模擬電子技術(shù)第4章.ppt

4.1 概述 4.2 集成運(yùn)放放大、運(yùn)算電路 4.3 模擬乘法器及其應(yīng)用 4.4 有源濾波器 4.5 集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用 4.6 集成運(yùn)放使用常識(shí)與應(yīng)用示例,第四章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用,教學(xué)目標(biāo),1、掌握運(yùn)放理想特性、非理想特性、線性應(yīng)用條件及其”虛短”、“虛斷”特性。了解運(yùn)放主要參數(shù)。,2、掌握運(yùn)放三種基本放大電路的組成、性能、特點(diǎn)。,3、掌握求和、積分、微分運(yùn)算電路的組成及其輸入輸出關(guān)系。,4、了解模擬乘法器的基本特性、電路符號及由其構(gòu)成的除法、平方、開方運(yùn)算電路。,5、熟悉濾波器功能及其分類。了解一階、二階有源濾波器的組成、性能、特點(diǎn)。選學(xué)開關(guān)電容濾波器原理和集成有源濾波器及其應(yīng)用。,教學(xué)目標(biāo),6、掌握集成運(yùn)算非線性應(yīng)用條件及其特點(diǎn)。掌握單值、遲滯電壓比較器、窗口比較器的電路組成、工作原理。會(huì)計(jì)算閾值電壓，會(huì)畫電壓傳輸特性圖，根據(jù)ui波形能畫出uo波形。了解集成電壓比較器，熟悉比較器的應(yīng)用。選學(xué)方波、矩形波、三角波、鋸齒波發(fā)生器。,7、熟悉測量放大器原理、集成測量放大器及其應(yīng)用。,8、熟悉特殊集成運(yùn)放選用常識(shí)，熟悉集成運(yùn)放的外接電阻選用、單電源交流放大調(diào)零、消振與保護(hù)等運(yùn)放應(yīng)用知識(shí)。,4.1 概述,4.1.1 運(yùn)算放大器非理想特性和主要參數(shù),集成運(yùn)放開環(huán)情況下的傳輸特性如圖4.1.1所示，,圖4.1.1 集成運(yùn)放傳輸特性,它分為兩個(gè)工作區(qū):,一是飽和區(qū)（稱為非線性區(qū)）,放由雙電源供電時(shí)輸出飽和值不是Uom 就是Uom ;,二是放大區(qū)（又稱線性區(qū)）,曲線的斜率為電壓放大倍數(shù),理想運(yùn)放Aod，在放大區(qū)的曲線與縱坐標(biāo)重合。但實(shí)際情況如圖中虛線所示。,集成運(yùn)放主要參數(shù)就是它的非理想特性的客觀反映。,1、開環(huán)差模電壓增益Aod,集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓增益(Open-Loop differential voltage gain)是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接人規(guī)定負(fù)載而無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。 Aod與輸出電壓U0的大小有關(guān)，通常是在規(guī)定的輸出電壓幅值時(shí)（如U0 =+10V）測得的值。,通常用分貝數(shù)dB表示，則為,一般情況希望Aod越大越好，Aod越大，構(gòu)成的電路性能越穩(wěn)定，運(yùn)算精度越高。Aod一般可達(dá)100dB，最高可達(dá)140dB以上。, 如果集成運(yùn)放差動(dòng)輸入級非常對稱，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)際上它的差動(dòng)輸入級很難達(dá)到對稱，通常在室溫25下，為了使輸入電壓為零時(shí)輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做輸入失調(diào)電壓UIO。UIO的大小反映了運(yùn)放輸入級電路的不對稱程度。UIO越小越好，一般為（110）mV。,2、輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂 dUIO/dT,另外，輸入失調(diào)電壓的大小還隨溫度，電源電壓的變化而變化。通常輸入失調(diào)電壓UIO對溫度的變化率稱之為輸入電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）用 dUIO/dT表示,一般為(1020)V/.,注意：dUIO/dT不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償，在要求溫漂低的場合，要選用低溫漂的運(yùn)放。,3、輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂dIIO/dT,在常溫下，輸入信號為零時(shí)，放大器的兩個(gè)輸入端的基極靜態(tài)電流之差稱之為輸入失調(diào)電流IIO，有 IIOIB1IB2 它反應(yīng)了輸入級兩管輸入電流的不對稱情況，IIO越小越好，一般為1nA0.1A。,IIO隨溫度的變化而變化，IIO隨溫度的變化率稱之為輸入失調(diào)電流溫漂，用d IIO /dT表示，單位為nA/。,4、輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流(Input bias current)是指集成運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2，IIB越小越好，一般為10nA10A。,5、開環(huán)差模輸入電阻Rid,差模輸入電阻是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間的動(dòng)態(tài)電阻。它反映輸入端向差動(dòng)信號源索取電流的能力。其值越大越好，一般為幾兆歐姆。MOS集成運(yùn)放Rid 高達(dá)106M以上。,6、開環(huán)差模輸出電阻Rod,集成運(yùn)放開環(huán)時(shí)，從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，稱之為輸出電阻。它反映集成 運(yùn)放輸出時(shí)的負(fù)載能力 ，其值越小越好。一般Rod小于幾十歐姆。,7、共模抑制比KCMR,共模抑制比為開環(huán)差模電壓增益Aod與共模電壓增益Aoc之比的絕對值：KCMR=Aud/Auc，它表示集成運(yùn)放對共模信號抑制能力，其值越大越好，一般KCMR為60130dB之間。,8、最大差模和共模輸入電壓Uidmax,、Uicmax,Uidmax是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端所允許加的最大差模電壓，超過此電壓，將會(huì)使集成運(yùn)放輸入級某一側(cè)三極管發(fā)射結(jié)反向擊穿。 Uicmax是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端所允許加的共模最大電壓，超過此電壓，集成運(yùn)放的共模抑制比將明顯下降。,9、最大輸出電壓Uom,在給定負(fù)載上，最大不失真輸出電壓的峰峰值稱為最大輸出電壓。,10、轉(zhuǎn)換速率SR(Slew rate),SR是指集成運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入大信號時(shí)輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率，SR越大越好。,11、小信號頻率參數(shù),集成運(yùn)放(741)工作于小信號狀態(tài)幅頻特性如圖4.1.2所示。,圖中Aod(dB)為直流差模增益，fH為上限頻率。,（1）開環(huán)帶寬BW,BW為運(yùn)放開環(huán)差模電壓增益值比直流增益下降了3dB所對應(yīng)的信號頻率。,例如：741的fH =7Hz,圖4.1.2 集成運(yùn)放(741)幅頻特性,BWfH,（2）單位增益帶寬BWG,BWG為運(yùn)放開環(huán)電壓增益頻率特性曲線上其增益下降到Aod=1(Aod為0dB)時(shí)的頻率。,集成運(yùn)放閉環(huán)應(yīng)用時(shí)，BWG就是反饋放大電路的增益帶寬積。,741運(yùn)放Aod=2105時(shí)，fT=21057HZ=1.4MHZ。,4.1.2 典型的雙運(yùn)放、四運(yùn)放簡介,雙運(yùn)放F353引腳排列圖如圖4.1.3所示，該器件是一種高速JFET輸入運(yùn)算放大器。 四運(yùn)放LM324引腳排列圖如圖4.1.4所示。它是通用型單片高增益運(yùn)算放大器，它既可以單電源使用，也可雙電源使用。,圖4.1.3 雙運(yùn)放F353 圖4.1.4 四運(yùn)放LM324,4.1.3 集成運(yùn)放理想化條件和線性應(yīng)用條件,一、集成運(yùn)放理想化條件 滿足理想化的集成運(yùn)放應(yīng)具有無限大的差模輸入電阻，趨于零的輸出電阻，無限大的差模電壓增益和共模抑制比，無限大的頻帶寬度以及趨于零的失調(diào)和漂移。 在低頻情況下的實(shí)際使用和分析集成運(yùn)放電路時(shí)，可以近似地把它看成為理想集成運(yùn)算放大器 (Ideal operational amplifier)。,二、集成運(yùn)放線性應(yīng)用條件及其特性 把集成運(yùn)放接成負(fù)反饋組態(tài)（Negative freed back configration）是集成運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件。 理想集成運(yùn)放線性應(yīng)用時(shí)具有以下兩個(gè)特性，即 1.虛短(Virtual short circuit)： u+=u- 2.虛斷(Virtual open circuit) ： i+=i-=0,4.2 集成運(yùn)放放大、運(yùn)算電路,4.2.1 反相輸入放大電路,圖4.2.1 反相輸入放大電路,圖中，Rf為反饋電阻，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋組態(tài)；電阻RP稱為直流平衡電阻 。,Ro=0,4.2.2 同相輸入放大電路,圖4.2.2 同相輸入放大電路,放大電路的輸入電阻Ri 放大電路的輸出電阻 Ro=0,輸入信號ui經(jīng)電阻R2送到同相輸入端，Rf與R1使運(yùn)放構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。,圖4.2.3 電壓跟隨器,圖4.2.4 電壓跟隨器其它形式電路 (a)基本電路 (b)減小輸入電阻接法,電壓跟隨器與射極跟隨器類似，但其跟隨性能更好，輸入電阻更高、輸出電阻為零，常用作變換器或緩沖器。在電子電路中應(yīng)用極廣。其實(shí)用電路還有其它兩種形式，電路如圖4.2.4所示。圖b電路在同相輸入端加一隔離電阻，防止因輸入電阻過高而引人周圍電場的干擾，Ri=R。,4.2.3 差分輸入(Differential input)放大電路,圖4.2.5 差分輸入放大電路,當(dāng)取R1=R2和Rf=R3時(shí),則上式為,差分輸入放大電路的兩個(gè)輸入端都有信號輸入。ui1通過R1接至運(yùn)放的反相輸入端，ui2通過R2、R3分壓后接至同相輸入端，而uo通過Rf、R1反饋到反相輸入端。,例4.2.1 兩運(yùn)放組成的抗共模噪聲電路如圖4.2.6所示，求Auf。,圖4.2.6 兩運(yùn)放抗共模噪聲電路,解題分析： 在分析多個(gè)運(yùn)放組成電路時(shí)，應(yīng)把輸入輸出關(guān)系搞清楚，然后應(yīng)用虛短、虛斷概念和疊加定理求解。 本例中A1的輸出為A2的輸入。A1組成同相比例放大器，A2組成差動(dòng)放大組態(tài)。 該電路具有很高的輸入電阻可達(dá)幾十 兆歐。為提高抑制共模信號的能力，要求A1、A2具有較高的共模抑制比。,4.2.4 放大電路在工程實(shí)際中的應(yīng)用示例,圖4.2.7 紅外線報(bào)警器的放大電路,A1組成同相輸入交流放大電路。,A2組成反相交流放大電路。,P2288為紅外線(熱釋電)傳感器。,在工程實(shí)際中，傳感器輸出信號較弱，需經(jīng)放大。附錄B圖B.7紅外線報(bào)警器的兩級放大電路如圖4.2.7 所示。 圖中，P2288為紅外線(熱釋電)傳感器，A1組成同相輸入交流放大電路。C3起隔直作用。C4選瓷介電容，防止電路產(chǎn)生高頻自激振蕩，電容值標(biāo)注104，表示該電容的電容量為0.1F。從圖中不難算出的電壓放大倍數(shù),A2組成反相交流放大電路，C7在交流信號情況下，視為短路，保證同相輸入端交流接地。C6選瓷介電容，其電容量為0.01F。放大倍數(shù)由下式估算,總放大倍數(shù) Au=Au1Au2= 6500,4.2.5 求和運(yùn)算電路,圖4.2.8 反相加法器,當(dāng)取R1=R2=R時(shí),當(dāng)取R=Rf時(shí),兩個(gè)輸入信號ui1、ui2分別通過R1、R2接至反相輸入端。Rf為反饋電阻，R3為直流平衡電阻。,一、反相加法器,二、 同相加法器,圖4.2.9 同相加法器,應(yīng)用疊加定理進(jìn)行分析 ：,設(shè)ui1單獨(dú)作用，ui2=0,同相加法器如圖4.2.9所示，輸入信號ui1、ui2都加到同相輸入端，而反相輸入端通過電阻R3接地。,圖4.2.9 同相加法器,設(shè)ui2單獨(dú)作用，ui1=0,二者迭加得,若?。篟1=R2 、R3=Rf ,則,4.2.6 積分和微分電路,圖4.2.11 積分電路,若C上起始電壓為零，則,若C上起始電壓不為零，則,一、積分電路,積分運(yùn)算(Integratial operation)電路如圖4.2.11所示。輸入信號ui通過電阻R接至反相輸入端，電容C為反饋元件。,圖4.2.12 不同輸入情況下的積分電路電壓波形 （a) 輸入為階躍信號 （b) 輸入為方波 （c) 輸入為正弦波,二、 微分電路（Differentiatial operation）,圖4.2.13 基本微分運(yùn)算電路,將圖4.2.11中反相輸入端的電阻R和反饋電容C位置互換，便構(gòu)成基本微分運(yùn)算電路，如圖4.2.13所示。,圖4.2.13所示電路并不實(shí)用，當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生階躍變化或有脈沖式大幅值干擾，都會(huì)使集成運(yùn)放內(nèi)部的放大管進(jìn)入飽和截止?fàn)顟B(tài)，以至于當(dāng)信號消失了，內(nèi)部管子還不能脫離原狀態(tài)而回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，電路只有切斷電源后方能恢復(fù)，即電路無法正常工作。 此外基本微分電路容易產(chǎn)生自激振蕩，使電路不能穩(wěn)定工作。,為解決上述問題，組成微分實(shí)用電路如圖4.2.14（a）所示。 R1限制輸入電流亦即限制了R中電流，VZ1、VZ2用以限制輸出電壓，防止阻塞現(xiàn)象產(chǎn)生，C1為小容量電容，起相位補(bǔ)償作用，防止產(chǎn)生自激振蕩。 若輸入為方波，且RCT/2（T為方波周期），則輸出為尖頂波，如圖4.2.14（b）所示。,圖4.2.14 實(shí)用微分運(yùn)算電路 (a)原理圖 (b)波形圖,4.2.7 集成測量放大器及其應(yīng)用,一、集成測量放大電路,集成測量放大器在理想情況下僅放大兩輸入端間的電壓差，當(dāng)輸入電壓差為零時(shí)，輸出將精確為零。 集成測量放大器可分為固定增益、引腳可編程增益、數(shù)字控制儀器放大器等。 增益固定測量放大器是由三運(yùn)放組成的測量放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，測量放大電路又稱精密放大電路或儀用放大電路，所用電阻均采用精密電阻。 測量放大電路（Instrumental AMp）如圖4.215所示。,圖4.2.15 測量放大電路,由于A1、A2采用高輸入阻抗的同相輸入放大電路的形式。根據(jù)虛短的概念，uN1=ui1，uN2=ui2，根據(jù)虛斷的概念，流過R1、RP為同一電流iR1，且iR1=（ui1ui2）/RP。因此運(yùn)放A1和A2輸出電壓之差為,運(yùn)放A3為減法運(yùn)算電路，有,上式表明，輸入電壓與輸出電壓的差值成正比。該電路的放大倍數(shù)Au（即差模電壓放大倍數(shù)）為,調(diào)節(jié)RP就可方便地改變放大倍數(shù)，且RP接在運(yùn)放A1、A2的反相輸入端之間，它的阻值改變不會(huì)影響電路的對稱性。 該電路具有很高的共模抑制比。只要A3的兩輸入端所接的電阻對稱，uo1和uo2共模成分則可以互相抵消。例如，若ui1、ui2為共模信號，即ui1ui2，由式（3.1.13）可知uo0，即KCMR。 從以上分析可知，即使運(yùn)放本身KCMR不是很大，只要A1、A2對稱性很好，各電阻阻值的匹配精度高，整個(gè)電路的KCMR仍然非常大。若電阻匹配誤差為0.001%，KCMR可達(dá)100dB。,二、典型集成測量（精密）放大器應(yīng)用簡介,鮑爾勃朗公司生產(chǎn)的INA104固定增益精密放大器基本電路，如圖4.2.16所示。圖中A4是緩沖級，A1、A2、A3組成測量放大電路，RG是外接電阻。,圖4.2.16 INA104基本電路,如果ui1、ui2有一共模信號UCM，則A4就起作用，這時(shí)引腳接到引腳，引腳和引腳相連并接到ui1、ui2信號電纜的外屏蔽層，以減少分布電容效應(yīng)，使交流系統(tǒng)的共模抑制性能得到改善。,4.2.8 集成隔離放大器簡介,在遠(yuǎn)距離信號傳播過程中，常因強(qiáng)干擾的引入使放大電路的輸出有很強(qiáng)的干擾而使系統(tǒng)無法正常工作。將電路的輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離的放大電路稱為隔離放大器。它切斷了輸入、輸出側(cè)電路間的直接聯(lián)系，避免干擾信號混入輸出信號，而有用信號能正常放大輸出。,集成隔離放大器根據(jù)隔離模式劃分可分為兩口隔離和三口隔離，兩口隔離是指輸入部分和輸出部分歐姆隔離，三口隔離是信號輸入部分、輸出部分和功率供給部分相互歐姆隔離。根據(jù)隔離方式不同可分為：變壓器隔離放大器，如兩口隔離的AD204、三口隔離的AD210等；電容隔離放大器，如ISO106；光電隔離放大器及其應(yīng)用。,集成光隔離放大器及其應(yīng)用在本書7.4節(jié)予以介紹。,4.3 模擬乘法器及其應(yīng)用,圖4.3.1 模擬乘法器圖形符號,uo=KuXuY ， K稱為模擬乘法器的增益系數(shù),模擬乘法器的電路符號如圖4.3.1所示，通常有兩個(gè)輸入端uX和uY及一個(gè)輸出端uo，其輸出電壓正比于兩個(gè)輸入電壓之乘積。,4.3.1模擬乘法器的基本特性及圖形符號,模擬乘法器（Analog multiplier）與運(yùn)算放大器組合，可實(shí)現(xiàn)除法、乘方、開方、倍頻等各種運(yùn)算電路，還可以實(shí)現(xiàn)檢波、調(diào)制、解調(diào)以及構(gòu)成各種函數(shù)發(fā)生器及鎖相環(huán)電路等。,*4.3.2 變跨導(dǎo)模擬乘法工作原理,圖4.3.2 模擬乘法器原理圖,圖4.3.2所示差動(dòng)電路具有乘法功能，它的輸出電壓與輸入電壓ux、uy的乘積成正比，比例系數(shù)在室溫下為常數(shù) ux可正可負(fù)，而uy必須大于零，該電路才能正常工作，該電路屬于二象限乘法器。,4.3.3、模擬乘法器的幾種典型應(yīng)用電路,圖4.3.3 除法運(yùn)算電路,uz=KuXuY =Kui2uo,一、除法電路 將乘法器放在反相放大器的反饋支路中便構(gòu)成除法運(yùn)算電路，如圖4.3.3所示。,圖4.3.3 除法運(yùn)算電路,圖4.3.3所示電路，只有當(dāng)ui2為正極性時(shí)，才能保證集成運(yùn)放處于負(fù)反饋工作狀態(tài)，電路才能正常工作，而ui1可正、可負(fù)，故電路屬二象限除法器。,二、平方運(yùn)算,圖4.3.4 平方運(yùn)算電路,在實(shí)際使用時(shí)，可以利用平方運(yùn)算實(shí)現(xiàn)倍頻功能，若輸入信號為正弦信號，即 ui =Umsint 則輸出電壓為,在輸出端接入一個(gè)隔直電容將直流隔開，則可得到二倍頻的余弦波輸出電壓，實(shí)現(xiàn)倍頻作用。,平方運(yùn)算是模擬量的自乘運(yùn)算，因此將輸入信號ui同時(shí)加到乘法器的兩個(gè)輸入端即可完成平方運(yùn)算，電路如圖4.3.4所示。其輸出電壓為,三、開方運(yùn)算,圖4.3.5 平方根運(yùn)算電路,平方根運(yùn)算電路如圖4.3.5 所示，與圖4.3.2所示的除法電路比較可知，它是上述除法電路的一個(gè)特例，如將除法電路中乘法器的兩個(gè)輸入端都接到運(yùn)放的輸出端，就組成了平方根運(yùn)算電路。,4.4 有源濾波器,同無源濾波器相比，有源濾波器具有一定的信號放大和帶負(fù)載能力可很方便的改變其特性參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)； 此外，因其不使用電感和大電容元件，故體積小，重量輕。但是由于集成運(yùn)放的帶寬有限，因此有源濾波器的工作頻率較低，一般在幾千赫茲以下，而在頻率較高的場所，采用LC無源濾波器或固態(tài)濾波器效果較好。,4.4.1 濾波器的功能及其分類 濾波器是從輸入信號中選出有用頻率信號并使其順利通過，而將無用的或干擾的頻率信號加以抑制的電路。 只用無源器件R、L、C 組成的濾波器稱為無源濾波器,采用有源器件和R、C元件組成的濾波器稱為有源濾波器。,按照功能（或幅頻特性）的不同，濾波器分為 低通濾波器（Low-pass filter,簡寫LPF）、 高通濾波器(High-pass filter簡寫HPF)、 帶通濾波器（Band-pass filter簡寫B(tài)PF）、 帶阻濾波器（Band-elimination filter簡寫B(tài)EF）。 其理想的幅頻特性如圖4.4.1所示。,圖4.4.1 各種濾波器的理想幅頻特性 (a)低通濾波器 (b)高通濾波器 (c)帶通濾波器 (d)帶阻濾波器,4.4.2 一階低通濾波器,圖4.4.2 一階有源低通濾波器,特征頻率：,通帶增益：,一階低通濾波器電路如圖4.4.2所示，它是由運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)組成。由電路可得其頻率特性,當(dāng)f=0時(shí)，,4.4.3 一階低通濾波器的幅頻特性,當(dāng)f=f0時(shí),當(dāng)f=10f0時(shí),衰減斜率為-20dB/十倍頻,4.4.3 一階高通濾波器,圖4.4.4 一階高通濾波器,把圖4.4.2中的R、C的位置互換，則可以得到如圖4.4.4所示的一階有源高通濾波器，同樣可得到它的特征頻率和通帶電壓放大倍數(shù)分別為：,圖4.4.5 一階高通濾波器的幅頻特性,4.4.4 二階有源濾波器,圖4.4.6 二階低通濾波器,圖4.4.7 二階低通濾波器的幅頻特性,一、二階低通濾波器 一階LPF電路雖然簡單，但幅頻特性衰減斜率僅為-20dB/十倍頻，與理想的幅頻特性相差甚遠(yuǎn)，故選擇性較差，若在圖4.4.2的基礎(chǔ)上再增加一節(jié)RC低通網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了二階LPF。圖4.4.6為目前使用較多的是二階壓控電壓源LPF，其中運(yùn)放、R1、Rf組成電壓控制的電壓源，并因此而得名。,經(jīng)推導(dǎo)，該電路的頻率特性為：,式中，為通帶增益,f0為特征頻率,Q為品質(zhì)因數(shù)，令,則電壓放大倍數(shù)為,當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅頻特性響應(yīng)曲線較平坦。而當(dāng)Q0.707時(shí)，高頻端將出現(xiàn)升峰，一般這是我們不希望的。,二、二階高通濾波器,圖4.4.8 二階高通濾波器的幅頻響應(yīng),其中,將圖4.4.6中的 R C 低通網(wǎng)絡(luò)中的 R 與 C 對換，即組成圖4.4.8a所示的二階壓控電壓源高通濾波器。該電路的頻率特性為,4.4.5 帶通濾波器和帶阻濾波器,圖4.4.9 帶通濾波器方框圖和幅頻特性,一、帶通濾波器 帶通濾波器可由高通和低通濾波器串聯(lián)而成，兩者同時(shí)覆蓋的同一頻段形成一個(gè)通頻段，即構(gòu)成帶通濾波器。其原理框圖和幅頻特性如圖4.4.9所示。二階壓控電壓源帶通濾波器電路如圖4.4.10所示。圖中R1、C1組成低通網(wǎng)絡(luò)，R2、C2組成高通網(wǎng)絡(luò)，兩者相串聯(lián)就組成了帶通濾波器。,該電路的頻率特性為,圖4.4.10 二階壓控電壓源BPF,由圖中可以看出Q值越大，帶寬 BW 越窄，選頻特性越好。,二、帶阻濾波器,圖 4.4.11 帶阻濾波器原理框圖與幅頻特性 （a)原理框圖 （b)幅頻特性,帶阻濾波器是用來抑制或衰減某一頻段內(nèi)的信號，而對此頻段外的信號允許通過，故也稱為陷波器。這種濾波器經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。 帶阻濾波器由低通和高通濾波器并聯(lián)而成，兩者對某一頻段均不覆蓋，形成帶阻頻段。其原理框圖和理想幅頻特性如圖4.4.11所示。,圖4.4.12所示為典型的雙T 帶阻濾波器。,圖4.4.12 雙T二階壓控電壓源BEF （a)電路圖 （b)幅頻特性,由圖中可以看出Q值越大， BW越窄，選擇性越好。,其低通和高通RC網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)形成雙T網(wǎng)絡(luò)，與運(yùn)放和電阻R1、Rf形成二階壓控電壓源的BEF。,4.4.6 開關(guān)電容濾波器（SCF）,前面討論的有源濾波器，由于通帶截止頻率一般都不高，因此要求RC大且精度高。在集成電路中制造大電容或大電阻需占用很大芯片面積，因此很難將整個(gè)RC有源濾波器實(shí)現(xiàn)集成化。 隨著MOS制造工藝的發(fā)展，用開關(guān)電容取代電阻的開關(guān)電容濾波器已于1975年實(shí)現(xiàn)了單片集成化。這種濾波器由MOS開關(guān)電容和MOS運(yùn)放組成，由于制造容易、價(jià)廉和性能優(yōu)越，因此發(fā)展很快。 自70年代以來，國內(nèi)外已有大量的單片集成SCF問世。如美國的RETICON公司的SCBPF R5604、R5606；SCLPF R5609、SCHPF R6511，及可編程SCF5610等，MOTOROLA公司的MC14413-1-2和MC1414-1-2，清華大學(xué)研制的CF2932等，已經(jīng)廣泛用于PCM通信、語音信號處理等技術(shù)領(lǐng)域。,一、開關(guān)電容電路的基本原理,圖4.4.13 基本開關(guān)電容電路,基本開關(guān)電容電路如圖4.4.13所示，圖中S1、S2是受時(shí)鐘信號、 控制的由MOS管構(gòu)成的模擬開關(guān)，它們在時(shí)鐘控制下周期性的交替接通、斷開。當(dāng)S1閉合時(shí)，電容C上所充電荷Q=CuI。當(dāng)S2閉合，S1斷開時(shí)，則有純電荷Q=C（UIUO）向輸出端傳送。若采樣時(shí)間為T，則一周期內(nèi)流向輸出端的平均電流為,于是，輸入與輸出之間的等效電阻為,即開關(guān)電容電路可以作為一個(gè)電阻對待，其大小由時(shí)鐘周期和電容量決定。只要選擇合適的T和C就能得到很高阻值的等效電阻。例如，C=0.5pF,T=4s,則Req=4M。,二、開關(guān)電容濾波器 從原理上講用開關(guān)電容來取代有源濾波器中的電阻，就構(gòu)成了開關(guān)電容濾波器。但實(shí)際的開關(guān)電容濾波器，大都是根據(jù)狀態(tài)變量來設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法都很復(fù)雜。 下面僅以一階低通濾波器為例來說明利用開關(guān)電容電路組成濾波器的方法。,由MOS開關(guān)電容電路所組成的一階低通濾波器如圖4.4.14所示。該電路的頻率特性為,圖4.4.14 一階開關(guān)電容濾波器,式中，R1、R2分別是兩個(gè)MOS開關(guān)電容電路的等效電阻，其值分別為R1=T/C3、R2=T/C1，于是可得,由此可見，濾波器的主要參數(shù)Aup、f0都由電容比來決定，而與電容的容量無關(guān)，因而在集成電路中可以做得十分準(zhǔn)確。,*4.4.7 集成有源濾波器及其應(yīng)用,目前集成有源濾波器因其芯片內(nèi)集成了精密運(yùn)放、精密電阻、精密電容器或開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)等，可方便地用很少的外接元件設(shè)計(jì)成高通、低通、帶通、帶阻濾波器，廣泛應(yīng)用于各種精密測試設(shè)備、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。 集成有源濾波器分為通用型、可編程切換通用型、開關(guān)電容濾波器等多種類型與型號。各種集成有源濾波器的內(nèi)電路、引腳功能及性能參數(shù)均不相同，限于篇幅，本節(jié)僅介紹UAF42型多用途通用型集成有源濾波器及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。,一、UAF42多用途有源濾波器引腳排列、主要參數(shù),1.內(nèi)電路及其引腳排列,UAF42內(nèi)部集成有四級精密運(yùn)算放大器、50（10.005）K的精密電阻和1000（1 0.005）PF精密電容器。其內(nèi)電路如圖4.4.15（a）所示，14腳DIP封裝引腳排列如圖（b）所示，16引腳SOL封裝引腳排列如圖（c）所示。 其中Ui1、Ui2、Ui3為輸入端；HPO為高通濾波器輸出端；LPO為低通濾波器輸出端；BPO為帶通濾波器輸出端；ADJ1、ADJ2為調(diào)整端；N4+為第四運(yùn)放同相輸入端，N4-為第四運(yùn)放反相輸入端；BRO為構(gòu)成帶阻濾波器時(shí)的輸出端。,圖4.4.15 UAF42有源濾波器內(nèi)電路引腳排列 （a）內(nèi)電路 （b）14引腳排列圖 （c）16引腳排列,2. 性能參數(shù),二、UAF42應(yīng)用電路外接元器件選擇,應(yīng)用UAF42組成濾波器應(yīng)用電路具有反相輸入與同相輸入兩種組態(tài)。不管何種輸入組態(tài)，電路頻率，低通、高通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q值，帶通濾波器通帶和帶阻濾波器阻帶計(jì)算公式相同： 電路頻率由下式計(jì)算,低通、高通濾波器Q值有以下關(guān)系,帶通濾波器通帶和帶阻濾波器阻帶即-3dB帶寬BW,(1)同相輸入濾波器外接元器件選擇,UAF42構(gòu)成同相輸入濾波器電路如圖4.4.16所示。R2A、RG、RQ、RF1、RF2為外接電阻，C1A、C2A為外接電容。 低通、高通、帶通濾波器的增益ALP、AHP、ABP分別為,品質(zhì)因數(shù)：,圖4.4.16 UAF42構(gòu)成同相輸入濾波器電路,圖中若RQ取50K，其輸入信號可接至2腳，并省去外接的電阻RG。,(2)反相輸入濾波器外接元器件選擇,UAF42構(gòu)成反相輸入濾波器電路如圖4.4.17所示。低通、高通、帶通濾波器的增益ALP、AHP、ABP分別為,品質(zhì)因數(shù)：,圖4.4.17 UAF42構(gòu)成反相輸入濾波器,若RQ50K，可利用內(nèi)電阻R3，3腳不必接 RQ ，并將2腳接地即可。,(3)帶阻濾波器外接元器件選擇,UAF42構(gòu)成帶阻濾波器是利用低通濾波器LPF和高通濾波器HPF，通過外接電阻RZ1、RZ2、RZ3及內(nèi)部運(yùn)放構(gòu)成求和電路求得。電路如圖4.4.18所示。,圖4.4.18 UAF42構(gòu)成帶阻濾波器,電路Q值：,三、應(yīng)用設(shè)計(jì)示例,在用UAF42設(shè)計(jì)濾波器，若被確定頻率10Hzf0100Hz時(shí)，不需要外接匹配電容；若f010Hz，需外接C1A和C2A電容；當(dāng)f0在10Hz到32Hz范圍時(shí)，最好增加外接阻值為5.4k電阻R2A，這樣可提高濾波器的穩(wěn)定性。 利用一片UAF42可根據(jù)需要設(shè)計(jì)二階濾波器，對于多階濾波器設(shè)計(jì)，可用多片UAF42串接而成，這樣可使濾波器的截止頻率呈二階的倍數(shù)關(guān)系衰減。,例4.4.2 用UAF42設(shè)計(jì)一個(gè)在測量儀器中常用的50Hz陷波器。,解：本電路采用圖4.4.18所示電路圖,該陷波器設(shè)計(jì)完畢。組裝后，對其性能參數(shù)進(jìn)行測試得到該電路頻率響應(yīng)曲線如圖4.4.19所示。從圖中可看出在50Hz處增益為22.71dB。,圖4.4.19 50Hz陷波器幅頻特性,4.5 集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用,4.5.1 集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的條件及特點(diǎn),集成運(yùn)放有線性和非線性兩種工作狀態(tài)。在開環(huán)工作或加正反饋時(shí)，由于集成運(yùn)放的放大倍數(shù)很高，輸入信號即使很小，也足以使運(yùn)放工作在非線性工作狀態(tài)。集成運(yùn)放處于非線性工作時(shí)的電路統(tǒng)稱為非線性應(yīng)用電路。這種電路大量地被用于信號比較、信號轉(zhuǎn)換和信號發(fā)生、以及自動(dòng)控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)中。 為了簡化分析，同集成運(yùn)放的線性運(yùn)用一樣，仍然假設(shè)電路中的集成運(yùn)放為理想元件。,圖4.5.1 集成運(yùn)放開環(huán)工作狀態(tài)電路,集成運(yùn)放開環(huán)工作狀態(tài)電路如圖4.5.1所示。,u+為同相輸入電壓，u為反相輸入電壓，uid為差動(dòng)輸入電壓 uid= u+u , uo= Aod(u+u),由于Aod,所以，當(dāng) uid=u+-u0 即 u+u 時(shí)，輸出電壓達(dá)到正向最大值,uo=+Uom，其值比正電源電壓低12V； 當(dāng)uid=u+-u 0即u+u 時(shí)，輸出電壓達(dá)到負(fù)向最大值，uo=Uom，其值比負(fù)電源電壓高12V。 由于集成運(yùn)放差模輸入電阻很大，在非線性應(yīng)用時(shí)，輸入電流約為零，仍有“虛斷”的特性。,4.5.2 電壓比較器（Voltage comparator）,4.5.2 單值電壓比較器及傳輸特性 （a）電路圖 （b）傳輸特性,一、單值電壓比較器 1單值電壓比較器工作原理 開環(huán)工作的運(yùn)算放大器是最基本的單值比較器，電路如圖4.5.2a所示。,在電路中，輸入信號ui與基準(zhǔn)電壓UREF進(jìn)行比較。當(dāng)uiUREF時(shí)，Uo=-Uom,在ui= UREF時(shí)，uo發(fā)生跳變。該電路理想傳輸特性如圖4.5.2b所示。 如果以地電位為基準(zhǔn)電壓，即同相輸入端通過電阻R接地，組成如圖4.5.3a所示電路，就形成一個(gè)過零比較器(Zero crossing comparator)，則 當(dāng)ui0時(shí)， 則Uo=-Uom 也就是說，每當(dāng)輸入信號過零點(diǎn)時(shí)，輸出信號就發(fā)生跳變。,在過零比較器的反相輸入端輸入正弦波信號可以將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，波形圖如圖4.5.3b所示,圖4.5.3 過零比較器 （a)電路圖 （b)正弦波轉(zhuǎn)換成方波波形圖,2電壓比較器的閾值電壓(Threshold voltage),由上述分析可知，電壓比較器翻轉(zhuǎn)的臨界條件是運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓u+=u，對于圖4.5.2所示電路為ui與UREF比較，當(dāng)ui=UREF時(shí)（即u+=u時(shí)）電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。,我們把比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)所對應(yīng)的輸入電壓值稱為閾值電壓或門限電壓Uth。圖4.5.2所示電路的Uth=UREF, 過零比較器的Uth=0。 因?yàn)檫@種電路只有一個(gè)閾值電壓，故稱為單值電壓比較器。,二、遲滯比較器(Regenerative comparator),單限比較器有一缺點(diǎn)，如果輸入信號在閾值電壓附近發(fā)生抖動(dòng)時(shí)或者受到干擾時(shí)，比較器的輸出電壓就會(huì)發(fā)生不應(yīng)有的跳變，就會(huì)使后續(xù)電路發(fā)生誤動(dòng)作。為了提高比較器的抗干擾能力，人們研制了一種具有滯回特性的比較器，亦稱遲滯比較器。遲滯比較器電路如圖4.5.4a所示。,圖中輸入信號通過平衡電阻R接到反相端，基準(zhǔn)電壓UREF通過R1接到同相輸入端，同時(shí)輸出電壓uo通過R2接到同相輸入端，構(gòu)成正反饋。,圖4.5.4 遲滯比較器 （a) 電路 （b)傳輸特性,由圖4.5.4可知，i-=0，電阻R上的壓降為零，即u-=ui，而同時(shí)u+受UREF和uo的影響，當(dāng)uo=+Uom時(shí)，由疊加定理可求得,此時(shí)ui=u-，輸出電壓將保持Uom值，但當(dāng)ui減少，使u-時(shí)，uo將再次由Uom跳變到+Uom。其傳輸特性曲線如圖4.5.4b所示。,此時(shí)，ui=uu+，輸出電壓將保持+Uom；但當(dāng)ui增加，使u 時(shí)，uo將由+Uom跳變到Uom，此時(shí)，同相端電壓為,由以上分析可知遲滯比較器有兩個(gè)不同的門限電壓，我們把 稱為上限門限電壓，用Uth1表示；把 稱為下限門限電壓，用Uth2表示，它們的差值稱為門限寬度，又稱回差電壓或遲滯寬度（Hystersis voltage），用Uth表示，即 Uth =Uth2Uth1。,例4.5.1圖示4.5.5a所示電壓比較器，雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為6V，請畫出它的傳輸特性。當(dāng)輸入一個(gè)幅度為4V的正弦信號時(shí)，畫出輸出電壓波形。,圖4.5.5 例4.5.1圖 （a）電壓比較器 （b）電路傳輸特性 （c）輸出波形圖,三、窗口比較器,單限比較器和遲滯比較器在輸入電壓單一方向變化時(shí)，輸出電壓只翻轉(zhuǎn)一次。為了檢測出輸入電壓是否在兩個(gè)給定電壓之間，可采用窗口比較器。窗口比較器電路如圖4.5.6所示。窗口比較器又稱雙限比較器。,圖4.5.6 窗口比較器 （a）原理圖 （b）電壓傳輸特性,4.5.3 集成電壓比較器,集成電壓比較器按每一器件內(nèi)所含電壓比較器的個(gè)數(shù)可分為單、雙和四電壓比較器；按功能不同可分為通用型、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（或漏極）開路輸出和互補(bǔ)輸出三種。集電極（或漏極）開路輸出的比較器，使用時(shí)應(yīng)在輸出端與電源之間接一電阻。,此外，有的集成電壓比較器帶有選通端，用來控制比較器是處于工作狀態(tài)還是禁止?fàn)顟B(tài)。 所謂工作狀態(tài)是電路按比較器的電壓傳輸特性工作；所謂禁止?fàn)顟B(tài)是指比較器不再按電壓傳輸性工作，而處于高阻狀態(tài)，即從輸出端看進(jìn)去相當(dāng)于開路。,一、集成電壓比較器分類,二、集成電壓 比較器主要參數(shù),三、LM311及其應(yīng)用,LM311是最早的也是最常用的電壓比較器之一。它的簡化內(nèi)電路和引腳排列如圖4.5.7所示。,圖4.5.7 LM311內(nèi)電路和引腳排列 （a）簡化內(nèi)電路 （b）引腳排列,LM311失調(diào)置零電路如圖4.5.8（a）所示。通過調(diào)節(jié)電位器Rp使輸入為零時(shí)，輸出為零。,圖4.5.8 LM311應(yīng)用基本電路 （a）失調(diào)置零 （b）用上拉電阻RC對輸出級偏置 （c）用下拉電阻RE對輸出級偏置,四、LM339及其應(yīng)用,LM339是一種價(jià)格低廉單電源四比較器，又稱為象限比較器。其簡化內(nèi)電路圖和引腳排列如圖4.5.9所示。,圖4.5.9 LM339象限比較器簡化內(nèi)電路和引腳排列 （a）簡化內(nèi)電路 （b）引腳排列,LM339集電極開路輸出。使用時(shí)應(yīng)接5.1k左右的上拉電阻。,五、LM119（319）及其應(yīng)用,LM119與LM319內(nèi)電路及引腳均相同。僅其工作溫度有區(qū)別。LM119為軍品，工作溫度范圍為55C125C。LM319為民品，工作溫度范圍為0C70C。,LM119（319）為金屬外殼封裝雙集成電壓比較器，其引腳圖（頂視圖）如圖4.5.10所示。,圖4.5.10 LM119引腳圖,LM119可雙電源供電，也可用單電源供電。LM119為集電極開路輸出，兩個(gè)比較器可直接并聯(lián)使用，共用上拉電阻，實(shí)現(xiàn)“線與”，如圖4.5.11（a）所示。,圖4.5.11 LM119構(gòu)成雙限比較器及其電壓傳輸特性 （a）電路圖 （b）電壓傳輸特性,4.5.4 比較器應(yīng)用示例,一、比較器在報(bào)警器中的應(yīng)用,比較器在自動(dòng)控制、測量、波形產(chǎn)生和波形變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 附錄B的模擬電子報(bào)警器中，就用比較器來自動(dòng)控制聲光示警電路。圖4.5.12由圖B.2所示的可燃?xì)怏w報(bào)警器圖截取而得。 圖中，運(yùn)放A1組成單值比較器，在預(yù)熱階段和可燃?xì)怏w濃度正常情況下，傳感器電路的輸出電壓(由可燃?xì)怏w濃度決定)UR1低于A1的閾值電壓，比較器A1輸出高電平，使V1飽和導(dǎo)通，綠色LED正偏發(fā)光。在可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時(shí)，A1輸出低電平，紅色LED正偏發(fā)光示警，同時(shí)使V2飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)聲音報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲。,圖4.5.12 比較器在報(bào)警器中的應(yīng)用,A1組成單值比較器。,A2組成的比較器起延時(shí)作用。,運(yùn)放A2組成的比較器起延時(shí)作用，保證傳感器有足夠的預(yù)熱時(shí)間，使測試結(jié)果可靠，防止誤動(dòng)作發(fā)生。比較器A2的閾值電壓Uth22.5V。 開機(jī)電路通電時(shí)，C5上的電壓為零，A2輸出低電平，黃色LED正偏點(diǎn)亮。VD5反偏截止。電路通電后電容C5充電，當(dāng)UC5Uth22.5V時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，A2輸出高電平，黃色LED熄滅。C5上的電壓由零充至2.5V的時(shí)間就是傳感器預(yù)熱所需的延時(shí)時(shí)間。在延時(shí)階段，傳感器檢測到可燃?xì)怏w，電阻變小，UR1升高，VD5正偏導(dǎo)通，使A1反相輸入端的電位鉗位在1.5V左右，仍為低電平，A1仍輸出高電平，V1繼續(xù)飽和導(dǎo)通，綠色LED繼續(xù)點(diǎn)亮。黃色LED繼續(xù)點(diǎn)亮。起延時(shí)保護(hù)作用。,二、集成電壓比較器應(yīng)用示例,用LM339比較器構(gòu)成一個(gè)12V汽車蓄電池電壓過壓、欠壓告警電路如圖4.5.13所示。，當(dāng)蓄電池電壓大于13V時(shí)和低于10V時(shí)，各由一個(gè)發(fā)光二極管LED發(fā)光告警。,圖4.5.13 汽車蓄電池過壓欠壓告警電路,圖中A1組成過壓檢測器，A2組成欠壓檢測電路。VZ提供參考電壓建立穩(wěn)定閾值電壓，R3為VZ偏置限流電阻。VZ選用LM385 -2.5集成電壓基準(zhǔn)源。其電壓溫度系數(shù)為2010-6/C，動(dòng)態(tài)電阻為0.6，工作電流IR1mA，UREF2.5V。,選E24系列電阻，取標(biāo)稱值10k。,*4.5.5 方波、矩形波發(fā)生器,一、 方波發(fā)生器,方波（Square wave）發(fā)生器是非正弦發(fā)生器中應(yīng)用最廣的電路，數(shù)字電路和微機(jī)電路中時(shí)鐘信號就由方波發(fā)生器提供。,1.電路組成,方波發(fā)生器電路如圖4.5.14a所示。它由滯回比較器和具有延時(shí)作用的RC反饋網(wǎng)絡(luò)組成。,圖4.5.14 方波發(fā)生器 （a)電路圖 （b)波形圖,2.工作原理,我們從滯回比較器原理可知，圖4.5.14所示滯回比較器的輸出電壓不是uo1=Uom=UZ+UD，就是uo2=Uom=(UZ+UD)，UD為二極管導(dǎo)通電壓，為討論方便，UD忽略不計(jì)。 當(dāng)電源接通，在t=0時(shí)刻，電容兩端電壓uc=0，設(shè)uo1=+UZ，此時(shí)同相輸入端電壓（即閾值電壓）為,輸出電壓uo=UZ經(jīng)R3向C充電, uc按指數(shù)規(guī)律上升,如圖4.5.14 b曲線.當(dāng)電容上電壓升至uc= Uth1時(shí),電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出電壓由uo1突變?yōu)閡o2=UZ。此時(shí),同相端輸入電壓突變?yōu)?此時(shí)，電容C上電壓因放電而開始下降，如圖4.5.14（b）曲線，放電完畢后電容反向充電，當(dāng)uc= u=Uth2，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo=+UZ。電容反向放電，當(dāng)放電完畢進(jìn)行正向充電，當(dāng)uc=Uth1時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出由+UZ突變?yōu)閁Z 。如此反復(fù)，在輸出端即產(chǎn)生方波波形。波形如圖4.5.14（b）所示。,3.振蕩頻率估算,從以上分析可知，方波的頻率與充放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)，RC的乘積越大，充放電時(shí)間越長，方波的頻率就越低。方波的周期和頻率可由下式估算：,由上式不難看出，適當(dāng)選取R1、R2值，使,則,二、 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器,將圖4.5.14電路稍加改造，就可組成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器，電路如圖4.5.15（a）所示。,1.電路組成和工作原理,在脈沖電路中，將矩形波中高電平的時(shí)間TH與周期T之比稱為占空比D（ ），方波發(fā)生器高電平與低電平所占時(shí)間相等，占空比為,圖4.5.15 占空比可調(diào)矩形波發(fā)生器 （a）電路圖 （b）波形圖,振蕩周期估算：,4.5.6 三角波、鋸齒波發(fā)生器,圖4.5.16 三角波發(fā)生器 （a）電路圖（b）比較器傳輸特性（c） 波形圖,一、三角波發(fā)生器,1、電路組成和工作原理,三角波發(fā)生器電路如圖4.5.16所示。電路由同相輸入滯回比較器（A1）和積分器（A2）組成。,應(yīng)用迭加定理，集成運(yùn)放A1同相輸入端的電位,uo2經(jīng)R1反饋至A1同相輸入端控制滯回比較器翻轉(zhuǎn)。A1反相輸入端經(jīng)R4接地，up1= uN1=0時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)，則閾值電壓,比較器的輸出電壓uo1經(jīng)R5接至A2的反相輸入端，積分電路輸出電壓,2、頻率的估算,從圖4.5.16可見，方波和三角波的周期相等，是uo2從零 變至 所需時(shí)間4倍。所以，三角波周期和頻率分別為,可見，該電路產(chǎn)生的方波和三角波的頻率與R1、R2、R5及C有關(guān)。,電路調(diào)試時(shí)一般先調(diào)節(jié)R2或R1，使三角波幅值滿足要求后，再調(diào)節(jié)R5或C，用以調(diào)節(jié)頻率值。 為使頻率可調(diào)，可在uo1輸出端接一電位器，另一端接地，R5左端接電位器滑動(dòng)臂，即組成了頻率可調(diào)三角波電路。,二、鋸齒波發(fā)生器,圖4.5.17 鋸齒波發(fā)生器 （a）電路圖 （b）波形圖,如果三角波波形不對稱，即上升時(shí)間與下降時(shí)間不相等，則成為鋸齒波。鋸齒波電路如圖4.5.17（a）所示。它與圖4.5.16三角波電路的區(qū)別在于R5換成由電位器RP和VD1、VD2組成的網(wǎng)絡(luò)。,該電路的鋸齒波幅值為,振蕩頻率為,式中，rd1、rd2為二極管導(dǎo)通動(dòng)態(tài)電阻，通?？珊雎圆挥?jì)。,4.6 集成運(yùn)放使用常識(shí)與應(yīng)用示例,4.6.1 特殊集成運(yùn)放及其應(yīng)用,根據(jù)集成運(yùn)放的性能不同分類，集成運(yùn)放有高增益的通用型、高輸入阻抗、低漂移、低功耗、高速、高壓、高精度、大功率等各種專用型集成運(yùn)算放大器，以及在運(yùn)放應(yīng)用電路基礎(chǔ)發(fā)展而來的集成電壓比較器、集成儀器放大器、隔離放大器等。 在選用時(shí)要考慮有高的性能價(jià)格比，即要以較低的價(jià)格達(dá)到較高的性能。一般來說，專用型集成運(yùn)放性能較好，但價(jià)格較高。在工程實(shí)踐中不能一味地追求高性能，而且專用集成運(yùn)放僅在某一方面有優(yōu)異性能，所以在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)電路的要求，查找集成運(yùn)放手冊中的有關(guān)參數(shù)，合理的選用。,一、高輸入阻抗型 這類運(yùn)放主要用于測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣保持電路等，它們的輸入阻抗一般在1012以上，如A740、PC152、C14573等。,二、低漂移型 低漂移型運(yùn)放主要用于精密測量、精密模擬計(jì)算、自控儀表、人體信息檢測等方面。它們的失調(diào)電壓溫漂一般在0.20.6V/，Aud120dB，KCMR110dB,如F725、FC72、FC74、C7650等。,三、高速型 高速型運(yùn)算放大器是指該類集成運(yùn)放具有高的單位增益帶寬（一般要求fT10MHZ）和較高的轉(zhuǎn)換速率（一般要求SR30V/s）。它們主要用于D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換、有源濾波器、鎖相環(huán)、高速采樣和保持電路以及視頻放大器等要求輸出對輸入響應(yīng)迅速的地方。國產(chǎn)超高速運(yùn)放F3554的SR=1000V/s、BWG=1.7GHZ。,四、低功耗型 低功耗型一般用于遙感、遙測、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究等要求能源消耗有限制的場所。如UA735、UPC253等。,五、高壓型 一般用于獲取較高的輸出電壓的場合，如典型的3583型，電源電壓達(dá)150V，UOmax=+140V。,六、大功率型 用于輸出功率要求大的場合，如LM12，輸出電流達(dá)10A。,4.6.2 集成運(yùn)放外接電阻的選用,外接電阻的選擇，對集成運(yùn)放放大電路的性能有重大的影響。由于一般集成運(yùn)放的最大輸出電流Iom為（510）mA，從圖4.2.1所示反相比例放大電路可知，流過反饋電阻Rf的電流if應(yīng)滿足下列要求：,而uo一般為伏級，故Rf至少取k以上的數(shù)量級。 如果Rf和R1取值太小，會(huì)增加信號源的負(fù)載。 如果取用M級，也不合適，其原因有二： 其一，電阻是有誤差的，阻值越大，絕對誤差越大，且電阻會(huì)隨溫度和時(shí)間變化產(chǎn)生時(shí)效誤差，使阻值不穩(wěn)定，影響精度； 其二，運(yùn)放的失調(diào)電流IIO會(huì)在外接高阻值電阻時(shí)引起較大的誤差信號。 綜合上述分析，運(yùn)放的外接電阻值盡可能配用幾千歐至幾百千歐之間。另外還應(yīng)使反相和同相輸入端外接直流通路等效電阻平衡。如圖4.2.2中應(yīng)取R2=R1/Rf。,在設(shè)計(jì)反相輸入放大電路中，外接電阻取值范圍應(yīng)在1k1M之間，最好在100k以內(nèi)。放大倍數(shù)限定在0.1100倍之間，否則，如不采取其他措施很難保證放大電路增益的穩(wěn)定性。,受外接電阻等條件限制，同相放大器電壓放大倍數(shù)限定在1100之間。,4.6.3 單電源交流放大器,通常集成運(yùn)放需正負(fù)兩組電源供電，且大都需要正負(fù)電源對稱。它們的電壓有一個(gè)允許范圍，使用前需查對清楚。單電源供電的集成運(yùn)放功能與雙電源供電的運(yùn)放功能大致相同。,在僅需用作放大交流信號的線性應(yīng)用電路中，為簡化電路，可采用單電源（正電源或負(fù)電源）供電，因此要求集成運(yùn)放組成的交流放大器必須設(shè)計(jì)成單電源供電方式。當(dāng)然直接選用單電源供電集成運(yùn)放如LM324就更方便了。,將雙電源供電的集成運(yùn)放改成單電源供電時(shí)必須滿足： U+、U-、Uo三端的直流電壓相等且等于電源電壓的一半。,如圖4.6.1（a）所示電路為A741構(gòu)成反相交流電壓放大器電路。其中R2、R3稱為偏置電阻，用來設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，通常使同相輸入端靜態(tài)工作點(diǎn)U+1/2VCC，即,所以取R2=R3。,靜態(tài)時(shí)，放大器輸出電壓應(yīng)等于同相輸入端電位，即,圖中C1、C2為放大器耦合電容。,如圖4.6.1（b）所示電路為單電源供電自舉式同相交流放大器。該電路接入R4的目的是為了提高放