将（反）同相输入LPF一阶电路，二阶电路和压控二阶电路中的电容替换成电阻，电阻替换成电容，就可以得到各种高通滤波器。
下面介绍两种二阶HPF；
4、带通滤波器（BPF）；
BPF就是将LPF与HPF串联，应当注意LPF的截止频率为fp1,HPF的截止频率fp2,fp2＜fp1,则BPF的通频带为fp1~fp2.
Auf=1+Rf/R1≤3 Aup=Auf/（3-Auf）
C1=C2=C R1=R R2=2R
fo=1/2Πrc
fp1=fo/2［根号（3-Auf）²+4-（3-Auf）］
fp2=fo/2［根号（3-Auf）²+4+（3-Auf）］
5、带阻滤波器（BEF）
BEF就是将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，要求LPF的截止频率fp1＜HPF的截止频率fp2.
Auf=1+Rf/R1
fo=1/2Πrc
fp1=［根号（2-Auf）²+4-（2-Auf）］fo
fp2=［根号（2-Auf）²+4+（2-Auf）］fo
五、集成应方其他应用举例；
1、积分运算电路和微分运算电路；
①积分电路；输入信号频率fo=1/2Πrc时，电路为积分器，若输入信号频率远低于fo，则电路近似为一个反相器，电路低频电压增益为 Auf=-Rf/R1
应用；输入矩形波，输出为三角波；
输入正弦波，输出为余弦波；
②微分电路；
由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小，结果是输出电压随频率升高而增加，为了限制电路的高频电压增益，在输入端与电容C之间接一个小电阻Rs。
当输入频率低于fo=1/2ΠR1*C时，电路起微分作用，若输入频率高于fo，则电路近似为一个反相器，电路的高频电压增益为Auf=-Rf/R1。
应用；输入为三角波，输出为矩形波；
输入为矩形波，输出为正负相间尖峰波。
2、弱信号检测放大器；
由运放构成的差分放大器具有双端输入—单端输出，共模抑制比高的特点，通常用作传感器或测量仪器的前端放大器。
如图所示弱信号检测放大电路，其电路的功能是将来自两个传感器的信号，Ui1,Ui2的微弱信号放大至一千或数千倍，若前级采用同相放大器，可获得很高输入阻抗，后级采用差分放大器可得较高的共模抑制比以增强电路的抗干扰能力，若选择R1=R2,R3=R4,R5=R6,Rf=RT。
则电路的增益计算公式为；AUD=Uo/Vi2-Vi1=（1+R3+R4/R）*Rf/R5
如果按电路所示参数计算AUD=（1+（300+300）/12）*910K/10K=4641倍
实际应用时，可将两个100UF电容去掉，也可只将R*外接，其他按参数集成到单个芯片内部，制作实用的仪器仪表放大器。
AVD=Uo＇/（Ui1-Ui2）=（1+（R1+R2/R））R3/R2
AVDmax=1021倍
AVD=min≈93.7倍
最后一级再放大2倍，即放大倍数的范围在187.4~2042倍。
3、信号极性转换电路；
#将输入双极性信号（例如-10V~+10V）转换成单极性信号（0~+5V）输出，可以采用如下图所示极性转换电路。
RP1调节电路增益。
RP2调节输出信号的直流偏置。
特点；增益调节与直流偏置的调节相互独立。
Uo=（1+Rf1/R1）*Up1-（Rf2+RP2）/R4*UREF=（1+Rf1/R1）-（R3+RP1）/（R2+R3+RP1）*UREF
按图中所示给参数调节RP1=2KΩ,RP2=2.3K，就可将-10~+10V输入变为0~5V输出。
#将输入单位极性信号（例如0~±5V）转换成双极性信号（-10V~+10V）输出，可采用如下图所示极性转换电路。
RP1调节电路增益。
RP2调节输出信号的直流偏置。
特点；增益调节与直流偏置的调节相互独立。
Uo=（1+（Rf1+RP1）/R1）*（（Ui+Uo’）/2）=1/2*（1+（Rf1+RP1）/R1）*（Ui-（Rf2+RP2）/R4*UREF）
按图中参数调节RP1=2.7K,RP3=3.1K,就可将0~5V输入变为-10~+10V输出。
4、自举式交流电压放大器；
图a中，Auf=1+Rf/R2 Ri=R1 耦合电容C1,C3的大小可根据放大器的下限频率fl来确定，C1=C3=（3-10）1/2πRLfl，C2的取值一般为几微法，为了提高放大器的输入电阻，可用b图同相自举式交流电压放大器，交流信号自同相端B点输入，输出信号经Rf反馈至A点，则反馈电压VA计算公式为VA=R2/（R2+RF）*Uo，因为放大器的电压放大倍数Auf=1+Rf/R2,所以Uo=（1+Rf/R2）*Ui=（R2+Rf）/R2*VB,可以推出VB=R2/（R2+Rf）*Uo,∴VA=VB,故流过R1的电流为0，从而提高了放大器的输入电阻。
5、单电源供电的交流电压放大器；
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