2.3　运算放大器的使用

运算放大器是内部具有高放大倍数的直接耦合放大器。起初，人们只是将运算放大器用于运算的范围，如今，它被集成在一小块硅片上，称为集成运算放大器（简称集成运放或运放）。它已经在测量、控制、通信及数字计算机等许多领域得到了广泛应用。

2.3.1　运算放大器的类型及选择

（1）运算放大器的组成及图形符号　集成运算放大器（常简称为运算放大器）是一种具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的直接耦合放大器。电路大致可分为输入级、中间级和输出级。输入级采用差动放大电路，目的是减小零点漂移；中间级采用具有高增益的放大电路；输出级采用互补对称放大电路，这样使输出阻抗降低，从而提高了电路的带负载能力。

集成运算放大器在电路中的图形符号如图2-13所示，图中“△∞”表示额定开路增益很高，左边表示输入端，“+”表示同相端，“-”表示反相端，右边表示输出端。

（2）运算放大器主要参数

① 开环差模电压增益A_UO　指运放工作在线性区，且外围未接负反馈电路时，输出电压与两输入端间电压的比值，又可称为开环放大倍数。

② 输入失调电压U_IO　实际的运放差分输入级很难做到完全对称，通常使输入电压为零时，输出电压也为零，在输入端间加的补偿电压叫做失调电压。U_IO越小，表明电路对称性越好。

③ 输入失调电流I_IO　指输出电压为零时，运放两输入端静态基极电流之差。

④ 输入偏置电流I_IB　指输出电压为零时，运放两输入端静态基极电流的平均值。I_IB越小表示信号源内阻对输出电压影响越小，性能越好。

⑤ 静态功耗P_c　指输入电压为零，输出端空载时所消耗的功率。

⑥ 共模抑制比K_CMR　指运放开环时，差模放大倍数A_UD与共模放大倍数的比值。

⑦ 开环频宽B_W　指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率f_H。

（3）运放的分类及应用范围　通用型运放具有较高的差模输入电压和共模输入电压，输出端有短路保护功能，电压增益高。除通用型外，运放还具有特殊型，主要分以下几类。

① 高输入阻抗型　其差模输入电阻为10⁹～10¹²Ω，输入偏置电流较小。该种运放被广泛用于有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器及A/D、D/A等方面。

② 高精度型（又称低漂移型）　一般用于毫伏量级或更精密的弱信号检测仪、高精度稳压电源或自动控制仪表中。

③ 低功耗型　这种功放要求电源电压±15V时，最大功耗不大于6mW。一般应用于对能源有严格控制的遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。

（4）高压型　能输出较高的电压或较大的功率。

（5）高速型　这类运放转换速率大于30V/μs，通常用于快速D/A及A/D转换器、精密比较器、锁相环和视频放大器中。

2.3.2　运算放大器的基本应用电路

运算放大器的应用极为广泛，以下举例说明。

（1）线性应用

① 比例运算电路

a.同相输入比例运算电路　图2-14所示为同相输入比例运算电路，在该电路中输入信号U_i从同相输入端输入，输出电压U_o通过反馈电阻R_f回到反相输入端。

已知I_i=0，所以U_f=U_i，且I_f=I₁

则有

输出电压

从上式可知：输出电压与输入电压同相且有比例关系，所以习惯上称该电路为同相比例运算电路。

b.反相输入比例运算电路　如图2-15所示，输入信号U_i从反相输入端输入，输出电压通过R_f反馈到反相输入端。

已知I_i=0，R₂无压降，则U_f=0，且I₁=I_f

从上式可知：输出电压与输入电压反相且存在比例关系，比例常数为-R_f/R₁，所以习惯上叫做反相输入比例运算电路。在该电路中，同相输入端接地而反相输入端U_-近似为零，故称反相输入端“虚地”。

当R_f=R₁时，U_o= -U_i，称反相器。

② 加法比例运算电路　如图2-16所示，反相输入端有若干个输入信号，输出电压通过反馈电阻R_f接到反相输入端。

为使运算放大器输入端对称，故取R₄=R₁//R₂//R₃。

由I_i=0可知同相输入端接地，反相输入端虚地。

取R₁=R₂=R₃=R_f时，U_o=-(U_i1+U_i2+U_i3)即加法器。

③ 减法比例运算电路　如图2-17所示，两输入信号U_i1和U_i2分别通过R₁和R₂加到运放器两输入端，输出电压通过电阻R_f反馈到反相输入端。

为使运算放大器两端对称，通常取R₁=R₂，R₃=R_f。

取R₁=R_f时，则U_o=U_i2-U_i1，可称为减法器。

运算放大器还可以组成积分、微分、乘法、除法、对数等多种运算电路，这里不再介绍。

（2）非线性应用　前面介绍的运放是工作于线性区域的，非线性应用是指运放器工作在传输特性的饱和段，即输出电压只有±U_om两种取值。非线性应用很广泛，下面介绍最基本的应用—比较器。

比较器是将输入信号电压U_i与参考电压U_REF进行比较，比较结果用输出电压正、负两种极性来显示出来。如图2-18所示，该比较器输入信号通过电阻R₁加到运放器的同相输入端，参考电压U_REF加在反相端。

图2-18　比较器

由于运放器开环放大倍数A_UO很高，当U_i略大于U_REF时，U_i输出正饱和电压值+U_om；当U_i略小于U_REF时，U_I输出负饱和电压值-U_om。把比较器输出电压U_o从一个电平跳到另一个电平时对应的输入电平U_i的值叫做门限电压或值电压U_th，在图2-18中U_th=U_REF。

从图2-18中可看出，在运放器两输入端之间接了两个反相二极管V1和V2。目的是防止U_i和U_REF相差太大时烧坏运放器，起限幅保护作用，且同时串入了两个限流电阻R₁和R₂。图中信号加在了同相端，故称为同相比较器。若信号加在反相端，则称为反相比较器。若参考电压U_REF=0，则称为零比较器。

运算放大器还可应用于电源保护电路、定时电路、自动控制电路等众多领域中。