集成運放的應用

• 一、基本運算電路
• 1. 比例運算電路
• 1. 反相比例運算電路
• 1. 基本反相比例運算電路
• 2. T型網絡反相比例運算電路
• 2. 同相比例運算電路
• 2. 加減運算電路
• 1.反相加法運算電路
• 2.同相加法運算電路
• 3.減法運算電路
• 3. 微積分電路
• 1. 積分電路
• 2. 微分電路
• 二、運算電路的工程應用
• 1. 儀表放大電路
• 2. 電流-電壓轉換器和電壓-電流轉換器
• 三、電壓比較器
• 1. 單限電壓比較器
• 2. 遲滯比較器
• 3. 窗口比較器

集成運算放大器可非常方便地完成信號放大、信號運算(加、減、乘、除、指數、對數、平方、開方等)、信號的處理(濾波、調制)以及波形的產生和變換。其中運算電路是集成運算放大器的基本應用電路，此時，集成運放工作在線性狀態。在這里集成運放均視為理想器件，此時運放具有以下特性：

(1) 開環電壓增益 Au = ∞

(2) 輸入電阻 Ri = ∞,輸出電阻 Ro = 0

(3) 開環帶寬 fBW = ∞

這里有幾個計算技巧：

反相端接入信號，輸出端信號電位更低，電流由反向端流向輸出端

同相端接入信號，反向端輸出端信號電位更低，電流由輸出端流向反相輸出端

虛短、虛斷是靈魂

一、基本運算電路

1. 比例運算電路

1. 反相比例運算電路

1. 基本反相比例運算電路

基本的反相比例運算電路如圖所示，輸入信號 uI 通過電阻R1加到集成運放的反相輸入端，運放的同相輸入端經電阻 Rp 接地，Rp 是平衡電阻，其作用是使集成運放兩輸入端對地的直流等效電阻相等，其大小為 Rp = R1 // R1【并聯】。輸出信號 uO 通過反饋電阻 Rf 加到運放的反相輸入端，構成電壓并聯負反饋。

根據“虛斷”概念，即 i- = i+ = 0，由于 Rp 接地，所以同相端電位 u+ = 0

根據“虛短”概念，即u+ = u- = 0，即反相端電位也為零，但反相端不是接地點，所以反相端電位又稱“虛地”。

根據電流的流向規律有 i1 = if

由于反相端電位為“虛地”，因此電路的輸入電阻為

Ri = R1

基本反相比例運算電路的特點如下：

①反相比例運算電路為深度電壓并聯負反饋電路。

②輸出電壓與輸入電壓的比例系數為 -Rf / R1，即輸出電壓與輸入電壓幅值成正比，但相位

相反。

③該電路在實際應用中 Rf 的取值不能過大，當比例系數一定時，R1的值較小，所以基本

反相比例運算電路的輸入電阻Ri較小。

如果需要提高反相比例運算電路輸入電阻，可采用T型反饋網絡。

2. T型網絡反相比例運算電路

還是根據最初的計算技巧

根據電路理論及“虛短”和“虛斷”的概念有

對于節點B的電位

化簡整合運算

2. 同相比例運算電路

根據“虛短”與“虛斷”的概念：

基本上只要搞清楚電流的流向，就能解題

由以上分析可知同相比例運算電路有以下特點：

①同相比例運算電路為深度電壓串聯負反饋電路;

②輸出電壓與輸入電壓的比例系數為1+Rf / R~1，即輸出電壓與輸入電壓幅值成正比，且相

位相同;

③由于引入了深度電壓串聯負反饋，所以同相比例運算電路的等效輸入電阻很高，輸出

電阻很低。

經典例題：

2. 加減運算電路

和之前的計算技巧一致

反相端接入信號，輸出端信號電位更低，電流由反向端流向輸出端

同相端接入信號，反向端輸出端信號電位更低，電流由輸出端流向反相輸出端

虛短、虛斷是靈魂

1.反相加法運算電路

計算過程：

2.同相加法運算電路

計算過程：

3.減法運算電路

計算過程：

上面對單端求和求差電路進行了分析，從原理上講，單級電路通過雙端輸入方式可對多個輸入信號同時實現相加和相減運算，但是這種電路參數的調整十分煩瑣，因此實際上很少采用，如果需要對多個輸入信號同時實現相加和相減運算，可采用兩級反相求和電路

經典例題：

3. 微積分電路

1. 積分電路

根據“虛短”和“虛斷”的概念：

uo = -uc iI = ic

由于電容兩端的電壓uc與流過電容的電流ic之間有積分關系:

果在積分開始之前，電容兩端存在初始電壓，則積分電路將有一個初始輸出電壓uo(0)

可利用積分電路可實現波形變換和移相功能。

2. 微分電路

微分是積分的逆運算。將積分電路中的R和C的位置互換，便得到基本的微分電路

根據“虛短”和“虛斷”的概念：

輸出電壓:

二、運算電路的工程應用

1. 儀表放大電路

運算過程：

2. 電流-電壓轉換器和電壓-電流轉換器

uo = - iS * Rf

io = - u1 / R

三、電壓比較器

1. 單限電壓比較器

傳輸特性可以看出

當輸入電壓u1 > UREF，輸出高電平 UOH = +VCC

當輸入電壓u1 < UREF，輸出低電平 UOL = -VCC

改進型：

從上面的分析可知，在單門限比較器中，輸入電壓在門限電壓附近有微小變化都會引起輸出電壓的躍變，因此該比較器有靈敏度高的優點，但抗干擾能力差。

2. 遲滯比較器

主單限比較器的基礎上引入正反饋，即構成遲滯比較器

當輸出電壓uo = +UZ時，運放同相輸入端電壓為

當輸出電壓uo = -UZ時，運放同相輸入端電壓為

當遲滯比較器的輸入為正弦波時，其輸出波形為矩形波，如圖下所示

為使遲滯比較器的電壓傳輸特性曲線向左或向右移動，可如圖下所示在上述比較器的基礎上加入參考電壓UREF，其電壓傳輸特性曲線如圖所示。

對應的門限電壓如下

經典例題：

3. 窗口比較器

當uI > UH時，A1輸出高電平，A2輸出低電平，uo 為高電平;

當uI < UH時，A2輸出高電平，A1輸出低電平，uo 為高電平;

當UH > uI > UL時，A1輸出低電平，A2輸出低電平，uo 為低電平。