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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器,简称为集成运放。在一个集成电路中,可以含有一个运算放大器,也可以含有多个(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。由于集成运算放大器具有体积小、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,8.3.1集成运放的理想化条件,(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) 共模抑制比趋于无穷; (5) 有无限宽的频带; (6) 当输入端u -= u + 时,uo=0。 目前,集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上,输入电阻达到兆欧数量级,输出电阻在几百欧以下。因此,作近似分析时,常常对集成运放作理想化处理。,对于工作在线性状态的理想集成运放,具有两个重要特性。 1. 理想集成运放两输入端间的电压为0,但又不是短 路,故常称为“虚短”。 2. 理想运放的两个输入端不取电流,但又不是开路,一般称为“虚断”。 对于工作在非线性状态的理想集成运放,则具有: 当 时, ;当 时, 。其中 是集成运放的正向或反向输出电压最大值。,集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系,可用图8.19所示的电压传输特性来描述。 图8.19运算放大器的电压传输特性,8.3.2基本运算电路,1. 反相比例运算电路 反相比例运算电路如图8.20所示。 图8.2 0 反相比例运算电路 由虚短、虚断可得:,2. 同相比例运算电路 同相比例运算电路如图8.21所示。 图8.21同相运算电路 由虚短、虚断可得:,3. 加减运算电路 (1) 加法运算电路 加法运算电路如图8.22所示。 图8.22 加法运算电路,因反相输入端为“虚地”,故得 于是,输出电压为 当时 ,则,例8.4 在图8.22所示的反相加法运算电路中,若R11=5k,R12=10k,RF=20 k,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。,(2) 减法运算电路 减法运算电路如图8.23所示。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,由图可知 故得, 当 时,上式为 即输出电压与输入电压的差值( )成正比例。 当 时,上式为 可见输出电压等于两个输入电压的差,从而能进行减法运算。,4. 积分运算电路 积分运算电路如图8.24所示。图中,用CF代替RF构成反馈电路。 图8.24 积分运算电路,设电容器CF上初始电压UC(0)=0 ,随着充电过程的进行,电容器CF两端的电压为 d t 由图8.24可知 故 d t,5. 微分运算电路 微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中,电阻R1与电容CF的位置对调一下,即得微分电路,电路如图8.25所示。 图8.25 微分运算电路,由图8.25可知: 故,1. 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所示。 图8.26 带接地负载的电压电流变换电路,8.3.3信号测量电路,由图8.26,根据“虚短”概念,由叠加定理可得 解得 由KCL得 将 代入上式,整理得,(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所示。 (a)反相电压电流变换器 (b)同相电压电流变换器 图8.27 悬浮负载的电压电流变换器,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,它的组成与反相放大器很相似,所不同的是现在的反馈元件(负载)可能是一个继电器线圈或内阻为RL的电流计。流过悬浮负载的电流为 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。该电路的负载电流为,2. 电流电压变换器 电流电压变换器如图8.28所示,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的反相输入端。 (a)基本电路 (b)典型电路 图8.28 电流电压变换器,图8.28(a)是一个基本的电流电压变换器,根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念,有 和 ,故 ,从而有 图8.28(b)是一个经常用在光电转换电路中的典型电路。图中V是光电二极管,工作于反向偏置状态。 根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念可得 故,3. 电压、电流的测量 一块普通的电工仪表表头,若与集成运放相连,可以改装成一块灵敏度较高的电子仪表,实现交、直流测量。 (1) 电压测量 图8.29所示为直流毫伏表的典型原理电路图。 图8.29 直流毫伏表, 能测量小于1mV的微小电压值,而一般的万用表不可能有如此高的灵敏度。 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,一般电工仪表达不到(测量电压时,要求仪表的内阻越高越好)。 表头满量程电压值不受表头内阻RG阻值的影响。只要是满量程的表头,换用前后不改变毫伏表性能。因此,表头互换性较普通电表好。 由于RF阻值很小,可用温度系数较低的电阻丝绕制,提高了仪表的性能。,以上述表头为基础,构成的多量程直流电压表如图8.30所示。 图8.30 多量程直流电压表,(2) 电流测量 在上述1mV表头电路基础,加上分流器,可构成多量程的直流电流表,如图8.31所示。 图8.31 多量程直流电流表,根据图8.31,由“虚短”、“虚断”概念可得:1mV电压表的输入 为被测电流 与分流电阻 的乘积,即 故,4. 测量放大器 测量放大器电路如图8.33所示 图8.33 测量放大电路,由图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变化后,产生与 相应的微小信号变化 ,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,它们均为同相比例放大器,具有串联反馈的形式,输入电阻很大。第二级是A3,它是差分放大器,具有抑制共模信号的能力。,1. 信号幅度比较电路 (1) 电压比较器 电压比较电路如图8.34所示 。 图8.34电压比较器,8.3.4 信号处理电路,由图8.34(a)可知:当 时,输出为高电平 ;当 时,输出为低电平 。电压传输特性如图8.34(b)所示。 说明 若 加在同相输入端, 加在反相输入端,则电压传输特性如图8.35(a)所示。 实用中,集成运放的开环电压放大倍数总是有限的,现设 V。则电压比较器输出达到最大输出电压 时所需的净输入电压为 (mV),故: 反相端输入, mV时, V; mV时, V。电压传输特性如图8.35(b)实线所示。 同相端输入, mV时, V; mV时, V。电压传输特性如图8.35(b)虚线所示。,(a) 同相端输入时电压传输特性 (b) 非理想集成运放时电压传输特性 图8.35 电压比较器传输特性, 不接基准电压,即 时,电路如图8.36(a)所示,该电路称为过零比较器。 (a)电路图 (b)电压传输特性 图8.36过零比较器,由图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的输入电压 称为阈值电压(又称门限电压)。, 为了将输出电压限制在某一特定值,以与接在输出端的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)所示。其电压传输特性如图8.37(b)所示 。 图8.37 有限幅的过零比较器,例8.6 设计一个简单的电压比较器,要求如下: 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的参考电压。 又因输出低电平约为-6V,输出高电平约为0.7V,故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端,它的稳定电压为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。综上所述,满足设计要求的电路如图8.38所示。,图8.38 例8.6的电路图,(2) 滞回比较器 滞回特性的比较器(又称施密特触发器),如图8.39所示 。 8.39 滞回比较器,由图8.39(a)可知 当输出为+UZ时, ,称为上限阈值电压;当输出为-UZ时, ,称为下限阈值电压 。,说明 由于该电路存在正反馈,因而输出高、低电平转换很快。 例如,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。 两个阈值的差称为回差电压,即 调节R2、R3的比值,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,就是通过调整回差电压来改变电路某些性能的。, 还可以在同相端再加一个固定值的参考电压UREF。此时,回差电压不受影响,改变的只是阈值,在电压传输特性上表现为特性曲线沿uI前后平移。因此,抗干扰能力不受影响,但越限保护电路的门限发生了改变。 目前有专门设计的集成比较器供选用。常用的单电压集成比较器 、四电压集成比较器 引脚图如图8.40所示。,(a)单电压集成比较器 (b)四电压集成比较器 图8.40 常用电压比较器引脚图,例8.7 电路如图8.41(a)所示,试求上、下限阈值电压,并画出电压传输特性。 (a)电路图 (b)电压传输特性 图8.41 例8.7的图,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的低电平 V。此时,同相输入端电压跳变为下限阈值电压 V) = V,故当反相输入端电压 V时,输出电压由低电平 V跳变为高电平6V。电压传输特性如图8.41(b)所示。 (3) 窗口比较器 窗口比较器的电路图和电压传输特性如图8.42所示, 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,2信号幅度的采样保持 采样保持电路的任务是将信号定期和设备接通(称为采样),并且将那时的信号保持下来,直至下一次采样后,又保持在新的电平。采样保持电路是模数(A/D)转换电路的一个组成部分,其基本电路如图8.43所示。 图8.43 基本采样保持电路,为了提高采样保持电路的输入电阻,降低电路的输出电阻,以便减小信号源和负载对电路性能的影响,实用中可采用已制成单片集成电路的集成采样保持器,其各引脚功能如图8.44所示。 图8.44 LF198/298/398采样保持电路,3. 有源滤波器 采用集成运放可以在低频范围内
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