运算放大器在实际中的应用

运算放大器在实际中的应用1运算放大器在实际中的应用广西大学电气工程学院摘要：运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。关键词：结构组成，工作原理，基本原理电路,实际应用TheapplicationofOperationalamplifierinpracticeAbstract：Operationalamplifierisoneofthemostwidelyuseddevices,whenexternalaccessdifferentlinearornonlinearcomponentsofinputandnegativefeedbackcircuit,canflexiblyimplementspecificfunction.Intheaspectsoflinearcompositionproportion,addition,subtraction,integral,differential,logarithm,simulationoperationcircuit.Keywords：structure，workingprinciple，Thebasicprincipleofthecircuit，Thepracticalapplication绪论：模拟运算放大器从诞生至今，已有40多年的历史了。运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加、减、微分、积分的模擬数学运算，因此被称为“运算放大器。直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。一、运算放大器的结构组成和工作原理运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。运算放大器在实际中的应用2图1运算放大器的特性曲线图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U-对应的端子为“-”，当输入U-单独加于该端子时，输出电压与输入电压U-反相，故称它为反相输入端。U+对应的端子为“＋”，当输入U+单独由该端加入时，输出电压与U+同相，故称它为同相输入端。输出：U0=A(U+-U-)；A称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益Aud=∞；输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0；带宽fBW=∞；失调与漂移均为零等理想化参数。若输出电压UO与输入电压之间满足关系式：UO＝Aud（U+－U－）,由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短”。由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。也就有我们常常说的虚短、虚断甚至有的情况还有虚地等情况。二、运算放大器的实际应用和工作原理运算放大器有的特点是开环输入阻抗低，输入噪声低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。模拟运算放大器。根据灵活运用运算放大器我们可以实现多种灵活的运用来实现我们所需要的功能。下面列举几个详细的例子。运放的应用的基础电路-比例电路：所谓比例电路需要将输入信号按比例放大的电路。比例电路有分为反向比例电路，同向比例电路，差动比例电路等。下面列举同向比例电路。同向比例电路如图1所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端:运算放大器在实际中的应用3同相比例电路电路图它的输出电压与输入电压之间的关系为：；R’＝R1//RF只要改变比例系数就能改变输出电压，且Ui与U0的方向相同，同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。运放的基础电路还有和/差电路。积分电路和微分电路。对数和指数运算电路。这里就不详细列举了。利用对数和指数运算以及比例，和差运算电路，可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路。运放的应用-无源滤波电路滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过。滤波电路的分类：低通滤波器：允许低频率的信号通过，将高频信号衰减；高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减；带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减；带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，允许此频带以外的信号衰减；仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成的滤波电路，为无源滤波电路。它有很大的缺陷如：电路增益小，驱动负载能力差等。为此我们要学习有源滤波电路。运放的应用-有源滤波电路有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路，可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。但因受运算放大器频带限制，这种滤波器主要用于低频范围。下面选择两个实例应用.运放的实例应用-比较器当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平i1fO)URR(1U运算放大器在实际中的应用4图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UiU1时，运放A1输出高电平；当UiU2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。若选择U1U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。运放的应用--单稳态触发器此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2U1时，A1输出才变为高电平。运放的应用-同相交流放大器同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。运算放大器在实际中的应用5也可以实现反向交流放大器。三，总结运算放大器被广泛的运用在各个种元器件上。对于各个行业各个领域都是很有帮助的。熟悉掌握运算放大器的使用，不管对于自动化或者是发电专业的同学都是非常有帮助的。在生活中例如把负电压转成正值，开关延迟电路，受控源等，都应用了运算放大器，HI-FI音响，或者用于信号放大。手机，电脑，各种高科技元器件，电力传输等等各个方面。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。掌握运算放大器在各种实际电路之中的使用，不管对于现在的学习或者以后的工作生活来说都是十分有帮助。参考文献：（1）运算放大器及其应用---彭军（2）运算放大器应用电路设计—（日）马场清太郎--何希才（译）（3）