集成運算放大器

集成運算放大器

電子發(fā)燒友認為半導體集成電路是以半導體硅單晶為基礎材料，以制造平面晶體管的平面工藝為基本工藝，將許多無、器件連同它們接線等制造在同一基片上，并能夠完成各種電功能的電子線路。它實現(xiàn)了材料、元器件、電路三者的有機組合，具備集成密度高、引線短、外部焊點少、成本低、可靠性高等優(yōu)點。

1、基本運算電路

集成電路按功能劃分，可分為數(shù)字和模擬兩大類。模擬集成電路用于模擬信號的產生和處理，其種類繁多，包括集成運算放大器、集成模擬乘法器、集成鎖相環(huán)、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成寬帶放大器、集成數(shù)模和模數(shù)轉換電路等。其中集成運放是技術功能的通用性最大、應用最廣泛、以展最快、品種與數(shù)量最多的一種線性集成電路。

集成運放裨上是一種高增益直流放大、直流放大器既能放大變化極其緩慢的直流信號，下限頻率可到零；又能放大交流信號，上限頻率與普通放大器一樣，受限于電路中的電容或電感等電抗性元器件。集成運放和外部反饋網(wǎng)絡相配置后，能夠在它的輸出和輸入之間建立起種種特定的函數(shù)關系，故而稱它為“運算”放大器。

分析處于線性放大狀態(tài)的理想和實際運算放大器的基本依據(jù)是

U-=U+也稱“虛短路”。對于實際的運算放大器，常常也可據(jù)此進行近似分析。

（1）反相運算放大器 圖5.2-18所示是運算放大器反相放大組態(tài)電路，通過反饋元件ZF構成閉環(huán)。理想運算放大器反相放大閉環(huán)增益的基本關系式

反相輸入端具有地電位，而并沒有真正接地之“虛地”點。

反相運算放大器的輸入阻抗為z1F=Z

反相放大組態(tài)實質上是電壓并聯(lián)負反饋，具有輸入阻抗和輸出阻抗低的特點。

ZPZ為溫度補償元件，為了確保運算放大處于對稱平衡狀態(tài)，應使從反相輸入端和從同相輸入端賂外部看去的等效直流電阻相等，則元件選擇時應使ZP=ZF//ZZ

如果用不同的電阻、電容網(wǎng)絡來構成ZF、ZP，就能得到功能不同的各種反相運算電路。例如反相比例器、加法器、微分器、積分器、有源濾波器和有源校正電路等。下面僅舉反相加法器一例，如圖5.2-19所示電路。

由于反相端為“虛地”，故三個輸入電壓彼此獨立地通過自身的輸入回路電阻，轉換成下列各式電流：

由此可見，當運算放大器具有理想特性時，各相加項的比例因子僅與外電路電阻有關，適當選擇各電阻阻值，就能得到所需要的比例因子，因此這種加法電路可以達到很高的精度和穩(wěn)定性。加法運算呈現(xiàn)在各輸入電流在反相端相加。故稱反相端為“相加點”，或稱“”點。

補償電阻RP用于保證電路具有平衡對稱結構，其值應選為RP=R1||R2||R3||RT

由于反相端為“虛地”，故對每個輸入信號而言，加法器的輸入電阻分別為輸入回路電阻R1、R2、R3。

（2）同相運算放大器 圖5.2-20為運算放大器同相放大組態(tài)。

理想運算放大呂同相放大閉環(huán)增益的關系式：

（3）差動放大器

1）基本差動放大器

將反相放大組態(tài)和同相放大組態(tài)二者結合起來，便構成運算放大器的差運放大組態(tài)，如圖5.2-21所示。

差動運放只對差模輸入信號實現(xiàn)運算，不反映共模輸入信號。對于理想運算放大器，若外部回路

差動放大器具有抑制零點漂移和抗干抗性等特點，所以應用極為普遍。

2）增益可調差動放大器 實際應用中，通常要求增益可調。將基本差動放大器結構適當改變，就能實現(xiàn)用一個電位器調節(jié)增益的任務，電路如圖5.2-22所示。該電路的閉環(huán)增益為

式中K為電位器的滑動比。

當滑動端在圖示最上位置時，K=1；在最下位置時，K=0，通常在電位器支路串有一個固定電阻，以避免調節(jié)過程中出現(xiàn)過大增益，確保電路工作穩(wěn)定。這樣調節(jié)滑動比，增益A1就可以在很大范圍內變化。此種增益調節(jié)電路簡單易實現(xiàn)，且不影響電路的共扼抑制能力，缺點是增益調節(jié)特性是非線性的。

（4）積分器 基本積分器電路圖如5.2-23。其輸入回中元件為電阻，反饋回路元件為電容，屬于反相運算電路。

基本積分器能否實現(xiàn)精確積分運算的關鍵在于反相端是否為“虛地”，不論什么原因使反相端偏離“虛地”，都將引起積分運算誤差。

差動積分器，可由兩個運算放大組成，電路性能較好，如圖5.2-24所示。

此電路完全避免兩個差動信號分別積分時，要求工作狀態(tài)的一致性。

（5）微分器 微分器用來對輸入信號實現(xiàn)微分運算，因為微分是積分的逆運算，所將積分器的輸入回路電阻與反饋回路電容位置相互對換，就構成微分器?；疚⒎蛛娐啡鐖D5.2-25所示。其輸入回路元器為電容，反饋回路元件為電阻，即

（6）對數(shù)與反對數(shù)運算電路 對數(shù)與反對數(shù)運算電路是對輸入信號實行對數(shù)或指數(shù)運算，它們是一類非線性函數(shù)運算電路。對它們進行適當組合，可構成乘法、除法、乘方和開方等各種非線性運算電路。

1）對數(shù)運算電路 實際應用中，將晶體三極管接在反相放大器的反饋支路代替電阻，則構成對數(shù)運算電路，如圖5.2-26所示。

即輸出電壓完成對輸入電壓的對數(shù)運算。

2）反對數(shù)運算電路 將基極和集電極短接的晶體三極管接在反相放大器的輸入回路中，就構成了反對數(shù)運算放大器，電原理電路如圖5.2-27所示。

即輸出電壓完成對輸入電壓的反對數(shù)運算。

對數(shù)運算電路與反對數(shù)運算電路存在相同問題，即運算精度溫度影響較大，實際應用中都必須進行溫度補償。

2、部分國產集成運算放大器的系列（見表5.2-12）