典型的运算放大器OP应用电路结构(精华版)

1.波形变换电路

波形变换电路属非线性变换电路，其传输函数随输入信号的幅度、频率或相位而变，使输出信号波形不同于输入信号波形。

1.1 检波与绝对值电路

1.1.1检波电路

图1.1.1所示为线性检波电路及其传输特性。电路中，把检波二极管D，接在反馈支路中，D2接在运放A输出端与电路输出端之间。该电路能克服普通小信号二极管检波电路失真大，传输效率低及输入的检波信号需大于起始电压（约为0. 3 V的固有缺点，即使输入信号远小于0.3 V，也能进行线性检波，因而检波效率能大大地提高。

图1.1.1 线性检波电路及其传输特性

线性检波电路的死区电压大小不决定于二极管的导通电压值，而是取决于D2正向压降VD的影响程度。

1.1.2绝对值电路

绝对值电路又称为整流电路，其输出电压等于输入信号电压的绝对值，而与输入信号电压的极性无关。采用绝对值电路能把双极性输入信号变成单极性信号。

在线性检波器的基础上，加一级加法器，让输入信号vi的另一极性电压不经检波，而直接送到加法器，与来自检波器的输出电压相加，便构成绝对值电路。其原理电路如图1.1.2所示。

图1.1.2 绝对值电路

输出电压值等于输入电压的绝对值，而且输出总是负电压。

若要输出正的绝对值电压，只需把图 1.1.2所示电路中的二极管D1、D2的正负极性对调。

1.2限幅电路

限幅电路的功能是：当输入信号电压进入某一范围（限幅区）后，其输出信号电压不再跟随输入信号电压变化，或是改变了传输特性。

1.2.1串联限幅电路

图 1.2.1所示为简单串联限幅电路及其传输特性。起限幅控制作用的二极管D 与运放A输入端串联，参考电压（-VR）作D的反偏电压，以控制限幅器的限幅

门限电压Vth。

图1.2.1 串联限幅电路及其传输特性

改变士VR的数值和改变R1与R2的比值，均可以改变门限电压。

1.2.2并联限幅电路

图1.2.2所示为并联限幅电路及其传输特性。二极管D与运放A输入端呈并联关系。

图1.2.2 并联限幅电路及其传输特性

1.2.2稳压管双向限幅电路

图1.2.3所示为稳压管构成的双向限幅电路和电路传输特性。双向稳压管(2DW7)与负反馈电阻Rf并联。

图1.2.3 稳压管构成的双向限幅电路

稳压管双向限幅器电路简单，无需调整；但限幅特性受稳压管参数影响大，而且输出限幅电压完全取决于稳压管的稳压值。因而，这种稳压器只适用于限幅电压固定，且限幅精度要求不高的电路。

1.2.3二极管双向限幅电路

图1.2.4所示为电阻分压二极管双向限幅电路。

图1.2.4 电阻分压二极管双向限幅电路

电路传输特性如图1.2.4(b)所示。

1.2.4死区电路

死区电路又称失灵区电路。当输入信号vi进入某个范围（死区）时，电路输出电压为零；当vi脱离此范围时，电路输出电压随输入信号变化。

死区电路在计算机及产品自动检测设备中应用广泛。

（1） 二极管桥式死区电路

图1.2.5所示为二极管桥式死区电路。二极管桥路接在负反馈网络中，

其导通情况与参考电压±VR，R及输入电压vi有关。二极管的导通与

截止，将改变负反馈量而导致传输系数的改变，达到死区输出电压vo

＝0的目的。电路传输特性如图1.2.5（b）所示。

图1.2.5 二极管桥式死区电路

（2） 精密死区电路

图 1.2.6所示为精密死区电路及其传输特性。电路中，把带偏置电压

（±E）的两个半波检波（整流）电路A1、D1、D2及A2、D3、D4组合

起来。输入信号vi的正、负极性电压分别由正半波检波电路A2和负半

波检波电路A1限幅检波后，送入反相相加器A2相加，获输出电压vo。

图1.2.6 精密死区电路

电路的传输特性如图1.2.6 (b)所示。

2. 函数发生器

函数发生器是一种能使输出电压与输入电压之间保持某一特定函数关系的变换电路。它主要应用于工业测量及自动控制系统中，常作传感器输入量与输出电压间的线性补偿网络，及信号的调节、压缩与扩张；也常用于产生甚低频波形或作波形变换。

集成运算放大器构成的函数发生器，通常是利用运放组件和外接非线性器件（如二极管、三极管）形成非线性传输特性来逼近实际要求的非线性函数曲线。

2.1 运放电路的线性闭环传输特性

运算放大电路的闭环传输特性，主要取决于运算放大器外接的反馈网络及输入端网络，与运算放大器本身的关系不大，因而只要在外电路中接入合适的非线性网络，便能获得所需的非线性传输特性。其基本型式有两种。

2.1.1 非线性元件接在输入端

图 2.1.1（a）所示运算放大电路中，反相输入端外接了一个非线性元件，反馈支路接电阻Rf。

图2.1.1 产生非线性传输特性的基本型式

已知输入端所接非线性元件的电流与电压之间的关系为

而Rf流过的电流if为

故输出电压vo为

可见，输出电压是与输入信号电压的函数值成比例。即vo与vi之间具有某确定的函数关系。

2.1.2 非线性元件接在反馈支路

图 2.1.1（b）所示运算放大电路中，反相输入端接电阻瓦，反馈支路接非线性元件。由图可知：

故输出电压v。为

可见，输出电压与输入信号电压的反函数值成比例。

根据上述分析，可以设想：若依输入信号vi的幅度大小，把vi分成若干个区域，而让每个区域的输入信号分别经过具有特定传输特性的有源网络，然后再把各有源网络的输出信号相加获总的输出电压vo，则vo与vi之间便具有某种非线性函数关系。这就是电路上实现用折线来逼近非线性函数的方法之一。

2.2二极管函数发生器

2.2.1 二极管网络接在反相输入端

图 2.2.1所示为二极管网络接在反相输入端的函数发生器及其传输特性。

图2.2.1 二极管网络接在反相输入端的函数发生器及其传输特性

可见，只要合理选取Rf及R1~R6各电阻值，便能使输出电压vo与输入电压vi之间具有设定的函数关系。

2.2.2二极管网络接在反馈支路

图2.2.2所示为二极管网络接在反馈支路函数发生器及其传输特性。

图2.2.2 二极管网络接在反馈支路函数发生器及其传输特性

图中，运放A1、A2、A3与其相应的外接元件构成具有不同偏置电压值的线性检波器。输入信号vi分段经三个检波器输出，然后送到反相相加器A4，获总输出电压vo。如果VR取正值，则可以作出如图2.2.2(b)所示的传输特性，这一组折线可逼近抛物线。

3. 电压一电流变换电路

在控制系统及测量设备中，通常要利用电压一电流变换电路，进行信号的电压一电流之间的变换。例如，对电流进行数字测量时，首先需将电流变换成电压，然后再由数字电压表进行测量，因而需采用电流／电压（I/V ）变换电路。又如，在远距离监控系统中，必须把监控电压信号变换成电流信号进行传输，以消除传输导线阻抗对信号的影响。

3.1电流／电压变换电路

3.1.1 电流／电压变换原理电路

图3.1.1所示为电流／电压变换原理电路。

图3.1.1 电流／电压变换电路

设A为理想运算放大器，则

可见，输出电压vo正比于输入电流is ，与负载RL无关，实现了I/V变换。图3.1.1所示电路，要求电流源is的内阻Rs必须很大，否则，输入失调电压将被放大 倍，产生很大的误差。而且，电流is须远大于运放输入电流IB。

3.1.2 负载不接地V /I变换电路

图3.1.2所示为负载不接地电压／电流变换原理电路。负载RI接在反馈支路，兼作反馈电

阻。

图3.1.2 V／I变换电路

设A为理想运算放大器，则可见，负载RL的电流大小与输入电压vi成正比例，而与负载大

小无关，实现V /I变换。如果vi不变，则iL为恒流源。

图3.1.2所示电路，最大负载电流受运放最大输出电流的限制；最小负载电流又受运放输入

电流IB的限制而取值不能太小，而且vo＝iL·RL值不能超过运放输出电压范围。

图3.1.3所示为两种负载不接地V /I变换电路，由于输入信号改为直流电压E，故称为恒流源电路。

图3.1.3 负载不接地V /I变换电路（恒流源电路）

3.1.3 负载接地V /I变换电路

图3.1.4所示为负载接地V /I变换电路。

图3.1.4 负载接地V /I变换电路 图3.1.5 负载接地恒流源

4. 电压一频率变换电路

电压一频率变换电路（VFC）能把输入信号电压变换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称之为电压控制振荡器（VCO）。VFC广泛地应用于调频、调相、模／数变换(A/D)、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。由通用模拟集成电路组成的VFC电路，尤其是专用模拟集成V /F转换器，其性能稳定、灵敏度高、非线性误差小。

VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关电路等三部分组成。各种类型VFC 电路的主要区别在于复位方法及复位时间不同而已。下面将讨论由运放构成的各种VFC电路和典型的模拟集成V /F转换器。

4.1运放构成的VFC电路

4.1.1简单的VFC电路

图4.1.1所示为简单的VFC电路。

图4.1.1 简单的VFC电路

从图4.1.1可知，当外输入信号vi＝0时，电路为方波发生器。振荡频率fo为

当 时，运放同相输入端的基准电压由vi和反馈电压Fvvo决定。如vi＞0，则输出脉冲的频率降低，f＜fo ；如vi＜0，则输出脉冲的频率升高，f＞fo。可见，输出信号频率随输入信号电压vi变化，实现V/F变换。

4.1.2复位型VFC电路

复位型VFC电路采用各种不同形式的模拟电子开关对VFC电路中的积分器进行复位。

（1）场效应管开关复位型VFC电路

图4.1.3所示为场效应管开关复位型VFC电路及其波形。

图4.1.3 场效应管开关复位型VFC电路及其波形

由图可知，接通电源后，由于比较器A2的反相输入端仅受VB (VB＞0)的作用，其输出端处于负向饱和状态vo2=vo2L（＜0＝，复位开关管T1栅极电位被箝位在数值很大的负电平上而截止，输出管T2截止，输出电压vo＝VoL(< 0)，VFC电路处于等待状态。

当输入正的信号vi后，反相积分器A1输出端电压Vol从零开始向负方向线性增加，当Vol的幅值| Vol | 略大于VB（注意R2=R4）时，A2输出状态翻转，从负向饱和状态跳变到正向饱和状态,Vo2＝vo2H（＞0，T2饱和导通，Vo＝VoH（＞0），二极管D截止，Tl因栅极开路而导，C1通过Tl快速放电，|Vol| 决速下降，A2的输出状态很快又翻转，vo2 ＝Vo2L ，T2截止，Vo＝VOL，T1截止，vi又通过Al对Cl充电， vol又从接近零值开始向负方向线性增加，重复上述工作过程，因而输出端输出频率与输入信号vi的幅度大小有关的脉冲串。当vi增大时，vo1向负方向增加的速度加快，A2输出端从负向饱和跳变到正向饱和状态的时间提前，脉冲串频率升高；当Vi减小时，则相反，脉冲串频率降低。

（3） 双极型管开关复位型VFC电路

（4） 图4.1.4所示为双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形。

图4.1.4 双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形

由图可知，当接通电源，且输入信号vi＝0时，由于比较器A2反相输入端电位(VD1> 0)高于同相输入端电位（≤0）,A：输出端处于负向饱和状态，Vo＝VoL(<0)。同时，开关管T 截止，积分器A1输出电压Vol=0。VFC电路处于等待状态。

当输入负的信号vi时， vi 经 Al向Cl充电，vol正方向线性增加，当Vol上升到比较器A2的上门限电压 时，A2输出状态翻转，从负向饱和状态跳变到正向饱和状态，vo＝VoH(> 0)。此时，开关管T基极获正偏电压而饱和导通。积分电容Cl通过T快速放电，vol 快速下降。当vol降到A2的下门限电压 时，A2输出又跳变为负向饱和状态，Vo＝VoL。

4.1.3反馈型VFC电路

图4.1.5所示为反馈型VFC电路及其波形。

图4.1.5 反馈型VFC电路及其波形

由图4.1.5可知，它由积分器A1、比较器A2及开关管T组成。开关管不再与积分电容C1并联，而是接在运放A1的反相输入端与地之间。

当接通电源，且vi＝0时，由于VR(< 0)的影响，使A2输出处于负向饱和状态，vo2＝Vo2L(< 0) ,开关管T截止，输出电压vo为低电平VoL。

4.1.4恒流源复位型VFC电路

图4.1.6所示为恒流源复位型VFC电路。

图4.1.6 恒流源复位型VFC电路

所谓恒流源复位，是指在积分电容C放电时，由复位电路产生的电流能使C在短时间内放电的电荷量与较长时间充电所得的电荷量相等，提高VFC的精度，这种电路又称电荷平衡型。如图所示电路，当vi为－1 mV~－10 V范围变化时，输出脉冲频率范围为1 Hz～10 kHz，非线性失真误差低于0.02％，总精度可达0.04％。输出信号的频率与输入信号幅度值成线性正比例关系。

4.2集成化VFC电路

模拟集成V/F, F/V转换器，具有精度高、线性度高、温度系数低、功耗低、动态范围宽等一系列优点，目前已广泛地应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集成V/F、F/V转换器大多采用恒流源复位型VFC电路作基本电路。

4.2.1 LM131系列

LM131系列V /F与F/V转换器，包括LM131/LM131A, LM231/LM231A和LM331/LM331A 几种型号，是电荷平衡型转换器。其工作频率可达到100 kHz；最大线性度，工作频率f＝10 kHz时为0.01％，f＝100 kHz时为0. 014％（外增设运放OP）；低功耗，Vcc = 5 V 时为15 mW；输出脉冲电平可与TTL、CMOS电路兼容。

图4.2.4所示为LM331和运放A (tcA741)构成的精密V /F转换电路。

图4.2.4 LM331 V/F转换电路

电路中，LM331的阀值电压端加上比较电平Vth6= Vcc/2＝7.5V，7脚输入的比较电压由外输入信号vi经运放A及Ri、Cf构成的反相积分器产生。当积分器输出电压v7≥v6 =Vth6时，芯片内单稳态定时电路中的R-S触发器置位， ，电流开关SW把镜象电流源is接通1脚流出，对Cf反方向充电，使积分输出电压下降，v7＜Vth6 ，

芯片内单稳态定时电路中的放大管T截止，＋Vcc经Rt对Ct充电，vct上升，

当时，R-S触发器复位，

，电流开关SW把is短接到地，放电管T导通，Ct通过T 快速放电， 又对Cf正向充电，积分器输出电压正向线性增加，v7上升。当 时，R-S触发器又置位。如此循环往复，在输出端3脚产生一个频率为fo的脉冲波。

图4.2.5所示为LM331和运放A构成的精密FVC电路。电路中，运放A作缓冲级，并构

成二阶有源滤波器，当工作频率f＞1 kHz时，纹波电压峰值小于5 mV，而且响应速度快。

图4.2.6所示为LM331与单片微处理器构成的数字化测量仪中的数据处理及显示电路。

图4.2.6 LM331数据处理及显示电路

由图可知，多路模拟开关4052、程控放大器OP及低通滤波器Ri , Ci，对传感器产生0～5 V的模拟输入信号进行预处理。4052的八个通道，其中四个通道用于信号输入选通，而其中

一个通道接地，另三个通道连接在一起，可以在程序控制下，实现测量时的自动去零及量程

的自动转换，如三个通道分别接不同传感器产生的模拟信号，则可以实现多信号检测；八个通道中的另外四个通道与运放OP配合构成程控增益放大器，对小输入信号预放大。阻容滤波器RLCL用于滤除微小的尖峰脉冲。LM331实现模拟输入信号电压转换成频率变化的信号。微处理器部分由单片微处理器CPU 8031、程序存贮器2732、可编程接口8155及缓冲器和显示器等组成。

电路中，采用计数法来测量LM331输出的频率信号。8031芯片内的两个定时／计数器To和T1，置To为计数方式1，T1为定时方式1，定时时间为100 ms，溢出十次可获得1秒的定时，此刻T。的计数值即为LM331输出的频率值。微处理器把双字节二进制的计数又转换成5位BCD码，以便译码显示出待测的输入电压数值。

本系统的软件应包括测频，V/F转换非线性补偿、数据的转换及显示等模块。

4.2.2 AD650

AD650是单片集成电荷平衡型V /F及F/V转换器。其工作频率f可达到1 MHz，具有输出连续跟踪输入、线性好的特点。最大线性度，f=10 kHz时为0.002％，f=100 kHz时为0.005％，f=1 MHz时为0.07％。输入失调可调整至零，输出可与CMOS和TTL电平兼容。 图4.2.9所示为各类型输入电压时的AD650 VFC电路。三个电路中的AD650芯片，除2～4脚外，其余各引脚外围电路接法完全相同。其中，图(a)为单极性正输入电压电路，与图2-4-14原理电路一样，正输入电压经积分电阻加到积分运放A1的反相输入端3脚，A1的同相输入端2脚接模拟地，由信号源提供积分电流来驱动AD650 0双极性失调电流调整端4脚不用，悬空。图(b)为单极性负输入电压电路，负输入电压加到积分器A1同相输入端，因A1两输入端“虚短”，故积分电流是通过R1、R3从模拟地（信号源正极）取出。4端不用，悬空。电路工作原理与图(a)基本相同，外围元件参数选择原则亦相同。图(c )为双极性（士5V）输入电压电路。双极性输入电压经积分电阻加到A1的反相输入端，同相输入端2脚接10 kΩ电阻到模拟地。4脚外接1. 24 kΩ的电阻到负电源端5脚，可得到标称值为0. 5 mA

(10％)的偏移电流源，使2脚得到 的偏移电压。因A1两输入端“虚短”，即3脚电压 ，所以当输入信号

时，积分电流

。电路工作原理与图2-4-14所示原理电路相同。

图4.2.9 各类型输入电压时的AD650 VFC 电路

图4.2.10所示为AD650 FVC 电路。

图4.2.10 AD650 FVC电路

负极性频率信号经微分网络Cd和Rd后从比较器A2的反相输入端9脚输入，当负脉冲到，其前沿产生负向尖脉冲，使vo＜Vth＝一0. 6 V ，比较器输出变高电平，触发单稳态电路进入暂稳定状态，输出高电平，使电流开关SW与积分器A1的反相输入端相接，恒流源is 置入A1的反相输入端，对积分电容CINT充电，同时有漏电流流经R1和R3，积分输出电压vo线性上升，单稳态电路结束暂稳定状态，回到稳定状态后，CINT对R1、R3慢放电。下一个负脉冲到，电路又重复上述过程。可见，输出电压vo的平均值与输入负脉冲的频率成正

比，实现频率一电压转换功能。