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1、应用电子技术专业国家教学资源库讲稿2：运算放大器应用基础知识（8课时）目标：模拟集成电路品种繁多，其中应用最为广泛的是集成运算放大器。集成运放接入适当的反馈电路可以构成各种运算电路，开环使用时可以构成电压比较器等实用电路，运放的应用电路在各种电子产品中得到广泛应用，因此，学好运算放大器应用基础知识对学好整个专业都具有不可忽视的影响。本节内容主要学习运放的基本概念和基本应用相关知识。讲解目录一、运放的普及. 学会比较、在比较中学习、了解各种类型的集成运放及其应用。二、运放电路基本应用. 会1. 集成运放的理想特性. 会2. 虚断与虚短概念. 会3.集成运放的两种基本电路. 会（1）反相比例放大电
2、路. 会（2）同相比例放大电路. 会4.减法放大电路. 会5.运放的非线性应用. 会三、运放的应用常识. 会讲课要点一、运放的普及集成电路是上世纪60年代初期出现一种新型器件，它应用半导体制造工艺，将晶体管、小电阻、小电容（大电阻、大电容采用外接方法）和电路的连接导线都集中制作在一块很小的半导体芯片上（称为基片），形成不可分割的密集整体。由于其体积小，功能全，易设计和维修，如今已是电子技术的主力军。集成电路按电路功能分类（如图2-1所示）。图 2-1电路功能分类集成运算放大器也叫线性放大器，它是应用非常广泛的一种模拟集成电路，其种类很多，可分为通用运算放大器I、II、III型（F003、F00
3、7、F030）、高速运算放大器（F051B）、高精度运算放大器（F714）、高阻抗运算放大器（CF072）、低功耗运算放大器（F010）、双运算放大器（CF358）以及四运算放大器（CF324）等。其中最典型、最普及的为F007（国外型号为uA741、uPC741）和四运放CF324（国外型号为LM324）。图2-2表示了集成运放的由来和应用。图2-2 集成运放的由来和应用运算放大器是运用得非常广泛的一种线性集成电路，种类繁多，市场上不下五六百种，主要用于对各种小信号进行放大。带宽在5M以上的有三百多种，最高的已达300MHZ，转换速率在5V/us以上的也不下几百种，最高达3000V/us 二
4、、运放电路基本应用集成运算放大器是集成电路的一个重要分支。现在，它已像晶体管一样作为通用的电子器件广泛应用于电子技术各个领域，价格也十分便宜。集成运算放大器内部结构实际上就是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。下面以A741为例进行介绍。如图2-3所示。图2-3 A741内部结构图2-3电路可归纳为以下四个部分，如图2-4所示。图2-4 A741内部结构组成由于它与各种反馈网络配合使用，能完成多种复杂的运算功能（如加法、减法、比例、积分、微分等），故常称为集成运算放大器（简称为集成运放）。从图2-3中可以看出，集成运放第一级电路是差动放大器，它有效地克服了放大器的零点漂移，极大
5、地提高了集成运算放大器的工作稳定度。1. 集成运放的理想特性不同类型的运放其外形和外引脚排列是不同的，可查阅相关资料来确认（也可在互联网上实名搜索）。电路符号如图2-5所示。由于历史的原因，迄今为至，旧符号仍然在生产图纸和教科书中大量使用。 图 2-5运放的符号运放符号中的“+”、“”表示运放的同相输入端和反相输入端，即当输入电压加在同相输入端和公共端之间时，输出电压和输入电压两者的实际方向相对于公共端来说相同；反之，当输入电压加在反相输入端和公共端之间时，输出电压和输入电压两者的实际方向相对于公共端来说相反。如图2-6所示。图 2-6同相与反相输入端电路在运放中，公共端往往取定为接地端（电子
6、线路中的接地端常常取多条支路的汇合点、仪器的底座或机壳等），作为输入电压和输出电压的参考点。理想集成运算放大器的参数：开环差模电压放大倍数Au；开环差模输入电阻ri；开环差模输出电阻ro0。共模抑制比 KCMRR；上限截止频率fH。满足以上条件的集成运放即为理想的，由可知，因实际集成运算放大器的参数接近于理想参数，因此在分析实际集成运算放大器时可以把它当作理想元件看待。2. 虚断与虚短概念图2-7 理想运放的“虚短”、“虚断”理解示意图（1）虚短由于理想运放的线性段放大倍数为无穷大，在电源电压为有限值条件下，运放的输入电压应该无穷小，相当于两输入端短路，但又不是真正的短路，故称为“虚短”。虚短
7、实际上指的是两输入端的电压相同，写出表达式就是up=un。（2）虚断由于运放输入电压近似为零，输入阻抗很大，因此可以认为其输入电流亦近似为零，即ii=0，相当于两输入端开路，但又不是真正的断开，故称为“虚断”。虚断表明两输入端没有电流。写出表达式i+=i-0。3.集成运放的两种基本电路 集成运放具有两种基本电路，一是反相输入放大电路，即输入信号加在反相输入端，二是同相输入放大电路，即输入信号加在同相输入端。（1）反相比例放大电路电路如图2-8所示。图 2-8 反相比例放大电路分析：根据“虚断”的概念，i=if即，又根据“虚短”概念，代入上式，则为 那么反相放大器的电压放大倍数由上式可知，运算放
8、大器可以实现输入信号电压的数学运算，这也正是这种放大器名称的来源。在实际应用中有二点需要进行说明：反馈电阻Rf不能取得太大，否则会产生较大的噪声输出，其值一般取几十千欧到几百千欧之间。R1的值应远大于信号源的内阻（10倍以上）。直流平衡电阻的设置画出如图2-9（a）所示的静态等效图，如图2-9（b）所示。图 2-9 等效图从等效图可以看出，反相端和同相端到地的直流电阻不一样，由于运算放大器的输入级是差动放大器，因此会造成一定的运算误差。为了解决这个问题，往往采用加入RB直流平衡电阻来予以解决，具体如图2-10所示。 图 2-10（2）同相比例放大电路同相放大器，如图2-11所示。图 2-11同
9、相放大器分析：根据“虚短”、“虚断”的概念，可得出u+=u-=ui，iR=if的结论，故而，可改写为，化简上式因为Auf为正值，说明uo和ui同相，故该放大器被称为同相比例放大器，从公式中可以看出，改变，就可以改变电路的放大倍数。电路如图2-12所示，为同相放大器，如果减小Rf至零（相当于Rf被短路），或将R1增大至无穷大（相当于开路），那么图1-25则可改画为如图2-13所示。 图 2-12 同相放大器 图 2-13电压跟随器此时，则电路成为电压跟随器。它具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，用途极为广泛。4.减法放大电路减法器电路如图2-14所示。 图 2-14 图2-15分析：首先令ui1=
10、0，等效图如图2-15所示。此时放大器为同相放大器，鉴于，所以。再令ui2=0，等效图如图2-16所示。图 2-16此时放大器为反相放大器，应用叠加原理：。如果R1=R2和Rf=R3，则上式为即得到输出电压u与两个输入电压的差值成正比。当Rf=R1时，则有这时电路则成为一个减法器。5.运放的非线性应用运放电路接成开环或引入正反馈时，则工作在非线性状态。运放工作在非线性状态的分析方法： 若U+U- 则UO=+UOM； 若U+U- 则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！ 图2-17如图2-17运放接成开环形式，电路工作在非线性工作状态，输出与输入的关系uo=f(ui)
11、是非线性函数。运放的非线性应用主要有电压比较器，其功能是将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。（1）单门限电压比较器最简单的电压比较器如图2-18所示，这是一个过零电压比较器，其门限电压时0V。图2-18 过零电压比较器过零电压比较器的应用之一是可以实现波形转换，如将正弦波变为方波，见图2-19所示。图2-19 波形转换器单门限电压比较器配合稳压管可以做成限幅电路，使输出电压为一稳定的确定值。如图2-20所示。图2-20 限幅电路结论：当ui 0时 , uo = +UZ；当ui UT+时, uo从+UZ -UZ，这时, uo =-UZ , u+= UT-，设ui , 当ui
12、 = UT-时, uo从-UZ +UZ。由此，作出迟滞比较器的电压传输特性如图2-23所示。图2-23 迟滞比较器的电压传输特性下面看一道例题：例题：Rf=10kW，R2=10k W ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。图2-24 例题图解：先求上下限电压：由此得该迟滞比较器的电压传输特性如图2-25所示。图2-25 例题的电压传输特性当输入不规则正弦波时，可以将其整形成规则的矩形波。如图2-26所示。图2-26 波形整形 三、运放的应用常识1.运算放大器的选择运算放大器的种类很多，在工作中需要按系统对电路的要求进行选用。一般均选用通用型，其售价
13、较低，且容易购买。只有在有特殊需要时，才选用某种特殊型运放。但并不是价格贵的就好，因为特殊型的也只是某几个技术指标比较突出，但是这些指标是以牺性另一些指标为代价的。另外在选用时，需注意可靠性。如果工作中经常有冲击电压或电流，则应选用有过载保护型的，而且在容量方面要留有充分的余地。2.运算放大器使用注意事项此外，还有以下几个共性的问题需要注意：（1）芯片引脚排列各种常见的集成芯片引脚排列顺序如图2-27所示。图2-27 芯片引脚排列（2）零点调整零点调整的常用方法是：将两输入端短路接地，利用外接调零电位器调整，使输出电压为0，具体的调零方法可参阅有关说明书。（3）消除寄生振荡集成运算放大器开环电压放大倍数很大，容易引起振荡，寄生振荡频率在几十到几百kHz范围。为此，常要加阻容补偿网络，具体参数和接法可查阅使用说明书。合适的补偿网络参数数值应通过实验确定。（4）保护电路保护电路主要有电源极性的保护和输入、输出的保护，如图2-28、2-29、2-30所示。图2-28 电源极性的保护图2-29 输入的保护图2-30 输出的保护小结：（1）集
