2.3　運算放大器的使用

運算放大器是內部具有高放大倍數的直接耦合放大器。起初，人們只是將運算放大器用于運算的范圍，如今，它被集成在一小塊硅片上，稱為集成運算放大器（簡稱集成運放或運放）。它已經在測量、控制、通信及數字計算機等許多領域得到了廣泛應用。

2.3.1　運算放大器的類型及選擇

（1）運算放大器的組成及圖形符號　集成運算放大器（常簡稱為運算放大器）是一種具有高增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗的直接耦合放大器。電路大致可分為輸入級、中間級和輸出級。輸入級采用差動放大電路，目的是減小零點漂移；中間級采用具有高增益的放大電路；輸出級采用互補對稱放大電路，這樣使輸出阻抗降低，從而提高了電路的帶負載能力。

集成運算放大器在電路中的圖形符號如圖2-13所示，圖中“△∞”表示額定開路增益很高，左邊表示輸入端，“+”表示同相端，“-”表示反相端，右邊表示輸出端。

（2）運算放大器主要參數

① 開環差模電壓增益A_UO　指運放工作在線性區，且外圍未接負反饋電路時，輸出電壓與兩輸入端間電壓的比值，又可稱為開環放大倍數。

② 輸入失調電壓U_IO　實際的運放差分輸入級很難做到完全對稱，通常使輸入電壓為零時，輸出電壓也為零，在輸入端間加的補償電壓叫做失調電壓。U_IO越小，表明電路對稱性越好。

③ 輸入失調電流I_IO　指輸出電壓為零時，運放兩輸入端靜態基極電流之差。

④ 輸入偏置電流I_IB　指輸出電壓為零時，運放兩輸入端靜態基極電流的平均值。I_IB越小表示信號源內阻對輸出電壓影響越小，性能越好。

⑤ 靜態功耗P_c　指輸入電壓為零，輸出端空載時所消耗的功率。

⑥ 共模抑制比K_CMR　指運放開環時，差模放大倍數A_UD與共模放大倍數的比值。

⑦ 開環頻寬B_W　指開環差模電壓增益下降3dB時對應的頻率f_H。

（3）運放的分類及應用范圍　通用型運放具有較高的差模輸入電壓和共模輸入電壓，輸出端有短路保護功能，電壓增益高。除通用型外，運放還具有特殊型，主要分以下幾類。

① 高輸入阻抗型　其差模輸入電阻為10⁹～10¹²Ω，輸入偏置電流較小。該種運放被廣泛用于有源濾波器、取樣-保持放大器、對數和反對數放大器及A/D、D/A等方面。

② 高精度型（又稱低漂移型）　一般用于毫伏量級或更精密的弱信號檢測儀、高精度穩壓電源或自動控制儀表中。

③ 低功耗型　這種功放要求電源電壓±15V時，最大功耗不大于6mW。一般應用于對能源有嚴格控制的遙測、遙感、生物醫學和空間技術研究的設備中。

（4）高壓型　能輸出較高的電壓或較大的功率。

（5）高速型　這類運放轉換速率大于30V/μs，通常用于快速D/A及A/D轉換器、精密比較器、鎖相環和視頻放大器中。

2.3.2　運算放大器的基本應用電路

運算放大器的應用極為廣泛，以下舉例說明。

（1）線性應用

① 比例運算電路

a.同相輸入比例運算電路　圖2-14所示為同相輸入比例運算電路，在該電路中輸入信號U_i從同相輸入端輸入，輸出電壓U_o通過反饋電阻R_f回到反相輸入端。

已知I_i=0，所以U_f=U_i，且I_f=I₁

則有

輸出電壓

從上式可知：輸出電壓與輸入電壓同相且有比例關系，所以習慣上稱該電路為同相比例運算電路。

b.反相輸入比例運算電路　如圖2-15所示，輸入信號U_i從反相輸入端輸入，輸出電壓通過R_f反饋到反相輸入端。

已知I_i=0，R₂無壓降，則U_f=0，且I₁=I_f

從上式可知：輸出電壓與輸入電壓反相且存在比例關系，比例常數為-R_f/R₁，所以習慣上叫做反相輸入比例運算電路。在該電路中，同相輸入端接地而反相輸入端U_-近似為零，故稱反相輸入端“虛地”。

當R_f=R₁時，U_o= -U_i，稱反相器。

② 加法比例運算電路　如圖2-16所示，反相輸入端有若干個輸入信號，輸出電壓通過反饋電阻R_f接到反相輸入端。

為使運算放大器輸入端對稱，故取R₄=R₁//R₂//R₃。

由I_i=0可知同相輸入端接地，反相輸入端虛地。

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

③ 減法比例運算電路　如圖2-17所示，兩輸入信號U_i1和U_i2分別通過R₁和R₂加到運放器兩輸入端，輸出電壓通過電阻R_f反饋到反相輸入端。

為使運算放大器兩端對稱，通常取R₁=R₂，R₃=R_f。

取R₁=R_f時，則U_o=U_i2-U_i1，可稱為減法器。

運算放大器還可以組成積分、微分、乘法、除法、對數等多種運算電路，這里不再介紹。

（2）非線性應用　前面介紹的運放是工作于線性區域的，非線性應用是指運放器工作在傳輸特性的飽和段，即輸出電壓只有±U_om兩種取值。非線性應用很廣泛，下面介紹最基本的應用—比較器。

比較器是將輸入信號電壓U_i與參考電壓U_REF進行比較，比較結果用輸出電壓正、負兩種極性來顯示出來。如圖2-18所示，該比較器輸入信號通過電阻R₁加到運放器的同相輸入端，參考電壓U_REF加在反相端。

圖2-18　比較器

由于運放器開環放大倍數A_UO很高，當U_i略大于U_REF時，U_i輸出正飽和電壓值+U_om；當U_i略小于U_REF時，U_I輸出負飽和電壓值-U_om。把比較器輸出電壓U_o從一個電平跳到另一個電平時對應的輸入電平U_i的值叫做門限電壓或值電壓U_th，在圖2-18中U_th=U_REF。

從圖2-18中可看出，在運放器兩輸入端之間接了兩個反相二極管V1和V2。目的是防止U_i和U_REF相差太大時燒壞運放器，起限幅保護作用，且同時串入了兩個限流電阻R₁和R₂。圖中信號加在了同相端，故稱為同相比較器。若信號加在反相端，則稱為反相比較器。若參考電壓U_REF=0，則稱為零比較器。

運算放大器還可應用于電源保護電路、定時電路、自動控制電路等眾多領域中。