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1、集成运算放大电路在信号处理中的应用与分析机制1006班刘珅U201010693集成电路简称IC，是在半导体制造工艺的基础上，将电路的有源器件、无源器件及其布线集中制作在同一块半导体基片上，形成紧密联系的一个整体电路。其具有体积小，质量轻，可靠性高，寿命长，速度高，功耗低，成本低等特点，在当今信号处理方面应用极为广泛。集成运算放大电路是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出电阻的直接耦合放大电路。集成运算放大电路基本上又输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。输入级是提供与输出端同相或者反相关系的两个输入端，通常采用差动放大电路；要求温漂要小，输入电阻要大。中间级主要是完成电压放大任务，要求
2、有较高的电压放大倍数；一般采用带有源负载的共射电压放大电路。输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大器。偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流，一般采用电流源。下面，我们主要介绍一下集成运算放大电路线性及非线性应用，及其所构成的交流放大电路应用。（一）集成运算放大电路的线性应用加上负反馈的集成运放电路可组成各种运算电路，由于工作在深度负反馈的条件下，所以运算电路的输入、输出关系基本取决于反馈电路和输入电路的结构与参数，而与运算放大器本身的参数无关。故通过改变输入电路和反馈电路的形式及参数就可以实现不同的运算关系，如比例、加法、减法、积分微分等运算。常见运算电路如表
3、所示反相比例运算RR12fuii1f.0u.R电压并联负反馈同相比例运算RR12fii1f.u.u.R电压串联负反馈电压跟随器0uui.加法运算uuuRRR3Pfii2fi_.R2i2+R1i1+iii1i2i3.u0.电压并联负反馈减法运算RR12fui1i.R.uiii1i223.u0.对是电压并联负反馈，对是电压串联负反馈。积分运算R1R2uii1f+.i-i+ucu0.电压并联负反馈微分运算.CR1fuiicfi+_.u0.R.电压并联负反馈有源滤波电路典型的运用了集成运算放大电路的线性应用，用简单的RC低通电路与集成运算放大器就可以构成一阶有源低通滤波电路。一 阶有源低通滤波器通带内
4、具有增益Auf，同时，采用同相输入比例运算电路，可将实际负载RL 与无源RC滤波电路隔开，从而使RL 对滤波器特性影响很小。在一阶低通滤波电路的基础上，再 加一级RC低通电路就构成二阶有源低通滤波电路。如下图(a)所示。但图中第一级RC 低通电路中 C 的下端不接地而接到集成运放的输出端，可在截止频率附近引入正反馈，使其幅频特性得到改善。由于图中集成运放构成的同相比例运算电路实际上就是所谓压控电压源，故称图(a)所示电路为二阶压控电压源低通滤波电路的电压增益Auf=1+ RFR1即为滤波器的通带电压增益。（二）集成运算放大电路的非线性应用运放电路的非线性应用要注意电路工作在饱和区，输出为或稳压
5、管限幅后的稳定电压。运放电路的非线性应用一般有电压比较器、非正弦周期信号发生器等电路。要求熟悉电压比较电路的门限电压UT、电压传输特性，会画输出电压波形。了解方波发生器的工作原理。常见的几种电压比较器如表所示过零比较uouiR1R2任意电压比较uouiR1R2uR.uoui0.+UZ-UZ-UT+UTT2.ui0uo-UoUR+Uo迟滞电压比较uouiR1R2.DZR.UZ为上、下门限电压。应用集成运算放大电路的非线性特性的典型原件为正弦波振荡器。其主要由放大电路，正反馈网络，选频网络和稳幅环节构成。我们以RC桥式正弦波振荡电路为例做详细分析。RC桥式正弦波振荡电路原理如图所示，图中集成运放A
6、作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。 在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。（三）交流放大电路 图1是使用双电源的同相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。C1和C2为输入和输出耦合电容；R1使运放同相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；RF引入直流和交流负反馈，并使集成运放反相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；由于C隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C分流，形成交流部分反馈，为电压
7、串联负反馈。引入直流全反馈和交流部分反馈后，可在交流电压增益较大时，仍能够使直流电压增益很小(为1倍)，从而避免输入失调电流造成运放的饱和。无信号输入时，运放输出端的电压V00V，交流放大电路的输出电压U0=0V；交流信号输入时，运放输出端的电压V0在-VEE+VCC之间变化，通过C2输出放大的交流信号，输出电压uo的幅值近似为VCC(VCC=VEE)。引入深度电压串联负反馈后，放大电路的电压增益为放大电路输入电阻Ri=R1if。if是运放引入串联负反馈后的闭环输入电阻。if很大，所以Ri=R1ifR1；放大电路的输出电阻R0=of0，of是运放引入电压负反馈后的闭环输出电阻，rof很小。图2
8、是使用双电源的反相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。RF引入直流和交流负反馈，C1隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C1分流，形成交流部分反馈，为电压并联负反馈。为了减小运放输入偏置电流造成的零点漂移，可以选择R1=RF。引入深度电压并联负反馈后，放大电路的电压增益为因为运放反相输入端虚地，所以放大电路的输入电阻RiR；放大电路的输出电R0=r0f0。在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接
9、地(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0+Vcc之间变化。在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc2。这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc2值的基础上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc2。 图3请见原稿图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时运放输出端的电压V0=V-V+=+Vcc2；C
10、通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻Ri=R1R2rifR1R2，放大电路的输出电阻R0=r0f0。 图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R1和R 2分压，使运放同相输入端电位为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-V+=+Vcc2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻RiR，放大电路的输出电阻R0=r0f0。综上所述，集成运算放大电路，在信号处理中应用了其线性及非线性特性，实现了信号模拟运算，有源滤波，电压比较等功能，在各领域都发挥着不可替代的作用，而其体积小，质量轻，可靠性高，寿命长，速度高，功耗低，成本低等特点又使其具有非常好的发展前景，相信集成运算放大电路能够得到更为广泛的应用。
