2.2 集成運算放大器應用電路與識圖

晶體管的共射、共基、共集三種組態能幫助我們識別和分析各種復雜的晶體管電路。在運算放大器組成的各種應用電路中，如果將運算放大器看作是一個獨立的器件，從它的連接方式上看，也有三種基本組態，即反相輸入、同相輸入和差分輸入。如果能將運算放大器處在這三種組態下的特性分別搞清楚，能提高我們對于運算放大器應用電路的分析能力。

2.2.1 集成運算放大器反相交流放大應用電路與識圖

集成運算放大器構成的反相交流放大器電路可以取代由晶體管分立元器件構成的交流放大電路，并應用于各種電路中。其最大的特點是不用調整，整個放大電路可采用單電源供電。

在圖2-5所示反相交流放大應用電路中，R4與R2構成了V+分壓電路，分壓后的電壓直接加到IC1的同相信號輸入端作為偏置電壓；C2用于進行自激振蕩消除；C1與R1用于信號耦合；R3為負反饋電阻器；C3為輸出耦合電容器。該電路的電壓放大倍數AV主要由R1與R3的比值確定，它們之間的關系為：

AV=-R3/R1

AV=100k?/10k?=-10

圖2-5所示電路輸入電阻器為R1。在進行電路設計時，通常是先選取R1與信號源內阻相等，或者根據實際需要先確定好R1，再根據要求的放大倍數確定R3的電阻值。

必須注意的是單級運算放大器的放大倍數不應選得太大，以免導致放大器出現自激振蕩現象，一般控制在數百倍以內。如果需要較大的放大倍數，則可以把幾節運算放大器串聯起來獲得。

2.2.2 集成運算放大器同相交流放大應用電路與識圖

在運算放大器的各種應用電路中，凡是輸入信號從同相端饋入的，都叫做同相輸入組態。由集成運算放大器構成的同相交流放大應用電路如圖2-6所示。該電路最大的特點是輸入阻抗較高。

在圖2-6所示電路中，R1與C1組成了交流負反饋網絡；R2為負反饋電阻器；C2為同相輸入耦合電容器；C4為輸出耦合電容器；R4與R5構成的分壓電路用于將V+電壓分壓后，通過R3為IC1的同相信號輸入端提供偏置電壓。由于R4=R5，故分得的電壓為V+。R3的電阻值可以取得較大。

根據電路的連接方式可看出，該電路的電壓放大倍數AV可由IC1外接的R2、R1的電阻值確定，它們之間的關系為：

AV=1+R2/R1

R1的電阻值可在幾千歐姆至幾十千歐姆范圍內選擇。

2.2.3 集成運算放大器差分輸入應用電路與識圖

當輸入信號從兩個輸入端同時饋入時，運算放大器處于差分輸入組態。差分組態在測量放大器中應用較廣泛，特別是當信號源遠離測量放大器時，微弱的差模信號往往夾雜在幅值強大的共模干擾電壓之中，利用差分組態共模抑制能力強的特點，可以獲得較高的測量精度和靈敏度。

由集成運算放大器構成的典型差分比例放大電路如圖2-7所示。當輸入電壓Vs和V′s分別加到集成運算放大器的兩個輸入端時，則電路的輸出電壓Vo與Vs和V′s之差成正比，故稱其為差分比例放大器。

通常，電路參數取值為：R1=R′1、Rf=R′f，其目的是為了降低共模增益。同時使兩輸入端對地的直流電阻值相等，以保證集成運算放大器輸入端處于平衡狀態。

因Ii=0，利用疊加原理可以求得∑與∑′兩點的電位分別為：

由于∑V=V∑′，從而可以得到：

由于R′1=R2，R′f=Rf，代入上式整理后可得：

由上式可看出，，從而實現了差分比例運算。其比值Af為Rf/R1，與集成運算放大器內部電路參數無關。當設置Rf=R1時，Af=V′S+VS可實現減法運算。

此外，圖2-7電路還經常用作測量放大器。差分比例放大器的缺點是：對于對稱性要求比較高，如元件失配，會帶來運算誤差，而且將產生共模電壓輸出。這種電路無虛地。

在電路元件對稱的條件下，即圖2-7所示電路中的R′1=R1，R′f=Rf，輸入端有差分信號Vid激勵，則可利用等效電路法，求出差分輸入電流Iid，從而得到該電路的輸入電阻值rid為：

rid=Vid/Iid=2R1

2.2.4 運算放大器性能擴展應用電路與識圖

運算放大器集成電路在使用時，除了以上所述的基本應用方法以外，這里再提供經常需要用到的兩種性能擴展的應用電路與識圖。

1. 提高輸入電阻值的應用電路與識圖

集成運算放大器在許多應用中，為了減小輸入誤差，提高精度，要求放大器具有很高的輸入電阻值，有時甚至要求高達1012? 以上。為了提高輸入電阻值，除了設計運算放大器時應盡量考慮外，比較常用的方法是在集成運算放大器的輸入端加一級前置放大。提高輸入電阻值的電路如圖2-8所示。

在圖2-8所示電路中，VT1、VT2為差動對管，VT3為恒流源，組成差動式源極輸出電路。它主要是利用場效應管具有很高的輸入電阻值（約107～109?）的特點，以提高運算放大器的輸入電阻值。

2. 提高帶負載能力的應用電路與識圖

通用型集成運算放大器的帶負載能力比較弱，它的允許功率損耗只有幾十毫瓦，最大輸出電流大約在10mA左右，電源電壓為±5V，所以當負載需要較大的電流和較高的電壓變化范圍時，就需要在它的輸出端附加擴大功能的措施。

（1）擴大輸出電流的方法

圖2-9所示是一種在集成運算放大器輸出端加一級互補推挽功率輸出電路來擴大輸出電流的電路。圖中的VD1、VD2產生的電壓降供給功率管VT1、VT2以一定的偏流，使功率輸出級工作于甲乙類，以消除交越失真，同時對VT1、VT2管的發射極兼有溫度補償作用。圖中Re1=Re2=10?，對VT1、VT2管起過載保護作用。

圖2-9所示電路雖可以提高輸出電流和功率，但缺點是不能提高電壓變化范圍，因為在Re1和Re2兩端有大的電壓降。

（2）擴大電壓、電流變化范圍的方法

擴大電壓、電流變化范圍的應用電路如圖2-10所示。該電路是在集成運算放大器的正、負電源端與外加正、負電源之間，分別接入VT1、VT2兩只晶體管，一方面可以起到降壓的作用（因為它們的基極電位通過電阻分壓固定在±15V左右），另一方面作為共基放大，將運算放大器電源的電流（主要是輸出級電流）經VT1、VT2的集電極輸出后去推動互補推挽輸出級。由于VT3、VT4的發射極分別接到±30V電源上，故在負載電阻器RL兩端的電壓變化將接近±30V，與此同時，輸出電流的變化也得到擴大，因此這種電路可以輸出較大的功率。