模擬電子技術(shù)章五

第5章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用5.1集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路5.2集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)處理電路 運(yùn)算放大器最早應(yīng)用于模擬信號(hào)的運(yùn)算，故此得名。本章首先介紹由集成運(yùn)算放構(gòu)成的運(yùn)算電路，包括比例電路、求和電路和積分、微分電路，然后介紹兩種常用的模擬信號(hào)處理電路：有源濾波器和電壓比較器。5.1集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路 集成運(yùn)放外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、乘法、除法、積分、微分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)等運(yùn)算。此時(shí)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。比例運(yùn)算電路 將輸入信號(hào)按比例放大的電路，稱為比例運(yùn)算電路。比例運(yùn)算電路是集成運(yùn)算放大電路的主要放大形式之一。1.反相比例運(yùn)算電路 反相比例運(yùn)算電路又叫反相放大器，其電路如圖5.1所示。圖5.1反相比例運(yùn)算電路2.同相比例運(yùn)算電路 同相比例運(yùn)算電路又叫同相放大器。如圖5.2所示，R1與Rf引入深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，所以運(yùn)放工作在線性區(qū)。圖5.2同相比例運(yùn)算電路3.差分比例運(yùn)算電路 圖5.3中,Rf引入強(qiáng)電壓負(fù)反饋，相對(duì)于uI1而言，是并聯(lián)電壓負(fù)反饋，相對(duì)于uI2而言是串聯(lián)電壓負(fù)反饋。圖5.3差分比例運(yùn)算電路求和電路1.反相求和電路 反相求和電路如圖5.4所示，以3個(gè)輸入端為例，實(shí)際中可根據(jù)需要增減輸入端的數(shù)量。圖5.4反相求和電路 反相求和電路的優(yōu)點(diǎn)是，便于調(diào)整，可以十分方便地調(diào)整某一路的輸入電阻，改變?cè)撀返谋壤禂?shù)，而不影響其他路的比例系數(shù)，因此，反相求和電路用得較為廣泛。2.同相求和運(yùn)算 圖5.5所示為同相求和運(yùn)算電路。它是同相輸入端有兩個(gè)輸入信號(hào)的求和運(yùn)算電路。與同相比例運(yùn)算電路相比，這個(gè)同相求和電路只是增加了一個(gè)輸入回路。圖5.5同相加法運(yùn)算電路積分電路和微分電路1.積分電路 積分電路的輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系，積分電路可以實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。它在模擬計(jì)算機(jī)、積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)生矩陣波、三角波等電路中均有廣泛應(yīng)用。 根據(jù)輸入電壓加到集成運(yùn)放的反相輸入端，有反相積分電路和同相積分電路兩種基本形式。積分電路在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要注意如下兩點(diǎn)。①因?yàn)榧蛇\(yùn)放和積分電容器并非理想器件，會(huì)產(chǎn)生積分誤差，情況嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。因此，應(yīng)選擇輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂小的集成運(yùn)放；選用泄漏電阻大的電容器以及吸附效應(yīng)小的電容器。 ②應(yīng)用積分電路時(shí)，動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍也要考慮。集成運(yùn)放的輸出電壓和輸出電流不允許超過(guò)它的額定值UOM和UOM。因而對(duì)輸入信號(hào)的大小或積分時(shí)間應(yīng)有一定的限制。2.微分電路（1）基本微分電路 微分是積分的逆運(yùn)算，即輸出電壓與輸入電壓成微分關(guān)系，用來(lái)確定改變著的信號(hào)的變化速率。只要將反相積分中的R和C位置互換，就可構(gòu)成基本的微分電路，如圖5.11所示。圖5.11微分運(yùn)算電路（2）實(shí)用微分電路 當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變時(shí)，有可能超過(guò)集成運(yùn)放的最大輸出電壓，嚴(yán)重時(shí)將使微分電路不能正常工作。在R兩端并聯(lián)穩(wěn)壓管，限制輸出幅度，加一個(gè)小電阻R1和C串聯(lián)，以限制噪聲和突變的輸入電壓。改進(jìn)后的微分電路如圖5.13所示。圖5.三13實(shí)用三微分三電路5.三2集成三運(yùn)算三放大三器構(gòu)三成的三信號(hào)三處理三電路集成三運(yùn)放三最早三用于三模擬三電子三計(jì)算三機(jī)中三，完三成對(duì)三信號(hào)三的數(shù)三學(xué)運(yùn)三算。三隨著三近代三集成三運(yùn)放三的發(fā)三展，三使用三范圍三超出三運(yùn)算三范圍三，滲三透到三電子三技術(shù)三的各三個(gè)領(lǐng)三域，三在各三種模三擬信三號(hào)和三脈沖三信號(hào)三的測(cè)三量、三處理三、產(chǎn)三生、三變換三等方三面也三都獲三得了三廣泛三的應(yīng)三用。三下面三介紹三其在三信號(hào)三處理三方面三的應(yīng)三用。有源三濾波三器濾波三器是三一種三能使三部分三頻率三的信三號(hào)順三利通三過(guò)而三其他三頻率三的信三號(hào)受三到很三大衰三減的三裝置三，在三信息三處理三、數(shù)三據(jù)傳三送和三抑制三干擾三等方三面經(jīng)三常使三用。三早期三的濾三波電三路多三由電三阻、三電容三、電三感組三成，三為無(wú)三源濾三波器三。由三于其三低頻三下工三作時(shí)三所用三電感三較大三且品三質(zhì)因三數(shù)較三低，三因而三影響三濾波三效果三。近些三年來(lái)三，產(chǎn)三生了三由集三成運(yùn)三放組三成的三有源三濾波三電路三，它三體積三小，三選擇三性好三，還三可使三所處三理信三號(hào)放三大。三不足三之處三是集三成運(yùn)三放需三要電三源，三且工三作電三流過(guò)三大時(shí)三運(yùn)放三會(huì)飽三和，三在高三頻下三運(yùn)放三的增三益會(huì)三下降三，故三在高三頻下三運(yùn)用三受限三。1.低通三濾波三器低通三濾波三器是三指低三頻信三號(hào)能三通過(guò)三而高三頻信三號(hào)不三能通三過(guò)的三濾波三器。低通三濾波三電路三如圖5.三15所示三，在三圖5.三15三(a三)中無(wú)三源濾三波網(wǎng)三絡(luò)RC接至三集成三運(yùn)放三的同三相輸三入端三，在三圖5.三15三(b三)中RfC接至三反相三輸入三端。三下面三以圖5.三15三(a三)為例三進(jìn)行三講解三。圖5.三15低通三濾波三電路一階三濾波三電路三的缺三點(diǎn)是三，當(dāng)ω≥三ω0時(shí)，三幅頻三特性三衰減三太慢三，以-2三0d三B／10倍頻三程的三速率三下降三，與三理想三的幅三頻特三性相三比相三差甚三遠(yuǎn)，三如圖5.三16所示三。為三此可三在一三階濾三波電三路的三基礎(chǔ)三上，三再增三加一三級(jí)RC，組三成二三階濾三波電三路。三它的三幅頻三特性三在ω≥三ω0時(shí)，三以-4三0d三B／10倍頻三程的三速率三下降三，衰三減速三度快三，其三幅頻三特性三更接三近于三理想三特性三。為三進(jìn)一三步改三善濾三波波三形,常將三第一三級(jí)的三電容C接到三輸出三端，三引入三一個(gè)三反饋三。這三種電三路又三稱為三賽倫-凱電三路，三實(shí)際三工作三中更三為常三用。圖5.三16二階三低通三有源三濾波三電路2.高通三濾波三器高通三濾波三器是三指高三頻信三號(hào)能三通過(guò)三而低三頻信三號(hào)不三能通三過(guò)的三濾波三器，三將低三通濾三波器三中起三濾波三作用三的電三阻、三電容三互換三，即三成為三高通三有源三濾波三器。高通三濾波三電路三如圖5.三17所示三。圖5.三17三(a三)為同三相輸三入,圖5.三17三(b三)為反三相輸三入。圖5.三17高通三濾波三電路3.帶通三有源三濾波三電路三（BP三F）（1）BP三F的構(gòu)三成方三法BP三F構(gòu)成三的總?cè)齽t是LP三F與HP三F相串三聯(lián)。LP三F與HP三F串聯(lián)三有如三下兩三種情三況。①將有三源LP三F與有三源HP三F兩級(jí)三直接三串聯(lián)三。用三這種三方法三構(gòu)成三的BP三F通帶三寬，三而且三通帶三截止三頻率三易調(diào)三整，三但所三用元三器件三多。②將兩三節(jié)電三路直三接相三聯(lián)，三其優(yōu)三點(diǎn)是三電路三簡(jiǎn)單三。（2）三二階三壓控三電壓三源BP三F二階三壓控三電壓三源BP三F電路三性能三分析三如下三。①傳遞三函數(shù)②中心三頻率三和通三帶電三壓放三大倍三數(shù)③通帶三截止三頻率④通帶三寬度⑤Q值⑥頻率三特性4.帶阻三有源三濾波三電路三（BE三F）BE三F構(gòu)成三的總?cè)瓌t三是LP三F與HP三F相并三聯(lián)，BE三F構(gòu)成三的原三理框三圖如三圖5.三22所示三。LP三F與HP三F并聯(lián)三有如三下兩三種情三形。圖5.三22三BE三F組成三原理三框圖①將有三源LP三F與有三源HP三F直接三并聯(lián)三，這三種方三法實(shí)三現(xiàn)較三困難三，且三電路三元器三件用三的多三，不三宜采三用。②用兩三節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)三（即三一個(gè)三無(wú)源LP三F和一三個(gè)無(wú)三源HP三F）相三并聯(lián)三，構(gòu)三成無(wú)三源BE三F，再三將它三與同三相比三例電三路直三接相三聯(lián)。三這種三方法三應(yīng)用三廣泛三。電壓三比較三器電壓三比較三器簡(jiǎn)三稱比三較器三，其三基本三功能三是對(duì)三兩個(gè)三輸入三電壓三進(jìn)行三比較三，并三根據(jù)三比較三結(jié)果三輸出三高電三平或三低電三平，三據(jù)此三來(lái)判三斷輸三入信三號(hào)的三大小三和極三性。三電壓三比較三器常三用于三自動(dòng)三控制三、波三形產(chǎn)三生與三變換三，模三擬轉(zhuǎn)三換以三及越三限報(bào)三警等三許多三場(chǎng)合三。電壓三比較三器通三常由三集成三運(yùn)放三構(gòu)成三，與三前面三章節(jié)三不同三的是三，比三較器三中的三集成三運(yùn)放三大多三處于三開環(huán)三或正三反饋三狀態(tài)三。只三要在三兩個(gè)三輸入三端加三一個(gè)三很小三的信三號(hào)，三運(yùn)放三就會(huì)三進(jìn)入三非線三性區(qū)三，屬三于集三成運(yùn)三放的三非線三性應(yīng)三用范三圍。三在分三析比三較器三時(shí)，三虛斷三路原三則仍三成立三，虛三短及三虛地三等概三念僅三在判三斷臨三界情三況時(shí)三才適三應(yīng)。比較三器可三以利三用通三用集三成運(yùn)三放組三成，三也可三以采三用專三用的三集成三比較三器組三件。三對(duì)它三的要三求是三電壓三幅度三鑒別三的準(zhǔn)三確性三、穩(wěn)三定性三、輸三出電三壓反三應(yīng)的三快速三性以三及抗三干擾三能力三等。三下面三分別三介紹三幾種三比較三器。1.電平三比較三器（三過(guò)零三比較三器）通常三用閾三值電三壓和三傳輸三特性三來(lái)描三述比三較器三的工三作特三性。有時(shí)三，為三了和三后面三的電三路相三連接三以適三應(yīng)某三種需三要，三常常三希望三減小三比較三器輸三出幅三度，三為此三采用三穩(wěn)壓三管限三幅。三為了三使比三較器三輸出三的正三向幅三度和三負(fù)向三幅度三基本三相等三，可三將雙三向擊三穿穩(wěn)三壓二三極管三接在三電路三的輸三出端三或接三在反三饋回三路中三，如三圖5.三26所示三。圖5.三26限幅三電路三及過(guò)三壓保三護(hù)電三路為了三防止三輸出三信號(hào)三過(guò)大三，損三壞集三成運(yùn)三放，三除了三在比三較器三的輸三出回三路中三串聯(lián)三接入三電阻三外，三還可三以在三集成三運(yùn)放三的兩三個(gè)輸三入端三之間三并聯(lián)三兩個(gè)三相互三反接三的二三極管三，如三圖5.三27所示三。圖5.三27限幅三電路三及過(guò)三壓保三護(hù)電三路2.任意三電平三比較三器（三非過(guò)三零比三較器三）將零三電平三比較三器中三的接三地端三改為三一個(gè)三參考三電壓UR（高三為直三流電三壓）三，由三于UR的大三小和三極性三均可三調(diào)整三，電三路成三為任三意電三平比三較器三或稱三非過(guò)三零比三較器三。電平三電壓三比較三器結(jié)三構(gòu)簡(jiǎn)三單，三靈敏三度高三，但三它的三抗干三擾能三力差三。也三就是三說(shuō)，三如果三輸入三信號(hào)三因干三擾在三閾值三附近三變化三時(shí)，三輸出三電壓三將在三高、三低電三平之三間反三復(fù)地三跳變?nèi)?，可三能使三輸出三狀態(tài)三產(chǎn)生三誤動(dòng)三作。三為了三提高三電壓三比較三器的三抗干三擾能三力，三下面三介紹三有兩三個(gè)不三同閾三值的三滯回三電壓三比較三器。3.滯回三電壓三比較三器滯回三電壓三比較三器又三稱施三密特三觸發(fā)三器。三這種三比較三器的三特點(diǎn)三是當(dāng)三輸入三信號(hào)ui逐漸三增大三或逐三漸減三小時(shí)三，它三有兩三個(gè)閾三值，三且不三相等三，其三傳輸三特性三具有三“滯三回”三曲線三的形三狀。滯回三比較三器也三有反三相輸三入和三同相三輸入三兩種三方式三。它三們的三電路三及傳三輸特三性如三圖5.三31所示三。圖5.三31滯回三比較三器及三傳輸三特性集成三運(yùn)放三輸出三端至三反相三輸入三端為三開環(huán)三。輸三出端三至同三相輸三入端三引入三正反三饋，三目的三是加三速輸三入狀三態(tài)的三躍變?nèi)?，使三運(yùn)放三經(jīng)過(guò)三線性三區(qū)過(guò)三渡的三時(shí)間三縮短三。UR是某三一個(gè)三固定三電壓三，改三變UR值能三改變?nèi)撝等盎厝畲笕?。?）三正向三過(guò)程（2）三負(fù)向三過(guò)程4.窗口三電壓三比較三器電平三比較三器和三滯回三比較三器有三一個(gè)三共同三特點(diǎn)三，即uI單方三向變?nèi)ㄈ蛉^(guò)程三或負(fù)三向過(guò)三程）三時(shí)，uO只跳三為一三次。三只能三檢測(cè)三到一三個(gè)輸三入信三號(hào)的三電平三，這三種比三較器三稱為三單限三比較三器。雙限三比較三器又三稱為三窗口三比較三器。三它的三特點(diǎn)三是輸三入信三號(hào)單三方向三變化三，可三使輸三出電三壓uO跳變?nèi)齼纱稳?，其三傳輸三特性三如圖5.三34（b）所三示，三它形三似窗三口，三稱為三窗口三比較三器。三窗口三比較三器提三供了三兩個(gè)三閾值三和兩三種輸三出穩(wěn)三定狀三態(tài)可三用來(lái)三判斷uI是否三在某三兩個(gè)三電平三之間三。比三如，三從檢三查產(chǎn)三品的三角度三看，三可區(qū)三分參三數(shù)值三在一三定范三圍之三內(nèi)和三之外三的產(chǎn)三品。窗口三比較三器可三用兩三個(gè)閾三值不三同的三電平三比較三器組三成。三閾值三小的三電平三比較三器采三用反三相輸三入接三法，三閾值三大的三電平三比較三器采三用同三相輸三入接三法。三再用三兩只三二極三管將三兩個(gè)三簡(jiǎn)單三比較三器的三輸出三端引三到同三一點(diǎn)三作為三輸出三端，三具體三電路三如圖5.三34（a）所三示。圖5.三34窗口三比較三器及三傳輸三特性窗口三比較三器有三兩個(gè)三閾值三，它三們是URH和URL,有兩三個(gè)穩(wěn)三定狀三態(tài)。三其傳三輸特三性如三圖5.三34（b）所三示。電壓三比較三器是三模擬三電路三與數(shù)三字電三路之三間的三過(guò)渡三電路三。但三通用三型集三成運(yùn)三放構(gòu)三成的三電壓三編輯三部順三的高三、低三電平三與數(shù)三字電三路TT三L器件三的高三、低三電平三的數(shù)三值相三差很三大，三一般三需要三加限三幅電三路才三能驅(qū)三動(dòng)TT三L器件三，給三使用三帶來(lái)三不便三，而三且響三應(yīng)速三度低三。采三用集三成電三壓比三較器三可以三克服三這些三缺點(diǎn)三。5.集成三電壓三比較三器（1）三集成三電壓三比較三器簡(jiǎn)三介與前三面所三介紹三的由三運(yùn)放三組成三的比三較器三相比三，集三成電三壓比三較器三也可三以輸三出高三、低三電平三，但三加入三了電三平移三動(dòng)和三數(shù)字三驅(qū)動(dòng)三電路三，因三此可三與數(shù)三字電三路直三接相三連，三作為A/三D轉(zhuǎn)換三器的三一個(gè)三核心三部件三。集成三電壓三比較三器的三電路三結(jié)構(gòu)三框圖三如圖三5.三35三所示三。它三主要三由差三動(dòng)輸三入級(jí)三、電三平轉(zhuǎn)三換級(jí)三、輸三出邏三輯電三平和三控制三級(jí)（三具有三集電三極開三路結(jié)三構(gòu)的三輸出三級(jí)）三以及三偏置三電路三幾個(gè)三基本三部件三組成三。其三特點(diǎn)三是輸三出的三高、三低電三平分三別與三數(shù)字三電路三的邏三輯“三1”三和邏三輯“三0”三電平三相等三，能三與T三TL三、D三TL三、H三TL三、C三MO三S等三數(shù)字三電路三的電三平兼三容，三有些三比較三器輸三出還三可直三接驅(qū)三動(dòng)繼三電器三幫指三示燈三等。三而且三電源三的選三用范三圍較三大：三單電三源或三雙電三源；三電源三電壓三在幾三伏至三