运放的基本应用电路

1．反相比例运算放大电路

反相输入放大电路如图7－23所示，信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端，输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。R'为平衡电阻应满足R'=R1//Rf。

利用虚短和虚断的概念进行分析，VI=0， VN=0，i I=0，则i S=i F

即

图7－23 反相比例运算电路

该电路实现反相比例运算。

反相放大电路有如下特点

(1)运放两个输入端电压相等并等于0，故没有共模输入信号，这样对运放的共模抑制比没有特殊要求。

(2)VN=VP，而VP=0，反相端N没有真正接地，故称虚地点。

(3)电路在深度负反馈条件下，电路的输入电阻为R1，输出电阻近似为零。

2．同相比例运算电路

同相输入放大电路如图7－24所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压Vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。

根据虚短、虚断的概念有VN=VP=VS， i1=if

图7－24 同相比例运算电路

于是求得

所以该电路实现同相比例运算。

同相比例运算电路的特点如下:

(1)输入电阻很高，输出电阻很低。

(2)由于VN=VP=VS，电路不存在虚地，且运放存在共模输入信号，因此要求运放有较高的共模抑制比。

3．加法运算电路

图7－25所示为实现两个输入电压VS1、VS2的反相加法电路，该电路属于多输入的电压并联负反馈电路。由于电路存在虚短，运放的净输入电压VI=0，反相端为虚地。利用VI=0，VN=0和反相端输入电流i I=0的概念，则有

图7－25 加法运算电路

由此得出

若R1=R2=Rf，则上式变为－VO=VS1+VS2

式中负号为反相输入所致，若再接一级反相电路，可消去负号，实现符合常规的算术加法。该加法电路可以推广到对多个信号求和。

从运放两端直流电阻平衡的要求出发，应取R'=R1//R2//Rf。

4．减法运算电路

(1)反相求和式运算电路

图7－26所示是用加法电路构成的减法电路，第一级为反相比例放大电路，若Rf1=R1，则VO1=－VS1; 第二级为反相加法电路，可以推导出:

若取R2=Rf2，则VO=VS1－VS2

由于两个运放构成的电路均存在虚地，电路没有共模输入信号，故允许VS1、VS2的共模电压范围较大。

(2)差分式减法电路

差分式减法电路图7－27所示电路可以实现两个输入电压VS1、VS2相减，在理想情况下，电路存在虚短和虚断，所以有VI=0，i I=0，由此得下列方程式:

图7－26 反相求和式运算电路

图7－27 差分式减法电路

即输出电压VO与两输入电压之差(VS2－VS2)成比例，其实质是用差分式放大电路实现减法功能。

差分式放大电路的缺点是存在共模输入电压。因此为保证运算精度应当选择共模抑制比较高的集成运放。差分式放大电路也广泛应用于检测仪器中，可以用多个集成运放构成性能更好的差分式放大电路。

5．积分电路

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。图7－28是反相输入型积分电路，其输出电压是将输入电压对时间的积分值除以时间所得的商，即Vout=－1/C1R1∫Vindt，由于受运放开环增益的限制，其频率特性为从低频到高频的－20d B/dec倾斜直线，故希望对高频率信号积分时要选择工作频率相应高的运放。

图7－28 反相型积分电路

图7－29②是差动输入型积分电路，将两个输入端信号之差对时间积分。其输出电压Vout=1/C1R1∫(Vin2－Vin1)dt;若将图7－29②的E1端接地，就变成同相输入型积分电路。它们的频率特性与图7－28电路相同。

主要是确定积分时间C1R1的值，或者说是确定闭环增益线与0d B线交点的频率f0(零交叉点频率)，见图7－29③。当时间常数较大，如超过10ms时，电容C1的值就会达到数微法，由于微法级的标称值电容选择面较窄，故宜用改变电阻R1的方法来调整时间常数。但如所需时间常数较小时，就应选择R1为数千欧至数十千欧，再往小的方向选择C1的值来调整时间常数。因为R1的值如果太小，容易受到前级信号源输出阻抗的影响。

根据以上的理由。图7－29中，①和②积分电路的参数如下: 积分时间常数0．2s(零交叉频率0．8Hz)，输入阻抗200kΩ，输出阻抗小于1Ω。

积分电路的等效电路结构如图7－30所示，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R×C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。

输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

图7－29 两种不同的积分电路

图7－30 积分等效电路

原理:从图得，Uo=Uc=(1/C)∫icdt，因Ui=UR+Uo，当t=to时，Uc=Oo。随后C充电，由于RC≥Tk，充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric，即ic=Ui/R，故

Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt

这就是输出Uo正比于输入Ui的积分(∫Uidt)，RC电路的积分条件:RC≥Tk。

6．微分电路

(1)基本微分电路

微分是积分的逆运算，将基本积分电路中的电阻和电容元件位置互换，便得到图7－31所示的微分电路。

图7－31 基本微分电路

在这个电路中，同样存在虚地和虚断，因此可得:

上式表明，输出电压VO与输入电压的微分成正比。

当输入电压VS为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍为一个有限值，随着电容器C的充电。输出电压VO将逐渐地衰减，最后趋近于零，如图7－32(b)所示。

图7－32 微分波形及改进型微分电路

(2)改进型微分电路

当输入电压为正弦信号VS=sinwt时，则输出电压VO= －RCwcoswt。此时VO的输出幅度将随频率的增加而线性地增加。说明微分电路对高频噪声特别敏感，故它的抗干扰能力差。另外，对反馈信号具有滞后作用的RC环节，与集成运放内部电路的滞后作用叠架在一起，可能引起自激振荡。再者VS突变时，输入电流会较大，输入电流与反馈电阻的乘积可能超过集成电路的最大输出电压，有可能使电路不能正常工作。一种改进型的微分电路如图7－32(c)所示。其中R1起限流作用，R2和C2并联起相位补偿作用。该电路是近似的微分电路。

7．滞回比较器

滞回比较器又称施密特触发器，迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。图7－33为滞回比较器电路及其传输特性图，UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。

(1)正向过程

正向过程的阈值为:

形成电压传输特性的abcd段。

(2)负向过程

负向过程的阈值为:

形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图7－33(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值:

图7－33 滞回比较器及其传输特性

(a)反相输入; (b)同相输入

两个阈值的差值ΔUTH=UTH1－UTH2称为回差。

由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

滞回比较器能提高电路对波形的抗干扰能力，例如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图7－34(a)、(b)所示。根据传输特性和两个阈值(UTH1=2V，UTH2=－2V)，可画出输出电压uo的波形，如图7－34(c)所示。从图7－34(c)可见，ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。

图7－34 说明滞回比较器抗干扰能力强的图