課件－運(yùn)算放大器

1、第二章第二章 運(yùn)放及其常用電路運(yùn)放及其常用電路主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容：1、運(yùn)算放大器的工作原理、運(yùn)算放大器的工作原理 2、運(yùn)算放大器的主要指標(biāo)、運(yùn)算放大器的主要指標(biāo)3、常用電路、常用電路4、比較器及其電路、比較器及其電路2.1 運(yùn)算放大器的工作原理運(yùn)算放大器的工作原理Operational Amplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)OP、 OPA、OPAMP，是一種直流耦合差模（差動(dòng)模式）輸入、通常是一種直流耦合差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出（為單端輸出（Differential-in, single-ended output）的高增益（的高增益（gain）電壓放大器）電壓放大器。1 運(yùn)算放大器運(yùn)算

2、放大器：2 符號(hào)符號(hào)3 開(kāi)環(huán)回路開(kāi)環(huán)回路Vout = ( V+ -V-) * Aog4 理想運(yùn)放具有如下性能理想運(yùn)放具有如下性能a開(kāi)環(huán)電壓增益開(kāi)環(huán)電壓增益AUd ;b輸入電阻輸入電阻Rid ;c輸出電阻輸出電阻Ro=0;d頻帶寬度頻帶寬度BW ;e共模抑制比共模抑制比CMRR ;f失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零 ;對(duì)功能電路非對(duì)功能電路非常重要常重要運(yùn)放的主要特運(yùn)放的主要特點(diǎn)點(diǎn)5 虛短與虛斷虛短與虛斷 虛斷：同相和反向輸入端電流近似為零；虛斷：同相和反向輸入端電流近似為零；虛短：兩輸入端電壓近似相等；虛短：兩輸入端電壓近似相等；反相閉環(huán)放大器反相閉環(huán)放大器虛短虛短-U-=U+

3、=0- Vin=Iin*Rin虛斷虛斷-If=Iin-Vout=Rf*If=Rf*In所以：所以：Vout/Vin=(Rf*Iin)/(Iin*Rin) = Rf/Rin=Af2.2 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1 輸入失調(diào)電壓（輸入失調(diào)電壓（VOS） 使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱(chēng)性，輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是對(duì)稱(chēng)性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，特別是精密運(yùn)放或是運(yùn)放的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，

4、特別是精密運(yùn)放或是用于直流放大時(shí)。雙極型工藝的輸入失調(diào)電壓在用于直流放大時(shí)。雙極型工藝的輸入失調(diào)電壓在110mV之間；采用場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的，輸入之間；采用場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的，輸入失調(diào)電壓會(huì)更大一些；對(duì)于精密運(yùn)放，輸入失調(diào)電失調(diào)電壓會(huì)更大一些；對(duì)于精密運(yùn)放，輸入失調(diào)電壓一般在壓一般在1mV以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大時(shí)中間零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。時(shí)中間零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，V/。2 輸入失調(diào)電壓溫漂（輸入失調(diào)電壓溫漂（TCVOS）3 輸入失調(diào)電流（輸入失調(diào)電流（IOS）Input

5、Offset Current，當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零，當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端偏置電流的差值。對(duì)稱(chēng)性越好，時(shí)，其兩輸入端偏置電流的差值。對(duì)稱(chēng)性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流對(duì)于小信號(hào)精輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流對(duì)于小信號(hào)精密放大或是直流放大有重要影響，特別是運(yùn)放外密放大或是直流放大有重要影響，特別是運(yùn)放外部采用較大的電阻（例如部采用較大的電阻（例如10k或更大時(shí)），輸入失或更大時(shí)），輸入失調(diào)電流對(duì)精度的影響可能超過(guò)輸入失調(diào)電壓對(duì)精調(diào)電流對(duì)精度的影響可能超過(guò)輸入失調(diào)電壓對(duì)精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時(shí)中間度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時(shí)中間零點(diǎn)偏移越小，

6、越容易處理。零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。4 輸入失調(diào)電流溫漂（輸入失調(diào)電流溫漂（TCIOS）代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以通常以pA/為單位表示。為單位表示。5 輸入偏置電流（輸入偏置電流（IB）Input bias current，指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)，指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流，也定義為當(dāng)運(yùn)放的輸時(shí)流入輸入端的平均電流，也定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端的偏置電流平均出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端的偏置電流平均值。值。6 輸入偏置電流溫漂（輸入偏置電流溫漂（TCIB）代表輸入偏置電流在溫度

7、變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。代表輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以通常以pA/為單位表示為單位表示7 共模輸入阻抗共模輸入阻抗/電阻（電阻（RINCM）表示運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸入共模電表示運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓壓 范范 圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比，即圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比，即 RINCM= VCM/IB。即運(yùn)放工作在輸入共模信號(hào)。即運(yùn)放工作在輸入共模信號(hào)時(shí)（運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)），共模輸入時(shí)（運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)），共模輸入電壓的變化量與對(duì)電壓的變化量與對(duì) 應(yīng)的輸入電流變化量之比。應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電

8、阻。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電阻。8差模輸入阻抗差模輸入阻抗/電阻（電阻（RIN）表示運(yùn)放表示運(yùn)放 作作 在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，兩輸入端的電壓變?cè)诰€(xiàn)性區(qū)時(shí)，兩輸入端的電壓變 化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值9 輸入電容（輸入電容（CIN）10 輸入電壓范圍（輸入電壓范圍（VIN）11 最大最大 模輸模輸 入電壓入電壓 范圍范圍運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入 電壓差。當(dāng)運(yùn)放電壓差。當(dāng)運(yùn)放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過(guò)最大差模輸入兩輸入端允許加的輸入電壓差超過(guò)最大差模輸入電壓時(shí)，可能造電壓時(shí)，可能造 成運(yùn)放輸入級(jí)成運(yùn)放輸入級(jí) 損壞。損壞。12

9、共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 （Common Mode Input Voltage Range）定義定義 為運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，在運(yùn)放的共模抑制比為運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，在運(yùn)放的共模抑制比特性顯著變壞時(shí)的共模輸入特性顯著變壞時(shí)的共模輸入 電電 壓壓 。一般為共模。一般為共模 制比制比下降下降6dB所對(duì)應(yīng)的共模輸入電壓。最大共模輸入電壓所對(duì)應(yīng)的共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限制了輸入信號(hào)中的最大共模輸入電壓范圍，在有干限制了輸入信號(hào)中的最大共模輸入電壓范圍，在有干 擾的情況下，需要在電路設(shè)計(jì)中注意這個(gè)問(wèn)題。擾的情況下，需要在電路設(shè)計(jì)中注意這個(gè)問(wèn)題。13 電壓噪聲（電壓噪聲（Voltage No

10、ise）等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入的的 運(yùn)運(yùn)放在其輸出端產(chǎn)生的任放在其輸出端產(chǎn)生的任 何何 交交流無(wú)規(guī)流無(wú)規(guī) 則的干則的干 擾電壓。這個(gè)噪聲電壓折算到運(yùn)放輸入端時(shí)，就稱(chēng)擾電壓。這個(gè)噪聲電壓折算到運(yùn)放輸入端時(shí)，就稱(chēng)為運(yùn)放輸入為運(yùn)放輸入 噪聲電壓。對(duì)于寬帶噪聲，普通運(yùn)放噪聲電壓。對(duì)于寬帶噪聲，普通運(yùn)放的輸入噪聲電壓有的輸入噪聲電壓有 效值約效值約1020uV。14 輸輸 入入電壓電壓 噪聲密度（噪聲密度（en, Voltage Noise Desity）輸入電壓噪聲輸入電壓噪聲 可以看作是可以看作是連接到任意一個(gè)輸入連接到任意一個(gè)輸入端

11、的串聯(lián)噪聲電壓源，通常以端的串聯(lián)噪聲電壓源，通常以 表示。表示。/nVHz/nVHz15 輸輸入入 電電流流 噪聲密度（噪聲密度（in, Current Noise Desity） 可以看作可以看作兩個(gè)電流噪聲源連接到兩個(gè)輸入端源，兩個(gè)電流噪聲源連接到兩個(gè)輸入端源，通常以通常以 表示。表示。/nAHz16 輸出阻抗（輸出阻抗（ZO）該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸出端該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗17 輸出電壓擺幅（輸出電壓擺幅（VO）指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，

12、電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。電阻和電源電壓下。18 壓擺率（壓擺率（SR，Slew Rate）指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。值。V/s為單位為單位SR一般定義在特定的負(fù)載電阻下，運(yùn)放接一般定義在特定的負(fù)載電阻下，運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。對(duì)的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。對(duì)于一般運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率于一般運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率SR10V/s。目前

13、的高速運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率。目前的高速運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率SR可達(dá)可達(dá)6000V/s。19 建立時(shí)間（建立時(shí)間（Settling Time）運(yùn)放接成跟隨器（或增益為運(yùn)放接成跟隨器（或增益為-1的反向放大器），的反向放大器），輸入階躍大信號(hào)輸入階躍大信號(hào)Vi，輸出電壓從開(kāi)始響應(yīng)道穩(wěn)定，輸出電壓從開(kāi)始響應(yīng)道穩(wěn)定值為止的時(shí)間。穩(wěn)定值的誤差范圍一般為值為止的時(shí)間。穩(wěn)定值的誤差范圍一般為Vi的的0.1%。20 相位裕度（相位裕度（Phase Margin）為保證運(yùn)放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到為保證運(yùn)放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到0dB時(shí)，時(shí)，相位的移動(dòng)應(yīng)小于相位的移動(dòng)應(yīng)小于180度。相位裕度越大，系統(tǒng)越度。相位裕度越大，

14、系統(tǒng)越穩(wěn)定，但同時(shí)時(shí)間響應(yīng)速度減慢了，因此必須要有穩(wěn)定，但同時(shí)時(shí)間響應(yīng)速度減慢了，因此必須要有一個(gè)比較合適的相位裕度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相位裕度一個(gè)比較合適的相位裕度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相位裕度至少要至少要45，最好是，最好是60。21 增益裕度增益裕度為保證運(yùn)放穩(wěn)定性，除相位裕度外，還應(yīng)保證：為保證運(yùn)放穩(wěn)定性，除相位裕度外，還應(yīng)保證：當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到180度時(shí)，相位交點(diǎn)的增益要小于度時(shí)，相位交點(diǎn)的增益要小于0dB，一般要有，一般要有10dB裕量，即當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到裕量，即當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到180度時(shí)，增益要小于度時(shí)，增益要小于-10dB 22 過(guò)載恢復(fù)時(shí)間（過(guò)載恢復(fù)時(shí)間（Overload Reco

15、very Time）在給定過(guò)載程度的條件下如超過(guò)正常信號(hào)值在給定過(guò)載程度的條件下如超過(guò)正常信號(hào)值的的200倍到倍到1000倍，放大器輸出波形回到基線(xiàn)并保倍，放大器輸出波形回到基線(xiàn)并保持在基線(xiàn)附近最大額定輸出電壓持在基線(xiàn)附近最大額定輸出電壓1%的一個(gè)帶的一個(gè)帶內(nèi)，小信號(hào)增益已回到正常時(shí)所需要的時(shí)間。時(shí)內(nèi)，小信號(hào)增益已回到正常時(shí)所需要的時(shí)間。時(shí)間越短，性能越好。間越短，性能越好。23 開(kāi)環(huán)電壓增益（開(kāi)環(huán)電壓增益（Open-Loop Gain）運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益（開(kāi)環(huán)差模電運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益（開(kāi)環(huán)差模電壓增益），記作壓增益），記作AVO，理想值為無(wú)限大，一般約為，理想值為

16、無(wú)限大，一般約為數(shù)千倍至數(shù)萬(wàn)倍，其表示法有使用數(shù)千倍至數(shù)萬(wàn)倍，其表示法有使用dB及及V/mV等。等。24 閉環(huán)電壓增益（閉環(huán)電壓增益（Closed-Loop Gain）在有反饋的情況下，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)在有反饋的情況下，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)25 單位增益帶寬、開(kāi)環(huán)增益帶寬單位增益帶寬、開(kāi)環(huán)增益帶寬單位增益帶寬指開(kāi)環(huán)差模電壓增益下降到單位增益帶寬指開(kāi)環(huán)差模電壓增益下降到1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。下降到直時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。下降到直流增益的流增益的-3db（1/根號(hào)根號(hào)2倍）時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻倍）時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，稱(chēng)為運(yùn)放的帶寬度，稱(chēng)為運(yùn)放的3db開(kāi)環(huán)增益帶寬。開(kāi)環(huán)增益帶寬。26 增益

17、帶寬積（增益帶寬積（GBP，Gain Bandwidth Product)增益帶寬積增益帶寬積AOL*是一個(gè)常量，定義在開(kāi)環(huán)增益是一個(gè)常量，定義在開(kāi)環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線(xiàn)中以隨頻率變化的特性曲線(xiàn)中以-20dB/十倍頻程滾降十倍頻程滾降的區(qū)域。單位增益帶寬和帶寬增益積這兩個(gè)概念的區(qū)域。單位增益帶寬和帶寬增益積這兩個(gè)概念有些相似，但不同。這里需要說(shuō)明的是對(duì)電壓反有些相似，但不同。這里需要說(shuō)明的是對(duì)電壓反饋型運(yùn)放來(lái)說(shuō)，增益帶寬積是一個(gè)常量，這時(shí)單饋型運(yùn)放來(lái)說(shuō)，增益帶寬積是一個(gè)常量，這時(shí)單位增益帶寬和帶寬增益積應(yīng)該一樣。而對(duì)于電流位增益帶寬和帶寬增益積應(yīng)該一樣。而對(duì)于電流型運(yùn)放來(lái)說(shuō)卻不是這樣的，因

18、為對(duì)于電流型運(yùn)放型運(yùn)放來(lái)說(shuō)卻不是這樣的，因?yàn)閷?duì)于電流型運(yùn)放而言，帶寬和增益不是一個(gè)線(xiàn)性的關(guān)系。而言，帶寬和增益不是一個(gè)線(xiàn)性的關(guān)系。27) 共模抑制比（共模抑制比（CMRR，Common-Mode Rejection Ratio）當(dāng)運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模增益與開(kāi)當(dāng)運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模增益與開(kāi)環(huán)共模增益的比值環(huán)共模增益的比值2.3 常用運(yùn)放電路常用運(yùn)放電路1 反相閉環(huán)放大器反相閉環(huán)放大器Vout = -(Rf / Rin) * Vin缺省為對(duì)稱(chēng)電源供電缺省為對(duì)稱(chēng)電源供電2 同同相閉環(huán)放大器相閉環(huán)放大器Vout = (R2 / R1) + 1) * Vin3 電壓跟隨器電壓跟隨

19、器4 電壓減法器電壓減法器/差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器5 電壓加法器電壓加法器常用來(lái)電平移位常用來(lái)電平移位6 低通濾波器低通濾波器/積分器積分器7 高通濾波器高通濾波器/微分器微分器7 高通濾波器高通濾波器/微分器微分器8 儀用放大器儀用放大器放大低頻差分信號(hào)，抑制共模信號(hào)放大低頻差分信號(hào)，抑制共模信號(hào)前級(jí)：前級(jí)：Vout=Vsig/Rg * (Rg+2R1)=Vsig*(1+2R1/Rg)后級(jí)：后級(jí)：Vout = R3/R2 * Vout BB公司的公司的INA114儀用放大器內(nèi)部原理儀用放大器內(nèi)部原理電橋放大電橋放大交流耦合放大交流耦合放大V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路AD522儀用放大器儀用放大器BB

20、公司公司:PGA204/205可編程儀用放大器可編程儀用放大器PGA204/205的應(yīng)用電路的應(yīng)用電路注意兩個(gè)地符號(hào)的不同注意兩個(gè)地符號(hào)的不同有偏移電壓的有偏移電壓的PGA204應(yīng)用電路應(yīng)用電路9 電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路Vout=-(0.884.4V) 若要正的，只需將若要正的，只需將I+與與I-對(duì)調(diào)即可對(duì)調(diào)即可10 電壓電壓/電流轉(zhuǎn)換電路電流轉(zhuǎn)換電路電壓比較電路是一種常用的信號(hào)處理電路。他將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較電路的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。在自動(dòng)控制及自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，常常將比較電路應(yīng)用于越限報(bào)警、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及各種非正弦波的產(chǎn)生和

21、變換電路等等。10 電壓電壓/電流轉(zhuǎn)換電路電流轉(zhuǎn)換電路 比較電路的輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號(hào)是數(shù)字量1或0，因此，可以認(rèn)為比較電路是模擬電路和數(shù)字電路的“接口”。 由于比較電路的輸出只有高電平或低電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放常常工作在非線(xiàn)性區(qū)。 從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，集成運(yùn)放經(jīng)常處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，有時(shí)為了使輸入、輸出特性在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)更加快速，以提高比較精度，也可在電路中引入正反饋。2.4 電壓比較器電壓比較器1 過(guò)零比較電路 處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)的集成運(yùn)放是一個(gè)最簡(jiǎn)單的過(guò)零比較電路，由于理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益Aod，因此在圖中，當(dāng)uI0時(shí)，uOUOPP；當(dāng)uI0時(shí)，uOUOPP。其中UOPP

22、是集成運(yùn)放的最大輸出電壓。據(jù)此可畫(huà)出過(guò)零比較電路的傳輸特性。 - -A A+ +u uI Iu uO Ou uO Ou uI I-U-Uoppopp+U+UoppoppO O當(dāng)比較電路的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的輸入電壓通常稱(chēng)為閥值電壓或門(mén)限電平，這種比較電路的門(mén)限電平等于零，所以稱(chēng)為過(guò)零比較電路。以上過(guò)零比較電路采用的是反相輸入方式，如果需要也可以采用同相輸入方式。只用一個(gè)開(kāi)環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放組成的過(guò)零電壓比較電路非常簡(jiǎn)單，但其輸出電壓幅度較高，uOUOPP。有時(shí)希望比較電路的輸出幅度限制在一定的范圍內(nèi)，例如要求與TTL數(shù)字電路的邏輯電平兼容，此時(shí)需要加上一些限幅的措施。 用

23、兩個(gè)穩(wěn)壓管背靠背串連，可以得到限幅的過(guò)零比較電路，電路見(jiàn)圖 (a)。假設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的穩(wěn)定電壓值均為UZ，這里UOPP UZ。當(dāng)當(dāng)uI0，則右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)?，則右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)?，通，uO- UZ。比較電路的傳輸特性如圖比較電路的傳輸特性如圖(c)所示。所示。也可以在集成運(yùn)放的輸出端接一個(gè)電阻和兩個(gè)穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)限幅，如圖 (b)所示 。不難看出，此時(shí)過(guò)零比較電路的傳輸特性仍如圖 (c)所示。這兩個(gè)電路的不同之處在于，圖 (a)電路中的集成運(yùn)放，由于當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)引入一個(gè)深度負(fù)反饋，所以此時(shí)工作在線(xiàn)性區(qū)；而圖 (

24、b)電路中的集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，所以工作在非線(xiàn)性區(qū)。 2 單限比較電路所謂單限比較電路是指只有一個(gè)門(mén)限電平的比較電路，當(dāng)輸入電壓等于此門(mén)限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 實(shí)現(xiàn)單限比較的電路可有多種，其中一種如圖 (a)所示，可以看出，此電路是在圖 (a)所示過(guò)零比較電路的基礎(chǔ)上，將參考電壓UREF通過(guò)電阻R2，也接在集成運(yùn)放的反相輸入端而得到的，目的是引入一個(gè)用于比較的門(mén)限電平。u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R,

25、 ,集成運(yùn)放的同相輸入端通過(guò)電阻接地，因此，當(dāng)輸入電壓uI變化時(shí)，若反相輸入端的電位u-0，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。根據(jù)“虛斷”的特點(diǎn)，并利用疊加原理，求得此時(shí)反相輸入端的電位為 2112120IREFRRuuURRRRu uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R, ,12TIREFRUuUR 3 滯回比較電路如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門(mén)限電平上下波動(dòng)，見(jiàn)圖 (a)，則輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)地跳變，見(jiàn)圖 (

26、b)，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。單限比較電路具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但單限比較電路具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在的主要問(wèn)題是抗干擾能力差。存在的主要問(wèn)題是抗干擾能力差。圖圖4.4.4 存在干擾時(shí)，單限比較電路波形圖存在干擾時(shí)，單限比較電路波形圖 為了解決以上問(wèn)題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較電路。滯回比較電路又名施密特觸發(fā)器，這種比較電路有兩個(gè)可變的比較門(mén)限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，其電路見(jiàn)圖(a)。輸入電壓 uI 經(jīng)電阻 R1 加在集成運(yùn)放的反相輸入端，參考電壓 UREF 經(jīng)電阻 R2 接在同相輸入端，此外從輸出端通過(guò)電阻 RF 引回到同相輸入端

27、。電阻R和背靠背串連的穩(wěn)壓管 VDz 的作用只是限幅，將輸出電壓的幅度限制在UZ。 u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO OU UREFREFA A+ +u uI Iu uO OR RVDVDZ ZR RF FR R2 2R R1 1+ +u uT T- -u uT+T+- - 電路中，當(dāng)集成運(yùn)放反相與同相輸入端的電位相等，即 u-=u+ 時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。 其中Iuu u+ 則有參考電壓則有參考電壓 UREF 和輸出電壓和輸出電壓 uO 兩者共同決定，而兩者共同決定，而 uO 有兩種不同的狀態(tài)：有兩種不同的狀態(tài)：- UZ 和和 + UZ ，由此可見(jiàn)，使輸出電壓，由

28、此可見(jiàn)，使輸出電壓由由 - UZ跳變到跳變到 + UZ 和輸出電壓由和輸出電壓由 + UZ 跳變到跳變到 UZ 所需要所需要的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，見(jiàn)圖故傳輸特性呈滯回形狀，見(jiàn)圖(b)。 圖圖(c)為存在干擾時(shí)，滯回比較電路的輸出特性，可見(jiàn)其性為存在干擾時(shí)，滯回比較電路的輸出特性，可見(jiàn)其性能得到大大改善。能得到大大改善。圖圖C 存在干擾時(shí)，單限比較電路存在干擾時(shí)，單限比較電路和滯回比較電路波形圖和滯回比較電路波形圖比較電路的兩個(gè)門(mén)限電平值，可用疊加定理求出：若原來(lái)輸出電壓為 UZ ，當(dāng)逐漸減小

29、 uI 時(shí)，uO從 UZ 跳變到 +UZ 所需的門(mén)限電平用表示，則 若原來(lái)輸出電壓為 +UZ ，當(dāng)逐漸增大 uI 時(shí)，uO從 +UZ 跳變到 UZ 所需的門(mén)限電平用表示，則 222FTREFZFFRRuUURRRR222FTREFZFFRRuUURRRR上述兩個(gè)門(mén)限電平的差稱(chēng)為回差或門(mén)限寬度，用符號(hào)表示是： 由上式可見(jiàn)：門(mén)限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 UZ 以及電阻 R2 和 RF 的值。但與參考電壓 UREF 無(wú)關(guān)。改變 UREF 的大小可以調(diào)節(jié)兩個(gè)門(mén)限電平和的大小，但兩者之差不變。即當(dāng) UREF 增大或減小時(shí)，傳輸特性將平行的左移或右移。 222TTTZFRuuuURR4 雙限比較電路

30、 在實(shí)際工作中，有時(shí)需要檢測(cè)輸入模擬信號(hào)的電平是否處在兩個(gè)給定的門(mén)限電平之間，這就要求比較電路有兩個(gè)門(mén)限電平，這種比較電路稱(chēng)為雙限比較電路。 輸入電壓 uI 各通過(guò)一個(gè)電阻 R 分別接到 A1 的同相輸入端和 A2 的反相輸入端，參考電壓 UREF1 和 UREF2 分別加在 A1 的反相輸入端和 A2 的同相輸入端，其中 UREF1 UREF2 ，兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端各通過(guò)一個(gè)二極管后并聯(lián)在一起，作為雙限比較電路的輸出端。- -A A1 1+ +u uR RU UREF1REF1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UREF2REF2VDVD1 1VDVD2 2R RL Lu uO O+ +U UTHTHU UTLTLu uI Iu uO OO O- -A A1 1+ +u uR RU UREF1REF1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UREF2REF2VDVD1 1VDVD2 2R RL Lu uO O+ +U UTHTHU UTLTLu uI Iu uO OO O 若 uI 低于 UREF2 (當(dāng)然更低于 UREF1 )，此時(shí)運(yùn)放 A1 輸出低電平， A2 輸出高電平，于是二極管 VD1 截止， VD2 導(dǎo)通，則輸出電壓 uO 為高電平。 若 uI 高于 UREF1 (當(dāng)然更高于 UREF2 )，此時(shí)