集成运放及应用

2024-11-06

集成运放及应用（通用4篇）

集成运放及应用篇1

运算放大器又称运放, 其英文缩写为OP Amp, 其最初应用于模拟计算机对模拟信号进行加减法、微积分等数学运算, 并因此得名。自其1963年问世已经历了整整三代的升级, 其第四代产品, 即集成运放通过对中、大规模集成技术加以利用, 将之前极为复杂的分立元件电路部件集成在一片极小的芯片上。第四代产品设计调试更为简便, 且性能更为稳定可靠, 通用性极强, 性价比较之于前三代也更高, 且灵活性更大。继承运放是包含两个输入端、高输入阻抗和一个输出端的高增益的电压放大器。我们在它的输入端与输出端之间加上一个反馈网络, 则可成功实现各种电路功能。在当前的模拟电路中, 除去大功率及高频等较特殊的场合外, 集成运放电路已基本取代分立元件电路。运算放大器可顺利实现放大其、比较器、缓冲器、电平转换器、积分器、有源滤波器以及峰值检波器等多种电路功能, 并且其应用范围已由最初的计算机延伸至电子、汽车、通信以及消费娱乐等诸多产品和各个领域。目前, 基本上各个大型半导体制造商所制造的产品线中均应用了运算放大器。而且随着集成技术的不断发展, 其应用也从最初的信号运算延伸至对信号的处理、产生及变换等。集成运放的应用可大致分为线性与非线性应用两大类型, 对于电子技术人员来说, 对运放电路进行正确判断极为重要, 因而对其进行准确的分析则显得十分重要。

1 集成运放应用及其判断方法

集成运放因其较强的通用性, 目前已广泛应用于对信号进行处理、运算以及测量等诸多方面。集成运放电路具有多种不同型号, 且不同型号之间其相应的内部线路也不相同, 但各型号间电路总体机构极为相似, 均是由输入级、输出级、中间放大级与偏置电路这四部分所构成, 集成运放应用已发展为目前模拟电子技术中极为重要的一项内容, 因而其相关应用也引起人们日渐重视。根据其相关属性可将集成运放电路分为线性与非线性应用两大类型, 对某一运放电路及时作出准确判断极为重要。集成运放电路不同功能的实现必须通过对其的分析中得出, 而通常情况下我们对电路类型的分析则是根据该电路工作的不同区域特点加以判断。若对电路运放所属应用类型无法准确判断, 则难以利用其相应的应用特点来对其电路功能进行确定。

集成运放电路其内部的多级放大电路可将其分为输入级、中间级、输出级与偏置电路四大基本部分 (见图1) 。

1.1 集成运放线性应用电路

1.1.1 判断方法

集成运放电路线性应用最为重要的特征为其电路中存在负反馈, 即是说在其相应的单元运放输出端与其反相输入端间跨接负反馈网络, 只要该电路中存在负反馈网络, 该集成运放则属于线性应用, 该应用工作区域在线性区域。

1.1.2 理想集成运放线性区的特点

一旦集成运放电路与深度电压负反馈进行外接后, 该电路集成运算放大器即可处于理想的线性工作范围内, 而此时该电路输出的电压Vo及输入电压Va两者间运算关系则取决于输入端阻抗与外接负反馈网络间的连接方式, 而与该运放本身完全无关。如此我们则可充分利用改变运放电路负反馈网络和其相应的输入端外接阻抗两者之间的连接方式与参数来对Va进行多种数学计算。通常情况下, 集成运放线性电路其实际运放性能与其理想运放性能极为接近, 因而可利用其理想运放线性工作区的三个基本结论来对其分析与计算, 即: (1) 开环差模增益Aod→∞; (2) 集成运放两端间差模输入电压为零时:V+=V- (虚短) ; (3) 集成运放两端输入电流为零时I+=I-=0 (虚断) 。

1.1.3 集成运放线性应用电路分析

集成运放线性区域处于理想运放范围时具有两大重要特性: (1) 因理想运放差模电压其增益为无穷大, 而其输出电压值则在有限值范围之间变化, 即意味着该运放输出端差模电压值为零。换言之, 即是说反相端与同相端间电压值基本相同, 我们将其称之为虚假短路, 简称为“虚短”; (2) 因线性应用输出电阻值为无穷大, 而其所流入集成运放同反两相端的电流基本为零, 我们将其称为虚假断路, 简称为“虚断”。

集成运放线性应用电路其基本分析方法则是对虚短和虚断加以充分利用进而对电路进行分析与判断。其分析原理则主要根据该运放电路工作区的两大重要特点来加以分析, 即虚短 (V+=V-) 与虚断 (I+=I-=0) 。这一方法对于较为简单的集成运放线性应用电路进行分析极其适用, 比如同相比例、反相比例、基本微积分、基本积分等电路进行分析。本文则以反相比例运算电路为例对此分析方法进行举例。详见图2。

Rf形成一个深度电压与负反馈并联, 使得运放在线性区域工作, 即该应用为集成运放线性应用电路。在利用虚短和虚断进行电路分析时应先利用虚断再用虚断进行分析方可确保结论的正确性。根据文中上述虚断和虚断相关分析式列方程可推导出可将其作为一个固定公式加以使用, 并且每一路反相输入均有去相对应的输出。

同理, 我们可利用虚短和虚断对同相比例、基本积分、基本微积分、基本对数、基本指数等多种运算电路加以分析。在实际应用中, 通过将集成运放引进深度负反馈网络可确保集成运放在线性区域内稳定工作。可适当对线性应用电路其集成运放所具备的特殊性能加以利用以实现集成运放电路的某些功能, 比如线性放大、信号运算、电压-电流转变、有源滤波器等多种功能。

2 集成运放非线性应用电路分析

在当前的自动控制系统中, 通常将一个模拟信号值跟另一个模拟信号值加以比较, 并将其比较所输出的结果用于决定执行机构的动作, 这种应用就是集成运放非线性应用电路。其广泛应用于非正弦波产生对电路进行变换及整形、电平检测电路、自动控制、对电路进行延时及定时以及相关模数接口电路。集成运放非线性应用电路不存在理想范围, 即不存在“虚短”。但因理想状况下输入电阻为零, 那么两端输入电流I+=I-=0, 换言之, “虚断”这一特点仍然存在于集成运放非线性应用电路中。当其处于理想范围时, 具有以下两大基本特性: (1) 该运放输入电流值为零, 即Ii=0; (2) 该运放输出电压值存在两种可能, 此时U+=U-只是作为这两个状态的转换点。

集成运放在非线性区域则形成了电压比较器用以对输入信号电压大小进行比较, 它可将连续变化的模拟信号转变成只有两个状态的矩形波。当集成运放电路处于非线性应用时, 其输出特征取决于两个输入端电位的高低, 这是电压比较器形成的理论基础。其典型应用包括迟滞比较器、单限幅比较器和双限幅比较器, 本文仅以单限幅比较器为例加以分析, 详见图3。

图中两个输入端中, 其中一个为参考端, 参考端电压为Uin, 而另一个端口则为信号输入端, 将参考电压与实际信号电压相对比, 当实际信号电压低于参考电压值时输出则为高电平, 若实际信号电压高于参考电压值时输出则为低电平。即使是较简单的电压比较器, 其同相输入与反相输入端的电压值也极有可能不相等。基本比较其中, 输入过大可能损坏集成运放电路, 为避免发生这一现象, 应在输入回路的电阻应采用串接。为了与后级电路需要相适应, 应适当减小输出电压, 并在电路中增加稳压管对其限幅以及将正反馈参数引入以对参考电压值的变化加以调控, 采用以上几种措施可获取以下几类电压比较器的原型电路:

(1) 滞回比较器, 此类比较器主要通过充分利用正反馈来对该应用电路原先的参考电压加以影响从而使得其参考电位和此时该电路的输出状态相关联, 以消除原先参考电位附近因输入信号受干扰所产生的空翻现象;

(2) 过零比较器, 当该电路参考电压为零且输入信号一旦过零时, 其输出则会产生跃变。实际上此类比较器属单限比较器, 对其最为简单的应用为将正弦波转变为方波;

(3) 双限比较器, 也称窗口比较器, 由两个单限比较器构成, 通过其可根据需要范围来选取输入信号。

3 集成运放电路中的电流源

3.1 镜像电流源

由图4可推出:因VT1和VT2的结构及参数均较为一致, 因而可以认为IB1=IB2=IB, IC1=IC2=βIB, 而IREF=IC1+2IB=βIB+2IB= (β+2) IB, 而当β>>2时,

3.2 比例电流源

3.3 微电流源

4 总结

集成运放具有较高性能与运用性, 这也使得它在模拟集成电路中占据主导位置, 人们对其应用也变得日益重视。在对集成运放电路进行分析式, 应首先对其属于线性应用或非线性应用加以正确判定;其次, 在对其进行分析时可现将其实际运放视作理想运放, 而后对该运放的工作状态进行判别;最后, 根据该运放各区域不同特性并将之与电路分析相关理论相结合来对集成运放电路进行分析、计算。集成运放其工作状态的判别, 总的来说是对该运放是否引入深入负反馈的判别。若引入了深度负反馈, 那么该运放则工作在线性区, 且相应地该运放输出电压和输入电压两者之间存在放大关系;若果该运放未引入深度负反馈或者引入了正反馈, 则该运放为非线性应用电路, 且此时该运放的输出电压仅有高、地两各电平状态。熟练掌握集成运放电路在非线性及线性状态下其相应的应用本特征, 有助于对电子电路进行灵活设计、应用以及优化创新。

参考文献

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集成运放及应用篇2

虚短和虚断的概念：

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V~14V。因此运放的差模输入电压不足1mV,两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可以把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上，因此流入运放输入端的电流往往不足1uA,远小于外电路的电流，故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

1）反向放大电路：应当注意的是，虚短是本质的，而虚断则是派生的。

运放的同相端接地，反向端和同相端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1和R2的电流是相等的。流过R1的电流i1 =(vi – vn)/R1 流过R2的电流i2 =(vn – vo)/R2 vp = vn，i1 = i2 所以Vo =(-R2/R1)*Vi Av = Vo/Vi =-R2/R1 上式表明该电路的电压增益是电阻R2与R1的比值，负号表明输出电压Vo和输入电压Vi相位相反。

输入电阻Ri为从电路输入端口看进去的电阻，由上图可知Ri = Vi/i1=Vi/(Vi/R1)= R1 由于理想运放的输出电阻ro→0,因此输出电阻Ro→0。

2）同相放大电路：

图中Vp和Vn虚短，则Vp=Vn，因为虚断，反相输入端没有电流，则通过R1和R2的电流相等，由欧姆定律可知Vn电压等于R1上的分压，即Vn = 电压增益为Av= Vo/Vi = 是大于1，至少等于1.输入电阻Ri = Vi/Ii,式中Vi= Vp，因ri→∞,必有Ii →0,故从放大电路输入端口看进去的电阻为Ri →∞。输出电阻Ro→0。

R1Vo.R1R2R1R2R2 = 1 +.Av为正值表示Vo和Vi同相，并且总R1R13）求差电路

上图实现两电压Vi1、Vi2相减的求差电路，又称差分放大电路。从电路结构上看，他是反向输入和同相输入相结合的放大电路，在理想运放条件下，利用虚短和虚短概念，有（Vp-Vn）→0，Ii→0，对节点n和p的电流方程为： I1=I4，即I2=I3，即Vi1VnVnVo R1R4Vi2VpVp R2R3可得Vo=R4R1R4R3Vi1 Vi2R1R2R3R1R4R3/R2R4Vi1 Vi2R11R3/R2R1 =1如果R4/R1=R3/R2，输出电压可简化为Vo=R4/R1（Vi2-Vi），即实现了求差功能，比例系数Avd = R4/R1.输入电阻Ri是从输入端看进去的电阻，当电路中R1 = R2，R4 = R3时，利用虚短和虚断，I2=-I1，则输入电压Vi2 – Vi1 = I2R2 +（-I1R1）= 2I2R1,因此输入电阻为Ri =（Vi2 – Vi1）/I2 = 2R1.输出电阻Ro很小。

4）求和电路

I1 + I2 =I3 即Vi1-VnVi2VnVnVo(Vn = 0)R1R2R3R3R3Vi1Vi2，式中负号是因反向输入所引起的，若R1= R2=R3，则-R1R2则-Vo = Vo=Vi1 + Vi2。

如果在上图的输出端再接一级反相电路，则可消去负号，实现完全符合常规的算术运算。

上图为同相加法电路，由虚短和虚断：

0V-VnVnVo R3R4Vi1VpVpVi2 R1R2解得Vo=1R41R2Vi1R1Vi2 R3R1R2若R1=R2=R3=R4时，则Vo = Vi1+Vi2。

5)积分电路

I1 = I2，电容C以电流I1= Vi/R进行充电，假设电容C初始电压Vc(0)= 0,则 Vn-Vo = Vo=-11ViI1dtdt CCR1Vidt RC上式表明，输出电压Vo为输入电压对时间的积分，负号表示他们在相位上是相反的。

6)微分电路

将积分电路中的电阻和电容元件对换位置，并选取比较小的时间常数RC，便得到上图所示的微分电路。I1 = CdVi dtdVi dtdVi dtVn-Vo=I1R=RC从而得Vo =-RC上式表明，输出电压Vo正比于输入电压Vi对时间的微商，负号表示他们的相位相反。

如果输入信号是正弦函数Vi=sinωt,则输出信号Vo=-RCωcosωt.表明Vo的输出幅度将随频率的增加而线性增加。因此微分电路对高频噪声特别敏感，以致输出噪声可能完全淹没微分信号。一种改进型的微分电路：

7)仪用放大器

它是由运放A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。VR1 = V1 – V2

VR1/R1 =(V3 – V4)/(2R2 + R1)故得V3-V4 = 12R2V1V2 R1由前面的差分放大电路可得 Vo=

集成运放及应用篇3

集成运放是集成运算放大器的简称, 是一种具有高增益的集成电路。其内部是直接耦合的多级放大器, 整个电路分为输入级、中间级和输出级三部分。其中输入级采用差分放大电路, 其目的是消除零点漂移和抑制干扰;中间级采用共发射极电路, 其目的是获得足够高的电压增益;输出级采用互补对称功放电路, 其目的是输出足够大的电压和电流。集成运放的线性特性被广泛应用于模拟信号处理、信号产生的电路中, 在诸多领域已经取代了分立元件放大电路。

2 集成运放的线性应用

2.1 集成运放线性应用判断

集成运放的应用方式分为线性应用和非线性应用, 区分集成运放在电路中的应用方式对于电路分析十分重要, 其中线性应用的重要特征是电路中具有负反馈, 也就是说在单元运放的输出端与反相输入端之间跨接负反馈网络。因此我们可以从电路中是否有负反馈网络, 判断集成运放在电路中是否属于线性应用。集成运放线性应用时其工作在线性区域, 如图1所示电压传输特性的斜线区域内。

2.2 理想运放线性区的特性

当集成运放电路外接深度电压负反馈后, 其整个集成运算放大器就可以理想工作在线性范围内, 此时其输出电压Vo与输入电压Vi的运算关系便取决于外接负反馈网络与输入端阻抗的连接方式, 与运放本身无关。这样一来我们便可利用改变负反馈网络与输入端外接阻抗的连接形式以及参数, 对Vi进行各种数学运算。一般情况下实际运放的性能与理想运放的性能很接近, 因此可采用理想运放工作在线性区的三条基本结论进行分析计算, 即:

(1) 开环差模增益Aod→∞

(2) 运放两个输入端之间的差模输入电压为零:V+=V- (虚短)

(3) 运放两个输入端的输入电流为零:I+=I-=0 (虚断) 。

3 运放线性应用电路的分析方法

3.1利用虚断和虚短的分析方法

利用虚断和虚短的分析方法是运放线性应用电路的基本分析方法, 该方法适用于一些简单的运放线性应用电路分析, 例如反相比例运算电路分析、同相比例运算电路分析、基本积分电路分析、基本微分电路分析等。举例如下:

3.1.1反相比例运算电路

图2为反相比例运算电路。

因为虚断I-=0, 所以IR1=IRf, 即:

又因为虚短V-=V+=0,

3.1.2同相比例运算电路

图3为同相比例运算电路。

因为虚断I-=0, 所以IR1=IRf, 即:

3.1.3基本微分运算电路

图4为基本微分运算电路。

因为虚短V-=V+=0,

又因为虚断i-=0, 所以iC=iRf, 即:

3.2 利用叠加原理的分析方法

利用叠加原理的分析方法, 其实质就是分别分析出每个输人信号单独作用时的输出电压, 然后将它们叠加得出信号共同作用时的输出电压。因此当一个单元运放有两个以上信号输入电路时, 使用叠加原理分析方法可以使分析过程变为简单。举例如下:

3.2.1 反相求和运算电路

图5为反相求和运算电路。

根据叠加原理, 图5电路可以分解为图 (5) a和图 (5) b电路效果的叠加。

由前述的反相比例运算电路得:

3.2.2 差分减法运算电路

图6为差分减法运算电路。

根据叠加原理, 图6电路可以分解为图6 (a) 和图6 (b) 电路效果的叠加。

图 (6) a, 由前述的反相比例运算电路得:

3.2.3 灵活分析法

灵活分析法一种在运放线性应用电路分析方法中解决较为复杂电路的方法, 其实质是借用单元电路的结论, 灵活运用虚断和虚短的分析方法以及叠加原理的分析方法, 其需要分析人员熟悉和掌握运放各种单元线性应用电路的结论以及在分析过程中灵活借用单元线性电路的分析结论。做好以上工作便会使复杂运放线性应用电路的分析变为简单以及节省时间。

4 结论

综上所述, 集成运放是一种具有高放大倍数的集成电路。判断集成运放在电路中的是否属线性应用, 主要看其电路中是否有负反馈网络。当集成运放电路外接深度电压负反馈后, 其整个集成运算放大器就可以理想工作在线性范围内, 便可以得出三项基本结论。三种结论的运用便会得出一些运放线性应用电路的分析方法。

参考文献

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[3]李新.集成运放及其应用[J].科技资讯, 2014.

集成运放及应用篇4

集成运放的应用可以分为线性应用和非线性应用。在线性应用范畴,主要用于各种放大器和运算电路;在非线性应用范畴,主要用于构成比较器及其应用电路,如矩形波产生电路等。下面,对集成运放在非线性应用领域的应用进行讨论和仿真。

1 集成运放的非线性应用

1.1 单门限电压比较器

单门限电压比较器的电路如图2所示。这是一个同相比较器,即当Vi大于Vref时,输出电压约等于+Vcc;当输入电压小于Vref时,输出电压约等于-Vcc。

1.2 用单门限电压比较器构成的窗比较器

图3是一个用单门限电压比较器构成的窗比较器。它是由一个同相比较器和一个反相比较器组合而成。该电路的功能是,可以判断输入电压的值Vi是否介于下参考电压VRL与上参考电压VRH之间(所谓的窗)。如果VRLVRH,则输出电压Vo将等于运放的饱和输出电压+VSAT(+VSAT比+Vcc小1.4 V左右)。可以用发光二极管判别窗比较器的输出电平。窗比较器广泛用于信号的电平监测与报警[2]。

1.3 迟滞比较器

反相输入迟滞比较器原理图如图4所示[3]。

其上门限电压为:

undefined. (1)

下门限电压为:

undefined. (2)

回差电压为:

undefined. (3)

由于迟滞比较器的运放处于正反馈状态,因此一般情况下,输出电压Vo与输入电压Vi不成线性关系。只有在输出电压Vo发生跳变瞬间,集成运放两个输入端之间的电压才近似认为等于0,即VID=0或Vp=Vn=Vi是输出电压Vo转换的临界条件,当Vi>Vp,输出电压为低电平VOL;反之,为高电平VOH。

1.4 利用迟滞电压比较器构成方波发生器

方波发生器的电路如图5所示[4]。

该电路产生的方波信号频率为: