信息技术 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２５５２（２０１１）０８～０２３６—０３ ２０１１年第８期 集成运算放大器的特性及应用 郭晓玲，明平军 （延安职业技术学院，延安７１６０００） 摘要：集成运算放大器是放大电路中非常重要的元器件，可靠性高，使用方便，随着技术指 标的不断提高，它可当作理想器件来处理．不会造成不可允许的误差。在学习时应熟练掌握它 的线性与非线性特性以及其在信号的运算、处理和电路的比较分析等方面的相关应用。 关键词：集成运放；线性非线性特性；应用 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｆＧＵＯ Ｘｉａｏ—ｌｉｎｇ，ＭＩＮＧ Ｐｉｎｇ－ｊｕｎ （Ｙａｎ’ａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎ’ａｎ ７１６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｈａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｕｓａｇｅ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎｄｅｘ，ｉｔ ｃａｎ ｕｓｅ ａｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｂｅ ｉｎｃａｐａｂｌｅ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｒｒｅｖｏｃａｂｌｅ ｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｏｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｉｔｓ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｇｎａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｉｅｒ；ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｎｏｎ—ｌｆｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ０ 引言 集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接 耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路 Ｊ。其 其输出电压与输入电压之间的关系曲线，可以看出， 曲线包含两个部分，线性放大区域和非线性放大区 域，线性区域的斜率为其电压放大倍数，非线性区域 内其输出电压只有两种可能＋ＵｏＭＴｇｌ—Ｕ。 。 输入 输出 输入电阻大，输出电阻小，共模抑制比高，失调与飘 移小，适用于正、负两种极性信号的输入和输出。 ｌ 集成运放的基本组成及参数 集成运放内部电路包括４个基本组成环节，即 输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路 ，如图 图１集成运放组成框图 １所示。一般输入级采用差分放大电路使得输入电 阻大、失调和零漂小；中间级采用电压放大倍数大的 共射放大电路，输出级为使输出电阻小、带负载能力 强，常采用互补推挽乙类放大电路；偏置电路为各级 提供稳定的静态工作电流，一般采用电流源电路。 理想集成运放的工作区域分为线性和非线性两部分， 其参数应满足条件 Ｊ：①开环差模电压增益Ａ 一∞， ②差模输入电阻 一∞，③输出电阻尺。 ，④共模 图２集成运放图形符号 ２ 集成运放的线性特性分析及应用 ２．１线性特性分析 理想集成运放当差模输入信号较小时，输入与 收稿日期：２０１１－０６—１７ 作者简介：郭晓玲（１９８３一），女，硕士研究生，助教，研究方向为控 制理论与控制工程。 抑制比 一∞，⑤输人失调电压 电流 及其漂 移均为零。图２—３为集成运放的电压传输特性，即 输出满足线性关系： Ｍ０＝Ａ ‘（ 白一Ⅱｆｎ） “。／ ｊ ｜ ＋【， “ —ｕｉｎ ＵｏＭ 图３电压传输特性 此时分析电路时应遵循两个法则Ｈ］： ①“虚短”法则：由于理想运放开环差模增益 Ａ ∞，所以有： ｎ 一 ＝ ＝０ （２） ＾ 则： 一“ ＝０ （３） 即： ＝ ｆ （４） 如同同相输入端和反相输人端的电位总是保持 相等，两输入端相当于短路。实际运放 越大，将 输人端视为“短路”带来的误差越小。 ②“虚断”法则：由于理想运放差模输入电阻 尺 一∞，因此两输入端均没有电流，即 ｉ ＝ｉ ＝０ （５） 即如同将两输入端断开 ］。实际运放尺 越大， 将输入端视为“断路”带来的误差越小。 电路应用中常在集成运放外加深度负反馈，使 其处于线性状态，从而进行信号的运算、处理分析。 ２．２线性特性应用 ①如图４所示为集成运放组成一阶有源低通滤 波器，用来进行电路的选频。根据虚断法则式（５）， 有： ＝一一ｊ，ｏｃ广・。 ＝ ・ｌ Ｒ ＿丽１ ‘ （６）‘６ ＋－－． ｌｔＯＧ ０ －ｌ￣ｉｎ一＝～＝ －－｝，～。＾ ＝Ｉ１ 尺， — ＿（１ ｌ—～ ４．－ Ｒ）．１一ｌ… １ ｏ－，．ｉｎ 根据虚短法则式（４），有： 。＝（・＋ ）・ ＝（ ＋ ）・ —ｌ＋ｆｉ—ｏＲＣ ｕｐ ・＋ １ ０ Ａ印为通带电压放大倍数，０９。通带截止角频率， 放大电路的频率特性由电阻Ｒ和电容Ｃ决定， 起 负反馈的作用。 Ｃ’＿ 图４一 有谅低通滤坡器 ②如图５所示为集成运放的差动输入方式。电 路有两个输人 。和 ，根据叠加原理，当 单独作 用于电路时，电路为反相比例运算电路 ，此时电 路产生的输出为： 尺 。，＝一 。Ｕｉｌ （１１） 当 单独作用于电路时，电路为同相比例运算 电路，此时电路产生的输出为： ・Ｕｉ２（１２ 因此，当Ｍ 。和ｕ 共同作用于电路时，电路的总 输出为： 。＝ｕ。０ ０ ＋ １ ０２ 一 ：一 ・／／＂ｉｌ＋（－＋ ）・＋（ ）。 靠 ， （１３） 图５集成运放差动输入方式 ３ 集成运放的非线性特性及应用 ３．１非线性特性分析 若差模输入信号过大，超出其线性范围时，会导 致集成运放内的某些晶体管饱和或截止，此时运放 的输出电压有两种情况，正向饱和值或负向饱和值， 这时分析电路，应有以下原则 ｊ： ①理想运放的输出电压总是为正的最大值＋ 或负的最大值一 ，即当： ．．——２３７．．—— ） ＬＩ ＞ＩＬｉａ－－￣１１０＝＋ ｕ ＜ＩＬｉｎ－－－￣ｌＬ０＝一Ｕｏ 转换。 （１４） （１５） 为高电平，当 增大到ｕ ＞ ｍ时，输出从高电平 ＋ 跳变为低电平一 ； Ｕｏ＝一 （１９） “ ＝ 时发生输出状态从高电平到低电平的 形成传输特性的②段；与此同时，同相输入端参 考电压发生变化，称为“下门限电平”： Ｕｒｍ＝ ②理想运放的输入电流为零，“虚断”原则式 （５）仍成立，此时集成运放处于开环或正反馈状态， 般用于电压比较器。 ３．２非线性特性应用 一Ｒ３ＵＲ＋Ｒ２ＶｏⅣＲ３ＵＲ—Ｒ２Ｕｚ ２＋ ３ ２＋Ｒ３ （２０） ｕ 继续增大，但它比 一 小，输出一直为低电平 形成传输特性的③段。如果ｎ 减小，但只要 它大于 珊，输出也一直为低电平一 ，形成传输特 性的④段。直到“。减小到“。＜ 时，输出从低电 ，图６滞回电压比较器 “ｄ ⑥ ｛ ＋ ① ② 平一 跳变到高电平＋ ，形成传输特性的⑤段， 这时同相输入端参考电压又变为 ｍ，“ 继续减小， 由于它小于 邢，输出一直为高电平＋ ，形成传输 特性的⑥段，当 增大，但Ｍ ＜ 瑚时，输出也为高电 平，形成传输特ｆ生的⑦段，直到增大到 ＞ｕ硎，输出 跳变为低电平一 ，又形成传输特性的②段，重复上 述过程，形成滞回曲线，两个阈值的差值称为回差。 ＡＵＴＨ＝Ｕｒｍ— ７ｗ２ （２１） “ ｌ ＵＴＨ２ ０ ‰集成运放作为通用性很强的有源器件，可用来 ⑤ 一④ 【，２ ⑨ 图７电压传输特性 实现信号的运算、交换、处理、产生等，还可用于产生 正弦或非正弦信号，不仅在模拟电路中得到广泛的 应用，而且在脉冲数字电路中也日益得到广泛的应 用，成为组成电子系统的基本功能单元。随着科技 的飞速发展，集成运放将在集成电路领域发挥更大 的作用。 参考文献： ［１］康恩顺．电工与电子技术基础［Ｍ］．东北大学出版社，２０１０． ［２］余大昆．郭云林高性能集成运放的教学与应用［Ｊ］．电气电子教 学学报，２００４，６：５７—５９． 如图６所示为抗干扰能力较强的滞回电压比较 器电路。原理分析：假设在某一瞬时， “ ＝ｕ ＜ｕ （１６） 则根据式（１４），集成运放输出为高电平： Ｖｏ＝＋ 入端参考电压称为“上门限电平”： Ｒ３ＵＲ＋Ｒ２ＵｏⅣｔｔ ＝Ｕｒｍ＝ Ｒ２＋Ｒ３ Ｒ３ＵＲ＋Ｒ２Ｕｚ Ｒ２＋Ｒ３ （１７） 如图７所示，形成传输特性的①段，这时同相输 ［３］杨现德．模拟电子技术基础［Ｍ］．山东科学技术出版社，２００７． ［４］王岳昭．集成运放电路分析方法探析［Ｊ］．宁夏大学学报：自然 科学版，２００１，１２：４００—４０２． （１８） ［５］路勇，刘颖．模拟集成电路基础［Ｍ］．中国铁道出版社，２０１０． ［６］别其璋．集成运放构成的４种负反馈放大电路陛能分析［Ｊ］．重庆 工商大学学报：自然科学版，２００３，３：８０—８５．责任编辑：刘新影 此时，“ 继续增大，但只要它小于 掰 ，输出都 成立“一院两中心＂江苏创新发展信息产业 杨学山指出，“十二五”时期，加快发展我国信 息产业，对于培育新的经济增长点、调整优化产业结 中心，是江苏省积极营造产业发展生态环境的一个 创新举措，也是一次有益的尝试，值得业内同行学习 和借鉴。他希望“一院两中心”在部省市的共同关 心和扶持下，尽快建立起行之有效的体制机制，科学 构、提升自主创新能力具有重要作用。江苏省信息 产业在产业规模、工作方法、思路创新等方面一直走 在全国前列，这次在对江苏全省信息产业发展环境 和要素资源进行研究、整合的基础上，成立江苏信息 产业研究院暨创新成果孵化中心、云计算产业服务 一发展、快速发展、健康发展，真正成为江苏信息产业创 新体系的核心平台、创新资源的汇聚平台、企业创新 的公共服务平台、创新成果和企业上市的孵化平台。 ２３８一