模擬電子技術(shù)(江曉安)(第三版)第7章

1、 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 第七章第七章 集成運算放大器的應(yīng)用集成運算放大器的應(yīng)用 7.1 集成運放應(yīng)用基礎(chǔ)集成運放應(yīng)用基礎(chǔ) 7.2 運算電路運算電路 7.3 有源濾波電路有源濾波電路 7.4 電壓比較器電壓比較器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.1 集成運放應(yīng)用基礎(chǔ)集成運放應(yīng)用基礎(chǔ)7.1.1 低頻等效電路低頻等效電路 在電路中我們將集成運放作為一個完整的獨立器件來對待。因此,計算、分析時將集成運放用等效電路來代替。由于集成運放主要用在頻率不高的場合,所以我們只討論在低頻時的等效電路,如圖71所示。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 - 1 集成運放低頻等效電路 第七章 集成運算放大器

2、的應(yīng)用 7.1.2 理想集成運算放大電路理想集成運算放大電路 (1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=; (2) 輸入電阻rid=; ric=； (3) 輸入偏置電流IB1=IB2=0; (4) 失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO以及它們的溫漂 均為零。 (5) 共模抑制比CMRR=; (6) 輸出電阻rod=0; (7) -3dB帶寬fh=; (8) 無干擾、 噪聲。 dTdIdTdUIOIO、 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.1.3 集成運放的線性工作區(qū)集成運放的線性工作區(qū) 放大器的線性工作區(qū)是指輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成正比時的輸入電壓Ui的取值范圍。記作Ui minUi max。 uoiuoi

3、iuOAUUAUUUAUmaxmaxminmin,Uo與Ui成正比, 可表示為 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 odod()oUAUUA U(7-1) 代表運放同相輸入端的電位； U代表運放反相輸入端的電位； 其中, 與都是運放的差模輸入電壓, 只是兩者的規(guī)定正方向相反。 當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)時, 作為一個線性放大器件, 它的輸出信號和輸入信號之間滿足如下關(guān)系: UUUUUUU_U_U 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 例如F007開環(huán)時Aod=105, UOL=-10V, UOH=+10V, 則其線性區(qū)為-0.1mV+0.1mV。 如果外加負(fù)反饋, 使閉環(huán)增益Auf=100, 則mVVAUAUU

4、mVVAUAUUufOHufoiufOLufoi1001 . 0100101001 . 010010maxmaxminmin 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 0ooodUUUAUU無究小量 對于理想運放, 由于Aod=, Uo是有限值, 所以當(dāng)其工作在線性狀態(tài)時, 由公式 (7 - 1)可得 (72) 即 這一特性稱為理想運放輸入端的“虛短路”特性。若某兩點之間的電位差趨近于零,但始終不等于零(指有效值),則稱這兩點之間是“虛短路”?！疤摱搪贰焙汀岸搪贰眱烧呓厝徊煌！疤摱搪贰钡膬牲c之間,仍然有信號電壓,盡管該電壓十分微??；“短路”的兩點之間,信號電壓為零。若運放兩輸入端之間是“短路”而不是“虛

5、短路”,則表明運放無信號輸入,當(dāng)然也就無信號輸出。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 00idicicUIIrUIIr無究小量無究小量由于理想運放的輸入電阻rid=,而加到運放輸入端的電壓U+-是有限值,所以流過運放兩個輸入端的電流I+與I-為 (73(a) 同理,在共模電壓Uic的作用下 (73(b) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.1.4 集成運放的非線性工作區(qū)集成運放的非線性工作區(qū) 運放的非線性工作區(qū)是指其Uo與 不成比例時, 的取值范圍。 在非線性工作區(qū)UUudoUA U 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 2 理想運放開環(huán)傳輸特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 ,(74),oOHoO

6、LoLoOHUUUUUUUUUUUUU當(dāng)時正向飽和當(dāng)時負(fù)向飽和當(dāng)時狀態(tài)不定 由于理想運放的rid=ric=, 而輸入電壓總是有理值, 所以不論輸入電壓是差模信號還是共模信號,流過兩輸入端的電流及均為無窮小量, 即II0II無窮小量 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.2 運運 算算 電電 路路7.2.1 比例運算電路比例運算電路 1.反相比例運算電路反相比例運算電路 反相比例運算電路又叫反相放大器,其電路如圖73所示。圖中R1相當(dāng)于信號源的內(nèi)阻,Rf是反饋電阻,它引入并聯(lián)電壓負(fù)反饋,由于運放的Aod非常大,所以Rf引入的是強負(fù)反饋,運放工作在線性區(qū)。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 3 反

7、相比例運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 根據(jù)線性區(qū)“虛短”時U=U+，“虛斷”時I-=I+=0，則 0UI R從而 0UU稱此關(guān)系為“虛地”。根據(jù)“虛地”的概念，得輸出電壓為OffUI R 而 if111iUUUIIRR 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 i1foRUUR 代入Uo表達式中得該式表明, Uo與Ui是比例關(guān)系, 其比例系數(shù)是Rf/R1, 負(fù)號表示Uo與Ui相位相反。 作為一個放大器, 其閉環(huán)增益、輸入電阻、輸出電阻分別為0111oiiffioufrRIUrRRUUA(7-6)(7-7)(7-8)(7-9) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 由于U+=U-0,所以該電路的共模輸入分量

8、很微小,因此對運放的共模抑制比要求不高,這是其突出的優(yōu)點。因為集成運放畢竟不是理想的,總存在輸入偏置電流IIB、輸入失調(diào)電流IIO、輸入失調(diào)電壓UIO及它們的溫漂,所以要求從集成運放的兩個輸入端向外看的等效電阻相等,我們稱這為平衡條件,在同相端應(yīng)接入平衡電阻R。上述結(jié)論對于雙極性管子制成的集成運放均適用。當(dāng)輸入電阻很高時,對此要求不嚴(yán)格。對此例，R=R1Rf。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 2. 同相比例運算電路同相比例運算電路同相比例運算電路又叫同相放大器,電路如圖74所示。圖中R1與Rf引入深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋,所以運放工作在線性區(qū)。平衡電阻,R=R1Rf。 從電路圖74求得 1o1fRUU

9、RR則 11_foRUUR 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 4 同相比例運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 11foiRUURIUrRRUUAiifiouf110or電壓增益 輸出電阻 根據(jù)“虛短”時U=U+，“虛斷”時I=If，可得U+=Ui，代入Uo表達式得 (710)(711) 輸入電阻 (712) (713) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 若圖 7 - 4 中的R1=或Rf=0, 則Uo=Ui, 此時, 該電路構(gòu)成電壓跟隨器, 分別如圖 7 - 5(a)、 (b)所示。圖 7 - 5(a)中, Rf具有限流保護作用, R=Rf, 以滿足平衡條件。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用

10、 圖 7 5 電壓跟隨器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 3. 差動比例運算電路差動比例運算電路差動比例運算電路又叫差動放大器,電路如圖76所示。圖中Rf引入強電壓負(fù)反饋,相對于Ui1而言,是并聯(lián)電壓負(fù)反饋,相對于Ui2而言是串聯(lián)電壓負(fù)反饋。R1與R2分別是兩個信號源的等效內(nèi)阻,Rp是補償電阻。 由于運放工作在線性區(qū),所以可以利用疊加原理求得 21oooUUU式中Uo1是Ui1工作，而Ui2=0時的輸出電壓；Uo2是Ui2工作,而Ui1=0時的輸出電壓。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 6 差動比例運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 )(111211foifoRRRUUURRU1222

11、212112112ipippfoippfoippURRURRRRRRUURRRRPRUURRRUU因為 所以 所以 (714) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 若滿足平衡條件 R1Rf=R2Rp， 則 1212ififoURRURRU若滿足對稱條件 R1=R2, Rf=Rp，則 )()(211211iifoiifoUURRUUURRU或 (715) (716) (717) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 當(dāng)滿足對稱條件時, 其差模電壓增益Aud為 02112121oiiiidfiioudrRRIUUrRRUUUA差模輸入電阻為 輸出電阻 (718) (719) (720) 第七章 集成運算放大器的

12、應(yīng)用 7.2.2 求和電路求和電路1. 反相求和電路反相求和電路 反相求和電路如圖77所示,圖中畫出三個輸入端,實際中可根據(jù)需要增減輸入端的數(shù)量。Rf引入深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋,R1、R2、R3分別是各個信號源的等效內(nèi)阻,R是平衡電阻,R=R1R2R3Rf。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 7 反相求和電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 因為Rf引入負(fù)反饋, 所以運放工作在線性區(qū), 故_0,0IIUU R 。321321321RURURUIIIIiiif123123fffoffiiiRRRUI RUUURRR (721) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 反相求和電路可以模擬如下方程: )(22

13、1100XaXaXaY例如, 要求用集成運算放大器實現(xiàn) )52(321iiioUUUU如果Rf=100k, 電路如圖7 - 7所示, 則只要選取 21RRfkR50112RRf53RRfkR1002kR203 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 則kkkkkR1 .1120/100/100/50圖 7 - 7 所示電路對 呈現(xiàn)的輸入電阻分別為321iiiUUU、0332211332211oiiiiiirRIUrRIUrRIUr輸出電阻為 (7-22)(7-23)(7-24)(7-25) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 2. 同相求和電路同相求和電路 同相求和電路如圖78所示,Rf與R1引入了串聯(lián)電壓負(fù)

14、反饋,所以運放工作在線性區(qū)。因為I-=0,U-=U+，所以 11111111()()offfffUI RI RI RRRRURRURR因為 ， 所以0,IUU0cbaIII 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 8 同相求和電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 3120iiiabcUUUUUURRR即 因為 312iiiabcUUUURRRR 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 式中 R=RaRbRc，所以cibiaifoRURURURRRRU32111若滿足平衡條件R=RaRbRc=R=R1Rf，則321icfibfiafoURRURRURRU(7-26)(7-27) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用

15、該電路對 所呈現(xiàn)的輸入電阻分別為321iiiUUU、bacciicabbiicbaaiiRRRIUrRRRIUrRRRIUr/332211輸出電阻為 0or(7-28)(7-29)(7-30)(7-31) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 3. 代數(shù)求和電路代數(shù)求和電路 代數(shù)求和電路如圖79所示,Rf引入電壓負(fù)反饋,所以,運放工作在線性區(qū)。顯然,該電路是由反相求和電路和同相求和電路合并而成。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 9 代數(shù)求和電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 令 , 在 作用下, 則043iiUU21iiUU 和021iiUU 令 , 在 作用下, 則43iiUU 和21121i

16、fifoURRURRU)(43243ififoURRURRRRU式中, R=R3R4, R=R1R2Rf 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 故 2143122143)(ififififoooURRURRURRURRRRUUU若滿足平衡條件 R=R， 則21432143ififififoURRURRURRURRU(732) (733) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 10 代數(shù)求和電路的常用形式 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 由于理想運放的輸出電阻為零, 所以其輸出電壓Uo不受負(fù)載的影響。當(dāng)多級理想運放相連時, 后級對前級的輸出電壓Uo不產(chǎn)生影響。 2114312143ififoffoifif

17、oURRURRURRUURRURRU21432143ififififoURRURRURRURRU(734) (735) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.2.3 積分電路和微分電路積分電路和微分電路 1. 積分電路積分電路 積分電路可以完成對輸入電壓的積分運算,即其輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。由于同相積分電路的共模輸入分量大,積分誤差大,應(yīng)用場合少,所以本書不予論述,請參閱本章習(xí)題29和習(xí)題30。反相積分電路如圖711所示,電容器C引入交流并聯(lián)電壓負(fù)反饋,運放工作在線性區(qū)。由于積分運算是對瞬時值而言的,所以各電流電壓均采用瞬時值符號。后面的微分電路等也如此。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用

18、圖 7 11 反相積分電路基本形式 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 OCuuu 由電路得 因為“-”端是虛地, 即 , 并且 0U)0(1CCCudtiCu式中uC(0)是積分前時刻電容C上的電壓, 稱為電容端電壓的初始值。 所以 )0(1CCCOudtiCuu 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 把 代入上式得RuiiC11)0(11COudtuRCu當(dāng)uC(0)=0 時11dOuu tRC 若輸入電壓是圖7-12(a)所示的階躍電壓, 并假定uC(0)=0, 則t0時, 由于uI=E, 所以1dOEuEttRCRC (7-36)(737) (738) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 12 基本

19、積分電路的積分波形 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 當(dāng)時間在t1 t2期間時, uI=+E, 電容充電, 其初始值 當(dāng)時間在0t1期間時, uI=-E, 電容放電101dtOEuE ttRCRC 當(dāng)t=t1時，uO=+Uom。 21211)(11ttomttCCUdtERCtudtERCuomOCUtutu)()(11omomttCOUtRCEUdtERCuu211所以 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 當(dāng)t=t2時, uO=-Uom。 如此周而復(fù)始, 即可得到三角波輸出。 圖7 13 實際積分運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 2.微分電路微分電路 圖7 14 微分電路 第七章 集成運算放大器

20、的應(yīng)用 因為 , 并且“-”端是虛地, 所以 _0i dtduRCRiRiuCFO1(739) 可見uO與輸入電壓uI成正比。 基本微分電路由于對輸入信號中的快速變化分量敏感,所以它對輸入信號中的高頻干擾和噪聲成分十分靈敏,使電路性能下降。在實際的微分電路中,通常在輸入回路中串聯(lián)一個小電阻,如圖714(b)所示,但是,這將影響微分電路的精度,故要求R1要小。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.2.4 對數(shù)和指數(shù)運算電路對數(shù)和指數(shù)運算電路 1. 對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路 1TDUuSDeIi當(dāng) 時， ，所以, 將反相比例電路中的Rf用二極管或三極管代替, 即可組成對數(shù)運算電路, 如圖7 - 15

21、所示。 TDUu TDUuSDeIi 對數(shù)運算電路的輸出電壓是輸入電壓的對數(shù)函數(shù)。由于二極管的電流與它兩端電壓有如下關(guān)系: 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 15 基本對數(shù)運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 TDUuSDeIIi1當(dāng)二極管正向?qū)〞r 由于“-”端是虛地， 所以 Rui11DOuu)0(111uRIunUuSTO(7-40)(7-41)(7-42) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 16 用三極管的對數(shù)運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 2. 指數(shù)運算電路指數(shù)運算電路 指數(shù)運算是對數(shù)運算的逆運算,所以也稱做反對數(shù)運算,其基本電路如圖717所示。 圖 7 17 基本指數(shù)

22、運算電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 由于“-”端是虛地, 所以二極管的端電壓uD為11Duuuu當(dāng)uIUT時TUuSDeII1又因為 ，所以iF=iD，故0iTUuSDFOIRiRiu1Re(743) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.2.5 乘法運算電路乘法運算電路 YXYXOuunununu)11 (11乘法運算電路簡稱乘法器。最簡單的乘法器的框圖如圖718所示。其輸出電壓uO為 (744) 式中uX及uY均應(yīng)為正值。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 18 簡單乘法器框圖 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 YXOukuu 2111kuukuukuuYXO上述乘法器只能對正數(shù)實現(xiàn)乘法運

23、算,如果輸入量是負(fù)數(shù),則該電路不能正常工作。為此,人們設(shè)計了對正數(shù)和負(fù)數(shù)均可實現(xiàn)乘法運算的集成乘法器,其電路符號如圖719所示。圖中X和Y是兩個輸入端, Z是輸出端。k是運算系數(shù),其值由生產(chǎn)廠家給出。其輸出電壓uO為 (745) 式中uX和uY均可以取正值或負(fù)值。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 19 集成乘法器電路符號 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 20 除法電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 因為運放的“-”端是虛地, 并且 , 所以 0i0211RuRuZX因為 ，由以上兩式得OXZukuu22112XXOuukRRu正確地選取R1與R2的值, 使R2/R1=k, 則21X

24、XOuuu(7-46) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 21 開平方電路(uI0) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 因為運放的“-”端是虛地, 并且 , 所以0i0211RuRuZ而 故,211OZkuuuu112ukRRuO正確地選取R1與R2的值, 使R2/R1=k, 則 1uuO(7-47(a)(7-47(b) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 【例1】 圖 7 - 22 是一個由理想運放構(gòu)成的高輸入阻抗放大器, 求其輸入電阻ri。 圖 7 22 高輸入阻抗放大器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 解解 兩個運放都外加有負(fù)反饋, 所以都工作在線性區(qū)。iooioioiiUURRUURRURUU

25、RUIII2221121122111111RRRRURRRRUIUrURRRRIiiiiiii當(dāng) 時, 。一般為防止自激,以保證ri為正值,R要略大于R1。 01 RRir(7-48) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.3 有源濾波電路有源濾波電路 濾波器的作用是允許規(guī)定頻率范圍之內(nèi)的信號通過,而使規(guī)定頻率范圍之外的信號不能通過(即受到很大衰減)。按其工作頻率的不同,濾波器可分為下述幾種不同類型。低通濾波器:允許低頻信號通過,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:允許某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過,將此頻帶以外的信號衰減。帶阻濾波器:阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過,

26、而允許此頻帶以外的信號通過。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 在電路分析課程中,利用電阻、電容等無源器件可以構(gòu)成簡單的濾波電路,稱為無源濾波器。圖723(a)、(b)所示分別為低通濾波電路和高通濾波電路。圖723(c)、(d)分別為它們的幅頻特性。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖圖7 23 無源濾波器及其幅頻特性無源濾波器及其幅頻特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 111111111111111ouoouooUj CAj RCURjj CURAURjj Cj RCRC圖7 - 23(a)中： 圖7 - 23(b)中： 它們的截止角頻率均為 (7-49)(750) (751) 第七章 集成運算放

27、大器的應(yīng)用 無源濾波電路主要存在如下問題: (1) 電路的增益小, 最大僅為1。 (2)Q值小。 (3) 帶負(fù)載能力差。如在無源濾波電路的輸出端接一負(fù)載電阻RL, 如圖7 - 23(a)、 (b)虛線所示, 則其截止頻率和增益均隨RL而變化。以低通濾波電路為例, 接入RL后, 傳遞函數(shù)將成為 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 11)1 (11/1/1ouLLLLLLLLLLLLujACRjRRRRRCRjRCRjRRCRjRRCjRRCjA(752) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 式中 CRRRRARRRLoLLuLL1/可見增益 , 而截止頻率。為了克服上述缺點, 可將RC無源網(wǎng)絡(luò)接至集成運放的

28、輸入端, 組成有源濾波電路。 1RRRALLuRCCRoLu11 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.3.1 低通濾波電路低通濾波電路 低通濾波電路如圖724所示,在圖724(a)中無源濾波網(wǎng)絡(luò)RC接至集成運放的同相輸入端,在圖724(b)中RfC接至反相輸入端。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 24 低通濾波電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 oupffojARCjRRAURCjCjRUCjUURRU1111111111111輸出電壓為 而 所以傳遞函數(shù)為 (753) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 低通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)是當(dāng)工作頻率趨近于零時, 其輸出電壓Uo與其輸入電壓Ui的比值,

29、 記作Aup；截止角頻率是隨著工作頻率的提高, 電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù)的模)下降到 時, 對應(yīng)的角頻率, 記作o。 對于圖 7 - 24(a)： 2/upARCRRAofup111(754) (755) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 25 低通濾波電路的幅頻特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 1111,fupoofupRARAjjRAR CRfo1以同樣的方法可得圖724(b)的特性:式中 由上述公式可見,我們可以通過改變電阻Rf和R1的阻值調(diào)節(jié)通帶電壓放大倍數(shù),如需改變截止頻率,應(yīng)調(diào)整RC(圖724(a)或RfC(圖724(b)。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 26 二階低通濾波

30、電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.3.2 高通濾波電路高通濾波電路 圖7 27 高通濾波電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 以圖7 - 27(a)為例進行講解。 1ii11)1111j11)11foifoRUURRUUURCj RCRUURj RC所以 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 則 up1jooiAUAURRAAfup1RCupAAo12式中Aup為通帶電壓放大倍數(shù) 通帶截止角頻率 (756) (757) (758) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 28 高通濾波器的幅頻特性 其幅頻特性如圖7 - 28所示。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 同樣的方法可以得到圖7 - 27(b)的

31、特性 oupofjAjRRA111CRRRAfofup11式中 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 29 二階高通濾波電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.3.3 帶通濾波電路和帶阻濾波電路帶通濾波電路和帶阻濾波電路 將截止頻率為h的低通濾波電路和截止頻率為l的高通濾波電路進行不同的組合, 就可獲得帶通濾波電路和帶阻濾波電路。如圖7 - 30(a)所示, 將一個低通濾波電路和一個高通濾波電路“串接”組成帶通濾波電路, h的信號被低通濾波電路濾掉, l的信號被高通濾波電路濾掉, 只有當(dāng)lh時信號才能通過, 顯然, hl才能組成帶通電路。圖7 - 30(b)為一個低通濾波電路和一個高通濾波電路“

32、并聯(lián)”組成的帶阻濾波電路, h信號從低通濾波電路中通過, l的信號從高通濾波電路通過, 只有hl的信號無法通過, 同樣, hl才能組成帶阻電路。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 30 帶通濾波和帶阻濾波電路的組成原理圖 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 31 帶通濾波和帶阻濾波的典型電路 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.4 電電 壓壓 比比 較較 器器 當(dāng) 時, Uo=UOH(正向飽和)當(dāng) 時, Uo=UOL(負(fù)向飽和)當(dāng) 時, UOLUoUOH(狀態(tài)不定)UUUUUU電壓比較器中的集成運算放大電路通常工作在非線性區(qū),即滿足如下關(guān)系: (759) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 1. 比

33、較器的閾值比較器的閾值 比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生跳變的時刻, 所對應(yīng)的輸入電壓值叫作比較器的閾值電壓, 簡稱閾值；或叫門限電壓,簡稱門限。記作UTH。 2. 比較器的傳輸特性比較器的傳輸特性 比較器的輸出電壓uO與輸入電壓uI之間的對應(yīng)關(guān)系叫作比較器的傳輸特性, 它可用曲線表示, 也可用方程式表示。 3. 比較器的組態(tài)比較器的組態(tài) 若輸入電壓uI從運放的“-”端輸入, 則稱為反相比較器；若輸入電壓uI從運放的“+”端輸入, 則稱為同相比較器。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.4.1 簡單電壓比較器簡單電壓比較器 簡單電壓比較器通常只含有一個運放,而且多數(shù)情況下,運放是開環(huán)工作的。它只有一個門限電

34、壓,所以又稱為單限比較器。圖732是兩個最簡單的簡單電壓比較器,其中圖(a)是反相比較器，圖(b)是同相比較器。按照閾值的定義,可以求得這兩個比較器的閾值UTH均為UR。UR是參考電壓,它可以是正值,也可以是負(fù)值,或者是零。當(dāng)UR0時,圖732(a)、(b)的電壓傳輸特性分別如圖733(a)、(b)所示。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 32 簡單電壓比較器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 33 簡單電壓比較器的傳輸特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 【例2】 在圖7-32(a)所示的電路中, 輸入電壓uI為正弦波, 畫出UR0, UR0, UR=0 時的輸出電壓波形。 解解 由圖

35、 7 - 32(a)求得： UTH=UR所以, 當(dāng)UR0時, UTH0； UR0時, UTH0； UR=0時, UTH=0。 三種情況下的輸出電壓波形如圖 7 - 34 所示。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 34 例 2 輸出波形 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 35 具有輸入保護和輸出限幅的比較器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 7.4.2 滯回比較器滯回比較器 簡單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單,而且靈敏度高,但它的抗干擾能力差,如果輸入信號因受干擾在閾值附近變化,如圖736(a)所示,現(xiàn)將此信號加進同相輸入的過零比較器,則輸出電壓將發(fā)生不應(yīng)該出現(xiàn)的跳變,輸出電壓波形如圖736(b)所示。

36、用此輸出電壓控制電機等設(shè)備,將出現(xiàn)錯誤操作,這是不允許的。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 36 噪聲干擾對簡單比較器的影響 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 滯回比較器能克服簡單比較器抗干擾能力差的缺點,滯回比較器如圖737所示。圖737(a)為同相滯回比較器,圖737(b)為反相滯回比較器。滯回比較器具有兩個閾值,可通過電路引入正反饋獲得。 3212323ROuURRuuuRRRR從圖7 - 37(a)可得 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 37 滯回比較器 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 uu當(dāng) 時所對應(yīng)的uI值就是閾值, 即 ORTHuRRURRU32321OLRTHURRURRU32

37、3211OHRTHURRURRU323212當(dāng)uO=UOL時得上閾值: 當(dāng)uO=UOH時得下閾值： (760) (761) (762) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖7 38 滯回比較器的傳輸特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 同樣的方法可求得反相滯回比較器的閾值電壓和傳輸特性: 32231RRURURUOHRTH32232RRURURUOLRTH(763) (764) 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 【例3】 指出圖7 - 39中各電路屬于何種類型的比較器, 并畫出相應(yīng)的傳輸特性。設(shè)集成運放UOH=12V, UOL=-12V, 各穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Uz=6V, VDz和VD 的正向?qū)▔航礥D=

38、0.7V。 圖7 39 例3圖 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 解解 圖 7 - 39(a)是一個同相簡單電壓比較器。 因為 , 所以可利用疊加原理求得0ii2111212RRRuuURRRR而 ，故0uVURRuURuuTH5 . 7211VUUVUUDOLzOH7 . 0,6該比較器的輸出高電平 及輸出低電平 分別為OHUOLU 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 圖 7 40 例 3 的傳輸特性 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 根據(jù)閾值的定義, 要求解UTH, 應(yīng)當(dāng)在 的時刻進行。 這里 是指二者真正相等, 而不是指“+”端與“-”端之間虛短路。 當(dāng) 時, , uO=0。而 uu0u0uui R所以, VDz的端電壓的絕對值uDz為0DzOuuuuuuu 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 可見, 在 時, 穩(wěn)壓管VDz必定截止, 可視之為開路因此, 應(yīng)當(dāng)在VDz開路的情況下, 求解圖 7 - 39(b)的UTH。 此時uu11,00THuuuu ui RUu故 所以該電路是過零比較器。 第七章 集成運算放大器的應(yīng)用 當(dāng)uI0時, 穩(wěn)壓器VDz不是反向擊穿, 就是正向?qū)?。在這兩種情況下, VDz的等效電阻都不大, 因而可以對運放產(chǎn)生很強的負(fù)反饋。所以該比較器中的運放是工作在線性