第6章 集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路

1、6.1 引言引言集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路：集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路： 信號(hào)的運(yùn)算、處理及信號(hào)產(chǎn)生電路。信號(hào)的運(yùn)算、處理及信號(hào)產(chǎn)生電路。本章的主要內(nèi)容：本章的主要內(nèi)容： 理想運(yùn)放的概念及理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性理想運(yùn)放的概念及理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)；區(qū)的特點(diǎn)； 集成運(yùn)放的集成運(yùn)放的線性應(yīng)用線性應(yīng)用電路電路比例運(yùn)算電路、加減比例運(yùn)算電路、加減運(yùn)算電路、積分和微分運(yùn)算電路、對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路。運(yùn)算電路、積分和微分運(yùn)算電路、對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路。 運(yùn)放的運(yùn)放的非線性應(yīng)用非線性應(yīng)用電路電路電壓比較器。電壓比較器。第第6章章 集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路6.

2、2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器什么是理想運(yùn)算放大器什么是理想運(yùn)算放大器?將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化后得到一種最簡(jiǎn)模型。將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化后得到一種最簡(jiǎn)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(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)IOd0dUTIOd0dIT6.2.2 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，有：運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，有： OodIdodPN()uAuAuu因?yàn)橐驗(yàn)?odA Id0VuP

3、Nuu所以所以即即稱為虛短稱為虛短又有輸入電阻又有輸入電阻idR PN0ii因此因此稱為虛斷稱為虛斷理想運(yùn)放工作在線性有兩個(gè)重要特性：理想運(yùn)放工作在線性有兩個(gè)重要特性：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”。 +Uom -Uom 理想運(yùn)放的電壓傳輸特性理想運(yùn)放的電壓傳輸特性0線性區(qū)線性區(qū) Aod +Uom -Uom 理想運(yùn)放的電壓傳輸特性理想運(yùn)放的電壓傳輸特性0非線性區(qū)非線性區(qū)非線性非線性區(qū)區(qū)運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，即使運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，即使uP-uN為微小量，為微小量，Aod= ，所以，所以u(píng)O將飽和，為將飽和，為+UOM或或-U。 理想運(yùn)放工作在非線性也有兩理想運(yùn)放工作在非線性也有兩個(gè)特點(diǎn)：個(gè)特點(diǎn)

4、： (1) 當(dāng)當(dāng)uPuN時(shí)，時(shí)， uO= UOM；當(dāng)當(dāng)uP0時(shí)，時(shí)，VD導(dǎo)通。由導(dǎo)通。由“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”可得可得由二極管的伏安特性方程得由二極管的伏安特性方程得 只有只有uI0時(shí)，此對(duì)數(shù)時(shí)，此對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系才成立函數(shù)關(guān)系才成立6.6 對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路6.6.2 指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路 將對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中的二極管將對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中的二極管VD和電阻和電阻R互換，可得互換，可得指數(shù)運(yùn)算電路。指數(shù)運(yùn)算電路。ORDISTexpui Ri RuRIU 指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路當(dāng)當(dāng)uI0時(shí)，時(shí)，VD導(dǎo)通。由導(dǎo)通。由

5、“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”可得可得ODRuiiRIDuu電壓比較器中的集成運(yùn)放工作在電壓比較器中的集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)或或引入正反饋引入正反饋狀態(tài)，狀態(tài)，工作在非線性區(qū)工作在非線性區(qū)。運(yùn)放的電路工作狀態(tài)運(yùn)放的電路工作狀態(tài)電壓比較器電壓比較器可實(shí)現(xiàn)信號(hào)鑒幅和比較功能；與其它電子電路可實(shí)現(xiàn)信號(hào)鑒幅和比較功能；與其它電子電路組合，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生、模組合，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生、模-數(shù)轉(zhuǎn)換、電源監(jiān)測(cè)等功能。數(shù)轉(zhuǎn)換、電源監(jiān)測(cè)等功能。其輸出只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：其輸出只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：高電平高電平和和低電平低電平。OMPNOMPN , O , UuuUuuu6.7 電壓比較器電壓比較器電壓比較器的電壓傳輸特性電壓

6、比較器的電壓傳輸特性電壓比較器的輸出電壓電壓比較器的輸出電壓uO與輸入電壓與輸入電壓uI之間的關(guān)系曲線，之間的關(guān)系曲線，稱為稱為電壓傳輸特性電壓傳輸特性。電壓比較器的輸出電壓電壓比較器的輸出電壓uO與差模輸入電壓與差模輸入電壓uId=uP-uN之間之間的電壓傳輸特性如圖所示。的電壓傳輸特性如圖所示。根據(jù)電壓傳輸特性的不同，電壓根據(jù)電壓傳輸特性的不同，電壓比較器分為比較器分為3種：種：?jiǎn)蜗薇容^器、單限比較器、滯回比較器滯回比較器和和窗口比較器窗口比較器。當(dāng)當(dāng)uId0時(shí)，時(shí)，uO= +UOM比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生躍變時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱為比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生躍變時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱為閾閾值電壓值電壓

7、，用，用UTH表示。表示。當(dāng)當(dāng)uId0時(shí)，時(shí)，uO= - -UOM單限比較器只有一個(gè)閾值電壓?jiǎn)蜗薇容^器只有一個(gè)閾值電壓1)當(dāng)當(dāng)uI UREF 時(shí)，時(shí)， uO UZ； 2) 電路的閾值電壓電路的閾值電壓UTH UREF6.7.1 單限比較器單限比較器(a) (b)單限比較器及其電壓傳輸特性單限比較器及其電壓傳輸特性運(yùn)放輸入端并聯(lián)的兩個(gè)二極管作用是保護(hù)運(yùn)放的輸入級(jí)運(yùn)放輸入端并聯(lián)的兩個(gè)二極管作用是保護(hù)運(yùn)放的輸入級(jí) 。運(yùn)放輸出端的運(yùn)放輸出端的R與與DZ構(gòu)成輸出限幅電路。構(gòu)成輸出限幅電路。 對(duì)單限比較器進(jìn)行如下討論：對(duì)單限比較器進(jìn)行如下討論：(1) 當(dāng)當(dāng)UREF =0V時(shí)，單限比較器稱為時(shí)，單限比較器稱

8、為過(guò)零比較器過(guò)零比較器。其閾值電。其閾值電壓為零。壓為零。(2) 當(dāng)參考電壓當(dāng)參考電壓UREF為常量時(shí)，單限比較器可以用于波形變?yōu)槌Ａ繒r(shí)，單限比較器可以用于波形變換。設(shè)輸入換。設(shè)輸入uI為三角波，過(guò)零比較器輸出波形為矩形波。為三角波，過(guò)零比較器輸出波形為矩形波。過(guò)零比較器的輸出電壓波形過(guò)零比較器的輸出電壓波形 (3) 當(dāng)參考電壓當(dāng)參考電壓UREF為高頻三角波時(shí)，若輸入為高頻三角波時(shí)，若輸入uI為低頻正弦為低頻正弦信號(hào)，則比較器輸出為脈寬調(diào)制信號(hào)，則比較器輸出為脈寬調(diào)制(PWM)波形，。波形，。單限比較器輸出的單限比較器輸出的PWM波形波形 (4) 若將單限比較器的輸入端與參考電壓端互換，此時(shí)輸

9、入若將單限比較器的輸入端與參考電壓端互換，此時(shí)輸入uI經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)UTH時(shí)，時(shí)，uO的躍變方向正好與原圖相反。的躍變方向正好與原圖相反。相應(yīng)地過(guò)零比較器的輸出電壓波形及單限比較器的相應(yīng)地過(guò)零比較器的輸出電壓波形及單限比較器的PWM波波形也與原來(lái)的波形相反。形也與原來(lái)的波形相反。 (5) 分析電壓比較器的方法分析電壓比較器的方法確定其確定其電壓傳輸特性電壓傳輸特性。 a. 確定比較器的確定比較器的閾值電壓閾值電壓UTH； b. 明確輸出在輸入過(guò)明確輸出在輸入過(guò)UTH時(shí)的時(shí)的躍變方向躍變方向?；痉椒ǎ夯痉椒ǎ?a. 令令uP=uN，求閾值電壓，求閾值電壓UTH。 b. 若若uI由同相輸入端接入，有

10、由同相輸入端接入，有 若若uI由反相輸入端接入，有由反相輸入端接入，有OMITHOOMITH, , UuUuUuUOMITHOOMITH, , UuUuUuU(6) 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓uI受到干擾在閾值電壓上下波動(dòng)時(shí)，其輸受到干擾在閾值電壓上下波動(dòng)時(shí)，其輸出出uO將在高、低電平之間反復(fù)跳躍。因此單限比較器將在高、低電平之間反復(fù)跳躍。因此單限比較器抗抗干擾能力差干擾能力差。例例6.7.1 單限比較器的參考電壓?jiǎn)蜗薇容^器的參考電壓UREF0V，試分析其電壓傳，試分析其電壓傳輸特性。輸特性。解：根據(jù)解：根據(jù)“虛斷虛斷”和疊加定理和疊加定理P0u 12NIREF1212RRuuURRRR令令PN0u

11、u求得求得2THREF1RUUR 得出電路的電壓傳輸特性。得出電路的電壓傳輸特性。(a) (b)例例6.7.1的電路圖及其電壓傳輸特性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 滯回比較器的輸出滯回比較器的輸出uO經(jīng)過(guò)反饋電阻經(jīng)過(guò)反饋電阻R1被引回到運(yùn)放的被引回到運(yùn)放的同相輸入端。由于引入了正反饋，運(yùn)放工作于非線性區(qū)，同相輸入端。由于引入了正反饋，運(yùn)放工作于非線性區(qū)，uO為高電平為高電平+UZ或低電平或低電平- -UZ。uP不僅取決于不僅取決于UREF，還受，還受uO的影響。隨著的影響。隨著uO在在+UZ和和-UZ之之間的躍變，間的躍變，uP也隨之改變。因此，也隨之改變。因此，滯

12、回比較器具有兩個(gè)閾滯回比較器具有兩個(gè)閾值電壓值電壓。 反相滯回比較器與電壓傳輸特性反相滯回比較器與電壓傳輸特性反相滯回比較器反相滯回比較器根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷” 和疊加定理和疊加定理 NIuu12PREFO1212RRuUuRRRRPNuu12THREFZ1212RRUUURRRR12TH1REFZ1212RRUUURRRR12TH2REFZ1212RRUUURRRR令令可得可得當(dāng)當(dāng)uO = +UZ 時(shí)，上限閾值電壓時(shí)，上限閾值電壓 UTH1當(dāng)當(dāng)uO = - -UZ 時(shí)，下限閾值電壓時(shí)，下限閾值電壓 UTH2設(shè)設(shè)uIUTH2，則，則 uN uP， uO+UZ。此時(shí)。此時(shí)uPUTH1，增大增大 u

13、I，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)UTH1時(shí)，時(shí)， uO從從+UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)? -UZ。電壓傳輸特性電壓傳輸特性 設(shè)設(shè) uIUTH1，則，則 uN uP， uO- -UZ。此時(shí)。此時(shí)uP UTH2，減小減小 uI，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)UTH2， uO從從- -UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)?UZ。由以上分析可得由以上分析可得滯回比較器滯回比較器的的電壓傳輸特性電壓傳輸特性。兩閾值電壓之差稱為兩閾值電壓之差稱為回差電壓回差電壓 2TH1TH2Z122RUUUURR 改變改變UREF的值，可使滯回的值，可使滯回特性曲線在水平方向上移動(dòng)；特性曲線在水平方向上移動(dòng)；改變電阻改變電阻R1、R2的比值，可改的比值，可改變回差電壓變回差電壓 U。設(shè)

14、設(shè)uI UTH1， uO-UZ，閾值電壓為，閾值電壓為UTH2；減??；減小uI過(guò)過(guò)UTH2， uO由由-UZ跳變?yōu)樘優(yōu)?UZ，閾值電壓為，閾值電壓為UTH1；此后；此后uI只有經(jīng)過(guò)只有經(jīng)過(guò)UTH1時(shí)才使時(shí)才使uO由由+UZ跳變?yōu)樘優(yōu)?UZ。因此有。因此有更強(qiáng)的抗干擾能力更強(qiáng)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。滯回比較器可用于波形變換，例如將三角波變換為矩形波。將圖中將圖中uI和和UREF的位置互換，就構(gòu)成了同相滯回比較器，其的位置互換，就構(gòu)成了同相滯回比較器，其電壓傳輸特性曲線的

15、變化方向與反相滯回比較器正好相反。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。例例6.7.2設(shè)運(yùn)放的最大輸出電壓設(shè)運(yùn)放的最大輸出電壓UOM = 12V，試求：，試求：1. 分析電路的電壓傳輸特性；分析電路的電壓傳輸特性；2. 根據(jù)電路輸入電壓信號(hào)畫出電路的輸出電壓波形。根據(jù)電路輸入電壓信號(hào)畫出電路的輸出電壓波形。解：解：1. 由電路圖可知由電路圖可知例例6.7.2電路圖及其電壓傳輸特性電路圖及其電壓傳輸特性NREF3VuU 根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷” 和疊加定和疊加定理理21PIO1212RRuUuRRRRPNuu求得求得121THREFO22RRRUUuRR當(dāng)當(dāng)uO = +6V時(shí)，時(shí)，UT

16、H1=1.5V；當(dāng)；當(dāng)uO = -6V時(shí)，時(shí)，UTH2=7.5V 令令2. 根據(jù)電路的電壓傳輸特性，根據(jù)電路的電壓傳輸特性，可得電路的輸出電壓波形?？傻秒娐返妮敵鲭妷翰ㄐ?。該電路為該電路為同相滯回比較器同相滯回比較器，可畫出其電壓傳輸特性。可畫出其電壓傳輸特性。例例6.7.2的輸入和輸出電壓波形的輸入和輸出電壓波形6.7.3 窗口比較器窗口比較器窗口比較器由一對(duì)單窗口比較器由一對(duì)單限比較器構(gòu)成。有兩限比較器構(gòu)成。有兩個(gè)閾值電壓，由個(gè)閾值電壓，由R1、R2與與VD1、VD2構(gòu)成構(gòu)成的分壓支路提供。的分壓支路提供。當(dāng)當(dāng)R1 =R2時(shí)時(shí)2LCCDCCD12HLDCCD1=(2)21=22RUVUVU

17、R +RUU + UVU窗口比較器窗口比較器1. 當(dāng)當(dāng)uIUL時(shí)，時(shí)，UO2 = +UOM，VD4導(dǎo)通；導(dǎo)通；uO1=-UOM，VD3截截止，止，uO=+UOM。 2. 當(dāng)當(dāng)UH uIUL時(shí)，時(shí)，uO1=- -UOM ，uO2 =- -UOM ，VD3、VD4截止，截止，uO=0。3. 當(dāng)當(dāng)uIUH時(shí)，時(shí)，uO1 =+UOM ，VD3導(dǎo)通；導(dǎo)通；uO2 =-UOM ，VD4截止，截止，uO= +UOM。 窗口比較器的輸入窗口比較器的輸入uI在單向變化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)每一個(gè)在單向變化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)每一個(gè)閾值電壓時(shí)，閾值電壓時(shí)，uO都發(fā)生躍變，即都發(fā)生躍變，即uO會(huì)跳變兩次。會(huì)跳變兩次。窗口比較器可以檢

18、測(cè)某一特定范圍的輸入信號(hào)，常用于信窗口比較器可以檢測(cè)某一特定范圍的輸入信號(hào)，常用于信號(hào)鑒幅、模擬號(hào)鑒幅、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換等電路中。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窗口比較器的輸入和輸出電壓波形 集成電壓比較器與由通用的集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器的集成電壓比較器與由通用的集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器的區(qū)別為：區(qū)別為： (1) 通用集成運(yùn)算放大器的工作速度較慢，一般為通用集成運(yùn)算放大器的工作速度較慢，一般為 s數(shù)數(shù)量級(jí)；集成電壓比較器翻轉(zhuǎn)速度快，大約在量級(jí)；集成電壓比較器翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 (2) 通用集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)一般采用推挽電路，通用集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)一般采用推

19、挽電路，雙極性輸出，輸出電平比較高。與數(shù)字電路連接時(shí)需加限雙極性輸出，輸出電平比較高。與數(shù)字電路連接時(shí)需加限幅措施。集成電壓比較器的輸出級(jí)為幅措施。集成電壓比較器的輸出級(jí)為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，需，需接上拉電阻，輸出符合接上拉電阻，輸出符合TTL/CMOS電平，容易和數(shù)字電路電平，容易和數(shù)字電路連接。連接。6.7.4 集成電壓比較器的特點(diǎn)集成電壓比較器的特點(diǎn)集成電壓比較器分類：集成電壓比較器分類：按電壓比較器的個(gè)數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器；按電壓比較器的個(gè)數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器；按功能可分為通用型、高速型、低功耗型、低電壓型和高按功能可分為通用型、高速型、低功耗型、低電壓型

20、和高精度型；精度型；按輸出方式可分為普通、集電極開(kāi)路輸出或互補(bǔ)輸出。按輸出方式可分為普通、集電極開(kāi)路輸出或互補(bǔ)輸出。表表6.7.1 幾種常用集成電壓比較器的性能比較幾種常用集成電壓比較器的性能比較LM311的的8腳雙列直插式腳雙列直插式管腳圖如下圖管腳圖如下圖(b)所示。所示。LM311有有同相和反相兩個(gè)輸入端，正、負(fù)兩個(gè)外接電源，有外部平同相和反相兩個(gè)輸入端，正、負(fù)兩個(gè)外接電源，有外部平衡調(diào)節(jié)端和選通控制端。輸出可接成衡調(diào)節(jié)端和選通控制端。輸出可接成“線與線與”方式。方式。(a) (b)LM311的管腳的管腳 LM311特點(diǎn)：輸入偏流小，電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、特點(diǎn)：輸入偏流小，電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、輸出與輸出與TTL及及CMOS電平兼容。電平兼容。1. LM311 電阻電阻R的阻