集成运算放大器设计

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集成电路按功能划分，可分为数字和模拟两大类。模拟集成电路用于模拟信号的产生和处理，其种类繁多，包括集成运算放大器、集成模拟乘法器、集成锁相环、集成功率放大器、集成稳压电源、集成宽带放大器、集成数模和模数转换电路等。其中集成运放是技术功能的通用性最大、应用最广泛、以展最快、品种与数量最多的一种线性集成电路。集成运放裨上是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号，下限频率可到零；又能放大交流信号，上限频率与普通放大器一样，受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。集成运放和外部反馈网络相配置后，能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系，故而称它为“运算”放大器。

分析处于线性放大状态的理想和实际运算放大器的基本依据是

U-=U+也称“虚短路”。对于实际的运算放大器，常常也可据此进行近似分析。（1）反相运算放大器 图5.2-18所示是运算放大器反相放大组态电路，通过反馈元件ZF构成闭环。理想运算放大器反相放大闭环增益的基本关系式

反相输入端具有地电位，而并没有真正接地之“虚地”点。反相运算放大器的输入阻抗为z1F=Z反相放大组态实质上是电压并联负反馈，具有输入阻抗和输出阻抗低的特点。ZPZ为温度补偿元件，为了确保运算放大处于对称平衡状态，应使从反相输入端和从同相输入端赂外部看去的等效直流电阻相等，则元件选择时应使ZP=ZF//ZZ如果用不同的电阻、电容网络来构成ZF、ZP，就能得到功能不同的各种反相运算电路。例如反相比例器、加法器、微分器、积分器、有源滤波器和有源校正电路等。下面仅举反相加法器一例，如图5.2-19所示电路。

由于反相端为“虚地”，故三个输入电压彼此独立地通过自身的输入回路电阻，转换成下列各式电流：

由此可见，当运算放大器具有理想特性时，各相加项的比例因子仅与外电路电阻有关，适当选择各电阻阻值，就能得到所需要的比例因子，因此这种加法电路可以达到很高的精度和稳定性。加法运算呈现在各输入电流在反相端相加。故称反相端为“相加点”，或称“

”点。补偿电阻RP用于保证电路具有平衡对称结构，其值应选为RP=R1||R2||R3||RT由于反相端为“虚地”，故对每个输入信号而言，加法器的输入电阻分别为输入回路电阻R1、R2、R3。（2）同相运算放大器 图5.2-20为运算放大器同相放大组态。


                          
                       
                          
                                理想运算放大吕同相放大闭环增益的关系式：

（3）差动放大器1）基本差动放大器将反相放大组态和同相放大组态二者结合起来，便构成运算放大器的差运放大组态，如图5.2-21所示。

差动运放只对差模输入信号实现运算，不反映共模输入信号。对于理想运算放大器，若外部回路

差动放大器具有抑制零点漂移和抗干抗性等特点，所以应用极为普遍。2）增益可调差动放大器 实际应用中，通常要求增益可调。将基本差动放大器结构适当改变，就能实现用一个电位器调节增益的任务，电路如图5.2-22所示。该电路的闭环增益为

式中K为电位器的滑动比。当滑动端在图示最上位置时，K=1；在最下位置时，K=0，通常在电位器支路串有一个固定电阻，以避免调节过程中出现过大增益，确保电路工作稳定。这样调节滑动比，增益A1就可以在很大范围内变化。此种增益调节电路简单易实现，且不影响电路的共扼抑制能力，缺点是增益调节特性是非线性的。（4）积分器 基本积分器电路图如5.2-23。其输入回中元件为电阻，反馈回路元件为电容，属于反相运算电路。


                          
                       
                          
                                基本积分器能否实现精确积分运算的关键在于反相端是否为“虚地”，不论什么原因使反相端偏离“虚地”，都将引起积分运算误差。差动积分器，可由两个运算放大组成，电路性能较好，如图5.2-24所示。

此电路完全避免两个差动信号分别积分时，要求工作状态的一致性。（5）微分器 微分器用来对输入信号实现微分运算，因为微分是积分的逆运算，所将积分器的输入回路电阻与反馈回路电容位置相互对换，就构成微分器。基本微分电路如图5.2-25所示。其输入回路元器为电容，反馈回路元件为电阻，即

（6）对数与反对数运算电路 对数与反对数运算电路是对输入信号实行对数或指数运算，它们是一类非线性函数运算电路。对它们进行适当组合，可构成乘法、除法、乘方和开方等各种非线性运算电路。1）对数运算电路 实际应用中，将晶体三极管接在反相放大器的反馈支路代替电阻，则构成对数运算电路，如图5.2-26所示。


                          
                       
                          
                                即输出电压完成对输入电压的对数运算。2）反对数运算电路 将基极和集电极短接的晶体三极管接在反相放大器的输入回路中，就构成了反对数运算放大器，电原理电路如图5.2-27所示。

即输出电压完成对输入电压的反对数运算。对数运算电路与反对数运算电路存在相同问题，即运算精度温度影响较大，实际应用中都必须进行温度补偿。2、部分国产集成运算放大器的系列（见表5.2-12）