3.3 集成運算放大器

集成運算放大器是一種應用極為廣泛的集成放大電路，它除了具有很高的放大倍數外，還能通過外接一些元器件構成加法器、減法器等運算電路，所以稱之為運算放大器，簡稱運放。

3.3.1 集成運算放大器的基礎知識

1. 集成運算放大器的組成與圖形符號

集成運算放大器內部由多級直接耦合的放大電路組成，其內部組成方框圖如圖3-12所示，其圖形符號如圖3-13所示。

從圖3-12所示方框圖中可以看出，運算放大器有同相輸入端（用“+”或“P”表示）和反相輸入端（用“-”或“N”表示），還有一個輸出端，它內部由輸入級、中間級和輸出級及偏置電路組成。

輸入級采用具有很強零點漂移抑制能力的差動放大電路，中間級常采用增益較高的共發射極放大電路，輸出級一般采用帶負載能力很強的功率放大電路，偏置電路的作用是為各級放大電路提供工作電壓。

2. 集成運算放大器的理想特性

集成運算放大器是一種放大電路，它的等效圖如圖3-14所示。

為了分析方便，常將集成運算放大器看成是理想的，理想集成運算放大器主要有以下特性。

①電壓放大倍數A→∞。只要有信號輸入，就會輸出很大的信號。

②輸入電阻阻值Ri→∞。無論輸入信號電壓Ui多大，輸入電流都近似為0A。

③輸出電阻阻值Ro→0Ω。輸出電阻阻值接近0Ω，輸出端可帶很重的負載。

④共模抑制比KCMR→∞。對差模信號有很大的放大倍數，而對共模信號幾乎能全部抑制。

實際的集成運算放大器與理想集成運算放大器的特性接近，因此以后就把實際的集成運算放大器當成是理想集成運算放大器來分析。

集成運算放大器的工作狀態有兩種：線性狀態和非線性狀態。當給集成運算放大器加上負反饋電路時，它就會工作在線性狀態（線性狀態是指電路的輸入電壓與輸出電壓成正比關系）；如果給集成運算放大器加正反饋電路或在開環工作時，它就會工作在非線性狀態。

3.3.2 集成運算放大器的線性應用電路

當給集成運算放大器增加負反饋電路時，它就會工作在線性狀態，如圖3-15所示，Rf為負反饋電阻。

在圖3-15所示電路中，Ui電壓經R1加到集成運算放大器的“-”端，由于集成運算放大器的輸入電阻阻值Ri為無窮大（∞），所以流入反相輸入端的電流I-=0A，從同相輸入端流出的電流I+=0A，I-=I+=0A。由此可見，運算放大器的兩個輸入端之間相當于斷路，實際上又不是斷路，故稱為“虛斷”。

在圖3-15所示電路中，集成運算放大器的輸出電壓Uo=A×Ui，因為Uo為有限值，而集成運算放大器的電壓放大倍數A→∞，所以輸入電壓Ui≈0V，即Ui=U-U+≈0V，U-=U+。運算放大器兩個輸入端電壓相等，兩個輸入端相當于短路，但實際上又不是短路的，故稱為“虛短”。

在圖3-15所示電路中，U+=I+×R2，而I+=0A，所以U+=0V，又因為U-=U+，故U-=0V，從電位來看，運算放大器“-”端相當于接地，但實際上又未接地，故該端稱為“虛地”。

綜上所述，工作在線性狀態的集成運算放大器有以下特性。

①具有“虛斷”特性，即流入和流出輸入端的電流都為0A，I-=I+=0A。

②具有“虛短”特性，即兩個輸入端的電壓相等，U-=U+。

了解集成運算放大器的特性后，再來分析集成運算放大器在線性狀態下的各種應用電路。

1. 反相比例運算放大器

集成運算放大器構成的反相比例運算放大器如圖3-16所示，這種電路的特點是輸入信號和反饋信號都加在集成運算放大器的反相輸入端。圖中的Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻，接入R2的作用是使集成運算放大器內部輸入電路（差動電路）保持對稱，有利于抑制零點漂移，R2=R1//Rf（意為R2的阻值等于R1和Rf的并聯阻值）。

輸入信號Ui經R1加到反相輸入端，由于流入反相輸入端的電流I-=0A（“虛斷”特性），所以有

根據“虛短”特性可知，U-=U+=0V，所以有

由此可得，反相比例運算放大器的電壓放大倍數為

式中的負號表示輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相，所以稱為反相比例運算放大器。從上式還可知，反相比例運算放大器的電壓放大倍數只與Rf和R1有關。

2. 同相比例運算放大器

集成運算放大器構成的同相比例運算放大器如圖3-17所示。該電路的輸入信號加到運算放大器的同相輸入端，反饋信號送到反相輸入端。

根據“虛短”特性可知，U-=U+，又因為輸入端“虛斷”，故流過電阻R2的電流I+=0A，R2上的電壓為0V，所以U+=Ui=U-。在圖3-17所示電路中，因為集成運算放大器反相輸入端流出的電流I-=0A，所以有

因為U-=Ui，故上式可表示為

同相比例運算放大器的電壓放大倍數為

因為輸出電壓Uo與輸入電壓Ui同相，故該放大電路稱為同相比例運算放大器。

3. 電壓-電流轉換器

圖3-18所示是一種由運算放大器構成的電壓-電流轉換器，它與同相比例運算放大器有些相似，但該電路的負載RL接在負反饋電路中。

輸入電壓Ui送到運算放大器的同相輸入端，根據運算放大器的“虛斷”特性可知，I+=I-=0A，所以有

又因為運算放大器具有“虛短”特性，故Ui=U+=U-，上式可變換成

由上式可以看出，電壓-電流轉換器流過負載的電流IL只與輸入電壓Ui和電阻R1有關，與負載RL的阻值無關。當R1阻值固定后，負載電流IL只與Ui有關，當Ui電壓發生變化，流過負載的電流IL也相應變化，從而將電壓轉換成電流。

4. 電流-電壓轉換器

圖3-19所示是一種由運算放大器構成的電流-電壓轉換器，它可以將電流轉換成電壓輸出。

輸入電流Ii送到運算放大器的反相輸入端，根據運算放大器的“虛斷”特性可知，I-=I+=0A，所以

因為I+=0A，故流過R的電流也為0A，U+=0V，又根據運算放大器“虛短”特性可知，U-=U+=0V，上式可變換成

由上式可以看出，電流-電壓轉換器的輸出電壓Uo與輸入電流Ii和電阻Rf有關，與負載RL的阻值無關。當Rf阻值固定后，輸出電壓Uo只與輸入電流Ii有關，當Ii電流發生變化時，負載上的電壓Uo也相應變化，從而將電流轉換成電壓。

5. 加法器

集成運算放大器構成的加法器如圖3-20所示，R0為平衡電阻，R0=R1//R2//R3//Rf，電路有三個信號電壓U1、U2、U3輸入，有一個信號電壓Uo輸出，下面來分析它們的關系。

因為I-=0A（根據“虛斷”特性），所以

因為U-=U+=0V（根據“虛短”特性），所以上式可化簡為

如果R1=R2=R3=R，就有

如果R1=R2=R3=Rf，那么

Uo=-（U1+U2+U3）

上式說明，加法器的輸出電壓是各輸入電壓之和，從而實現了加法運算，式中的負號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。

6. 減法器

集成運算放大器構成的減法器如圖3-21所示，電路的兩個輸入端同時輸入信號，反相輸入端輸入電壓U1，同相輸入端輸入電壓U2，為了保證兩輸入端平衡，要求R2//R3=R1//Rf。下面分析兩輸入電壓U1、U2與輸出電壓Uo的關系。

根據電阻串聯規律可得

根據“虛斷”特性可得

因為U-=U+（根據“虛短”特性），所以有

如果R2=R3，R1=Rf，上式可簡化成

由此可見，減法器的輸出電壓Uo等于兩輸入電壓U2、U1的差，從而實現了減法運算。

3.3.3 集成運算放大器的非線性應用電路

當集成運算放大器處于開環或正反饋時，它會工作在非線性狀態，圖3-22所示的兩個集成運算放大器就工作在非線性狀態。

工作在非線性狀態的集成運算放大器具有以下一些特點。

①當同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓時，輸出電壓為高電平，即

U+＞U-時，Uo=+U（高電平）

②當同相輸入端電壓小于反相輸入端電壓時，輸出電壓為低電平，即

U+＜U-時，Uo=-U（低電平）

1. 電壓比較器

電壓比較器通常可分兩種：單門限電壓比較器和雙門限電壓比較器。

（1）單門限電壓比較器

單門限電壓比較器如圖3-23所示，該集成運算放大器處于開環狀態。+5V電壓經R1、R2分壓后，為集成運算放大器同相輸入端提供+2V電壓，該電壓作為門限電壓（又稱基準電壓），反相輸入端輸入圖3-23（b）所示的Ui信號。

在0～t1期間，輸入信號Ui的電壓（也就是反相輸入端U-電壓）低于同相輸入端U+電壓，即U-＜U+，輸出電壓為高電平（即較高的電壓）。

在t1～t2期間，輸入信號Ui的電壓高于同相輸入端U+電壓，即U-＞U+，輸出電壓為低電平。

在t2～t3期間，輸入信號Ui的電壓低于同相輸入端U+電壓，即U-＜U+，輸出電壓為高電平。

在t3～t4期間，輸入信號Ui的電壓高于同相輸入端U+電壓，即U-＞U+，輸出電壓為低電平。

通過兩輸入端電壓的比較作用，集成運算放大器將輸入信號轉換成方波信號，U+電壓大小不同，輸出的方波信號Uo的寬度就會發生變化。

（2）雙門限電壓比較器

雙門限電壓比較器如圖3-24所示，該運算放大器加有正反饋電路。與單門限電壓比較器不同，雙門限電壓比較器的“+”端電壓由+5V電壓和輸出電壓Uo共同來決定，而Uo有高電平和低電平兩種可能，因此“+”端電壓U+也有兩種：當Uo為高電平時，U+電壓被Uo抬高，假設此時的U+為3V；當Uo為低電平時，U+電壓被Uo拉低，假設此時的U+為-1V。

在分析電路工作原理時，給運算放大器的反相輸入端輸入圖3-24（b）所示的輸入信號Ui。

在0～t1期間，輸入信號Ui的電壓低于同相輸入端U+電壓，即U-＜U+，輸出電壓Uo為高電平，此時比較器的門限電壓U+為3V。

從t1時刻起，輸入信號Ui的電壓開始超過3V，即U-＞U+，輸出電壓Uo為低電平，此時比較器的門限電壓U+被Uo拉低到-1V。

在t1～t2期間，輸入信號Ui的電壓始終高于U+電壓（-1V），即U-＞U+，輸出電壓Uo為低電平。

從t2時刻起，輸入信號Ui的電壓開始低于-1V，即U-＜U+，輸出電壓Uo轉為高電平，此時比較器的門限電壓U+被拉高到3V。

在t2～t3期間，輸入信號Ui的電壓始終低于U+電壓（3V），即U-＜U+，輸出電壓Uo為高電平。

從t3時刻起，輸入信號Ui的電壓開始超過3V，即U-＞U+，輸出電壓Uo為低電平。

以后電路就重復0～t3這個過程，從而將圖3-24（b）中的輸入信號Ui轉換成輸出信號Uo。

2. 方波信號發生器

方波信號發生器可以產生方波信號。圖3-25所示的電路就是一個由集成運算放大器構成的方波信號發生器，它是在集成運算放大器上同時加上正、負反饋電路構成的，VZ為雙向穩壓管，假設它的穩壓值UZ是5V，它可以使輸出電壓Uo穩定在-5～+5V范圍內。

在電路剛開始工作時，電容C上未充電，它兩端的電壓UC=0V，集成運算放大器反相輸入端電壓U-=0V，輸出電壓Uo=+5V（高電平），Uo電壓經R1、R2分壓為同相輸入端提供U+=+3V。

在0～t1期間，Uo=+5V通過R對電容C充電，在電容上充得上正、下負的電壓，UC電壓上升，U-電壓也上升。在t1時刻U-電壓達到門限電壓+3V，開始有U-＞U+，輸出電壓Uo馬上變為低電平，即Uo=-5V，同相輸入端的門限電壓被Uo拉低至U+=-3V。

在t1～t2期間，電容C開始放電，放電的途徑是：電容C上正→R→R1→R2→地→電容C下負，t2時刻，C放電完畢。

在t2～t3期間，Uo= -5V電壓開始對電容反充電，其途徑是：地→電容C→R→VZ上（-5V），C被充得上負下正的電壓，UC為負壓，U-也為負壓，隨著C不斷被反充電，U-不斷下降。在t3時刻，U-下降到-3V，開始有U-＜U+，輸出電壓Uo馬上轉為高電平，即Uo=+5V，同相輸入端的門限電壓被Uo抬高到U+= +3V。

在t3～t4期間，Uo= +5V又開始經R對電容C充電，t4時刻將C上的上負下正電壓中和。

在t4～t5期間再繼續充得上正下負的電壓，t5時刻，U-電壓達到門限電壓+3V，開始有U-＞U+，輸出電壓Uo馬上變為低電平。

以后重復上述過程，從而在電路的輸出端得到圖3-25（b）所示的方波信號Uo。

3.3.4 集成運算放大器的保護電路

為了保護集成運算放大器，在使用時通常會給它加上一些保護電路。

1. 電源極性接錯保護電路

集成運算放大器在工作時需要接正、負兩種電源，為了防止集成運算放大器因電源極性接錯而損壞，常常要給它加電源極性接錯保護電路。圖3-26所示就是一種常用的運算放大器電源極性接錯保護電路。

該電路是在運算放大器的正、負電源處各接了一個二極管，由于二極管具有單向導電性，如果某電源極性接錯，相應的二極管無法導通，電源就不能加到運算放大器的電源腳，從而保護了運算放大器。

2. 輸入保護電路

集成運算放大器加輸入保護電路的目的是為了防止輸入信號幅度過大。運算放大器的輸入保護電路如圖3-27所示。

在圖3-27（a）所示電路中，集成運算放大器的反相輸入端與地之間接了兩個二極管。其中VD1用來防止輸入信號正半周期電壓過大，如果信號電壓超過+0.7V，VD1會導通，輸入信號正半周期無法超過+0.7V；VD2用來防止輸入信號負半周期電壓過低，如果信號電壓低于-0.7V，VD2會導通，輸入信號負半周期電壓無法超過-0.7V。

在圖3-27（b）所示電路中，在集成運算放大器的同相輸入端接了兩個二極管，這兩個二極管另一端并不是直接接地，而是VD1接正電壓+U，VD2接負電壓-U。假設電壓U=2V，如果輸入信號正電壓超過2.7V，VD1會導通，運算放大器的輸入端電壓被鉗在2.7V，如果輸入信號負電壓低于-2.7V，VD2會導通，運算放大器的輸入端電壓被鉗在-2.7V，即VD1、VD2能將輸入信號電壓的幅度限制在-2.7～+2.7V范圍內。

3. 輸出保護電路

集成運算放大器加輸出保護電路的目的是為了防止輸出信號幅度過大。運算放大器的輸出保護電路如圖3-28所示。

該電路在輸出端接了一個雙向穩壓管VZ，它的穩壓范圍是-UZ～+UZ，一旦輸出電壓超過這個范圍，VZ就會被擊穿，將輸出信號幅度限制在-UZ～+UZ范圍內。