運算放大器在實際中的應用

1、運算放大器在實際中的應用 運算放大器在實際中的應用廣西大學電氣工程學院 摘要：運算放大器是目前應用最廣泛的一種器件,當外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關系。在線性應用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。關鍵詞：結構組成，工作原理，基本原理電路,實際應用 the application of operational amplifier in practiceabstract：operational amplifier is one of the most widely used devices, when extern

2、al access different linear or nonlinear components of input and negative feedback circuit, can flexibly implement specific function. in the aspects of linear composition proportion, addition, subtraction, integral, differential, logarithm, simulation operation circuit. keywords：structure ，working pr

3、inciple，the basic principle of the circuit ，the practical application緒論：模擬運算放大器從誕生至今，已有40多年的歷史了。運算放大器最早被設計出來的目的是用來進行加、減、微分、積分的模擬數(shù)學運算，因此被稱為“運算放大器。直流放大電路在工業(yè)技術領域中，特別是在一些測量儀器和自動化控制系統(tǒng)中應用非常廣泛。如在一些自動控制系統(tǒng)中，首先要把被控制的非電量（如溫度、轉速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉換為電信號，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執(zhí)行機構，所以需要把這個偏差信

4、號放大到需要的程度，再去推動執(zhí)行機構或送到儀表中去顯示，從而達到自動控制和測量的目的。因為被放大的信號多數(shù)變化比較緩慢的直流信號，分析交流信號放大的放大器由于存在電容器這樣的元件，不能有效地耦合這樣的信號，所以也就不能實現(xiàn)對這樣信號的放大。能夠有效地放大緩慢變化的直流信號的最常用的器件是運算放大器。運算放大器最早被發(fā)明作為模擬信號的運算（實現(xiàn)加減乘除比例微分積分等）單元，是模擬電子計算機的基本組成部件，由真空電子管組成。目前所用的運算放大器，是把多個晶體管組成的直接耦合的具有高放大倍數(shù)的電路，集成在一塊微小的硅片上。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體

5、芯片當中。一、運算放大器的結構組成和工作原理 運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級。 圖1運算放大器的特性曲線 圖2運算放大器輸入輸出端圖示 圖1是運算放大器的特性曲線，一般用到的只是曲線中的線性部分。如圖2所示。u-對應的端子為“-”，當輸入u-單獨加于該端子時，輸出電壓與輸入電壓u-反相，故稱它為反相輸入端。u+對應的端子為“”，當輸入u+單獨由該端加入時，輸出電壓與u+同相，故稱它為同相輸入端。 輸出：u0= a(u+-u-) ； a稱為運算放大器的開環(huán)增益（開環(huán)電壓放大倍數(shù)）。在實際運用經常將運放理想化，這是由于一般說來，運放的輸入電阻很大，開環(huán)增益也很大，輸

6、出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到:開環(huán)電壓增益aud=；輸入阻抗ri=；輸出阻抗ro=0；帶寬fbw=；失調與漂移均為零等理想化參數(shù)。若輸出電壓uo與輸入電壓之間滿足關系式：uoaud（u+u）,由于aud=，而uo為有限值，因此，u+u0。即u+u，稱為“虛短”。由于ri=，故流進運放兩個輸入端的電流可視為零，即iib0，稱為“虛斷”,這說明運放對其前級吸取電流極小。也就有我們常常說的虛短、虛斷甚至有的情況還有虛地等情況。二、運算放大器的實際應用和工作原理 運算放大器有的特點是開環(huán)輸入阻抗低，輸入噪聲低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗較高。模擬運算放大器。根據(jù)靈活運用運算放

7、大器我們可以實現(xiàn)多種靈活的運用來實現(xiàn)我們所需要的功能。下面列舉幾個詳細的例子。運放的應用的基礎電路-比例電路：所謂比例電路需要將輸入信號按比例放大的電路。比例電路有分為反向比例電路，同向比例電路，差動比例電路等。下面列舉同向比例電路。同向比例電路如圖1所示，跟反向比例電路本質上差不多，除了同向接地的一段是反向輸入端:同相比例電路電路圖 它的輸出電壓與輸入電壓之間的關系為： ； rr1 / rf只要改變比例系數(shù)就能改變輸出電壓，且ui與u0的方向相同，同向比例電路對集成運放的共模抑制比要求高。運放的基礎電路還有和/差電路。積分電路和微分電路。對數(shù)和指數(shù)運算電路。這里就不詳細列舉了。利用對數(shù)和指數(shù)

8、運算以及比例，和差運算電路，可組成乘法或除法運算電路和其它非線性運算電路。運放的應用-無源濾波電路濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內的信號通過；而使規(guī)定范圍之外的信號不能通過。濾波電路的分類：低通濾波器：允許低頻率的信號通過，將高頻信號衰減；高通濾波器：允許高頻信號通過，將低頻信號衰減；帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內的信號通過，將此頻帶外的信號衰減；帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內的信號通過，允許此頻帶以外的信號衰減； 僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波電路，為無源濾波電路。它有很大的缺陷如：電路增益小，驅動負載能力差等。為此我們要學習有源濾波電路。運放的應用-有源濾波電路有源濾波器是指利用

9、放大器、電阻和電容組成的濾波電路，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。但因受運算放大器頻帶限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。下面選擇兩個實例應用.運放的實例應用-比較器當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認為運放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實際上是很大,如lm324運放開環(huán)放大倍數(shù)為100db，既10萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（v+），就是低電平（v-或接地）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻r1、r1組成分壓電路，為運放a1設定比較電平u1；電阻r2、r2組成分

10、壓電路，為運放a2設定比較電平u2。輸入電壓u1同時加到a1的正輸入端和a2的負輸入端之間，當ui u1時，運放a1輸出高電平；當ui u2，則當輸入電壓ui越出u2，u1區(qū)間范圍時，led點亮，這便是一個電壓雙限指示器。若選擇u2 u1，則當輸入電壓在u2，u1區(qū)間范圍時，led點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報警等。運放的應用-單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器此電路可用在一些自動控制系統(tǒng)中。電阻r1、r2組成分壓電路，為運放a1負輸入端提供偏置電壓u1，作為比較電壓基準。靜態(tài)時，電容c1充電完畢，運放a1正輸入端電壓u2等于電源電

11、壓v+，故a1輸出高電平。當輸入電壓ui變?yōu)榈碗娖綍r，二極管d1導通，電容c1通過d1迅速放電，使u2突然降至地電平，此時因為u1u2，故運放a1輸出低電平。當輸入電壓變高時，二極管d1截止，電源電壓r3給電容c1充電，當c1上充電電壓大于u1時，既u2u1，a1輸出又變?yōu)楦唠娖剑瑥亩Y束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高u1或增大r2、c1的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，反之則縮短。如果將二極管d1去掉，則此電路具有加電延時功能。剛加電時，u1u2，運放a1輸出低電平，隨著電容c1不斷充電，u2不斷升高，當u2u1時，a1輸出才變?yōu)楦唠娖?。運放的應用-同相交流放大器同相交流放大器的特點是輸入阻抗高。其中的r1、r2組成1/2v+分壓電路，通過r3對運放進行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)av也僅由外接電阻決定：av=1+rf/r4，電路輸入電阻為r3。r4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。也可以實現(xiàn)反向交流放大器。三，總結 運算放大器被廣泛的運用在各個種元器件上。對于各個行業(yè)各個領域都是很有幫助的。熟悉掌握運算放大器的使用，不管對于自動化或者是發(fā)電專業(yè)的同學都是非常有幫助的。在生活中例如把負電壓轉成正值，開關延遲電路，受控源等，都應用了運算放大器，hi-fi 音響，或