電工電子技術(shù)及應(yīng)用 課件 第七章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

7.1集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)7.2負(fù)反饋放大電路7.3基本運(yùn)算電路7.4電壓比較器7.5RC正弦波振蕩電路7.6有源濾波器7.1集成運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)集成運(yùn)算放大器是一種高增益的直接耦合多級放大電路。由于在早期的模擬計(jì)算機(jī)中廣泛使用這種器件（需要外接不同的網(wǎng)絡(luò)）來完成諸如比例、求和、積分、微分、對數(shù)、反對數(shù)等運(yùn)算，因而得名運(yùn)算放大器，通常簡稱為集成運(yùn)放或運(yùn)放。雖然現(xiàn)在的集成運(yùn)放的應(yīng)用早已超出模擬運(yùn)算的范圍，但還是習(xí)慣上稱之為運(yùn)算放大器。７．１．１集成電路中元器件的特點(diǎn)由于集成電路是利用半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝把整個(gè)電路的元器件制作在同一片硅基片上，與分立元件電路相比，集成電路的元件有如下特點(diǎn)：１．相鄰元件的特性一致性好集成電路中所有元器件同在一個(gè)很小的基片上，互相非常接近，材料工藝和環(huán)境溫度也都相同。雖然元器件參數(shù)的精度較差，但在同一基片內(nèi)，相同元器件的參數(shù)有同向的偏差，容易造成兩個(gè)特性相同的管子或兩個(gè)阻值相同的電阻其溫度特性也一樣，因而相鄰元器件特性一致性好。２．用有源器件代替無源器件集成電路中的電阻元件是由半導(dǎo)體電阻形成的，由于基片面積的限制不可能做成較大阻值的電阻，一般為幾十歐到２０ｋΩ。而較大阻值的電阻都采用晶體管或場效應(yīng)管組成的有源負(fù)載來代替。３．二極管大多由晶體管構(gòu)成

集成電路中制造晶體管比較方便，如將晶體管的集電極與基極短路，利用發(fā)射結(jié)制作普通的二極管；將三極管的發(fā)射極與基極短路，利用反偏的集電結(jié)制作齊納二極管。４．只能制作小容量的電容

集成電路中電容元件是由半導(dǎo)體二極管ＰＮ結(jié)的結(jié)電容形成的，其大小也受基片面積的限制，只能制作幾十皮法的小容量電容。７．１．２集成運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu)

集成運(yùn)放是一種多級放大電路，性能理想的運(yùn)放應(yīng)該具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。與此同時(shí)，在電路的選擇及構(gòu)成形式上又要受到集成工藝條件的嚴(yán)格制約。因此，集成運(yùn)放在電路設(shè)計(jì)上具有許多特點(diǎn)，主要有：（１）級間采用直接耦合方式。（２）盡可能用有源器件代替無源器件。（３）利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。

從２０世紀(jì)６０年代至今，集成運(yùn)放發(fā)展已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，類型和品種相當(dāng)豐富，但在結(jié)構(gòu)上基本一致，其內(nèi)部通常包含四個(gè)基本組成部分：輸入級、中間級、輸出級以及偏置電路，如圖７．１．１所示。１．輸入級

輸入級又稱前置級，是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵一級，輸入級的好壞直接影響著集成運(yùn)放的大多數(shù)性能參數(shù)。故要求其輸入電阻高，差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小。為了減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號，輸入級往往采用一個(gè)雙端輸入的差動(dòng)放大電路，也稱差動(dòng)輸入級。２．中間級

中間級是整個(gè)放大電路的主放大器，其作用是為集成運(yùn)放提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，故而也稱電壓放大級。中間級要求本身具有較高的電壓增益，經(jīng)常采用復(fù)合晶體管共射極放大電路，以恒流源作為集電極負(fù)載來提高放大能力，其電壓放大倍數(shù)可達(dá)千倍以上。３．輸出級輸出級的主要作用是輸出足夠的電流以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)還要有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻，以起到將放大級和負(fù)載隔離的作用，輸出級要求有較大的動(dòng)態(tài)范圍，通常采用互補(bǔ)推挽電路。４．偏置電路偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流，并使整個(gè)運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定且功耗較小，一般由各種恒流源電路組成。總之，集成運(yùn)放是一種電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻大、輸出電阻小、零點(diǎn)漂移小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、耗電少的通用電子器件。圖７．１．２所示為集成運(yùn)算放大器的電路符號。圖７．１．２（ａ）所示為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號，圖７．１．２（ｂ）所示為國內(nèi)外常用的符號。兩種符號中的?表示信號從左（輸入端）向右（輸出端）傳輸?shù)姆较?。本書采用如圖７．１．２（ａ）所示的符號。ｕｏ端為輸出端，輸出信號在此端與地之間輸出。ｕ－端為反相輸入端，當(dāng)信號由此端與地之間輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號相位相反，這種輸入方式稱為反相輸入。ｕ＋端為同相輸入端，當(dāng)信號由此端與地之間輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號相位相同，這種輸入方式稱為同相輸入。如果將兩個(gè)輸入信號分別從ｕ－和ｕ＋兩端與地之間輸入，則信號的這種輸入方式稱為差動(dòng)輸入。反相輸入、同相輸入和差動(dòng)輸入是運(yùn)算放大器最基本的信號輸入方式。常見的集成運(yùn)算放大器有圓形、扁平型、雙列直插式等，對應(yīng)管腳有８腳、１４腳等，如圖７．１．３所示。７．１．３電壓傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓ｕｏ與輸入電壓ｕｄ（ｕｄ＝ｕ＋－ｕ－）之間的關(guān)系ｕｏ＝ｆ(ｕｄ)稱為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性，包括線性區(qū)和飽和區(qū)兩部分，如圖７．１．４所示。在線性區(qū)內(nèi)，ｕｏ與ｕｄ成正比關(guān)系，即式中：Ａｏ為開環(huán)電壓增益，線性區(qū)的斜率取決于Ａｏ的大小。由于受電源電壓的限制，ｕｏ不可能隨ｕｄ的增加而無限增加，因此，當(dāng)ｕｏ增加到一定值后進(jìn)入了正負(fù)飽和區(qū)。在正飽和區(qū)，ｕｏ＝＋Ｕｏｍ≈＋ＵＣＣ，在負(fù)飽和區(qū)，ｕｏ＝－Ｕｏｍ≈－ＵＥＥ。集成運(yùn)放在應(yīng)用時(shí)，工作于線性區(qū)稱為線性應(yīng)用，工作在飽和區(qū)稱為非線性應(yīng)用。由于集成運(yùn)放的Ａｏ非常大，線性區(qū)很陡，即使輸入電壓很小，也很容易使輸出達(dá)到飽和，而外部干擾等原因不可避免，若不引入深度負(fù)反饋，集成運(yùn)放很難在線性區(qū)穩(wěn)定工作。７．１．４集成運(yùn)算放大器的主要性能參數(shù)評價(jià)集成運(yùn)放性能的參數(shù)很多，一般可分為輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號特性和電源特性等，這里僅介紹幾個(gè)主要參數(shù)，其他參數(shù)如需要時(shí)可查閱相關(guān)手冊。１．輸入失調(diào)電壓ＵＩＯ一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實(shí)際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，故某種原因（如溫度變化）使輸入級的Ｑ點(diǎn)稍有偏移，輸入級的輸出電壓就會(huì)發(fā)生微小的變化，這種緩慢的微小變化會(huì)逐級放大使運(yùn)放輸出端產(chǎn)生較大的輸出電壓（常稱為漂移），所以通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓。在室溫（２５℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓ＵＩＯ。ＵＩＯ的大小反映了運(yùn)放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。ＵＩＯ值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為±(１～１０)ｍＶ。２．輸入偏置電流ＩＩＢＢＪＴ集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端是差分對管的基極，因此兩個(gè)輸入端總需要一定的輸入電流ＩＢＮ和ＩＢＰ。輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，即從使用角度來看，偏置電流愈小，由信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是重要的技術(shù)指標(biāo)，以ＢＪＴ為輸入級的運(yùn)放一般為１０ｎＡ～１μＡ；采用ＭＯＳＦＥＴ輸入級運(yùn)放的ＩＩＢ在ｐＡ數(shù)量級。３．輸入失調(diào)電流ＩＩＯ在ＢＪＴ集成電路運(yùn)放中，輸入失調(diào)電流ＩＩＯ是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即

由于信號源內(nèi)阻的存在，ＩＩＯ會(huì)引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望ＩＩＯ愈小愈好，它反映了輸入級差分對管的不對稱程度，一般約為１ｎＡ～０．１μＡ。４．溫度漂移由于溫度變化引起輸出電壓產(chǎn)生ΔＵｏ（或電流ΔＩｏ）的漂移，通常把溫度升高一攝氏度（１℃）輸出漂移折合到輸入端的等效漂移電壓ΔＵｏ／(ＡＵΔＴ)（或電流ΔＩｏ／(ＡｉΔＴ)）作為溫漂指標(biāo)。集成運(yùn)放的溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：（１）輸入失調(diào)電壓溫漂ΔＵＩＯ／ΔＴ。輸入失調(diào)電壓溫漂ΔＵＩＯ／ΔＴ是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)ＵＩＯ的溫度系數(shù)，也是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)。（２）輸入失調(diào)電流溫漂ΔＩＩＯ／ΔＴ。輸入失調(diào)電流溫漂ΔＩＩＯ／ΔＴ是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)ＩＩＯ的溫度系數(shù)，也是對放大電路電流漂移的度量。以上參數(shù)均是在標(biāo)稱電源電壓、室溫、零共模輸入電壓條件下定義的。５．開環(huán)差模電壓增益Ａｕｏ和帶寬ＢＷ（１）開環(huán)差模電壓增益Ａｕｏ。開環(huán)差模電壓增益Ａｕｏ是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，在標(biāo)稱電源電壓接規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。（２）開環(huán)帶寬ＢＷ(ｆＨ)。開環(huán)帶寬ＢＷ又稱為－３ｄＢ帶寬，是指開環(huán)差模電壓增益下降３ｄＢ時(shí)對應(yīng)的頻率ｆＨ。７４１型集成運(yùn)放頻率響應(yīng)的ｆＨ約為７Ｈｚ。６．差模輸入電阻ｒｉｄ和輸出電阻ｒｏ以ＢＪＴ為輸入級的運(yùn)放ｒｉｄ一般在幾百千歐到數(shù)兆歐，ＭＯＳＦＥＴ為輸入級的運(yùn)放ｒｉｄ＞１０１２Ω。一般運(yùn)放的ｒｏ＜２００Ω，而超高速ＡＤ９６１０的ｒｏ＝０．０５Ω。７．最大差模輸入電壓Ｕｉｄｍａｘ最大差模輸入電壓Ｕｉｄｍａｘ是指集成運(yùn)放的反相和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值。超過這個(gè)電壓值，運(yùn)放輸入級某一側(cè)的ＢＪＴ將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至可以造成永久性損壞。８．共模抑制比ＫＣＭＲ和共模輸入電阻ｒｉｃ一般通用型運(yùn)放ＫＣＭＲ為（８０～１２０）ｄＢ，高精度運(yùn)放可達(dá)１４０ｄＢ，ｒｉｃ≥１００ＭΩ。９．最大共模輸入電壓Ｕｉｃｍａｘ最大共模輸入電壓Ｕｉｃｍａｘ是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。當(dāng)超過Ｕｉｃｍａｘ值時(shí)，運(yùn)放的共模抑制比將顯著下降。１０．轉(zhuǎn)換速率ＳＲ轉(zhuǎn)換速率ＳＲ是指放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時(shí)，放大電路輸出電壓對時(shí)間的最大變化速率，即

轉(zhuǎn)換速率的大小與許多因素有關(guān)，其中主要是與運(yùn)放所加的補(bǔ)償電容，運(yùn)放本身各級ＢＪＴ的極間電容、雜散電容，以及放大電路提供的充電電流等因素有關(guān)。在輸入大信號的瞬變過程中，輸出電壓只有在電路中的電容被充電后才隨輸入電壓作線性變化，通常要求運(yùn)放的ＳＲ大于信號變化速率的絕對值。

根據(jù)性能和應(yīng)用場合的不同，運(yùn)放可分為通用型和專用型。通用型運(yùn)放的各種指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般工程的要求。為了滿足一些特殊要求，目前制造出具有特殊功能的專用型運(yùn)放，可分為高輸入電阻、低漂移、低噪聲、高精度、高速、寬帶、低功耗、高壓、大功率、儀用型、程控型和互導(dǎo)型等。隨著集成電路制造工藝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)放正向超高精度、超高速、超寬帶和多功能方向發(fā)展，新品種層出不窮，性能指標(biāo)上也有很大的提高。７．１．５集成運(yùn)算放大器的選擇

通常情況下，在設(shè)計(jì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，沒有必要研究運(yùn)放的內(nèi)部電路，而是根據(jù)設(shè)計(jì)需求尋找具有相應(yīng)性能指標(biāo)的芯片。因此，了解運(yùn)放的類型，理解運(yùn)放主要性能指標(biāo)的物理意義，是正確選擇運(yùn)放的前提。應(yīng)根據(jù)以下幾方面的要求選擇運(yùn)放。１．信號源的性質(zhì)根據(jù)信號源是電壓源還是電流源，內(nèi)阻大小、輸入信號的幅值及頻率的變化范圍等，選擇運(yùn)放的差模輸入電阻ｒｉｄ、－３ｄＢ帶寬（或單位增益帶寬）、轉(zhuǎn)換速率ＳＲ等指標(biāo)參數(shù)。２．負(fù)載的性質(zhì)根據(jù)負(fù)載電阻的大小，確定所需運(yùn)放的輸出電壓和輸出電流的幅值。對于容性負(fù)載或感性負(fù)載，還要考慮它們對頻率參數(shù)的影響。３．精度要求對模擬信號的處理，如放大、運(yùn)算等，往往提出精度要求；如電壓比較，往往提出響應(yīng)時(shí)間和靈敏度要求。根據(jù)這些要求選擇運(yùn)放的開環(huán)差模增益Ａｏｄ、失調(diào)電壓ＵＩＯ、失調(diào)電流ＩＩＯ及轉(zhuǎn)換速率ＳＲ等指標(biāo)參數(shù)。４．環(huán)境條件根據(jù)環(huán)境溫度的變化范圍，可正確選擇運(yùn)放的失調(diào)電壓及失調(diào)電流的溫漂等參數(shù)；根據(jù)所能提供的電源選擇運(yùn)放的電源電壓；根據(jù)對能耗有無限制，選擇運(yùn)放的功耗；等等。以上分析完成后，可以通過查閱手冊等手段選擇某一型號的運(yùn)放，必要時(shí)還可以通過各種ＥＤＡ仿真軟件進(jìn)行仿真，最終確定滿意的芯片。目前各種專用運(yùn)放和多方面性能俱佳的運(yùn)放種類繁多，采用它們會(huì)大大提高電路的質(zhì)量。不過，從性價(jià)比方面考慮，應(yīng)盡量采用通用型運(yùn)放，只有在通用型運(yùn)放不滿足應(yīng)用要求時(shí)才采用特殊型運(yùn)放。７．２負(fù)反饋放大電路７．２．１反饋的概念將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過某些元件或網(wǎng)絡(luò)（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)）反向送回到輸入端的方式來影響原輸入量（電壓或電流）的過程稱為反饋，而帶有反饋的放大電路稱為反饋放大電路。任意一個(gè)反饋放大電路都可以表示為一個(gè)基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，其組成框圖如圖７．２．１所示。圖７．２．１中，ｘｉ、ｘｉｄ、ｘｆ、ｘｏ分別表示放大電路的輸入信號、凈輸入信號、反饋信號和輸出信號，它們可以是電壓量，也可以是電流量。箭頭表示信號的傳遞方向；比較環(huán)節(jié)說明反饋放大電路中的輸入信號和反饋信號在輸入端按一定極性比較后可得凈輸入信號，即差值信號ｘｉｄ＝ｘｉ－ｘｆ。反饋信號和輸出信號之比定義為反饋系數(shù)Ｆ。反饋電路無放大作用，多為電阻和電容元件構(gòu)成，其Ｆ值恒小于１。沒有引入反饋時(shí)的基本放大電路叫做開環(huán)放大電路，其中的Ａ表示基本放大電路的放大倍數(shù)，也稱為開環(huán)放大倍數(shù)，它等于輸出信號和凈輸入信號之比。Ａ引入負(fù)反饋以后的放大電路叫做閉環(huán)放大電路，其放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)，記作Aｆ，它等于輸出信號和輸入信號之比。由圖７．２．１可得各信號量之間的基本關(guān)系式為式（７．２．４）表明，閉環(huán)放大倍數(shù)Ａｆ是開環(huán)放大倍數(shù)Ａ的１／（１＋ＡＦ）。其中，（１＋ＡＦ）稱為反饋深度，它的大小反映了反饋的強(qiáng)弱。乘積ＡＦ稱為環(huán)路增益。７．２．２反饋類型的判別方法反饋電路是多種多樣的，反饋可以存在于本級內(nèi)部，也可以存在于級與級（或多級）之間。１．反饋類型的劃分（１）按照反饋信號極性的不同，反饋可以分為正反饋和負(fù)反饋。正反饋：若引入的反饋信號ｘｆ增強(qiáng)了外加輸入信號的作用，使放大電路的凈輸入信號增加，導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)增加，則為正反饋。正反饋主要用于振蕩電路和信號產(chǎn)生電路。負(fù)反饋：若引入的反饋信號ｘｆ削弱了外加輸入信號的作用，使放大電路的凈輸入信號減小，導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)減小，則為負(fù)反饋。一般放大電路中經(jīng)常引入負(fù)反饋來改善放大電路的性能指標(biāo)。（２）根據(jù)反饋信號性質(zhì)的不同，可以分為交流反饋和直流反饋。如果反饋信號是靜態(tài)直流分量，則這種反饋稱為直流反饋；如果反饋信號是動(dòng)態(tài)交流分量，則這種反饋稱為交流反饋。（３）根據(jù)反饋在輸出端的取樣方式不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。從輸出端看，若反饋信號取自輸出電壓，且反饋信號正比于輸出電壓，則為電壓反饋；若反饋取自輸出電流，且反饋信號正比于輸出電流，則為電流反饋。（４）根據(jù)反饋在輸入端連接方式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋：反饋信號ｘｆ與輸入信號ｘｉ在輸入回路中以電壓的形式相加減，即在輸入回路中彼此串聯(lián)，則為串聯(lián)反饋。并聯(lián)反饋：反饋信號ｘｆ與輸入信號ｘｉ在輸入回路中以電流的形式相加減，即在輸入回路中彼此并聯(lián)，則為并聯(lián)反饋。由于在放大電路中主要采用負(fù)反饋，所以在此只討論負(fù)反饋。由以上所述可知負(fù)反饋組態(tài)有四種形式，即電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋和電流并聯(lián)負(fù)反饋。２．反饋在放大電路中的判別方法（１）判定反饋的有無。只要在放大電路的輸入和輸出回路間存在起聯(lián)系作用的元件（或電路網(wǎng)絡(luò)）———反饋元件（或反饋網(wǎng)絡(luò)），那么該放大電路中必存在反饋。（２）判定反饋的極性，采用瞬時(shí)極性法。常用電壓瞬時(shí)極性法判定電路中引入反饋的極性，具體步驟如下：①先假定放大電路的輸入信號電壓處于某一瞬時(shí)極性。如用“＋”號表示該點(diǎn)電壓的增大，用“－”號表示電壓的減小。②按照信號單向傳輸?shù)姆较颍瑫r(shí)根據(jù)各級放大電路輸出電壓與輸入電壓的相位關(guān)系，確定電路中相關(guān)各點(diǎn)電壓的瞬時(shí)極性。③根據(jù)反送到輸入端的反饋電壓信號的瞬時(shí)極性，確定是增強(qiáng)還是削弱了原來輸入信號的作用。如果是增強(qiáng)，則引入的為正反饋；反之，為負(fù)反饋。判定反饋的極性時(shí)，一般有這樣的結(jié)論：在放大電路的輸入回路，輸入信號電壓ｕｉ和反饋信號電壓ｕｆ相比較，當(dāng)輸入信號ｕｉ和反饋信號ｕｆ在同一端點(diǎn)時(shí)，如果引入的反饋信號ｕｆ和輸入信號ｕｉ同極性，則為正反饋；若二者的極性相反，則為負(fù)反饋。當(dāng)輸入信號ｕｉ和反饋信號ｕｆ不在同一端點(diǎn)時(shí)，若引入的反饋信號ｕｆ和輸入信號ｕｉ同極性，則為負(fù)反饋；若二者的極性相反，則為正反饋。圖７．２．２所示為反饋極性的判定方法。如果反饋放大電路是由單級運(yùn)算放大器構(gòu)成的，則反饋信號送回到反相輸入端時(shí)，為負(fù)反饋；反饋信號送回到同相輸入端時(shí)，為正反饋。（３）判定反饋的交、直流性質(zhì)。交流反饋和直流反饋的判定，可以通過畫反饋放大電路的交、直流通路來完成。在直流通路中，如果反饋回路存在，則為直流反饋；在交流通路中，如果反饋回路存在，則為交流反饋；如果在交、直流通路中，反饋回路都存在，即為交、直流反饋。（４）判定反饋的組態(tài)。①從反饋在輸出端的取樣方式看：判斷電壓反饋時(shí)，根據(jù)電壓反饋的定義，反饋信號與輸出電壓成正比，可以假設(shè)將負(fù)載ＲＬ兩端短路（ｕｏ＝０，但ｉｏ≠０），判斷反饋量是否為零，如果是零，就是電壓反饋，如圖７．２．３（ａ）所示。電壓反饋的重要特點(diǎn)是能穩(wěn)定輸出電壓。無論反饋信號是以何種方式引回到輸入端，實(shí)際上都是利用輸出電壓本身，通過反饋網(wǎng)絡(luò)來對放大電路起自動(dòng)調(diào)整作用的，這是電壓反饋的實(shí)質(zhì)。判斷電流反饋時(shí)，根據(jù)電流反饋的定義，反饋信號與輸出電流成正比，可以假設(shè)將負(fù)載ＲＬ兩端開路（

ｉｏ＝０，但ｕｏ≠０），判斷反饋量是否為零，如果是零，就是電流反饋，如圖7.2.3（ｂ）所示。電流反饋的重要特點(diǎn)是能穩(wěn)定輸出電流。無論反饋信號是以何種方式引回到輸入端，實(shí)際都是利用輸出電流本身，通過反饋網(wǎng)絡(luò)來對放大器起自動(dòng)調(diào)整作用的，這是電流反饋的實(shí)質(zhì)。綜上，判斷電壓反饋、電流反饋的簡便方法是用負(fù)載短路法和負(fù)載開路法。由于輸出信號只有電壓和電流兩種，輸出端的取樣不是取自輸出電壓便是輸出電流，因此利用其中一種方法就能判定。常用負(fù)載短路法判定。②從反饋在輸入端的連接方式看串聯(lián)或并聯(lián)反饋：如果輸入信號ｘｉ與反饋信號ｘｆ分別在輸入回路的不同端點(diǎn)，則為串聯(lián)反饋，若輸入信號ｘｉ與反饋信號ｘｆ在輸入回路的相同端點(diǎn)，則為并聯(lián)反饋，如圖7.2.4所示。７．２．３負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)

根據(jù)反饋在輸出端的取樣方式和輸入端的連接方式不同，可以組成四種不同類型的負(fù)反饋電路，即電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋和電流并聯(lián)負(fù)反饋。１．電壓串聯(lián)負(fù)反饋

在圖７．２．５所示的負(fù)反饋放大電路中，反饋極性的判別采用瞬時(shí)極性法，各相關(guān)點(diǎn)的電壓極性如圖中所示，可見反饋信號ｕｆ削弱了凈輸入，即為負(fù)反饋；而采樣點(diǎn)和輸出電壓在同端點(diǎn)，若將負(fù)載短路即輸出電壓ｕｏ＝０時(shí)，反饋信號不存在，為電壓反饋；從輸入回路看，反饋信號與輸入信號不在同端點(diǎn)，為串聯(lián)反饋。因此電路引入的反饋為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，可使電路輸出電壓穩(wěn)定。其過程如下：２．電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖７．２．６所示為由運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋放大電路，反饋極性的判別采用瞬時(shí)極性法，各相關(guān)點(diǎn)的電壓、電流極性圖中已標(biāo)出，可見反饋信號ｉｆ削弱了凈輸入，即為負(fù)反饋；而采樣點(diǎn)和輸出電壓在同端點(diǎn)，若將負(fù)載短路即輸出電壓ｕｏ＝０時(shí)，反饋信號不存在，為電壓反饋；從輸入回路看，反饋信號與輸入信號在同端點(diǎn)，為并聯(lián)反饋。因此電路引入的反饋為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。３．電流串聯(lián)負(fù)反饋圖７．２．７所示為由運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋放大電路，反饋極性的判別采用瞬時(shí)極性法，各相關(guān)點(diǎn)的電壓、電流極性如圖中所示，可見反饋信號ｕｆ削弱了凈輸入，即為負(fù)反饋；而采樣點(diǎn)和輸出電壓不在同一端點(diǎn)，若將負(fù)載短路即輸出電壓ｕｏ＝０時(shí)，反饋信號依然存在，為電流反饋；從輸入回路看，反饋信號與輸入信號不在同一端點(diǎn)，為串聯(lián)反饋。因此電路引入的反饋為電流串聯(lián)負(fù)反饋。引入電流串聯(lián)負(fù)反饋后，可使輸出電流穩(wěn)定。其過程如下：４．電流并聯(lián)負(fù)反饋圖７．２．８所示為由運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋放大電路，反饋極性的判別采用瞬時(shí)極性法，各相關(guān)點(diǎn)的電壓、電流極性如圖中所示，可見反饋信號ｉｆ削弱了凈輸入，即為負(fù)反饋；若將負(fù)載短路即輸出電壓ｕｏ＝０時(shí)，反饋信號依然存在，為電流反饋；從輸入回路看，反饋信號與輸入信號在同一端點(diǎn)，為并聯(lián)反饋。因此電路引入的反饋為電流并聯(lián)負(fù)反饋。７．２．４負(fù)反饋對放大電路性能的影響對于負(fù)反饋放大電路，負(fù)反饋的引入會(huì)造成增益的下降，但放大電路的其他性能會(huì)得到改善，如提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、減小非線性失真、抑制噪聲干擾、擴(kuò)展通頻帶等。１．提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性可以證明，負(fù)反饋的引入使放大電路閉環(huán)增益的相對變化量為開環(huán)增益相對變化量的１／（１＋ＡＦ），可表示為式（７．２．５）表明，負(fù)反饋放大電路的反饋越深，放大電路的增益也就越穩(wěn)定。綜上所述，電壓負(fù)反饋可使輸出電壓穩(wěn)定，電流負(fù)反饋可使輸出電流穩(wěn)定，即在輸入一定的情況下，可以維持放大電路增益的穩(wěn)定。２．減小環(huán)路內(nèi)的非線性失真ＢＪＴ是一個(gè)非線性器件，放大電路在對信號進(jìn)行放大時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真。假設(shè)放大電路的輸入信號為正弦信號，沒有引入負(fù)反饋時(shí)，開環(huán)放大電路產(chǎn)生如圖７．２．９所示的非線性失真，即輸出信號的正半周幅度變大，而負(fù)半周幅度變小。現(xiàn)在引入負(fù)反饋，假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)為不會(huì)引起失真的線性網(wǎng)絡(luò)，則反饋回來的信號將反映輸出信號的波形失真。當(dāng)反饋信號在輸入端與輸入信號相比較時(shí)，使凈輸入信號ｘｉｄ＝ｘｉ－ｘｆ的波形正半周幅度變小，而負(fù)半周幅度變大，如圖7.2.10所示。再經(jīng)基本放大電路放大后，輸出信號趨于正、負(fù)半周對稱，從而減小了非線性失真。注意：引入負(fù)反饋減小的是環(huán)路內(nèi)的失真。如果輸入信號本身就有失真，此時(shí)引入負(fù)反饋則不起作用。３．抑制環(huán)路內(nèi)的噪聲和干擾在反饋環(huán)內(nèi)，放大電路本身產(chǎn)生的噪聲和干擾信號，可以通過負(fù)反饋進(jìn)行抑制，其原理與減小非線性失真的原理相同。但對反饋環(huán)外的噪聲和干擾信號，引入負(fù)反饋也不能達(dá)到抑制目的。４．?dāng)U展頻帶頻率響應(yīng)是放大電路的重要特性之一。在多級放大電路中，級數(shù)越多，增益越大，頻帶越窄。引入負(fù)反饋后，可有效擴(kuò)展放大電路的通頻帶。圖7.2.11所示為放大器引入負(fù)反饋后通頻帶的變化。根據(jù)上、下限頻率的定義，從圖7.2.11中可見，放大器引入負(fù)反饋以后，其下限頻率降低，上限頻率升高，通頻帶變寬。５．負(fù)反饋對輸入和輸出電阻的影響（１）負(fù)反饋對放大電路輸入電阻的影響。圖７．２．１２（ａ）所示為串聯(lián)負(fù)反饋電路的方框圖。由圖可知，開環(huán)放大電路的輸入電阻為引入負(fù)反饋后，閉環(huán)輸入電阻ｒｉｆ為式（７．２．７）表明，引入串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻是無反饋時(shí)輸入電阻的（１＋ＡＦ）倍。這是由于引入負(fù)反饋后，輸入信號與反饋信號串聯(lián)連接。從圖７．２．１２（ａ）中可以看出，等效的輸入電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻串聯(lián)，其結(jié)果必然是增加了。因此串聯(lián)負(fù)反饋使放大電路的輸入電阻增大。圖７．２．１２（ｂ）所示為并聯(lián)負(fù)反饋電路的方框圖。由圖可知，開環(huán)放大電路的輸入電阻為引入負(fù)反饋后，閉環(huán)輸入電阻ｒｉｆ為式（７．２．９）表明，引入并聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻是無反饋時(shí)輸入電阻的１／（１＋ＡＦ）。這是由于引入負(fù)反饋后，輸入信號與反饋信號并聯(lián)連接。從圖７．２．１２（ｂ）中可以看出，等效的輸入電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻并聯(lián)，其結(jié)果必然是減小了。因此并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。（２）負(fù)反饋對放大電路輸出電阻的影響。圖７．２．１３（ａ）所示為電壓負(fù)反饋電路的方框圖。從放大電路輸出端看進(jìn)去，等效的輸出電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)輸入電阻的并聯(lián)，其結(jié)果必然使輸出電阻減小。兩者的關(guān)系為即電壓負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻減小。圖７．２．１３（ｂ）所示為電流負(fù)反饋電路的方框圖。從放大電路輸出端看進(jìn)去，等效的輸出電阻相當(dāng)于原開環(huán)放大電路輸出電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)輸入電阻的串聯(lián)，其結(jié)果必然使輸出電阻增大。兩者的關(guān)系為即電流負(fù)反饋使放大電路的輸出電阻增大。以上分析說明，引入負(fù)反饋能改善放大電路的性能，那么在實(shí)際電路中應(yīng)如何引入負(fù)反饋呢？可將放大電路引入負(fù)反饋的一般原則歸納為以下幾點(diǎn)。①要穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Ｑ，應(yīng)該引入直流負(fù)反饋。②要改善放大電路的動(dòng)態(tài)性能（如提高增益的穩(wěn)定性、穩(wěn)定輸出量、減小失真、擴(kuò)展頻帶等），應(yīng)該引入交流負(fù)反饋。③要穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力，應(yīng)該引入電壓負(fù)反饋。④要穩(wěn)定輸出電流，增大輸出電阻，應(yīng)該引入電流負(fù)反饋。⑤要提高電路的輸入電阻，減小電路向信號源索取的電流，應(yīng)該引入串聯(lián)負(fù)反饋。⑥要減小電路的輸入電阻，應(yīng)該引入并聯(lián)負(fù)反饋。注意：在多級放大電路中，為了達(dá)到改善放大電路性能的目的，所引入的負(fù)反饋一般為級間反饋。７．３基本運(yùn)算電路７．３．１理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器可以理解為實(shí)際運(yùn)算放大器的理想化模型，就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，得到一個(gè)理想的運(yùn)算放大器。理想運(yùn)算放大器的主要條件是：（１）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ａｏｄ→∞；（２）輸入電阻ｒｉｄ→∞；（３）輸出電阻ｒｏｄ→０；（４）共模抑制比ＫＣＭＲ→∞。由于實(shí)際集成運(yùn)放與理想集成運(yùn)放比較接近，因此在分析、計(jì)算應(yīng)用電路時(shí)，用理想集成運(yùn)放代替實(shí)際集成運(yùn)放所帶來的誤差并不嚴(yán)重，在一般工程計(jì)算中是允許的。本節(jié)中凡未特別說明，均將集成運(yùn)放視為理想集成運(yùn)放來考慮。集成運(yùn)算放大器外接深度負(fù)反饋電路后，便可構(gòu)成信號的比例、加減、微分、積分等基本運(yùn)算電路。它是運(yùn)算放大器線性應(yīng)用的一部分，而放大器線性應(yīng)用的必要條件是引入深度負(fù)反饋。當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出電壓在有限值之間變化，而集成運(yùn)放的Ａｏｄ→∞，則ｕｉｄ＝ｕｏｄ／Ａｏｄ≈０，可知輸入信號的變化范圍很小，由ｕｉｄ＝ｕ＋－ｕ－，得ｕ＋≈ｕ－。說明，同相端和反相端電壓幾乎相等，所以稱為虛假短路，簡稱“虛短”?！疤摱獭焙汀疤摂唷钡母拍钍欠治隼硐敕糯笃髟诰€性區(qū)工作的基本依據(jù)。運(yùn)用這兩個(gè)概念會(huì)使電路的分析計(jì)算大為簡化，因此必須牢記。７．３．２比例運(yùn)算電路將輸入信號按比例放大的電路，稱為比例運(yùn)算電路。按輸入信號加入輸入端的不同又分為同相比例運(yùn)算和反向比例運(yùn)算。１．反相比例運(yùn)算電路圖７．３．１所示為反相比例運(yùn)算電路。圖中輸入信號ｕｉ經(jīng)外接電阻Ｒ１接到運(yùn)放的反相輸入端，反饋電阻Ｒｆ接在輸出端與反相輸入端之間，引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端經(jīng)平衡電阻Ｒ′接地，Ｒ′的作用是保證運(yùn)放輸入級電路的對稱性，從而消除偏置電流及其溫漂的影響。為此，靜態(tài)時(shí)運(yùn)放同相端與反相端的對地等效電阻應(yīng)該相等，即Ｒ′＝Ｒ１∥Ｒｆ。由于Ｒ′中電流ｉｄ＝０，故ｕ－＝ｕ＋＝０。反相輸入端雖然未直接接地，但其電位卻為零，這種情況稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪噍斎腚娐返墓餐卣?。根據(jù)“虛斷”有ｉｉ≈ｉｆ，又因?yàn)榛蚩梢?，輸出電壓與輸入電壓成正比，比值與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)，只取決于外接電阻Ｒ１和Ｒｆ的大小。比例系數(shù)的數(shù)值可以是大于、等于和小于１的任何值，且輸出電壓與輸入電壓相位相反。由于反相端和同相端對地電壓都接近于０，所以運(yùn)放輸入端的共模輸入電壓極小，這是反相輸入電路的特點(diǎn)。當(dāng)Ｒ１＝Ｒｆ＝Ｒ時(shí)，輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相反，稱為反相器。１．同相比例運(yùn)算電路在圖７．３．２中，輸入信號ｕｉ經(jīng)過外接電阻Ｒ′接到集成運(yùn)放的同相端，反相輸入端經(jīng)電阻Ｒ１接地，反饋電阻Ｒｆ接在輸出端與反相輸入端之間，引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。由圖７．３．２可得所以或可見，ｕｏ與ｕｉ成正比關(guān)系，且同相位。由同相比例運(yùn)算電路的分析可知：因?yàn)橥噍斎腚娐返膬奢斎攵穗妷合嗟惹也粸榱悖ú淮嬖凇疤摰亍保?，故有共模輸入電壓存在，?yīng)當(dāng)選用共模抑制比高的運(yùn)算放大器。在同相比例運(yùn)算電路中，若將輸出電壓全部反饋到反相輸入端，就構(gòu)成了電壓跟隨器。即當(dāng)Ｒｆ＝０或Ｒ１→∞時(shí)，如圖７．３．３所示，則有即輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，該電路稱為電壓跟隨器。７．３．３加法運(yùn)算電路在自動(dòng)控制電路中，往往需要將多個(gè)采樣信號按一定的比例疊加起來輸入到放大電路中，這就需要用到加法運(yùn)算電路，如圖７．３．４所示。圖中有兩個(gè)輸入信號ｕｉ１、ｕｉ２（實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要增減輸入信號的數(shù)量），分別經(jīng)電阻Ｒ１、Ｒ２加在反相輸入端；反饋電阻Ｒｆ引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋；Ｒ′為平衡電阻，Ｒ′＝Ｒｆ∥Ｒ１∥Ｒ２。根據(jù)“虛斷”的概念可得ｉｉ≈ｉｆ，其中ｉｉ＝ｉ１＋ｉ２，根據(jù)“虛地”的概念可得：則有此時(shí)，實(shí)現(xiàn)了各信號按比例進(jìn)行加法運(yùn)算。若取Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｆ，則即實(shí)現(xiàn)了真正意義上的加法運(yùn)算。但輸入與輸出信號反相。如在圖７．３．４所示電路的輸出端再接一級反相電路，則可消去負(fù)號，實(shí)現(xiàn)完全符合常規(guī)的加法運(yùn)算。７．３．４減法運(yùn)算電路從對比例運(yùn)算電路和加法運(yùn)算電路的分析可知，輸出電壓與同相輸入端信號電壓極性相同，與反相輸入端信號電壓極性相反，因而若多個(gè)信號同時(shí)作用于運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，就可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。能實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算的電路如圖７．３．５所示。根據(jù)疊加定理，首先令ｕｉ１＝０，ｕｉ２單獨(dú)作用，電路成為反相比例運(yùn)算電路，其輸出電壓為再令ｕｉ２＝０，ｕｉ１單獨(dú)作用，電路成為同相比例運(yùn)算電路，同相端電壓為輸出電壓為則當(dāng)Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒｆ＝Ｒ時(shí)，ｕｏ＝ｕｉ１－ｕｉ２。在理想情況下，它的輸出電壓等于兩個(gè)輸入信號電壓之差，具有很好的抑制共模信號的能力。但是，該電路作為差動(dòng)放大器有輸入電阻低和增益調(diào)節(jié)困難兩大缺點(diǎn)。因此，為了滿足輸入阻抗和增益可調(diào)的要求，在工程上常采用多級運(yùn)放組成的差動(dòng)放大器來完成對差模信號的放大。７．３．４積分和微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算和微分運(yùn)算互為逆運(yùn)算。在自控系統(tǒng)中，常用積分電路和微分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。此外，它們還廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換，以及儀器儀表之中。以集成運(yùn)放作為放大電路，利用電容和電阻作為反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)算電路。１．積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路可以完成對輸入信號的積分運(yùn)算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。這里介紹的是常用基本反相積分電路，如圖７．３．６所示。電容Ｃ作為反饋元件引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。根據(jù)“虛地”的概念，ｕ－≈０，再根據(jù)“虛斷”的概念，ｉ－≈０，則ｉｉ＝ｉＣ，即電容Ｃ以ｉＣ＝ｕｉ／Ｒ進(jìn)行充電。設(shè)電容Ｃ的初始電壓為零，那么即式（７．３．９）表明，輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的積分成正比，且相位相反。當(dāng)輸入信號ｕｉ為如圖７．３．７（ａ）所示的階躍電壓時(shí)，在它的作用下，電容器將以恒流方式進(jìn)行充電，輸出電壓ｕｏ與時(shí)間ｔ呈近似線性關(guān)系，如圖７．３．７（ｂ）所示。因此式中，τ＝ＲＣ為積分時(shí)間常數(shù)。由圖７．３．７（ｂ）可知，當(dāng)ｔ＝τ時(shí)，－Ｕｏ＝ＵＩ，當(dāng)ｔ＞τ時(shí)，ｕｏ增大，直到－ｕｏ＝＋Ｕｏｍ，即運(yùn)放輸出電壓的最大值Ｕｏｍ受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)，ｕｏ保持不變，而停止積分。積分電路的波形變換作用如圖７．３．８所示，當(dāng)輸入信號為矩形波時(shí)，積分電路可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用以延緩過渡過程的沖擊，使被控制的電動(dòng)機(jī)外加電壓緩慢上升，避免其機(jī)械轉(zhuǎn)矩猛增，造成傳動(dòng)機(jī)械的損壞。積分電路還常用來做顯示器的掃描電路，以及模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算等。在實(shí)用電路中，為了防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)一個(gè)電阻，利用并聯(lián)電阻引入直流負(fù)反饋來限制增益。２．微分運(yùn)算電路將積分運(yùn)算電路中的R和C互換，就可得到微分運(yùn)算電路，如圖7.3.9所示。微分是積分的逆運(yùn)算，其輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。圖中Ｒ引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，使運(yùn)放工作在線性區(qū)。根據(jù)理想運(yùn)放特性可知：故得輸出電壓ｕｏ與輸入電壓ｕｉ的關(guān)系為式（7.3.11）表明，輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的微分成正比，且相位相反。微分電路的波形變換作用如圖7.3.10所示，可將矩形波變成尖脈沖輸出。微分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可用做加速環(huán)節(jié)，例如電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí)，加速環(huán)節(jié)起加速保護(hù)作用，可迅速降低電動(dòng)機(jī)的供電電壓?；疚⒎蛛娐酚捎趯斎胄盘栔械目焖僮兓至棵舾校运鼘斎胄盘栔械母哳l干擾和噪聲成分十分敏感，從而使電路性能下降。所以實(shí)用微分電路中，通常在輸入回路中串聯(lián)一個(gè)小電阻，但這將會(huì)影響微分電路的精度，故要求所串聯(lián)的電阻一定要小。７．４電壓比較器電壓比較器是一種常見的模擬信號處理電路，它將一個(gè)模擬輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并由輸出端的高電平或低電平來表示比較結(jié)果。這個(gè)高、低電平即為數(shù)字量。所以，電壓比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的“接口”，實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換。另外，利用集成運(yùn)放組成的波形發(fā)生電路（如方波、三角波、鋸齒波等）都是以電壓比較器為基本單元電路的，電壓比較器還廣泛應(yīng)用于信號處理和檢測電路等。采用集成運(yùn)算放大器可以構(gòu)成電壓比較器，也可采用專用的單片集成電壓比較器。電壓比較器是運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)的典型應(yīng)用。從電路構(gòu)成上看，此時(shí)運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或加入正反饋的情況下。根據(jù)比較器的傳輸特性不同，電壓比較器可分為單門限電壓比較器、滯回電壓比較器及窗口電壓比較器。７．４．１單門限電壓比較器單門限電壓比較器是指只有一個(gè)門限電壓的比較器。其基本電路如圖７．４．１（ａ）所示。ＵＲＥＦ是參考電壓，加在運(yùn)放的反相輸入端，輸入信號ｕｉ加在運(yùn)放的同相輸入端，構(gòu)成同相輸入的單門限電壓比較器（也可以將ＵＲＥＦ和ｕｉ輸入端的位置互換，構(gòu)成反相輸入的單門限電壓比較器）。比較器中的運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)時(shí)，由于開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，即使輸入端只有一個(gè)很小的差值信號，也會(huì)使輸出電壓飽和。因此，構(gòu)成電壓比較器的運(yùn)放工作在飽和區(qū)，即非線性區(qū)。當(dāng)ｕｉ＜ＵＲＥＦ時(shí)，ｕｏ＝ＵＯＬ（負(fù)飽和電壓）；當(dāng)ｕｉ＞ＵＲＥＦ時(shí)，ｕｏ＝ＵＯＨ（正飽和電壓）。圖７．４．１（ｂ）所示為單門限電壓比較器的基本電路及其電壓傳輸特性。電壓比較器的輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)，對應(yīng)的輸入電壓通常稱為閾值電壓或門限電壓，用ＵＴＨ表示。可見，圖７．４．１（ａ）所示電路只有一個(gè)門限電壓，其值ＵＴＨ＝ＵＲＥＦ。若ＵＲＥＦ＝０，即運(yùn)放同相輸入端接地，這種單門限比較器也稱為過零比較器。顯然，過零比較器的閾值電壓ＵＴＨ＝０。圖７．４．２（ａ）所示為一個(gè)反相輸入的過零比較器。它的電壓傳輸特性如圖7.4.2（ｂ）所示。利用過零比較器可以將正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǎ漭斎?、輸出波形如圖7.4.2（ｃ）所示。

對照如圖７．４．１（ｂ）和圖７．４．２（ｂ）所示的傳輸特性，可見，同相輸入的電壓比較器與反相輸入的電壓比較器的傳輸特性對應(yīng)輸出電壓的跳變方向是不同的。同相輸入的電壓比較器針對閾值電壓而言，ｕｉ＜ＵＴＨ，ｕｏ＝ＵＯＬ（負(fù)飽和電壓）；ｕｉ＞ＵＴＨ，ｕｏ＝ＵＯＨ（正飽和電壓）。即輸入電壓在從小到大變化的過程中，輸出電壓由低電平向高電平跳變；反之，輸出電壓由高電平向低電平跳變。而對反相輸入的電壓比較器而言，ｕｉ＜ＵＴＨ，ｕｏ＝ＵＯＨ（正飽和電壓）；ｕｉ＞ＵＴＨ，ｕｏ＝ＵＯＬ（負(fù)飽和電壓）。即輸入電壓在從小到大變化的過程中，輸出電壓由高電平向低電平跳變；反之，輸出電壓由低電平向高電平跳變。７．４．２滯回電壓比較器單門限電壓比較器電路簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差。如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響在門限電平上下波動(dòng)時(shí)，則輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)跳變，如圖７．４．３所示。若用此輸出電壓控制電機(jī)等設(shè)備，將出現(xiàn)誤操作。為解決這一問題，常采用滯回電壓比較器。

滯回電壓比較器通過引入上、下兩個(gè)門限電壓，從而獲得正確、穩(wěn)定的輸出電壓。在電路構(gòu)成上以單門限電壓比較器為基礎(chǔ)，增加了正反饋電阻Ｒ２和Ｒｆ，使它的電壓傳輸特性呈現(xiàn)滯回性，如圖7.4.4（ｂ）所示。圖7.4.4（ａ）所示電路中的兩個(gè)穩(wěn)壓管將比較器的輸出電壓穩(wěn)定在＋ＵＺ和－ＵＺ之間。當(dāng)輸出電壓為＋ＵＺ時(shí)，對應(yīng)運(yùn)放的同相端電壓稱為上門限電壓，用ＵＴＨ１表示，則有當(dāng)輸出電壓為－ＵＺ時(shí)，對應(yīng)運(yùn)放的同相端電壓稱為下門限電壓，用ＵＴＨ２表示，則有通過式（７．４．１）和式（７．４．２）可以看出，上門限電壓ＵＴＨ１的值比下門限電壓ＵＴＨ２的值大。從滯回電壓比較器的傳輸特性可見，當(dāng)輸入信號ｕｉ從小于或等于零開始增加時(shí)，電路輸出為＋ＵＺ，此時(shí)運(yùn)放同相端對地電壓為ＵＴＨ１。ｕｉ增至剛超過ＵＴＨ１時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)，輸出跳變?yōu)椋眨?，此時(shí)運(yùn)放同相端對地電壓變?yōu)椋眨裕龋?。ｕｉ繼續(xù)增加時(shí)，輸出保持－ＵＺ不變。若ｕｉ從最大值開始減小，當(dāng)減到上門限電壓ＵＴＨ１時(shí)，輸出并不翻轉(zhuǎn)，只有減小到略小于下門限電壓ＵＴＨ２時(shí)，電路才發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)椋眨?/p>

由以上分析可以看出，該比較器的電壓傳輸特性具有滯回特性。其上門限電壓ＵＴＨ１與下門限電壓ＵＴＨ２之差稱為回差電壓，用ΔＵＴＨ表示，即。滯回電壓比較器用于控制系統(tǒng)時(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回電壓比較器兩個(gè)門限電壓ＵＴＨ１和ＵＴＨ２的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復(fù)跳變，如圖７．４．５所示。７．４．３窗口電壓比較器

窗口電壓比較器電路結(jié)構(gòu)如圖７．４．６（ａ）所示。電路由兩個(gè)單門限電壓比較器、二極管、穩(wěn)壓管和電阻構(gòu)成。其中比較器Ａ１的參考電壓等于ＵＲＨ，比較器Ａ２的參考電壓等于ＵＲＬ，且設(shè)ＵＲＨ＞ＵＲＬ＞０。若兩個(gè)電壓比較器的參數(shù)一致，特性對稱，穩(wěn)壓管ＶＤＺ的穩(wěn)定電壓值等于ＵＺ。則其工作原理為由此可畫出窗口電壓比較器的電壓傳輸特性如圖７．４．６（ｂ）所示?？梢?，該比較器有兩個(gè)閾值，傳輸特性呈現(xiàn)窗口狀，故稱為窗口電壓比較器。窗口電壓比較器可用于檢測輸入信號的電平是否處于兩個(gè)給定的參考電壓之間。通過以上三種電壓比較器的分析，可以得出以下結(jié)論：（１）在電壓比較器中，集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高電平和低電平兩種可能的情況。（２）通常用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。（３）電壓傳輸特性的三個(gè)要素是輸出電壓的高、低電平，閾值電壓和輸出電壓的跳變方向。輸出電壓的高、低電平由輸出端限幅電路決定；當(dāng)ｕ＋＝ｕ－時(shí)所求出的輸入電壓ｕｉ就是閾值電壓；ｕｉ等于閾值電壓時(shí)輸出電壓的跳變方向決定于輸入電壓作用在同相輸入端還是反相輸入端。７．５ＲＣ正弦波振蕩電路信號產(chǎn)生電路是一種不需要外接輸入信號，就能夠產(chǎn)生特定頻率和幅值交流信號的波形發(fā)生電路，也叫自激振蕩電路。按輸出信號波形的不同可分為兩大類，即正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路，而正弦波振蕩電路根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成元件的不同分為ＲＣ振蕩電路、ＬＣ振蕩電路和石英晶體振蕩電路；非正弦波振蕩電路按照產(chǎn)生信號的形式又可分為方波、三角波和鋸齒波振蕩電路。非正弦波振蕩電路都是以電壓比較器作為基本單元電路的。本節(jié)主要介紹自激振蕩形成的條件；ＲＣ振蕩電路的組成及工作原理。信號產(chǎn)生電路的基本構(gòu)成是在放大電路中引入正反饋來產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，輸出的交流信號是由直流電源的能量轉(zhuǎn)換而來的。７．５．１正弦波振蕩電路的基本原理１．自激振蕩形成的條件擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的嘯叫聲，其形成過程如圖７．５．１所示。由圖７．５．１可見，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音傳入話筒，話筒將聲音轉(zhuǎn)化為電信號，送給擴(kuò)音機(jī)放大，再由揚(yáng)聲器將放大了的電信號轉(zhuǎn)化為聲音，聲音又返送回話筒，形成正反饋，如此反復(fù)循環(huán)，就產(chǎn)生了自激振蕩嘯叫。顯然，自激振蕩是擴(kuò)音系統(tǒng)應(yīng)該避免的，而信號發(fā)生器正是利用自激振蕩的原理來產(chǎn)生正弦波的。所以，自激振蕩電路是一個(gè)沒有輸入信號的正反饋放大電路?？捎萌鐖D７．５．２所示的方框圖來分析自激振蕩形成的條件。自激振蕩形成的基本條件是反饋信號與輸入信號大小相等、相位相同，即此式可變形為故可得式（７．５．１）包含著兩層含義：（１）反饋信號與輸入信號大小相等，用的關(guān)系表示，即稱為幅度平衡條件。（２）反饋信號與輸入信號相位相同，表示輸入信號經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的相移φＡ和反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移φＦ之和為２π的整數(shù)倍，即稱為相位平衡條件。２．正弦波振蕩的形成過程當(dāng)放大電路在接通電源的瞬間，隨著電源電壓由零開始的突然增大，電路受到擾動(dòng)，在放大電路的輸入端產(chǎn)生一個(gè)微弱的擾動(dòng)電壓ｕｉ，這個(gè)擾動(dòng)電壓包括從低頻到甚高頻的各種頻率的諧波成分。ｕｉ經(jīng)放大器放大、正反饋，再放大、再反饋……如此反復(fù)循環(huán)，輸出信號的幅度增加很快。為了能得到所需頻率的正弦波信號，必須增加選頻網(wǎng)絡(luò)，只有在選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號能通過，其他頻率的信號被抑制。這樣，在輸出端就會(huì)得到如圖７．５．３中ａｂ段所示的起振波形。那么，振蕩電路在起振以后，振蕩幅度會(huì)不會(huì)無休止地增長下去呢？這就需要增加穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，當(dāng)振蕩電路的輸出達(dá)到一定幅度后，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)就會(huì)使輸出減小，維持一個(gè)相對穩(wěn)定的穩(wěn)幅振蕩，如圖７．５．３中的ｂｃ段所示。也就是說，在振蕩建立的初期，必須使反饋信號大于原輸入信號，反饋信號一次比一次大，才能使振蕩幅度逐漸增大；當(dāng)振蕩建立后，還必須使反饋信號等于原輸入信號，才能使建立的振蕩得以維持下去。由上述分析可知，起振條件應(yīng)為穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為３．振蕩電路的組成要形成振蕩，電路中必須包含以下組成部分：（１）放大器；（２）正反饋網(wǎng)絡(luò)；（３）選頻網(wǎng)絡(luò)；（４）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成元件的不同，正弦波振蕩電路通?？煞譃椋遥谜袷庪娐?、ＬＣ振蕩電路和石英晶體振蕩電路。４．振蕩電路的分析方法（１）檢查電路是否具有振蕩電路的四個(gè)組成部分。（２）分析放大電路的靜態(tài)偏置是否能保證放大電路正常工作。（３）分析放大電路的交流通路是否能正常放大交流信號。（４）檢查電路是否滿足相位平衡條件和幅度平衡條件。７．５．２常用的ＲＣ正弦波振蕩電路

ＲＣ正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，可用來產(chǎn)生幾兆赫茲以下的低頻信號。常用的ＲＣ振蕩電路有ＲＣ橋式振蕩電路和移相式振蕩電路。這里只介紹由ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的橋式振蕩電路。１．ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由Ｒ２和Ｃ２并聯(lián)后與Ｒ１和Ｃ１串聯(lián)組成，如圖７．５．４所示。設(shè)Ｒ１和Ｃ１的串聯(lián)阻抗用Ｚ１表示，Ｒ２和Ｃ２的并聯(lián)阻抗用Ｚ２表示，那么輸入電壓加在Ｚ１與Ｚ２串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的兩端，輸出電壓Ｚ２兩端取出。將輸出電壓與輸入電壓之比作為ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，記為那么在實(shí)際電路中，通常?。遥保剑遥玻剑?，Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ，令故由數(shù)學(xué)推導(dǎo)得幅頻特性為相頻特性為設(shè)輸入電壓為振幅恒定、頻率可調(diào)的正弦信號。由式（７．５．７）和式（７．５．８）可知：由此可以看出，ω在整個(gè)增大的過程中，Ｆ的值先從０逐漸增大，然后又逐漸減小到０。其相角也從＋９０°逐漸減小經(jīng)過０°直至－９０°。可見，ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)滿足條件：即此時(shí)，輸出幅度最大，而且輸出電壓與輸入電壓同相，即相位移為０°，所以ＲＣ串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，如圖７．５．５所示。２．ＲＣ橋式振蕩電路將ＲＣ串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來即可構(gòu)成ＲＣ振蕩電路，放大器件可采用集成運(yùn)算放大器，也可采用分離元件構(gòu)成。圖７．５．６所示為由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的ＲＣ橋式振蕩電路，圖中ＲＣ串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的輸出端和同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋；Ｒｆ和Ｒ１接在運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成負(fù)反饋。正反饋電路與負(fù)反饋電路構(gòu)成一個(gè)文氏電橋，運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對角線上，形成四臂電橋，如圖７．５．７所示。所以，把這種振蕩電路稱為ＲＣ橋式振蕩電路。在圖７．５．６中，集成運(yùn)放組成一個(gè)同相放大器，它的輸出電壓ｕ