运算放大器在数字电路中的应用

运算放大器在数字电路中的应用作者姓名：李杰锋学号：5140309376班级：F1403016摘要：本文通过对运算放大器的基本特性的阐述、举例和研究，以及对运算放大器在应用中的举例，探讨运算放大器在数字电路中的应用。关键词：运算放大器，数字电路，555计时器，模数转换器1．引言运算放大器（operationalamplifier）是一种用集成电路技术制作的多端器件。早期，运算放大器多用来完成加法、减法、积分、微分等运算，故称运算放大器，简称运放。随着集成电路技术的发展，运放逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越多的应用，成为现代电子技术中应用广泛的一种器件。虽然运放有多种型号，其内部结构也各不相同，但从电路分析的角度出发，人们感兴趣的是该器件的外部特征。2．运算放大器运算放大器的符号及其输入输出特性曲线如图一所示。运放符号中的“+”、“-”表示运放的同相输入端和反相输入端，即当输入电压加在同相输入端和公共端之间时，输出电压和输入电压两者的实际方向相对于公共端来说相同；反之，当输入电压加在反相输入端和公共端之间时，输出电压和输入电压两者的实际方向相对于公共端来说相反。其意义并不是电压的参考方向。在运放中，公共端往往取定为接地端——电位为零，实际中，电子线路中的接地端常常取多条支路的汇合点、仪器的底座或机壳等，输入电压、输出电压都以之为参考点。有时，电路中并不画出该接地端，但计算时要注意它始终存在。如果运放工作于图中的线性区，其斜A＝，称为运放的开环增益。在运放的输入端分别同时加上输入电压和时，则其输出电压uo为实际上，运放是一种单向器件，即输出电压受输入电压的控制，而输入电压并不受输出电压的控制。由其输入输出关系可以看出，运放的线性放大部分很窄，当输入电压很小时，运放的工作状态就已经进入了饱和区，输出值开始保持不变。一个理想的运算放大器（idealOPAMP）必须具备下列特性：1.无限大的输入阻抗：理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，即上图中的V+与V-两端点的电流信号恒为零，亦即输入阻抗无限大。2.趋近于零的输出阻抗：理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，亦即输出阻抗为零。3.无限大的开回路增益：理想运算放大器的一个重要性质就是开回路的状态下，输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。4.无限大的共模排斥比：理想运算放大器只能对V+与V-两端点电压的差值有反应，亦即只放大V+−V−的部份。对于两输入信号的相同的部分（即共模信号）将完全忽略不计。5.无限大的带宽：理想的运算放大器对于任何频率的输入信号都将以一样的差动增益放大之，不因为信号频率的改变而改变3．运算放大器在数字电路中的应用3.1555定时器555定时器是功能多样和广泛应用的IC芯片，因为它可以用两种不同的模式来配置，要么是单稳态多谐振荡器（单稳态触发器），要么是非稳态多谐振荡器（振荡器）。非稳态多谐振荡器没有稳定状态，因为在没有外部触发的条件下，会在两个非稳态之间来回变化（振荡）。图二给出了555定时器内部元件的功能图。运算放大器在555定时器中被用作比较器。当其正（+）输入上的电压大于负（-）输入上的电压时，输出就是高电平。而当负输入电压大于正输入电压时，输出就是低电平。分压器由3个5kΩ的电阻组成，提供了1/3𝑉𝑐𝑐的触发电平及2/3𝑉𝑐𝑐的阈值电平。若触发输入端TR的电压小于13𝑉𝑐𝑐，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2𝑉𝑐𝑐/3，同时TR端的电压大于1/3𝑉𝑐𝑐，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。外部的复位输入可以用来复位锁存器，此锁存器独立于阈值电路。触发和阈值输入由外部链接的元件来控制，以产生单稳态或者非稳态的效果。3.2高速模数转换器（flashADC）高速ADC利用比较器在参考电压和模拟输入电压之间进行比较。在高速ADC中，运算放大器被用作比较器，起着至关重要的作用。每个比较器的参考电压都由电阻分压电路设定，每个比较器的输出连接到优先编码器的一个输入。二进制码的序列表示ADC的输入，转换的进度由势能脉冲的频率和二进制编码的位数确定。3.3双积分模数转换器（DualSlopeADC）双积分式模数转换器电路主要由积分器、比较器、计数器和标准电压源组成。其电路原理如图四所示其中，积分器和比较器均由运算放大器构成。积分器又称斜坡发生器，其实质是工作在线性区的运算放大器，对电容电压进行积分运算。比较器是工作在饱和区的运算放大器，对电容电压与接地电压进行比较。4.结束语运算放大器作为一种模拟电路的标准器件，在数字电路中仍旧发挥着巨大的作用。其多种多样的应用中，有的作为比较器而使用，此时运算放大器工作在饱和区。有的作为积分器而使用，此时运算放大器工作在线性区。无论其怎么使用，我们只要把握好运算放大器的“虚短”和“虚短”的特点，就能正确地分析出电路的功用。5.参考文献[1]乔树通,电路基础讲义[2]陈洪亮，张峰，田社平.，电路基础，高等教育出版社,2008.[3]TomasL.Floyd.DigitalFundamentals[M].电子工业出版社,2007.