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6 1引言 集成運算放大器的基本應用電路 信號的運算 處理及信號產(chǎn)生電路 本章的主要內(nèi)容 理想運放的概念及理想運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點 集成運放的線性應用電路 比例運算電路 加減運算電路 積分和微分運算電路 對數(shù)和指數(shù)運算電路 運放的非線性應用電路 電壓比較器 第6章集成運算放大器基本應用電路 6 2理想運算放大器 什么是理想運算放大器 將集成運放的各項技術指標理想化后得到一種最簡模型 1 Aod 2 Rid Ro 0 3 IB1 IB2 0A 4 UIO 0 IIO 0 5 KCMR 6 BW 6 2 1理想運放的技術指標 6 2 2理想運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點 運放工作在線性區(qū)時 有 因為 所以 即 稱為虛短 又有輸入電阻 因此 稱為虛斷 理想運放工作在線性有兩個重要特性 虛短 和 虛斷 Uom Uom 理想運放的電壓傳輸特性 0 線性區(qū)Aod Uom Uom 理想運放的電壓傳輸特性 0 非線性區(qū) 非線性區(qū) 運放工作在非線性區(qū)時 uP uN為微小量 Aod 所以uO將飽和 為 UOM或 U 理想運放工作在非線性區(qū)也有兩個特點 1 當uP uN時 uO UOM 當uP uN時 uO UOM 此時 集成運放工作在非線性區(qū) 2 uP uN為有限值 Rod 所以 即理想運放工作在非線性區(qū)也具有 虛斷 的特點 6 2 2理想運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點 集成運算放大器比例運算電路有三種類型 1 反相輸入比例運算電路2 同相輸入比例運算電路3 差分輸入比例運算電路 比例運算電路 是輸出信號與輸入信號成固定比例關系的運算電路 6 3比例運算電路 反相比例運算電路 6 3 1反相比例運算電路 iI if uP uN 0 0 輸入電壓uI通過電阻作用于集成運放的反相輸入端 輸入端有電流iI 根據(jù) 虛斷 有iP iN 0 可得 iI if uP 0 根據(jù) 虛短 有uP uN 0 反相輸入端是0電位 就好像接地一樣 稱為 虛地 反相輸入比例運算電路的電壓增益為 uO與ui是反相比例關系 比例系數(shù)為 其電壓增益可大于 等于 小于1 反相比例運算電路的輸入電阻 if 若 則 則該電路稱為反相器 共模輸入電壓為 對運放的共模抑制比要求較低 6 3 1反相比例運算電路 為保證運放輸入級差分放大電路的對稱性 在輸入uI 0時 從運放的反相輸入端和同相輸入端向外看 兩者的對地等效電阻相等 即 反相比例運算電路在uI 0時的等效電路 6 3 1反相比例運算電路 例6 3 1 已知R1 R2 R4 100k R3 10k 試求 1 電路的電壓增益 2 為保證輸入端的對稱性 估算R 的取值 例6 3 1電路圖 解 1 根據(jù) 虛斷 虛短 求得 列節(jié)點電流方程 2 平衡電阻R 為 6 3 1反相比例運算電路 6 3 2同相輸入比例運算電路 同相比例運算電路 輸入信號uI作用下 因虛斷 得 uP 又因虛短 由以上分析可得 0 0 uN 所以電壓增益為 根據(jù)虛斷 同相比例運算電路 同相輸入端的輸入電流為0 其輸入電阻為 uI 0 0 uI 根據(jù)虛短 同相輸入比例運算電路的電壓增益大于等于1 輸出與輸入同相 實現(xiàn)了同相比例運算關系 比例系數(shù)為 該電路對運放的共模抑制比要求較高 共模輸入電壓為 6 3 2同相輸入比例運算電路 同相比例運算電路中若R1 和RF 0 則構(gòu)成電壓跟隨器 同相比例運算電路 a b 電壓跟隨器電路圖 它可以在信號源與負載之間起到隔離和緩沖的作用 其電壓增益等于1 相當共集 共漏 放大電路的情況 6 3 2同相輸入比例運算電路 6 3 3差分輸入比例運算電路 差分輸入比例運算電路 輸入信號uI1作用 uI2 0時 輸出為uO1 輸入信號uI2作用 uI1 0時 輸出為uO2 可得 設 電路的差模電壓增益 1 為保證運放輸入端處于平衡狀態(tài) 要求 為減小電路共模輸出電壓 通常應使 2 由于電路無 虛地 現(xiàn)象 uP uN存在共模電壓 應選用高共模抑制比的運放 在應用該電路時 要注意以下幾點 3 要求R1和R1 及Rf和Rf 嚴格匹配 4 該電路增益調(diào)整困難 實現(xiàn)差模運算稱為差分比例運算電路 6 3 3差分輸入比例運算電路 集成運算放大器比例運算電路有三種類型 1 反相輸入求和運算電路2 同相輸入求和運算電路3 減法運算電路 加減運算電路 實現(xiàn)對多個輸入信號按不同的比例求和或者求差的運算關系的電路 6 4加減運算電路 6 4 1反相輸入求和運算電路 在反相比例運算電路的基礎上 增加多個輸入支路 就構(gòu)成了反相輸入求和電路 反相求和運算電路 當R1 R2 R時 輸出電壓與兩輸入信號之和成反相比例運算關系 根據(jù) 虛短 虛斷 及節(jié)點電流法求得 6 4 2同相輸入求和電路 在同相比例運算電路的基礎上 增加一個輸入支路 就構(gòu)成了同相輸入求和電路 同相求和運算電路 根據(jù) 虛斷 和疊加原理 得 根據(jù) 虛短 同相輸入求和電路可實現(xiàn)多個輸入信號的加法運算關系 但此電路設計和調(diào)整較難 6 4 2同相輸入求和電路 6 4 3減法運算電路 加減運算電路 為解決差分比例運算電路設計中的困難 常用加減運算電路來完成多個輸入信號的減法運算 6 5 1積分運算電路 用電容C替換反相比例運算電路中的反饋電阻RF 就構(gòu)成積分運算電路 又稱積分器 積分運算電路 uC 0 根據(jù) 虛短 和 虛斷 得 設初始時刻為0 t時刻輸出電壓為 當輸入信號是直流電壓UI時 有 輸出電壓與時間 t為線性關系 6 5積分和微分運算電路 例6 5 1 積分電路中 R 10k C 0 1 F 設電容器上的初始電壓為0V 運放輸出電壓的最大值UOM 15V 例6 5 1的輸入和輸出信號波形 對例6 5 1求解運算可得輸出電壓uO的波形如圖 c 和 d 例6 5 1的輸入和輸出信號波形 若積分運算電路的輸入方波信號不完全對稱 將導致積分運算電路的輸出達到飽和 解決方法是在積分電容兩端并聯(lián)一個較大的電阻 同時 應采用輸入失調(diào)電壓 失調(diào)電流和偏置電流較小的運放 當電路輸入端分別加入如圖所示的輸入信號波形時 試分別畫出積分器的輸出信號波形 6 5 2微分運算電路 微分運算電路是將積分運算電路的電阻 電容互換位置得到的 設電容器上的初始電壓為0V 微分運算電路 根據(jù) 虛短 和 虛斷 可求得 在實際應用中 這種微分電路由于高頻干擾的影響 電路輸出不穩(wěn)定 趨于振蕩 R1 C1對正常信號的微分運算影響很小 在高頻段 降低電壓放大倍數(shù) 有效地抑制高頻噪聲 因此提出一種實用微分電路 電路中 選取阻容元件的參數(shù)使 實用微分電路 RC1構(gòu)成一個超前環(huán)節(jié) 克服R1 C的滯后影響 形成相位補償 穩(wěn)壓管用于限制輸出幅度 6 6 1對數(shù)運算電路 對數(shù)運算電路 在反相比例運算電路中 將反饋電阻用二極管代替 可構(gòu)成對數(shù)運算電路 當uI 0時 VD導通 由 虛短 和 虛斷 可得 由二極管的伏安特性方程得 只有uI 0時 此對數(shù)函數(shù)關系才成立 6 6對數(shù)和指數(shù)運算電路 6 6 2指數(shù)運算電路 將對數(shù)運算電路中的二極管VD和電阻R互換 可得指數(shù)運算電路 指數(shù)運算電路相當反對數(shù)運算電路 指數(shù)運算電路 當uI 0時 VD導通 由 虛短 和 虛斷 可得 2 電壓比較器中的集成運放工作在開環(huán)或引入正反饋狀態(tài) 工作在非線性區(qū) 運放的工作狀態(tài) 1 電壓比較器可實現(xiàn)信號鑒幅和比較功能 與其它電子電路組合 可實現(xiàn)信號發(fā)生 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 電源監(jiān)測等功能 6 7電壓比較器 3 電壓比較器的電壓傳輸特性 電壓比較器的輸出電壓uO與輸入電壓uI之間的關系曲線 稱為電壓傳輸特性 2 電壓比較器的兩種輸出電壓 根據(jù)電壓傳輸特性的不同 電壓比較器分為3種 單限比較器 滯回比較器和窗口比較器 1 比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生躍變時所對應的輸入電壓稱為閾值電壓 用UTH表示 3 電壓比較器輸出電壓的躍變方向 當uIUREF時 uO UZ 電路的閾值電壓UTH UREF 6 7 1單限比較器 a b 單限比較器及其電壓傳輸特性 運放輸入端并聯(lián)的兩個二極管作用是保護運放的輸入級 運放輸出端的R與DZ構(gòu)成輸出限幅電路 對單限比較器進行如下討論 1 當UREF 0V時 單限比較器稱為過零比較器 其閾值電壓為零 6 7 1單限比較器 2 當參考電壓UREF為常量時 單限比較器可以用于波形變換 設輸入uI為三角波 過零比較器輸出波形為矩形波 過零比較器的輸出電壓波形 6 7 1單限比較器 3 當參考電壓UREF為高頻三角波時 若輸入uI為低頻正弦信號 則比較器輸出為脈寬調(diào)制 PWM 波形 單限比較器輸出的PWM波形 6 7 1單限比較器 4 若將單限比較器的輸入端與參考電壓端互換 此時輸入uI經(jīng)過UTH時 uO的躍變方向正好與原圖相反 6 7 1單限比較器 5 分析電壓比較器的方法 確定其電壓傳輸特性 a 確定比較器的閾值電壓UTH b 明確輸出在輸入過UTH時的躍變方向 基本方法 a 令uP uN 求閾值電壓UTH b 若uI由同相輸入端接入 有若uI由反相輸入端接入 有 6 當輸入電壓uI受到干擾在閾值電壓上下波動時 其輸出uO將在高 低電平之間反復跳躍 因此單限比較器抗干擾能力差 6 7 1單限比較器 例6 7 1 單限比較器的參考電壓UREF 0V 試分析其電壓傳輸特性 解 根據(jù) 虛斷 和疊加定理 令 求得 得出電路的電壓傳輸特性 a b 例6 7 1的電路圖及其電壓傳輸特性 6 7 2滯回比較器 滯回比較器的輸出uO經(jīng)過反饋電阻R1被引回到運放的同相輸入端 由于引入了正反饋 運放工作于非線性區(qū) uO為高電平 UZ或低電平 UZ uP不僅取決于UREF 還受uO的影響 隨著uO在 UZ和 UZ之間的躍變 uP也隨之改變 因此 滯回比較器具有兩個閾值電壓 反相滯回比較器與電壓傳輸特性 反相滯回比較器 根據(jù) 虛斷 和疊加定理 令 可得 當uO UZ時 上限閾值電壓UTH1 當uO UZ時 下限閾值電壓UTH2 6 7 2滯回比較器 設uI UTH2 則uN uP uO UZ 此時uP UTH1 增大uI 經(jīng)過UTH1時 uO從 UZ躍變?yōu)?UZ 電壓傳輸特性 設uI UTH1 則uN uP uO UZ 此時uP UTH2 減小uI 經(jīng)過UTH2 uO從 UZ躍變?yōu)?UZ 由以上分析可得滯回比較器的電壓傳輸特性 兩閾值電壓之差稱為回差電壓 改變UREF的值 可使滯回特性曲線在水平方向上移動 改變電阻R1 R2的比值 可改變回差電壓 U 6 7 2滯回比較器 設uI UTH uO UZ 閾值電壓為UTH2 減小uI過UTH2時 uO由 UZ跳變?yōu)?UZ 閾值電壓為UTH1 此后uI只有經(jīng)過UTH1時才使uO由 UZ跳變?yōu)?UZ 因此有更強的抗干擾能力 a b 反相滯回比較器的輸入與輸出電壓波形 滯回比較器可用于波形變換 例如將三角波變換為矩形波 6 7 2滯回比較器 將圖中uI和UREF的位置互換 就構(gòu)成了同相滯回比較器 其電壓傳輸特性曲線的變化方向與反相滯回比較器正好相反 6 7 2滯回比較器 例6 7 2 設運放的最大輸出電壓 UOM 12V 試求 1 分析電路的電壓傳輸特性 2 根據(jù)電路輸入電壓信號畫出電路的輸出電壓波形 解 1 由電路圖可知 例6 7 2電路圖及其電壓傳輸特性 根據(jù) 虛斷 和疊加定理 求得 當uO 6V時 UTH1 1 5V 當uO 6V時 UTH2 7 5V 令 6 7 2滯回比較器 2 根據(jù)電路的電壓傳輸特性 可得電路的輸出電壓波形 該電路為同相滯回比較器 可畫出其電壓傳輸特性 例6 7 2的輸入和輸出電壓波形 6 7 2滯回比較器 6 7 3窗口比較器 窗口比較器由一對單限比較器構(gòu)成 有兩個閾值電壓 由R1 R2與VD1 VD2構(gòu)成的分壓支路提供 當R1 R2時 窗口比較器 1 當uI UL時 UO2 UOM VD4導通 uO1 UOM VD3截止 uO UOM 2 當UH uI UL時 uO1 UOM uO2 UOM VD3 VD4截止 uO 0 3 當uI UH時 uO1 UOM VD3導通 uO2 UOM VD4截止 uO UOM 6 7 3窗口比較器 窗口比較器的輸入uI在單向變化過程中 經(jīng)過每一個閾值電壓時 uO都發(fā)生躍變 即uO會跳變兩次 窗口比較器可以檢測某一特定范圍的輸入信號 常用于信號鑒幅 模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換等電路中 窗口比較器的輸入和輸出電壓波形 6 7 3窗口比較器 集成電壓比較器與由通用的集成運放構(gòu)成的比較器的區(qū)別為 1 通用集成運算放大器的工作速度較慢 一般為 s數(shù)量級 集成電壓比較器翻轉(zhuǎn)速度快 大約在ns數(shù)量級 2 通用集成運算放大器的輸出級一般采用推挽電路 雙極性輸出 輸出電平比較高 與數(shù)字電路連接時需加限幅措施 集成電壓比較器的輸出級為集電極開路結(jié)構(gòu) 需接上拉電阻 輸出符合TTL CMOS電平 容易和數(shù)字電路連接 6 7 4集成電壓比較器的特點 集成電壓比較器分類 按電壓比較器的個數(shù) 可分為單 雙和四電壓比較器 按功能可分為通用型 高速型 低功耗型 低電壓型和高精度型 按輸出方式可分為普通 集電極開路輸出或互補輸出 表6 7 1幾種常用集成電壓比較器的性能比較 6 7 4集成電壓比較器的特點 LM311的8腳雙列直插式管腳圖如下圖 b 所示 LM311有同相和反相兩個輸入端 正 負兩個外接電源 有外部平衡調(diào)節(jié)端和選通控制端 輸出可接成 線與 方式 a b LM311的管腳 LM311特點 輸入偏流小 電壓范圍寬 響應速度快 輸出與TTL及CMOS電平兼容 1 LM311 電阻R的阻值可根據(jù)負載電流的大小和電源電壓的高低來選擇 電阻R也可以是負載 LM311可以采用集電極 或漏極 開路輸出 其輸出電平靈活 可以輸出3 3V 5V和12V等 a 集電極輸出方式 b 發(fā)射極輸出方式LM311常用接法 1 LM311 LM339是一種四電壓比較器集成電路 采用14腳雙列直插式的封裝 LM339的特點 1 工作電源電壓范圍寬 單電源 雙電源均可工作 2 輸入失調(diào)電壓小 3 對信號源的內(nèi)阻要求不高 4 共模輸入電壓范圍寬 5 差動輸入電壓范圍較大 最大可以等于電源電壓 6 輸出端電位可靈活設置 LM339的管腳與功能圖 2 LM339 用LM339可以方便的構(gòu)成單限比較器等多種比較器 LM339可以直接驅(qū)動CMOS LM339構(gòu)成的單限比較器 b LM339直接驅(qū)動CMOS電路 a b 2 LM339 LM339可以直接驅(qū)動TTL門電路 c LM339直接驅(qū)動TTL電路 2 LM339