3.3 集成运算放大器

集成运算放大器是一种应用极为广泛的集成放大电路，它除了具有很高的放大倍数外，还能通过外接一些元件构成加法器、减法器等运算电路，所以称为运算放大器，简称运放。

3.3.1 集成运算放大器的基础知识

1.内部组成与符号

集成运算放大器内部由多级直接耦合的放大电路组成，其内部组成框图如图3-12所示，其电路图形符号如图3-13所示。

从图3-12中可以看出，运算放大器有同相输入端（用“+”或“P”表示）和反相输入端（用“-”或“N”表示），还有一个输出端，它的内部由输入级、中间级和输出级及偏置电路组成。

输入级采用具有很强零点漂移抑制能力的差动放大电路；中间级常采用增益较高的共发射极放大电路；输出级一般采用带负载能力很强的功率放大电路；偏置电路的作用是为各级放大电路提供工作电压。

2.集成运算放大器的理想特性

集成运算放大器是一种放大电路，其等效图如图3-14所示，为了分析方便，常将集成运算放大器看成是理想的。

实际的集成运算放大器与理想集成运算放大器的特性接近，因此以后就把实际的集成运算放大器当成是理想集成运算放大器来分析。

集成运算放大器的工作状态有两种：线性状态和非线性状态。当给集成运算放大器加上负反馈电路时，它就会工作在线性状态（线性状态是指电路的输入电压与输出电压成正比关系）；如果给集成运算放大器加正反馈电路或在开环工作时，它就会工作在非线性状态。

3.3.2 集成运算放大器的线性应用电路

当给集成运算放大器增加负反馈电路时，它就会工作在线性状态，如图3-15所示，R_f为负反馈电阻。

工作在线性状态的集成运算放大器具有以下特性：

1）具有“虚断”特性，即流入和流出输入端的电流都为0A，I_-=I₊=0A。

2）具有“虚短”特性，即两个输入端的电压相等，U_-=U₊。

了解集成运算放大器的特性后，再来分析集成运算放大器在线性状态下的各种应用电路。

1.反相比例运算放大器

集成运算放大器构成的反相比例运算放大器如图3-16所示，这种电路的特点是输入信号和反馈信号都加在集成运算放大器的反相输入端。图3-16中的R_f为反馈电阻，R₂为平衡电阻，接入R₂的作用是使集成运算放大器内部输入电路（是一个差分电路）保持对称，有利于抑制零点漂移，R₂=R₁∥R_f（意为R₂的阻值等于R₁和R_f的并联阻值）。

输入信号U_i经R₁加到反相输入端，由于流入反相输入端的电流I_-=0A（“虚断”特性），所以有

根据“虚短”特性可知，U_-=U₊=0，所以有

由此可求得反相比例运算放大器的电压放大倍数为

上式中的负号表示输出电压U_o与输入电压U_i反相，所以称为反相比例运算放大器。从上式还可知，反相比例运算放大器的电压放大倍数只与R_f和R₁有关。

2.同相比例运算放大器

集成运算放大器构成的同相比例运算放大器如图3-17所示。该电路的输入信号加到运算放大器的同相输入端，反馈信号送到反相输入端。

根据“虚短”特性可知，U_-=U₊，又因为输入端“虚断”，故流过电阻R₂的电流I₊=0A，R₂上的电压为0V，所以U₊=U_i=U_-。在图3-17中，因为集成运算放大器反相输入端流出的电流I_-=0A，所以有

因为U_-=U_i，故上式可表示为

同相比例运算放大器的电压放大倍数为

因为输出电压U_o与输入电压U_i同相，故该放大电路称为同相比例运算放大器。

3.电压-电流转换器

图3-18所示为一种由运算放大器构成的电压-电流转换器，它与同相比例运算放大器有些相似，但该电路的负载R_L接在负反馈电路中。

输入电压U_i送到运算放大器的同相输入端，根据运算放大器的“虚断”特性可知，I₊=I_-=0A，所以有

又因为运算放大器具有“虚短”特性，故U_i=U₊=U_-，上式可变换成

由上式可以看出，流过负载的电流I_L只与输入电压U_i和电阻R₁有关，与负载R_L的阻值无关，当R₁阻值固定后，负载电流I_L只与U_i有关，当电压U_i发生变化，流过负载的电流I_L也相应地变化，从而将电压转换成电流。

4.电流-电压变换器

图3-19所示为一种由运算放大器构成的电流-电压转换器，它可以将电流转换成电压输出。

输入电流I_i送到运算放大器的反相输入端，根据运算放大器的“虚断”特性可知，I_-=I₊=0A，所以有

I_i=I_f

因为I₊=0A，故流过R的电流也为0，U₊=0，又根据运算放大器的“虚短”特性可知，U_-=U₊=0，上式可变换成

U_o=-I_iR_f

由上式可以看出，输出电压U_o与输入电流I_i和电阻R_f有关，与负载R_L的阻值无关，当R_f阻值固定后，输出电压U_o只与输入电流I_i有关，当输入电流I_i发生变化时，负载上的电压U_o也相应地变化，从而将电流转换成电压。

5.加法器

集成运算放大器构成的加法器如图3-20所示，R_o为平衡电阻，R_o=R₁∥R₂∥R₃∥R_f，电路有三个信号电压U₁、U₂、U₃输入，有一个信号电压U_o输出，下面来分析它们的关系。

因为I_-=0A（根据“虚断”特性），所以有

I₁+I₂+I₃=I_f

因为U_-=U₊=0（根据“虚短”特性），所以上式可化简为

如果R₁=R₂=R₃=R，就有

如果R₁=R₂=R₃=R_f，那么

U_o=-（U₁+U₂+U₃）

上式说明输出电压是各输入电压之和，从而实现了加法运算，式中的负号表示输出电压与输入电压的相位相反。

6.减法器

集成运算放大器构成的减法器如图3-21所示，电路的两个输入端同时输入信号，在反相输入端输入电压U₁，同相输入端输入电压U₂，为了保证两个输入端平衡，要求R₂∥R₃=R₁∥R_f。下面分析两个输入电压U₁、U₂与输出电压U_o的关系。

根据电阻串联规律可得

根据“虚断”特性可得

I₁=I_f

因为U_-=U₊（根据“虚短”特性），所以有

如果R₂=R₃，R₁=R_f，上式可简化成

U_o=U₂-U₁

由此可见，输出电压U_o等于两个输入电压U₂、U₁的差，从而实现了减法运算。

3.3.3 集成运算放大器的非线性应用电路

当集成运算放大器处于开环或正反馈时，它会工作在非线性状态，如图3-22所示。

工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下一些特点：

1）当同相输入端电压大于反相输入端电压时，输出电压为高电平，即

U₊>U₋时，U_o=+U（高电平）

2）当同相输入端电压小于反相输入端电压时，输出电压为低电平，即

U₊<U₋时，U_o=−U（低电平）

1.电压比较器

电压比较器通常可分为两种：单门限电压比较器和双门限电压比较器。

（1）单门限电压比较器

单门限电压比较器如图3-23所示，该集成运算放大器处于开环状态。+5V的电压经R₁、R₂分压为集成运算放大器同相输入端提供+2V的电压，该电压作为门限电压（又称基准电压），反相输入端输入图3-23b所示的U_i信号。

在0～t₁期间，输入信号U_i的电压（也就是反相输入端U_-电压）低于同相输入端U₊的电压，即U_-<U₊，输出电压为高电平（即较高的电压）。

在t₁～t₂期间，输入信号U_i的电压高于同相输入端U₊的电压，即U_->U₊，输出电压为低电平。

在t₂～t₃期间，输入信号U_i的电压低于同相输入端U₊的电压，即U_-<U₊，输出电压为高电平。

在t₃～t₄期间，输入信号U_i的电压高于同相输入端U₊的电压，即U_->U₊，输出电压为低电平。

通过两个输入端电压的比较作用，集成运算放大器将输入信号转换成方波信号，U₊电压大小不同，输出的方波信号U_o的宽度就会有所变化。

（2）双门限电压比较器

双门限电压比较器如图3-24所示，该运算放大器加有正反馈电路。与单门限电压比较器不同，双门限电压比较器的“+”端电压由+5V电压和输出电压U_o共同来决定，而U_o有高电平和低电平两种可能，因此“+”端电压U₊也有两种：当U_o为高电平时，U₊电压被U_o抬高，假设此时的U₊为3V；当U_o为低电平时，U₊电压被U_o拉低，假设此时的U₊为-1V。

在分析电路的工作原理时，给运算放大器的反相输入端输入图3-24b所示的输入信号U_i。

在0～t₁期间，输入信号U_i的电压低于同相输入端U₊电压，即U_-<U₊，输出电压U_o为高电平，此时比较器的门限电压U₊为3V。

从t₁时刻起，输入信号U_i的电压开始超过3V，即U_->U₊，输出电压U_o为低电平，此时比较器的门限电压U₊被U_o拉低到-1V。

在t₁～t₂期间，输入信号U_i的电压始终高于U₊电压（-1V），即U_->U₊，输出电压U_o为低电平。

从t₂时刻起，输入信号U_i的电压开始低于-1V，即U_-<U₊，输出电压U_o转为高电平，此时比较器的门限电压U₊被拉高到3V。

在t₂～t₃期间，输入信号U_i的电压始终低于U₊电压（3V），即U_-<U₊，输出电压U_o为高电平。

从t₃时刻起，输入信号U_i的电压开始超过3V，即U_->U₊，输出电压U_o为低电平。

以后电路就重复0～t₃这个过程，从而将图3-24b中的输入信号U_i转换成输出信号U_o。

2.方波信号发生器

方波信号发生器可以产生方波信号。图3-25所示的电路就是一个由集成运算放大器构成的方波信号发生器，它是在集成运算放大器上同时加上正、负反馈电路构成的。图中V_Z为双向稳压管，假设它的稳压值U_Z是5V，它可以使输出电压U_o稳定在-5～5V范围内。

在电路刚开始工作时，电容C上未充电，它两端的电压U_c=0，集成运算放大器反相输入端电压U_-=0，输出电压U_o=+5V（高电平），U_o电压经R₁、R₂分压为同相输入端提供U₊=+3V。

在0～t₁期间，U_o=+5V通过R对电容C充电，在电容上充得上正下负的电压，电压U_c上升，电压U_-也上升，在t₁时刻电压U_-达到门限电压+3V，开始有U_->U₊，输出电压U_o马上变为低电平，即U_o=-5V，同相输入端的门限电压被U_o拉低至U₊=-3V。

在t₁～t₂期间，电容C开始放电，放电的途径是：电容C上正→R→R₁→R₂→地→电容C下负，t₂时刻，电容C放电完毕。

在t₂～t₃期间，电压U_o=-5V开始对电容反充电，其途径是：地→电容C→R→V_Z上（-5V），电容C被充得上负下正的电压，U_c为负压，U_-也为负压，随着电容C不断被反充电，U_-不断下降。在t₃时刻，U_-下降到-3V，开始有U_-<U₊，输出电压U_o马上转为高电平，即U_o=+5V，同相输入端的门限电压被U_o抬高到U₊=+3V。

在t₃～t₄期间，U_o=+5V又开始经R对电容C充电，t₄时刻将电容C上的上负下正电压中和。

在t₄～t₅期间再继续充得上正下负的电压，t₅时刻，U_-电压达到门限电压+3V，开始有U_->U₊，输出电压U_o马上变为低电平。

以后重复上述过程，从而在电路的输出端得到图3-25b所示的方波信号U_o。

3.3.4 集成运算放大器的保护电路

为了保护集成运算放大器，在使用时通常会给它加上一些保护电路。

1.电源极性接错保护电路

集成运算放大器在工作时需要接正、负两种电源，为了防止集成运算放大器因电源极性接错而损坏，常要给其添加电源极性接错保护电路。图3-26所示为一种常用的运算放大器电源极性接错保护电路。

2.输入保护电路

集成运算放大器加输入保护电路的目的是为了防止输入信号的幅度过大。典型的输入保护电路如图3-27所示。

在图3-27a中，集成运算放大器的反相输入端与地之间接了两个二极管，其中VD₁用来防止输入信号正半周期电压过大，如果信号电压超过+0.7V，VD₁会导通，输入信号正半周期无法超过+0.7V；VD₂用来防止输入信号负半周期电压过低，如果信号电压低于-0.7V，VD₂会导通，输入信号负半周期电压无法超过-0.7V。

在图3-27b中，集成运算放大器的同相输入端接了两个二极管，这两个二极管的另一端并不是直接接地，而是VD₁接正电压+V，VD₂接负电压-V，假设电压V=2V，如果输入信号正电压超过2.7V，VD₁会导通，运算放大器的输入端电压被钳位在2.7V，如果输入信号负电压低于-2.7V，VD₂会导通，运算放大器的输入端电压被钳位在-2.7V，即VD₁、VD₂能将输入信号电压的幅度限制在-2.7～2.7V范围内。

3.输出保护电路

集成运算放大器加输出保护电路的目的是为了防止输出信号幅度过大。典型的输出保护电路如图3-28所示。