集成运放及其应用

集成运放及其应用
摘要:集成运算放大器已成为现代电子电路中的核心器件,它与不同的外接电路连接,可以工作在不同的区域,实现多种电路功能,广泛应用于信号运算、信号处理、信号变换及信号发生器等电子领域的各个方面。

关键词:集成运放特点应用
集成运算放大器是一种将管和路紧密结合的电子器件,它以半导体单晶硅为芯片,采用专门的制造工艺,把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元件制作在一起,使之具有特定的功能。

目前集成运算放大器已成为现代电子电路中的核心器件,广泛应用于信号运算、信号处理、信号变换及信号发生器等电子领域的各个方面。

1 集成运算放大器的特点
集成运算放大器与不同的外接电路连接,可以工作在不同的区域:线性区和非线性区。

运放工作在不同的区域时,有不同的特点。

1.1 集成运放工作在线性区的特点
(1)u+≈u-,即两输入端电位近似相等。

由于两输入端电位相等,但又不是短路,故称为“虚短”。

(2)i+≈i-≈0,即两个输入端的电流近似为零。

由于两输入端并非开路而电流为零,故称为“虚断”。

[1]
1.2 集成运放工作在非线性区的特点
(1)当u+＞u-时,输出高电平+UOH;当u+＜u-时,输出低电平-UOL。

(2)流入输入端的电流近似等于零,即ii≈0,称为“虚断”。

这些重要结论是分析和应用集成运放的基础。

2 集成运算放大器的应用
2.1 集成运放的线性应用
将集成运放的输出信号通过电器元件反送到反相输入端,即接入深度负反馈,便可使集成运放工作在线性区,从而实现同相比例、反相比例、加法、减法、微分、积分等多种运算功能。

以加法运算为例,如图1。

对电路的反相输入端,根据“虚短”和“虚断”的特点可得出输出电压和输入电压的关系:
可见,电路输出电压uo为输入电压ui1和ui2相加所得结果,即电
路可以实现求和运算。

此外,集成运放在线性区工作时除了能够实现多种运算功能外,还可以实现波形变换、波形发生、整流、滤波、实现电压和电流的相互变换等多种功能。

如微分电路可以将矩形波变成尖脉冲;积分电路可以将矩形波变成三角波,还可用于示波器的显示和扫描、模式转换和波形发生等。

2.2 集成运放的非线性应用
集成运放接入正反馈或无反馈时,便可工作在非线性区。

电压比较器是集成运放在非线性状态下的具体应用。

2.2.1 电压比较器的原理
电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路,它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较,并将比较结果输出。

比较器的输出只有两种状态:高电平或者低电平。

[2]
比较器根据传输特性不同,可以分为:(1)单限比较器:参考电压为一个门限电压,当输入电压等于门限电压时,输出电压便发生跳变。

它的特例是过零电压比较器。

(2)滞回比较器:在单限比较器的基础上增加正反馈元件,使参考电位与此时的输出状态有关,从而消除单限比较器由于受干扰而产生的空翻现象。

(3)双限比较器:由两个单限比较器组成,可以将输入电压按需要范围进行选取。

2.2.2 电压比较器的应用
(1)用于波形变换、整形以及电平检测
过零电压比较器可以将正弦波转化为方波;滞回电压比较器具有很强的抗干扰能力,当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时,只要适当调节滞回电压比较器的两个门限电压,就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变,并可进行波形整形,如可把不规则的波形变成方波。

(2)用于产生方波、矩形波、三角波和锯齿波。

用一个滞回电压比较器和RC充放电回路可组成方波发生器。

在方波发生器的基础上,将电容的充放电回路分开,即可得到矩形波发生器。

在矩形波发生器电路的基础上再接入积分电路,并稍微调整电路结构即可得到三角波发生器和锯齿波发生器。

(3)用于555集成芯片。

555集成芯片是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,它的模拟部分的核心是两个电压比较器,电压比较器的参考电压由三个5 kΩ电阻分压器提供,反相比较器是以2／3Ucc作为参考电压,同相比较器是以1／3Ucc作为参考电压。

两者的输出分别控制基本RS触发器的R端和S端,以触发器的输出作为定时器的输出,并以它的反端去控制放电三极管的导通与截止。

[3]555集成芯片使用灵活、方便,只需在
其外部配上几个简单的阻容元件,就可以方便地构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐自激振荡器等应用型电路。

由于它的多功能性,555集成芯片广泛应用于工业自动控制、定时仿声、电子乐器、数字设备、防盗报警等方面。

[4]而电压比较器在此发挥出了至关重要的作用。

集成运放由于其强大的运用性和高性能,在模拟集成电路中一向雄踞主导地位,它的应用也受到人们的极大重视,研究集成运放在线性和非线性状态下应用的本质特征,就能在电子电路设计方面灵活应用。

参考文献
[1]李仁华,冯赟.电子技术[M].北京:北京理工大学出版社,2010:67.
[2]苏士美.模拟电子技术[M].北京:人民邮电出版社,2007:148.
[3]乜国荃.集成运放和电压比较器[J].青海师范大学学报,2006(2):49.
[4]黄冬梅.电子技术[M].北京:中国轻工业出版社,2011:287.。