第三节 集成运放的线性应用

第三节 集成运放的线性应用

一、集成运放的理想化条件

在分析集成运放组成的各种电路时，将实际的集成运放作为理想运放来处理，并分清其工作状态是十分重要的。

1．集成运算的理想化条件 理想的集成运放应满足以下各项性能指标： （1）开环差模电压放大倍数A od =∞； （2）输入电阻R id =∞； （3）输出电阻R o =0； （4）共模抑制比K CMR =∞；

尽管真正的理想运放并不存在，但由于实际集成运放的各项性能指标与理想运放非常接近，因此在实际操作中，往往都将实际运放理想化，以使分析过程简化。

理想运放的图形符号如图3-3-1所示。它有同相和反相两个输入端以及一个输出端。反相输入端标“－”，同相输入端和输出端标“+”，它们的对“地”电压（即电位）分别用u N 、u P 和u O 表示。“∞”表示开环电压放大倍数的理想化条件。

2．集成运放的传输特性 传输特性是表示集成运放输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，如图3-3-1中曲线1所示。图中，BC 段为线性区，输出电压u O 与差模输入电压正比，即

u o =A od (u P －u N ) （3-15） 一般集成运放的A od 值很大，即使输入毫伏级以下的电压，也足以使输出电压饱和，其饱和值+U o （sat ）和－U o （sat ）接近正、负电源电压值，如图3-3-1中的AB 和CD 段所示，称为非线性区（饱和区）。

集成运放的线性区很小， 曲线2为理想运放的传输特性，此时BC 段与u O 轴重合。实际应用中，为扩大线性区，集成运算放大电路大都接有深度负反馈电路。

运放在线性区的分析要领有两条：

1）同相输入端电位等于反相输入端电位。即u P =u N 。但同相输入端和反相输入端

并没有真正短路，因此称为“虚短”。

2）同相输入端和反相输入端电流为零。即i P =i N =0。但两个输入端并没有真正断开，

因此称为“虚断”。

分析运放电路时，应首先分清集成运放的工作状态，再抓住不同状态下的分析要领对电路进行分析。

二、基本运算电路

1．反相输入放大电路 如图3-3-2所示电路中，输入端u i 通过电阻R 1作用于集成运放的反相输入端，输出电压u o 与u i 反相，故称反相输入放大电路，又称反相比例运算电路。

根据集成运放工作在线性区的两条分析要领可知：

图3-3-2 反相输入放大电路

u （1）i P =i N =0，因此i 1=i F 。

（2）u P =u N 。由于i P =i N =0，电阻R 2上无压降，因此u P =u N =0。这表明集成运放两输入端的电位均为零，但由于它们并没有真正接地，因此称为“虚地”。

i N i 111

R R u u u

i -==

N o o F F F

R R u u u

i -=

=- 根据i 1=i F ，有 F

o i 1

R A R u u =-

=uf i u （3-16）

由式（3-16）可见，反相输入放大电路的输出电压u o 与输入电压u i 为比例运算关系，其比例系数为电压放大倍数A uf 。A uf 仅决定于外接电阻R F 与R 1的比值，而与运放本身的参数无关，从而保证了运算的精度和稳定性。式（3-16）中的负号表示u o 与u i 反相。

当R 1=R F 时，A uf =－1，u o =－u i ，这种反相输入放大电路称为反相器。

图3-3-2中，电阻R 2=R 1//R F 称为平衡电阻，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。

反相输入放大电路实际是一个深度的电压并联负反馈放大电路，因此，电路的输入电阻小（R if ≈R 1），输出电阻也小（R of ≈0）。

图3-3-3 同相输入放大电路

2．同相输入放大电路 如果输入信号u i 从同相输入端引入运放，就是同相输入放大电路，又称同相比例运算电路，如图3-3-3所示。电路中，平衡电阻R 2=R 1//R F 。

根据“虚短”和“虚断”的概念可知：u P =u N = u i ； i P =i N =0，因此i 1=i F 。

由图3-3-3可列出以下关系式：

N i 1110R R u u i -=

=-， N o i o F F 1

R R u u u u

i --== 根据i 1=i F ，有

i uf i F o u A u R R u =⎟⎟⎠⎞

⎜⎜⎝⎛+=11 （3-17）

可见，u o 与u i 间的比例关系也与运放本身的参数无关，因此具有很高的精度和稳定性。式（3-17）中的A uf 为正值，表示u o 与u i 同相。

图3-3-4 电压跟随器

当R 1断开或R F 短路时，输出电压等于输入电压，称为电压跟随器，如图3-3-4所示。

同相输入放大电路有较大的共模输入电压，因此应选用最大共模输入电压U ICM 和共模抑制比K CMR 大的集成运放。

同相输入放大电路属于电压串联负反馈放大电

路，因此，输入电阻很高（R if →∞），而输出电阻很低（R of ≈0）。

3．差动输入放大电路 如果运放的两个输入端都有输入信号，就是差动输入放大电路，如图3-3-5所示。

图3-3-5 差动输入放大电路

由于电路引入深度负反馈，运放工作在线性区，因此输出电压u o 等于两个输入电压u i1和u i2分别作用时产生的输出电压的叠加。

当u i1单独作用时，电路等效为反相输入放大电路，有

F

o1i11

R R u u =- 当u i2单独作用时，电路等效为同相输入放大电路，有

21

2οi F

u R R u =

因此，输出电压为

F

o o1o2i1i21

R (R u u u u u =+=-

-) （3-18） 上式表明，输出电压与输入电压的差值成正比，故称为差动放大电路。电压放大倍数为

o F uf 1i1i2

R

A R u u u =

=-- （3-19）

差动输入放大电路的输入电阻R if ≈2R 1，而输出电阻R of ≈0。与同相输入放大电路一样，差动输入放大电路也有较大的共模输入电压。