集成运放及应用

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1、1.集成运算放大器的主要应用 集成运算放大器的两个输入端分别为同相输入端 uP和反相输入端 uN，这里的“同相” 和“反相”是集成运算放大器的输入电压与输出电压 uo之间的相位关系，其符号及外观如 图 1.1 所示。从外部看，可以认为集成运算放大器是一个双端输入、单端输出、具有高差 模放大倍数 Aod、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差动放大电路。集成运算放大器加上负反馈回路，使其具有各种各样的特性，实现各种各样的电路功 能。集成运算放大器的主要应用： DC 放大器-DC低频信号的放大。 音频放大器-数十 HZ数十 kHZ的低频信号的放大器。 视频放大器-数十 HZ数十 MHZ的视频

2、信号的放大器。 有源滤波器-低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 模拟运算-模拟信号的加法、减法、微分、积分等运算。 信号的发生和转换-正弦波振荡电路、矩形波发生电路、电压比较器、电压电流转 换电路等。2.集成运算放大器的主要性能指标 (1) 开环差模增益 Aod 在集成运算放大器无外加反馈时的差模放大倍数称为开环差模增益，记作 Aod。Aod=uo/（uP-uN） ，常用分贝（dB）表示，其分贝数为 20lg|Aod|。通用型集成运算放大器 Aod通 常在 105左右或用 102V/mV 表示，即 100dB 左右。 (2)共模抑制比 KCMR 共模放大倍数 Aoc如图 2.1

3、所示，Aoc=uo/uic。 共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数 Aoc之比的绝对值，即 KCMR=|Aod/Aoc|， 常用分贝表示，其数值为 20lgKCMR。KCMR越大越好，KCMR越大对温度影响的抑制能力就 越大。KCMR=|Aod/Aoc|。KCMR越大越好， KCMR越大对温度影响的抑制能 力就越大。图 1.1 集成运算放大器 的符号及外观图 2.1 共模放大倍数(3)差模输入电阻 rid rid是集成运算放大器两个输入端之间的差模输入电压变化量与由它所引起的差模输入 电流之比。rid越大越好，从信号源索取的电流越小。(4)输入失调电压及其温漂OSUdT/dUOS由于集成运

4、算放大器的输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入电压为零时，输出电压 uo不为零。是使输出电压为零时在输入端加的补偿电压。越小越好，越小OSUOSU表明电路参数对称性越好。对于有外接调零电位器的集成运算放大器，可以通过改变电位 器滑动端的位置使得零输入时输出为零。是的温度系数，是衡量集成运算放大器温漂的重要参数，其数值越小，dT/dUOSOSU表明集成运算放大器的温漂越小。(5)输入失调电流及其温漂OSIdT/dIOS其中是集成运算放大器输入级差放管的基极（栅级）偏置|II|IBBOS2121BBII 、电流，反映输入级差放管输入电流的不对称程度。与的含义相OSIdT/dIOSdT/dUOS

5、类似。和越小，集成运算放大器质量越好。OSIdT/dIOS(6)输入偏置电流IBI是集成运算放大器输入级差放管的基极（栅级）偏置电流的平均值。即IBI，越小，信号源内阻对集成运算放大器静态工作点影响越小；通常)II(IBBIB2121IBI越小，往往也越小。IBIOSI(7)最大共模输入电压maxIcU是集成运算放大器两个输入端对地间所允许加的最大共模输入电压。超出此共maxIcU模电压极限值，其共模抑制比将明显下降，不能对差模信号进行放大。这也是集成运算放、OSUdT/dUOSOSIdT/dIOS越小，集成运算放大器精度越高。IBI大器用于同相放大器时所允许的输入电压极限值。如图 2.2 所

6、示。(8)最大差模输入电压maxIdU是集成运算放大器同相输入端与反相输入端之间所允许加的最大差模输入电压。maxIdU超出此差模电压极限值，输入级将损坏。如图 2.3 所示。(9)3dB 带宽 fH fH是使开环差模增益 Aod下降 3dB(即下降到 0.707 倍)时的信号频率。 (10) 增益带宽积 GBW、单位增益带宽 fCGBW 是开环差模增益 Aod与带宽 fH的乘积，即 GBW=AodfH是一个常数。 fC是使开环差模增益 Aod下降到 0dB(即 Aod=1，失去放大能力)时的信号频率。(11)转换速率 SR SR=|duO/dt|max，表示集成运算放大器对信号变化速率的适应

7、能力，是衡量集成运算 放大器在大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当 输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时。输出电压才能线性规律变化。信号幅值越大、频 率越高，要求集成运算放大器的 SR 越大。图 2.3图 2.2差模输入电压有 最大值不能超过共模输 入电压 有最大 值不能 超过增益带宽积 GBW 或单位 增益带宽 fC越高，集成运 算放大器就越适用于音频 放大器和视频放大器。转换速率 SR 越大， 输出才能跟上频率高、 幅值大的输入信号的 变化，否则输入正弦 波，输出是三角波。 如图 2.4 所示。(12)等效输入噪声电压密度 en、等效输入噪声电流密度 i

8、n、等效输入噪声电压峰峰值 enp-p、等效输入噪声电流峰峰值 inp-p用来描述集成运算放大器噪声的大小。噪声越小越好。(13)功耗 Pd在额定电源电压及空载条件下，所消耗的电源总功率 Pd。 3.集成运算放大器按性能指标分类 按性能指标可分为通用型和特殊型两类。通用型集成运算放大器用于无特殊要求的电 路之中，其性能指标的数值范围如表 3.1 所示。特殊型集成运算放大器为了适应各种特殊 要求，某一方面性能特别突出，下面作一简单介绍。表 3.1 通用型集成运算放大器性能指标参数单位数值范围AoddB65100RidM0.52UOSMV25IOSA0.22IIBA0.37KCMRdB7090单位

9、增益带宽MHZ0.52SRV/S0.50.7功耗mW80120(1)高阻型 具有高输入电阻(rid)的集成运算放大器称为高阻型集成运算放大器。rid大于 109，适 用于测量放大电路、信号发生电路等。 (2)高速型 增益带宽积和转换速率高的集成运算放大器为高速型集成运算放大器。它的种类很多， 增益带宽积多在 10MHZ左右，有的高达千兆；转换速率大多在几十伏/微秒至几百伏/微秒， 有的高达几千伏/微秒。适用于模数转换器、数模转换器、视频放大器等。 (3)高精度型 高精度型集成运算放大器具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电图 2.5输入无信号时，输出有噪声 电压，如图 2.5 所

10、示。将输 出噪声电压折合到输入端就 是等效输入噪声电压。即使 输入端加上有用信号，输出 的噪声电压依然存在。集成 运算放大器的 en、in、enp-p、inp-p越小越好。压和失调电流比通用型集成运算放大器小两个数量级，而开环增益和共模抑制比均大于 100dB。适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。 (4)低功耗型 低功耗型集成运算放大器具有功耗低、工作电源电压低等特点，它们的功耗只有几毫 瓦，甚至更小，电源电压为几伏，而其他方面的性能不比通用型集成运算放大器差。适用 于能源有严格限制的情况，例如空间技术、军事科学及工业中的遥感遥测等领域。 (5)大功率型 一般通用型集成

11、运算放大器的输出电流在 10mA 以内，输出电流在 1A 以上，电源电 压 24V 以上这是大功率型集成运算放大器。4.集成运算放大器典型电路 (1)反相比例运算电路如图 4.1 所示。(2)同相比例运算电路如图 4.2 所示。图 4.1 反相比例运算电路if OuRRu1fR/RR12图 4.2 同相比例运算电路if OuRRu 11fR/RR12图 4.3电压跟随器如图 4.3 所示。输 入电阻高，输出电阻小，放大 倍数等于 1。（3）反相求和运算电路如图 4.4 所示。（4）同相求和运算电路如图 4.5 所示。（5）加减运算电路如图 4.6 所示。图 4.4 反相求和运算电路fIf If

12、 If OR/R/R/RRuRRuRRuRRu32143 32 21 1 图 4.5 同相求和运算电路fIf If If OR/RR/R/R/RuRRuRRuRRu32143 32 21 1或省去fR/RR/R/R3214R图 4.6 加减运算电路543212 21 14 43 3 R/R/RR/R/RuRRuRRuRRuRRufIf If If If O（6）积分运算电路如图 4.8 所示。加减电路只有两个输入，且 参数对称，如图 4.7 所示， 则12IIf OuuRRu图 4.7图 4.8 积分运算电路dtuRCuIO1图 4.9 加不同输入信号时积分器输出波形当输入为阶跃信号、方波、正

13、 弦波时，积分器输出信号如图 4.9 所示。在使用积分器时，为了 防止低频信号增益过高， 常在电容上并联一个电 阻加以限制如图 4.10 所 示。(7) 微分运算电路如图 4.11 所示。(8) 压控电压源二阶低通滤波器如图 4.14 所示。图 4.11 微分运算电路dtduRCuI O实用微分电路如图 4.12 所 示。R1限制输入电流；稳 压二极管限制输出电压； C1提高电路的稳定性。波 形如图 4.13 所示。图 4.14 压控电压源二阶低通滤波器 02031ffAjffAsUsUAupupio u 设计图 4.14 电路时按下面公式选择参数：通带放大倍数 707031.AQup121R

14、RAup通带截止频率 fp 特征频率 f0 RCffp210RR/R221(9) 压控电压源二阶高通滤波器如图 4.15 所示。(10) RC 桥式正弦振荡电路如图 4.16 所示。图 4.15 压控电压源二阶高通滤波器 ffAjffAsUsUAupupio u02031 设计图 4.15 电路时按下面公式选择参数：通带放大倍数 707031.AQup121RRAup通带截止频率 fp 特征频率 f0 RCffp210RR/R21图 4.16 RC 桥式正弦振荡电路振荡频率 RCf210电路在起振时应满足 2 其 1RRf中 Rf = R2+( R3/ Rd )， Rd为二极 管正向导通时的等

15、效电阻。 R= R1/Rf D1、D2、R3是起稳幅作用 R3通常选几千欧(11) 方波发生电路如图 4.17 所示。(12) 方波和三角波发生电路如图 4.19 所示。图 4.17 方波发生电路图 4.18 方波发生电路的波形图方波发生电路的波形如图 4.18 所示。其中输出的幅值UOM=UZ，输出波形的周期，电容电压 21 3212RRlnCRT的幅值。ZTURRRU211 图 4.19 方波和三角波发生电路 图 4.20 方波和三角波发生电路波形 图方波和三角波发生电路的波形图如图 4.20 所示。三角波输出的幅度 UO1M=，方波的幅值ZTURRU21UOM=UZ，波形的周期。得到了线性度较理想的三角波。214 RRCRT (13) 过零比较器如图 4.20 所示。(14) 一般单限比较器如图 4.23 所示。图 4.20 过零比较器图 4.21 过零比较器 电压传输特性图 4.22 过零比较器 输入输出电压波形过零比较器的电压传输特性 如图 4.21 所示。过零比较 器 的输入输出电压波形如图 4.22 所示。阈值电压 UT=0，uI0 时 uO=UZ，uI0 时 uO=UZ。图 4.24 一般单限比 较器电压传输特性图 4.23 一般单限比较器图 4.25 一般单限比较器电压波形一般单限比较器的电压传输特性如图