下载文档原格式
集成运放的原理与应用1. 什么是集成运放集成运放（Integrated Operational Amplifier），简称IC运放，是一种常用的电子器件，利用集成电路技术将放大器电路的各个功能模块集成在一个芯片上，通常被用作信号放大、滤波、比较、积分和微分等电路中。
2. 集成运放的工作原理集成运放主要由差动放大器、输出级、电源、反馈回路等组成，其工作原理可以分为以下几个方面：2.1 差动放大器差动放大器是集成运放的核心部分，采用差动放大器可以使运放具有较高的增益和抗干扰能力。
差动放大器由两个输入端（非反相输入端和反相输入端）和一个输出端组成，其输入信号经过前级放大后，通过差动放大器进行放大和处理。
2.2 反馈回路运放的反馈回路主要用于控制放大倍数和稳定运放的工作状态。
常见的反馈回路包括：电压负反馈和电流反馈。
电压负反馈是指将运放输出端的一部分信号反馈到反相端，从而控制运放的增益；电流反馈是指将运放输出端的一部分电流反馈到输入端，从而限制输出端的电流。
2.3 输出级输出级是集成运放的输出部分，用于将差动放大器输出的信号经过放大和处理后输出到负载上。
输出级通常由晶体管电路组成，可以提供较大的输出电流和电压。
2.4 电源集成运放需要外部稳定的双极性供电电源，常见的工作电源电压为正负15V。
电源电压的稳定性对运放的工作性能和输出质量有重要影响。
3. 集成运放的应用集成运放广泛应用于各种电子设备和系统中，以下列举几个常见的应用场景：3.1 信号放大集成运放可以将微弱的输入信号放大到需要的幅度，常用于传感器信号的放大和处理。
3.2 比较器运放可以将输入信号与参考电平进行比较，并输出高或低电平，常用于电压比较、电压门限检测等。
3.3 滤波器利用运放的差动放大和反馈回路，可以组成各种滤波器电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
3.4 积分与微分电路运放结合电容和电阻等元件，可以实现信号的积分和微分运算，常见的应用包括信号的积分与微分、波形发生器等。
集成运放的类型及应用集成运放（即集成式运算放大器）是一种高增益、高输入阻抗以及低输出阻抗的电子放大器，广泛应用于电路设计和信号处理等领域。
下面将详细介绍集成运放的类型及应用。
1. 类型：目前，常见的集成运放有多种类型，包括普通运放、仪表运放、高速运放、低功耗运放等。
普通运放：普通运放是最常见的一种集成运放，具有宽带宽、高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它的主要应用领域包括信号放大、滤波、理想运算放大器电路设计等。
仪表运放：仪表运放是一种精密运放，具有高共模抑制比、低偏置电流和低噪声的特点。
它的主要应用领域包括电压、电流、温度等测量，以及精密仪器和设备的信号放大等。
高速运放：高速运放是一种具有高增益带宽积（GBW）和快速响应特性的运放，适用于高频信号处理和快速信号放大等应用。
它的主要应用领域包括通信系统、高速数据传输、高速采样和测量等。
低功耗运放：低功耗运放是针对低电源电压和低功耗要求而设计的集成运放。
它可以在低电源电压下正常工作，并具有低静态功耗和低失调电压的特点。
它的主要应用领域包括移动设备、便携式仪器和电池供电系统等。
2. 应用：集成运放作为一种重要的电子器件，在电路设计和信号处理等领域应用广泛。
下面列举一些常见的应用示例：信号放大：集成运放最常见的应用就是信号放大。
通过调整运放的增益，可以将微弱的传感器信号放大到适合后续处理的范围，如压力传感器、温度传感器等。
滤波器：集成运放可以被用来设计各种类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
滤波器的设计可以通过选择运放的反馈电阻和电容来实现。
运算放大器电路设计：运算放大器电路是运放最重要的应用之一。
基于运算放大器的电路可以实现加法、减法、乘法、除法、积分、微分等运算，并被广泛应用于模拟电路设计、自动控制系统等领域。
电压和电流测量：仪表运放常用于电压和电流测量。
通过仪表运放的高共模抑制比和低偏置电流特性，可以实现高精度和高稳定性的电压和电流测量。
集成运算放大器的原理与应用讲解1. 什么是集成运算放大器（Op Amp）？•集成运算放大器（Op Amp）是一种高增益、直流耦合、差分放大器，常被用于放大、滤波和电压比较等电路应用。
•Op Amp是一种集成电路芯片，通常包含多个晶体管、电阻和电容等被精确布局在一个芯片上。
2. 集成运算放大器的原理•Op Amp的核心是差动放大器，由两个输入端（非反馈端和反馈端）和一个输出端组成。
•在差动放大器中，非反馈端的输入信号被放大器放大，然后通过反馈回到非反馈端，从而形成放大器的反馈机制。
•Op Amp的增益由开环增益和反馈网络的配置决定。
3. 集成运算放大器的主要特性•增益：Op Amp具有非常高的开环增益，通常在105到108之间。
•输入阻抗：Op Amp的输入阻抗非常大，通常在106到1012欧姆之间。
•输出阻抗：Op Amp的输出阻抗非常小，通常在几十欧姆以下。
•带宽：Op Amp的带宽是指在给定增益下能够传输信号的频率范围。
4. 集成运算放大器的应用4.1 可逆放大器•可逆放大器是Op Amp最常见的应用之一，采用负反馈的方式将输出信号的一部分反馈到输入端。
•可逆放大器可以用于放大和滤波等电路，常用的配置包括反向放大器、比例放大器和积分器等。
4.2 比较器•Op Amp可以作为比较器使用，将输入信号与一个参考电压进行比较，输出高电平或低电平。
•比较器广泛应用于电压比较、电压检测和信号切换等电路。
4.3 运算放大器•运算放大器是一种特殊的Op Amp应用，采用负反馈的方式实现各种算术运算。
•常见的运算放大器电路包括加法器、减法器、乘法器和除法器等。
4.4 滤波器•Op Amp可以用于构建各种类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。
•滤波器可以用于信号调整、降噪和频谱分析等应用。
5. 集成运算放大器的选择与设计•在选择和设计集成运算放大器时，需要考虑参数如增益、输入阻抗、输出阻抗、带宽和供电电压等。
集成运放的实际应用集成运放（Integrated Operational Amplifier）是一种常见的电子器件，广泛应用于各种电路中。
它的主要功能是放大电压信号，并具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
集成运放的应用非常广泛，下面将介绍几个与集成运放相关的实际应用。
集成运放在音频放大器中的应用非常常见。
音频放大器是将低功率音频信号放大为较大功率的电子设备，常见的应用场景包括音响系统、汽车音频设备等。
集成运放作为音频放大器的核心部件，能够提供高品质的音频放大效果。
它可以放大音频信号的幅度，同时保持音频信号的准确性和稳定性，使得音乐、语音等声音更加清晰、真实。
集成运放在模拟计算器中的应用也非常重要。
模拟计算器是一种能够进行各种数学运算的电子设备，广泛应用于科学研究、工程设计等领域。
在模拟计算器中，集成运放可以用于实现各种数学运算，如加法、减法、乘法、除法等。
它的高精度和稳定性能保证了计算结果的准确性，提高了计算器的可靠性和实用性。
集成运放还在信号调理中起到了重要的作用。
信号调理是指对输入信号进行处理和优化，以满足特定的要求。
在信号调理中，集成运放可以用于滤波、放大、补偿等操作。
例如，在传感器信号处理中，集成运放可以用于放大微弱的传感器信号，提高信号的可靠性和稳定性。
又如，在音频信号处理中，集成运放可以用于实现音频信号的均衡和控制，使得音频信号更加优质和适合特定的应用场景。
集成运放还在仪器仪表中有着广泛的应用。
仪器仪表是一种测量和控制物理量的设备，广泛应用于科学实验、工程测试等领域。
在仪器仪表中，集成运放可以用于放大和处理测量信号，提高测量的精确度和可靠性。
例如，在电压测量中，集成运放可以用于放大微弱的电压信号，使其达到适合测量的范围。
又如，在温度测量中，集成运放可以用于放大和补偿传感器产生的微弱信号，提高温度测量的精确度和稳定性。
集成运放在实际应用中发挥着重要的作用。
它广泛应用于音频放大器、模拟计算器、信号调理和仪器仪表等领域，为这些设备提供了高品质的信号放大和处理功能。
集成运放的典型应⽤上⼀贴我们讲了集成运算放⼤器的原理，对集成运放有了⼀个初步的了解，其实在综保插件⾥应⽤的两个集成运放LM339是作为电压⽐较器应⽤的，通过电流互感器传来的电流信号转换成电压信号，与插件内部设定的电压信号进⾏⽐较，当电流互感器传来的信号⼤于插件内部设定的电压信号时，综保插件就会认为照明主回路有短路故障，从⽽驱动执⾏电路切断主回路的交流接触器控制电源。
漏电保护电路也同短路保护电路⼀样，进⾏电压⽐较来判断设备是不是漏电的。
集成运算放⼤器是这样组成⽐较电路：集成运算放⼤器 ,简称为集成运放.它实际上是⼀个⾼增益的多级直接耦合放⼤器 ,最早⽤于模拟计算机 ,并由此⽽得名.随着电⼦技术的⾼速发展 ,集成运放不断升级换代 ,其性能参数和技术指标不断提⾼ ,⽽价格⽇益降低.它的应⽤早已超出运算的范畴之外 ,已成为⼀种通⽤性很强的功能性器件 ,它的应⽤犹如六、七⼗年代⽆线电电路中的三极管⼀样 ,已成为现代电⼦电路中的核⼼器件 ,正如三级管⼀样 ,如略去电源端和调零端以外 ,集成运放的符号也有三个端 ,即反相输⼊端、同相输⼊端和输出端.图1 集成运放符号集成运放的⾼增益 ,其含义是开环电压放⼤倍数趋于⽆穷⼤ ,其次输⼊电阻⾼ ,⼏乎不从信号源索取电流;输出电阻低 ,带负载的能⼒很强.这三点是集成运放多项性能指标中的集中体现.尤其是前两条 ,是分析运放线性应⽤的原始依据 ,即可以演变为所谓 “虚短” 和 “虚断” 的两条重要性质.由于输出和输⼊可写为:U0 = Au (U+ - U- ) ,因为开环电压放⼤倍数Au趋于⽆穷⼤ ,线性应⽤时:U+ = U- ,即 “虚短” .⾮线性应⽤时 ,某时刻两输⼊端谁的电位⾼ ,输出就反映谁的特征 ,即:当U+ > U- ,输出U0 趋于正向饱和;当U+ < U- ,输出U0趋于负向饱和.这是集成运放运⽤于⾮线性状态的本质特征.电压⽐较器就是集成运放在⾮线性状态下的具体应⽤.所谓电压⽐较器 ,就是⼀种⽤来⽐较输⼊信号电压⼤⼩的电⼦电路.它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波.集成运放⼯作在⾮线性区时 ,两个输⼊端谁的电位⾼ ,输出就反映谁的特征 ,这是构成电压⽐较器的理论基础.如下图 2所⽰为最基本的电压⽐较器和其电压传输特性图.其中两个输⼊端中⼀个端⼦为参考端 ,参考电压为UR ,另⼀个端⼦(⽐如反相端)作为信号输⼊端 ,将信号电压与参考电压相⽐较 ,当信号电压⼩于参考电压时 ,输出为⾼电平 ,反之输出为低电平.由此得到如图的电压传输特性曲线.如此简单的电压⽐较器 ,增加限幅保护电路、引⼊正反馈去影响参考电压值等措施就可得到⼏种电压⽐较器的原型电路.⽐如:1.过零⽐较器:参考电压为零 ,输⼊信号每过零时 ,输出发⽣跃变 ,它实际上是⼀个单限⽐较器.最简单的应⽤是可以将正弦波变为⽅波.2.滞回⽐较器:利⽤正反馈来影响原来的参考电压使参考电位与此时的输出状态有关 ,从⽽消除在原来的参考电位附近输⼊信号由于受⼲扰⽽产⽣的空翻现象.3.双限⽐较器:由两个单限⽐较器组成所谓的双限⽐较器(也称为窗⼝⽐较器) ,可以将输⼊信号按需要范围进⾏选取.正是这样简单的电压⽐较器 ,在⾮正弦波产⽣变换电路、延时定时电路、⾃动控制及有关模数接⼝电路中得到了⼴泛的应⽤.如下图3所⽰为⽅波发⽣器的原形电路.它实质上是由⼀个带有正反馈的电压⽐较器和负反馈延时微分电路组成 ,同相端的参考电压由 R1 和 R2 将输出电压分压得到 ,在输出⾼电平或低电平时 ,使之电容充电或放电 ,电容两端得到的电压跟此时的参考电压 U+ 去⽐较 ,从⽽使电路的输出状态来回翻转输出⽅波.在⽅波发⽣器的基础上 ,将电容的充放电回路分开 ,即可得到矩形波发⽣器.在矩形波发⽣器的基础上后⾯加接⼀级积分电路 ,并稍微调整电路结构即可得到三⾓波发⽣器和锯齿波发⽣器.它们是⽰波器中扫描电压信号的基本产⽣电路.555定时器是包含模拟与数字的⼀种综合性中规模集成电路器件.其中模拟部分的核⼼就是由三个5千欧电阻分压器提供参考电压的两个电压⽐较器 ,上⾯的反相⽐较器是以 2P 3UCC作为参考电压 ,下⾯的同相⽐较器是以1P 3UCC作为参考电压.两者的输出分别控制基本 RS触发器的 R端和 S端 ,以触发器的输出作为定时器的输出 ,并以它的反端去控制放电三极管的导通与截⽌.正是这样巧妙地结合,使555定时器加上简单的 RC外围电路 ,便可构成单稳态触发器、施⽶特触发器、多谐⾃激振荡器等应⽤型电路.这⾥⾯ ,两个电压⽐较器将输⼊信号或电容上充放电⽽得的电压值跟参考电压 2P 3UCC和1P 3UCC去⽐较 ,从⽽转换成⾼电平或低电平 ,去控制触发器动作 ,输出所需要的电压波形进⽽控制执⾏机关,从⽽实现了电路的⾃动控制、延时、定时等多项功能 ,⽽电压⽐较器在此发挥出了⾄关重要的作⽤.同上情况相似 ,在并⾏⽐较型AP D转换器中 ,根据量化单位的⼤⼩ ,由 n 个分压电阻组成的分压电路得到(n - 1)个阶梯型电压值作为(n - 1)个电压⽐较器的反相端的参考电压 ,跟加在同相端的采样保持后的模拟信号电压⽐较 ,使每个⽐较器输出⾼电平或低电平 ,并通过其后⾯的缓冲寄存器得到(n - 1)位⼆进制数 ,完成了将模拟信号转换为数字信号的关键的⼀步.综上所述:电压⽐较器是集成运放的⼀种⾮线性应⽤.变化的、随机的输⼊信号跟另⼀个端的参考电压进⾏⽐较 ,使输⼊信号转换成只有⾼电平或低电平的输出信号 ,当输⼊信号电压等于参靠电压(即阈值)时 ,输出状态发⽣翻转.能实现这⼀点的关键就是取决于集成运放优良的性能 ,即开环电压放⼤倍数⽆穷⼤.但是实际运放的开环电压放⼤倍数不可能⽆穷⼤ ,除去运放的响应时间及零点漂移等因素 ,其⽐较误差及上升(下降)沿的陡度决定于运放的开环电压放⼤数 ,其值越⼤ ,产⽣的误差越⼩ ,上升(下降)沿越竖直.假设运放的开环电压放⼤倍数为 10的6次⽅,运放的输出饱和压降为 ±10V ,则产⽣的阈值误差为 ± 10 µV ,可见产⽣的误差是很⼩的.深刻理解电压⽐较器为集成运放在⾮线性应⽤下的本质特征 ,并在教学中将其应⽤实例适时地进⾏归纳、总结、⽐较 ,这对提⾼教学质量 ,丰富学⽣的知识 ,培养学⽣的创新能⼒ ,都有着重要的意义.。
