集成运放的应用及优化

1.5.1　集成运算放大器概述

集成运算放大器简称集成运放，是一种高增益（放大倍数）的多级直接耦合放大器。其内部由高阻抗的输入级、中间放大级、低阻抗的输出级和偏置电路组成。

微课　集成运算放大器认知

集成运放的输入级是一个差分放大电路，故集成运放一般有两个输入端、一个输出端。其中一个输入端与输出端同相，称为同相输入端，用“+”表示；另一个输入端与输出端反相，称为反相输入端，用“-”表示。

集成运放的电路符号如图1-30所示，其中图1-30（a）为标准符号，图1-30（b）为通用符号。

图1-30　集成运算放大器符号

（a）标准符号；（b）通用符号

集成运放的中间放大级是由若干级直接耦合放大器组成，以提供极高的开环放大倍数^[4]（100 dB以上）。集成运放的偏置电路为各级放大电路提供合适的工作点。

1.5.2　集成运算放大器典型应用

集成运放的主要功能是放大和阻抗变换，常用于各种放大、振荡、有源滤波、精密整流等电路中。集成运放还可构成如比例运算器、加减运算器等各种运算电路，构成积分、微分等波形转换电路，同时还可用于电压比较器等非线性电路中。

1.集成运放的运算电路应用

分析集成运放运算电路的典型方法，需利用集成运放的“虚短”和“虚断”特性。“虚短”是指集成运放在电路参数选择合适时，其两个输入端之间的电压近似为0，即U+≈U-。而“虚断”是指流入集成运放两个输入端的电流通常可视为零，即I-≈0，I+≈0。

例如，图1-31所示反相比例运算电路中，根据“虚短”和“虚断”特性有

图1-31　反相比例运算电路

式中负号表示输出电压与输入电压相位相反，故电路为反相比例运算电路。

2.集成运放的非线性应用

集成运算放大器的非线性应用是指不接反馈电阻，放大器工作在开环状态，开环放大倍数趋于的电路。

电压比较器是集成运放在非线性电路的典型应用，广泛用于信号监测等传感电路的信号处理环节。其功能是比较其反相输入电压和同相输入电压，若u+＞u-，则uo输出高电平；若u+＜u-，则uo输出低电平。

实际应用中，通常在其同相输入端设定基准电压，在反相输入端接输入电压，根据输出电压的电平情况，判断输入电压与基准电压的关系。

图1-32所示电路是一个由四运放集成芯片LM324构成的具有上下限监视功能的电压监视电路。电路中，电阻器R1、R2、R3为构成分压电路，根据分压原理，运算放大器的3脚（同相端）设定的基准电压为2 V，6脚（反相端）设定的基准电压为4 V。输入电压Ui取自于可调电位器RP，调整RP可改变输入电压。

图1-32　电压监视器

当Ui＞4 V时，A点输出低电平，发光二极管VD1亮。

当Ui＜2 V时，B点输出低电平，发光二极管VD2亮。

当2 V＜Ui＜4 V时，A、B两点输出均为低电平，发光二极管VD1、VD2同时亮。(www.xing528.com)

该电路是一个窗口电压比较器，可配合各类传感器，实现电压的双限检测、断路及短路报警等功能。

1.5.3　常见集成运算放大器简介

常见的集成运算放大器主要有μA741、LM324、LM216等。

1.μA741

μA741是一款高增益单运算放大器。用于军事、工业和商业。DIP8型封装，即双列直插式8个引脚，如图1-33所示。

引脚的功能如下：

·引脚1、引脚5：偏置调零。

·引脚2、引脚3：反相输入和同相输入。

·引脚4、引脚7：接地和电源。

·引脚6：输出。

图1-33　μA741引脚图

·引脚8：空脚。

2.四运放LM 324

LM324是通用型四运放，内部包含4个独立的高增益频率补偿运算放大器。其工作电压既可使用3～30 V的正电源，也可使用±1.5～±15 V的双电源。

LM324芯片采用DIP14封装，即双列直插式14个引脚，如图1-34所示。

3.LM 216

带相位补偿的单集成运放，采用DIP8型封装，即双列直插式8个引脚，如图1-35所示。

图1-34　LM 324引脚排列

图1-35　LM 216引脚排列

引脚功能如下：

引脚1、引脚8：偏置调零。

引脚2、引脚3：反相输入和同相输入。

引脚4、引脚7：接地和电源。

引脚5：相位补偿。

引脚6：输出。