第5章集成運(yùn)算放大電路5.1集成運(yùn)算放大器5.2集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

5.1

集成運(yùn)算放大器

由晶體管、電阻、電容等單個(gè)元件組成的電路稱為分立元件電路。把分立元件集成在硅片上組成一個(gè)整體,就是集成電路,簡(jiǎn)稱IC。集成電路體積小、密度大、功耗低、引線短、外接線少,可以大大提高電子電路的可靠性和靈活性,減少組裝和調(diào)整的工作量,降低成本。硅片上所包含的元器件數(shù)目稱為集成度。按集成度不同,可以將集成電路分為小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)。5.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

集成運(yùn)算放大電路(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放)是發(fā)展最早、應(yīng)用最為廣泛的一種集成電路,具有高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻等特點(diǎn)。集成運(yùn)放是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路,一般由四部分組成,如圖5-1所示。圖5-1集成運(yùn)放的基本組成框圖

中間級(jí)是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的放大器,主要作用是提高電壓增益,多采用共射放大電路。

輸出級(jí)多為互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小、非線性失真小等特點(diǎn),其作用是降低輸出電阻,提高帶負(fù)載的能力。

偏置電路的作用是為各級(jí)放大電路提供靜態(tài)工作電流,一般為電流源電路。

集成運(yùn)放的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)如圖52所示。圖中標(biāo)為“+”號(hào)的為同相輸入端,該端信號(hào)的相位與輸出信號(hào)相位相同;標(biāo)為“-”號(hào)的為反相輸入端,該端信號(hào)的相位與輸出信號(hào)相位相反。

圖5-2集成運(yùn)放的符號(hào)5.1.2集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)是電路設(shè)計(jì)過(guò)程中選用集成塊的依據(jù),常見的性能指標(biāo)如下:

(1)差模開環(huán)放大倍數(shù)Aod。

差模開環(huán)放大倍數(shù)Aod是在外電路沒(méi)有連接反饋元件時(shí)的電壓放大倍數(shù),通常采用分貝表示,即

運(yùn)算放大器具有高增益的特點(diǎn),不同功能的運(yùn)放Aod的數(shù)值相差較大,通常在80dB~140dB之間。(2)輸入電阻rid。

輸入電阻rid是差模輸入電壓uid的變化量與相應(yīng)的輸入電流iid的變化量之比,即

輸入電阻rid是衡量電路中差分管向輸入信號(hào)源索取電流大小的標(biāo)志,通常要求rid數(shù)值很高,一般可達(dá)幾千萬(wàn)歐。2.理想集成運(yùn)放5.1.3集成運(yùn)算放大器的傳輸特性

圖5-3集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性

5.2

集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用非常普遍,可分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。線性應(yīng)用主要有運(yùn)算電路、正弦波振蕩電路、有源濾波電路等;非線性應(yīng)用主要有電壓比較器、非正弦波信號(hào)發(fā)生器等。5.2.1集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用

集成運(yùn)放在線性應(yīng)用時(shí),要使運(yùn)放工作在線性區(qū)域,并引入深度負(fù)反饋。

1.比例運(yùn)算電路

1)反相比例運(yùn)算電路

反相比例運(yùn)算電路如圖5-4所示。圖5-4反相比例運(yùn)算電路

利用“虛短”與“虛斷”的概念,運(yùn)放的兩個(gè)輸入端不取電流,同相端相當(dāng)于經(jīng)R2接地,因此有2)同相比例運(yùn)算電路

同相比例運(yùn)算電路如圖5-5所示。圖5-5同相比例運(yùn)算電路2.加減運(yùn)算電路

1)減法運(yùn)算電路

減法運(yùn)算電路如圖5-7所示。圖5-7減法運(yùn)算電路2)加法運(yùn)算電路

反相加法運(yùn)算電路如圖5-8所示。圖5-8反相加法運(yùn)算電路

信號(hào)從集成運(yùn)放的反相端輸入,利用“虛短”與“虛斷”的概念,可得【例5-1】電路如圖59所示,求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式。圖5-9例5-1電路圖3.積分與微分運(yùn)算電路

1)微分運(yùn)算電路

微分運(yùn)算電路如圖510所示。圖5-10微分運(yùn)算電路2)積分運(yùn)算電路

積分運(yùn)算電路如圖511所示。圖5-11積分運(yùn)算電路4.有源濾波電路

濾波電路的功能是讓指定頻率范圍的信號(hào)通過(guò),而對(duì)其余頻率的信號(hào)加以抑制,或使其急劇衰減,其實(shí)質(zhì)是對(duì)頻率進(jìn)行選擇。由普通

RC電路組成的具有濾波功能的電路稱為無(wú)源濾波器,其帶負(fù)載能力較弱,電壓放大倍數(shù)較低;由集成運(yùn)放與

R、C元件共同組成的濾波電路屬于有源濾波器,具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),且濾波頻率穩(wěn)定,所以在實(shí)際工程中多使用有源濾波器。

根據(jù)頻率選擇范圍的不同,濾波器可分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和帶阻濾波器(BEF)。低通濾波器按其包含的儲(chǔ)能元件數(shù)量又可分為一階低通濾波器和二階低通濾波器。下面以使用較普遍且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的一階低通濾波器為例來(lái)進(jìn)行介紹。圖5-12為有源一階低通濾波電路,其輸入、輸出電壓等參數(shù)以相量的形式表示。圖5-12有源一階低通濾波電路圖5-13有源一階低通濾波