集成運(yùn)算放大器理論分析與設(shè)計(jì)

即輸出電壓完成對(duì)輸入電壓的對(duì)數(shù)運(yùn)算。

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(hào)的產(chǎn)生和處理，其種類繁多，包括集成運(yùn)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(zhuǎn)換電路等。其中集成運(yùn)放是技術(shù)功能的通用性最大、應(yīng)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(yùn)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(hào)，下限頻率可到零；又能放大交流信號(hào)，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(yùn)放和外部反饋網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，故而稱它為“運(yùn)算”放大器。

分析處于線性放大狀態(tài)的理想和實(shí)際運(yùn)算放大器的基本依據(jù)是

U-=U+也稱“虛短路”。對(duì)于實(shí)際的運(yùn)算放大器，常常也可據(jù)此進(jìn)行近似分析。

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

反相輸入端具有地電位，而并沒(méi)有真正接地之“虛地”點(diǎn)。

反相運(yùn)算放大器的輸入阻抗為z1F=Z

反相放大組態(tài)實(shí)質(zhì)上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，具有輸入阻抗和輸出阻抗低的特點(diǎn)。

ZPZ為溫度補(bǔ)償元件，為了確保運(yùn)算放大處于對(duì)稱平衡狀態(tài)，應(yīng)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(shí)應(yīng)使ZP=ZF//ZZ

如果用不同的電阻、電容網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)成ZF、ZP，就能得到功能不同的各種反相運(yùn)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(gè)輸入電壓彼此獨(dú)立地通過(guò)自身的輸入回路電阻，轉(zhuǎn)換成下列各式電流：

由此可見(jiàn)，當(dāng)運(yùn)算放大器具有理想特性時(shí)，各相加項(xiàng)的比例因子僅與外電路電阻有關(guān)，適當(dāng)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(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性。加法運(yùn)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(diǎn)”，或稱“”點(diǎn)。

補(bǔ)償電阻RP用于保證電路具有平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其值應(yīng)選為RP=R1||R2||R3||RT

由于反相端為“虛地”，故對(duì)每個(gè)輸入信號(hào)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(yùn)算放大器 圖5.2-20為運(yùn)算放大器同相放大組態(tài)。

理想運(yùn)算放大呂同相放大閉環(huán)增益的關(guān)系式：

（3）差動(dòng)放大器

1）基本差動(dòng)放大器

將反相放大組態(tài)和同相放大組態(tài)二者結(jié)合起來(lái)，便構(gòu)成運(yùn)算放大器的差運(yùn)放大組態(tài)，如圖5.2-21所示。

差動(dòng)運(yùn)放只對(duì)差模輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，不反映共模輸入信號(hào)。對(duì)于理想運(yùn)算放大器，若外部回路

差動(dòng)放大器具有抑制零點(diǎn)漂移和抗干抗性等特點(diǎn)，所以應(yīng)用極為普遍。

2）增益可調(diào)差動(dòng)放大器 實(shí)際應(yīng)用中，通常要求增益可調(diào)。將基本差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)適當(dāng)改變，就能實(shí)現(xiàn)用一個(gè)電位器調(diào)節(jié)增益的任務(wù)，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(dòng)比。

當(dāng)滑動(dòng)端在圖示最上位置時(shí)，K=1；在最下位置時(shí)，K=0，通常在電位器支路串有一個(gè)固定電阻，以避免調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大增益，確保電路工作穩(wěn)定。這樣調(diào)節(jié)滑動(dòng)比，增益A1就可以在很大范圍內(nèi)變化。此種增益調(diào)節(jié)電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，且不影響電路的共扼抑制能力，缺點(diǎn)是增益調(diào)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(yùn)算電路。

基本積分器能否實(shí)現(xiàn)精確積分運(yùn)算的關(guān)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(yùn)算誤差。

差動(dòng)積分器，可由兩個(gè)運(yùn)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(gè)差動(dòng)信號(hào)分別積分時(shí)，要求工作狀態(tài)的一致性。

（5）微分器 微分器用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算，因?yàn)槲⒎质欠e分的逆運(yùn)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(duì)換，就構(gòu)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(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路是對(duì)輸入信號(hào)實(shí)行對(duì)數(shù)或指數(shù)運(yùn)算，它們是一類非線性函數(shù)運(yùn)算電路。對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)組合，可構(gòu)成乘法、除法、乘方和開(kāi)方等各種非線性運(yùn)算電路。

1）對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 實(shí)際應(yīng)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(gòu)成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路，如圖5.2-26所示。