第六章 信號運算及處理電路

【解】uo1=－uiRfR1uo2=－uo12RR2RfR1=uiuo2=uo2－uo1【例1】

圖所示為兩級比例運算放大電路，求uo與ui

的關(guān)系。2RfR1RfR1=ui+

ui3RfR1=ui上一題下一題返回練習(xí)題集∞－++△2Ruiuo2∞－++△RfR1Ruo1

+uo－R2R23圖1補充例題

【解】前級電路為電壓跟隨器，故

uo1=ui1

后級電路利用疊加原理分析。在uo1=ui1單獨作用時為反相比例運算電路，故uo’

=－ui1RfR1在

ui2單獨作用時為同相比例運算電路，故（）uo’’

=1+ui2RfR1由此求得：RfR1（）uo=uo’+uo’’

=1+ui2－ui1RfR1=5ui2－4ui1【例2】圖所示電路中，已知Rf=4R1，求uo與ui1和ui2的關(guān)系式。上一題下一題返回練習(xí)題集∞－++△Rfui1uo∞－++△R1R2圖2ui2

【證】由于u+=u－

=0，“－”端為虛地端，Rf和R4可視為并聯(lián)，因而R4∥RfR3

+R4∥RfuR4=uo即R3

+R4∥RfR4∥Rfuo=uR4由于uR4=uRf=－Rf

if因此R3

+R4∥RfR4∥Rfuo=uR4if=i1=uiR1R3

+R4∥RfR4∥Rf=－uiRfR1（）【例3】圖所示為一反相比例運算電路，試證明：uo∞－++△R1RfuiR3R4R2RfR1Af=R3R4R3R1(1+)－uoui=－上一題下一題返回練習(xí)題集下一頁（）R3R4∥Rf=－1

+

uiRfR1（）R3Rf=－1

++

uiRfR1R3R4即〔=－1

+－

（）R3R4RfR1R3R1〕uiRfR1Af=R3R4R3R1(1+)－uoui=－上一題下一題返回練習(xí)題集上一頁+-+UiUReRL++VCCRIeIC例：寫出電路電壓放大倍數(shù)的表達式。例1:電路如圖2.8(a)所示，試求uo的表達式；若已知ui=1V，R1=R2=20kΩ,R3=5kΩ,求uo的值。由圖示電路有：代入數(shù)值計算有:2.T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路圖7.2.2T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路電阻R2、R3和R4構(gòu)成T形網(wǎng)絡(luò)電路節(jié)點N的電流方程為i4=

i2+i3輸出電壓u0=

-i2R2–i4R4

所以將各電流代入上式長安大學(xué)電控學(xué)院

第六章信號運算與處理電路1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理；4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第6章信號運算與處理電路6.1基本運算電路

集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。6.1.1加法運算電路

1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

ii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以令

有:【例】

試求出圖所示電路輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式?！窘狻浚?/p>

2.同相加法運算電路由虛斷，反相輸入端電壓為:對于同相輸入端，解之得:其中，

平衡電阻：

1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–6.1.2減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––例：設(shè)計一個加減運算電路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)畫電路。系數(shù)為負的信號從反相端輸入，系數(shù)為正的信號從同相端輸入。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各電阻值。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui32具有高輸入電阻的減法運算電路例題3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V例：用集成運放實現(xiàn)以下運算關(guān)系解：比較得：選RF1=20k，得：R1=100k，R3=15.4k；選RF2=100k，得：R4=100k，R2=10k。6.1.3微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–

輸出電壓U0與輸入電壓Ui的微分成正比，且輸出與輸入反相。

Ui=UC由于“虛斷”，i-

=0，故iC

=iR又由于“虛地”，u+

=u-=0

可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。實現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。1.基本微分運算電路微分電路的作用：微分電路的作用有移相功能。2.實際微分電路1.在輸入回路中串入電阻R1,用來限制噪聲和突變的輸入電壓所形成的過大輸入電流；.在反饋回路中加入電容CF與反饋電阻Rf并聯(lián)，并選擇參數(shù)使RfCf=R1C1,用來進行相位補償，達到穩(wěn)定工作的目的。uoC1uiR2RF++––++–R13.比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器ifiRiC6.1.4積分運算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有U0=-UC1.積分運算電路由于“虛地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——積分時間常數(shù)(動畫avi\12-1.avi)2.積分電路的輸入、輸出波形(一)輸入電壓為階躍信號圖6.3.2t0t1tuIOtuOOUI當t≤

t0

時，uI=0，uO=0；當t0

<t≤t1

時，uI=UI=常數(shù)，當t>t1時，uI=0，uo保持t=t1時的輸出電壓值不變。即輸出電壓隨時間而向負方向直線增長。問題：如輸入波形為方波，輸出波形為何波？(二)輸入電壓為正弦波tuOO可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先90

。因此，此時積分電路的作用是移相。tuIOUm注意：為防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)電阻。（三）輸入為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui

3、比例-積分運算電路：將比例運算和積分運算結(jié)合ifi1上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分這種運算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF由二極管方程知當uD

UT

時，或：利用“虛地”原理，可得：用三極管代替二極管可獲得較大的工作范圍。1.采用二極管對數(shù)運算電路6.2對數(shù)與反對數(shù)運算電路6.2.1對數(shù)運算電路6.2.1對數(shù)運算電路2.采用三極管對數(shù)運算電路根據(jù)虛地和虛斷路原則有：可得：兩邊同時取對數(shù)得：平衡電阻：R2=R1

輸出電壓U0與輸入電壓Ui的對數(shù)成正比。為了克服溫度的影響，可以利用特性相同的兩個晶體管來實現(xiàn)溫度補償，電路如圖所示。圖中T1、T2為對管，運放A1與T1管組成基本對數(shù)運算電路，運放A2與T2管組成溫度補償電路，UREF為外加參考電壓。利用集成運放虛短和虛斷的概念，列節(jié)點N1的KCL方程為列節(jié)點P2的KCL方程為P2點的電位為P2點的電位為所以輸出電壓uo為6.2.2反對數(shù)運算電路設(shè)輸入ui=ube>>UT輸出電壓U0與輸入電壓Ui的指數(shù)成正比。二、指數(shù)運算電路當uI

>0時，根據(jù)集成運放反相輸入端“虛地”及“虛斷”的特點，可得：所以：可見，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。指數(shù)運算電路1.基本電路為了克服溫度的影響，同樣可以利用特性相同的兩個晶體管來實現(xiàn)溫度補償，電路如圖所示。由圖可以得出從而有6.2.3利用對數(shù)和指數(shù)電路實現(xiàn)的乘除電路乘法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓的乘積，即uo=uI1uI2求對數(shù)，得：再求指數(shù)，得：所以利用對數(shù)電路、求和電路和指數(shù)電路，可得乘法電路的方塊圖：對數(shù)電路對數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2求和電路lnuI1+lnuI2指數(shù)電路uO=uI1uI2乘法運算電路乘法運算電路同理：除法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓相除所得的商，即：求對數(shù)，得：再求指數(shù)，得：所以只需將乘法電路中的求和電路改為減法電路即可得到除法電路的方塊圖：對數(shù)電路對數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2減法電路lnuI1-lnuI2指數(shù)電路濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。6.3有源濾波電路6.3.1濾波器的基礎(chǔ)知識一、濾波電路的分類1.按信號性質(zhì)分類3.按電路功能分類:

低通濾波器LPF

；高通濾波器HPF

；帶通濾波器BPF

；帶阻濾波器BEF2.按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類:

一階，二階…高階組成:

由電阻、電容、電感等無源器件組成。體積和重量比較大，電感還會引起電磁感應(yīng)。(a)

無源濾波器電路簡單高頻性能好工作可靠優(yōu)點通帶信號有能量損耗負載效應(yīng)比較明顯缺點CRRL無源高通濾波器(b)有源濾波器：電路體積小、重量輕通帶內(nèi)的信號可以放大精度高、性能穩(wěn)定、易于調(diào)試負載效應(yīng)小組成：由電阻、電容和有源器件（如集成運放）組成優(yōu)點可以多級相聯(lián)，用低階來構(gòu)成高階濾波器通帶范圍小需要直流電源適用于低頻、低壓、小功率等場合。缺點低通高通帶通帶阻二、四種典型的頻率特性傳遞函數(shù)：幅頻特性(幅度之比）相頻特性（初相位之差）filter傳遞函數(shù)、幅頻特性三、無源慮波器1.電路：

RC++一階RC低通濾波器(無源)截止頻率2.傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)幅頻特性截止頻率10.707c截止頻率此電路的缺點：1、帶負載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。3.幅頻特性O(shè)

為了克服上述缺點，可將RC無源網(wǎng)絡(luò)接至集成運放的輸入端，組成有源濾波電路。一、有源低通濾波器uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R由RC電路得出由同相比例運算關(guān)系得出1.電路：

6.3.2一階有源濾波器2.電壓放大倍數(shù)：稱為截止角頻率式中3.傳遞函數(shù)其模為:幅角為:4.幅頻特性：低通濾波器具有使低頻信號易通過，而抑制高頻信號的作用。時，時，時，O0頻率特性——通帶電壓放大倍數(shù)可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的通帶截止頻率相同；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。

缺點：一階低通有源濾波器在f>f0

時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為-20dB/十倍頻。

解決辦法：采用二階低通有源濾波器。電壓放大倍數(shù)當

>0時，|T(j)|

衰減很快

顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。

為了改善濾波效果，使

>

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O二、有源高通濾波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo1.電路：

由同相比例運算關(guān)系得出其模為幅角為3.傳遞函數(shù)2.電壓放大倍數(shù)：稱為截止角頻率式中時，時，時，高通濾波器具有使高頻信號易通過，而抑制低頻信號的作用。頻率特性O(shè)04.幅頻特性：1.簡單二階低通電路可提高幅頻特性的衰減斜率簡單二階低通電路RF用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)簡單二階低通電路的幅頻特性6.3.3二階有源濾波器簡單二階低通電路的幅頻特性輸入電壓經(jīng)過兩級RC低通電路，在高頻段，對數(shù)幅頻特性以-40dB/十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于理想情況。令電壓放大倍數(shù)分母的模等于

可解出通帶截止頻率fP=0.37f0問題：在f=f0

附近，輸出幅度衰減大，fP

遠離f0

引入正反饋，可以增大放大倍數(shù)，使fP

接近f0

濾波特性趨于理想。壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路2.壓控電壓源二階低通濾波電路用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)6.3.4其它濾波電路一、高通濾波電路高通濾波電路與低通濾波電路具有對稱性1.壓控電壓源二階高通濾波電路2.無限增益多路反饋二階高通濾波電路二階高通濾波電路可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數(shù)幅頻特性互為“鏡像”關(guān)系。二階有源高通濾波器二、帶通濾波電路(BPF)只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。低通高通fp1fO低通ffp2O高通阻阻fp1fp2fO通壓控電壓源二階帶通濾波電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)圖7.4.18——比例系數(shù)fbw=

fp1–

fp2=f0/Q——通頻帶三、帶阻濾波器(BEF)在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通圖7.4.20常用有源帶阻濾波電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)常用有源帶阻濾波電路阻帶寬度BW＝fp2–

fp1＝f0

/Q帶阻濾波器的幅頻特性四、全通濾波電路全通濾波電路電壓放大倍數(shù)︱Au︱=1φ=1800-2arctanf/f0全通濾波電路全通濾波電路的相頻特性6.4

集成運放應(yīng)用舉例在自動控制和非電測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流)，而后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號加以放大。測量放大電路的作用是將測量電路或傳感器送來的微弱信號進行放大，再送到后面電路去處理。一般對測量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。電流源由集成運放組成的電流源電路如圖所示，它實際上是一個電流串聯(lián)負反饋電路，在理想的情況下有 所以輸出電流IL為 即IL與負載電阻RL無關(guān)，又因為該電路引入的是電流串聯(lián)負反饋，其輸入電阻和輸出電阻均很大，具有電流源性質(zhì)。 此時輸出電壓UL為電壓源由集成運放組成的電壓源電路如圖所示，它實際上是一個電壓串聯(lián)負反饋電路，在理想的情況下有 輸出電壓的大小與負載電阻RL無關(guān)，由于該電路引入的是電壓串聯(lián)負反饋，其輸入電阻很大，輸出電阻很小，具有電壓源性質(zhì)。直流電壓表右圖是由一塊普通的微安表與集成運放構(gòu)成的高靈敏度的直流毫伏表電路。電流表的內(nèi)阻為Rg，從圖中可得被測電壓UX為 上式說明被測電壓UX與流過表頭的電流Ig成正比。若電阻R=10Ω，當微安表的滿量程讀數(shù)為100μA時，直流毫伏表的滿量程為10010-6A10Ω=10-3V=1mV。直流電壓表該毫伏表的特點是： 能測量小于1mV的微弱信號，靈敏度高； 由于電路中引入了串聯(lián)負反饋，所以毫伏表具有很高的輸入電阻； 同時毫伏表的滿量程電壓值不受表頭內(nèi)阻Rg阻值的影響，只要是100μA滿量程的電流表均可利用，互換性較好。如果將上述1mV表頭作為基本元件，配以分壓器，就可以構(gòu)成多量程的直流電壓表，電路如圖所示。測量放大器ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3–––––––+對A1和A2有對A3有改變R1的阻值，即可調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)電荷放大器ut、Ct和電容上的電量q之間的關(guān)系為利用“虛短”和“虛斷”，可得運放A的輸出電壓電荷放大器可得隔離放大器變壓器耦合式隔離放大器光電耦合式隔離放大器光電耦合式基本應(yīng)用電路，圖中R和Rf為外接電阻，調(diào)整它們的阻值可以改變放大器增益。若光電二極管D1、D2所受光照相同，可以得出電壓-電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)集成運放是理想的，利用“虛短”和“虛斷”的概念，可知uN=uP=0，iO=iR，從而可得iO與uI成線性關(guān)系，且與負載電阻RL無關(guān)，實現(xiàn)了電壓-電流轉(zhuǎn)換。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路豪蘭德（Howland）電流源電路。設(shè)集成運放是理想的，利用“虛短”和“虛斷”的概念，可知uN=uP，i1=if，列出節(jié)點N和節(jié)點P的KCL方程分別為求解可得若取電流-電壓轉(zhuǎn)換電路該電路中引入了電壓并聯(lián)負反饋，在理想運放條件下，輸入電阻Rif=0，因而if=iS，所以輸出電壓圖6.39電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

高精度整流電路由集成運放組成的高精度整流電路如圖所示，它在反相比例電路的基礎(chǔ)上增加了二極管D1和D2，其工作原理如下： 當ui<0時，集成運放的輸出電壓uA>0，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，集成運放工作在深度負反饋狀態(tài)，這時的電路相當于反相比例電路，因此輸出電壓uo為 當R1=Rf時，uo=-ui，由于ui<0，所以輸出電壓uo為正值。 當ui>0時，uA<0，二極管D2導(dǎo)通，集成運放仍然工作在深度負反饋狀態(tài)，且uA-0.7V，D1截止，反饋電阻Rf上沒有電流流過。又因為集成運放的反相輸入端為虛地點，所以輸出電壓uo=0。

高精度整流電路綜上所述，可以畫出它的輸入輸出波形如圖所示，在電路中即使輸入電壓小于二極管的死區(qū)電壓，輸出電壓uo仍為

|-ui|。所以該整流電路具有較高的精度。

高精度整流電路如果利用反相求和電路，讓圖電路的輸出-Kui與ui相加，就可以實現(xiàn)全波整流，電路如圖所示。

SuC+–ui+–uo+–++–模擬開關(guān)模擬輸入信號1.電路6.4.2采樣保持電路

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器2.工作原理采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。

SuC+–ui+–uo+–++–6.5

電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)++∞uou–u+i+i––6.5.1過零比較器參考電壓為零的比較器稱為過零比較器。1、反相輸入過零比較器，，

過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾?.5.1過零比較器2、同相輸入過零比較器3、過零限幅比較器為了限制輸出電壓的最大值，可用穩(wěn)壓管來限幅。

7.27同相輸入過零限幅比較器

7.28反相輸入過零限幅比較器

電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)參考電壓6.5.2任意電壓比較器1.基本電壓比較器uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t22.單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR存在干擾時單限比較器的uI、uO

波形單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t23.輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZ電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性uoOUO(sat)–UO(sat)【例】:

電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:運放為同相輸入過零電壓比較器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各電壓波形如右圖所示。R1R2uiuo+–+CDRLR4.反相求和型電壓比較器求得門限電壓：

【例】在圖所示反相求和型電壓比較器中，已知雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為Uz=6V，

R1=2kΩ；R2=4kΩ試畫出UR=4V時的電壓傳輸特性。若（V）時，試畫出輸出電壓u。的波形?！窘狻浚焊鶕?jù)反相求和型電壓比較器的門限電壓:[例]在圖所示電路中，UZ=±6V，在圖8.2.7中所示電路中，R1=R2=5kΩ，基準電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±5V；它們的輸入電壓均為圖8.2.8（a）所示的三角波。試畫出圖8.2.6所示電路的輸出電壓u01和圖8.2.7所示電路的輸出電壓u02解過零比較器一般單限比較器。波形圖R1R26.5.3滯回比較器（施密特觸發(fā)器）滯回比較器的特點：可大大提高比較器的抗干擾能力。一、基本滯回比較器解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性1)電路和門限電壓1.反相型遲滯比較器uIRR18UREFR2R3UZPuO正反饋當uI>uP

時，uO=-UZ當uI<uP

時，uO=+UZ當uI=uP

時，狀態(tài)翻轉(zhuǎn)例：R1=30k，R2=15k,UZ=6V,UREF=0,求UT。二、任意電壓滯回比較器特點：2)傳輸特性RR18uIUREFR2R3UZPuOOuIuOUTHUTLUZ-UZ當uI

逐漸增大時

只要uI<UTH，則uO=UZ一旦uI>UTL，則uO=-UZ當uI逐漸減小時只要uI>UTH，則uO=-UZ一旦uI<UTL，則uO=UZ上門限下門限U=UTH

-UTLU回差電壓uI

上升時與上門限比,uI

下降時與下門限比。2.同相型遲滯比較器R1R8uIUREFR2R3UZNPuO狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，uP=uN=UREF若UREF=0傳輸特性O(shè)uIuOUTHUTLUZ-UZU=UTH

-UTL應(yīng)用舉例抗干擾單門限比較器遲滯比較器整形OuItUTHUTLOuOtUOHUOLOuItUTHUTLOuOtUOHUOL波形變換OuItUTOuOtUOHUOL三、窗口電壓比較器參考電壓UREF2<UREF1

(1)若uI低于UREF2，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管D1

截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；

(2)若uI高于UREF1，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管D2

截止，D1

導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；窗口電壓比較器：檢測輸入電壓是否在兩個規(guī)定電壓之間，

(3)當uI高于UREF2而低于UREF1時，運放A1、A2均輸出低電平，二極管D1、D2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號uI<UREF2

或uI>UREF1時，輸出為高電平；而當UREF2<

uI<

UREF1時，輸出為低電平。7.5.4集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類：1.具有較高的開環(huán)差模增益；2.具有較快的響應(yīng)速度；3.具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。分類：單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790引腳圖+12V單電源供電，邏輯電源為5V?！?V雙電源供電，邏輯電源為5V。±15V雙電源供電，邏輯電源為5V。2.集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝的管腳圖反相輸入2同相輸入2電路為雙限比較器，能實現(xiàn)線與功能圖8.2.16由LM119構(gòu)成的雙限比較器及其電壓傳輸特性7.6集成運放的性能指標及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無窮大；實際情況Aod

為100~140dB。7.6.1集成運放的主要性能指標二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。一般運放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運放：UIO

為1mV以下。定義：一般運放為每度10~20V；高質(zhì)量運放低于每度0.5V以下；四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即定義：一般運放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運放在80dB以上，高質(zhì)量的可達160dB。九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時的頻率。一般集成運放fH只有幾赫至幾千赫。十二、單位增益帶寬

fc

Aod

降至0dB時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的SR

值。其他技術(shù)指標還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。7.6.2集成運放的低頻等效電路考慮各種失調(diào)因素時等效電路圖不考慮各種失調(diào)因素的電路圖7.7集成運放的種類及選擇7.7.1集成運放的發(fā)展概況第一代產(chǎn)品：沿用分立元件放大電路的設(shè)計思想，采用了集成數(shù)字電路的制造工藝。

典型產(chǎn)品有μA709，國產(chǎn)的F003、5G23第二代產(chǎn)品：采用了有源負載，簡化了電路設(shè)計；屬于通用型運放，應(yīng)用非常廣泛。

典型產(chǎn)品有μA741、LM324，國產(chǎn)的F007、5G24第三代產(chǎn)品：輸入級采用超β管（1000~5000倍）；版圖設(shè)計考慮熱效應(yīng)的影響，增大了共模擬制比和輸入電阻。

典型產(chǎn)品有HA2900、SN62088，國產(chǎn)的5G76507.7.2集成運放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型F007、F3242.電流放大型LM3900、F19003.跨導(dǎo)型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變增益運放2.選通運放1.高精度型性能特點：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個數(shù)量級(不超過毫瓦級)，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標分類3.高阻型性能特點：通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達1012

。高阻型運放可用在測量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）4.高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達1000V/s，單位增益帶寬可達10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點：常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）5.高壓型性能特點：輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負載上可得到較大的輸出功率。7.7.3運放的選擇（略）根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運放填入空內(nèi)。

已知現(xiàn)有集成運放的類型是：

①通用型②高阻型③高速型④低功耗型

⑤高壓型⑥大功率型⑦高精度型

（1）作低頻放大器，應(yīng)選用

。

（2）作寬頻帶放大器，應(yīng)選用

。

（3）作幅值為1μV以下微弱信號的測量放大器，應(yīng)選用

。

（4）作內(nèi)阻為100kΩ信號源的放大器，應(yīng)選用

。

（5）負載需5A電流驅(qū)動的放大器，應(yīng)選用

。

（6）要求輸出電壓幅值為±80V的放大器，應(yīng)選用

。

（7）宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用

?！菊n堂練習(xí)】（1）①（2）③（3）⑦（4）②（5）⑥（6）⑤（7）④7.8集成運放的使用一、集成運放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負反饋開環(huán)；集成運放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因7.8.1使用時必做的工作2.漂移現(xiàn)象嚴重存在虛焊點運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾集成運放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯避免負反饋過強合理安排接線，防止雜散電容過大7.8.2保護措施一、輸入保護(a)防止輸入差模信號幅值過大(b)防止輸入共模信號幅值過大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護元件保護元件uO+AR1RFD1D2uI保護元件圖4.6.1輸入保護措施二、電源極性錯接保護保護元件：D1、D2三、輸出端錯接保護保護元件：穩(wěn)壓管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI圖4.6.2利用穩(wěn)壓管保護運放圖4.6.3電源接錯保護四、輸出限流保護+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保護元件：T1、T2(b)保護管工作特性正常工作時工作點在

A；工作電流過大，工作點經(jīng)B

移到C

或D

點。(a)電路圖BCDAICUCEO圖輸出限流保護7.8.3輸出電壓與輸出電流的擴展一、提高輸出電壓采用在運放輸出端再接一級由較高電壓電源供電的電路，來輸出電壓幅值。+uNuPA圖4.6.4提高輸出電壓的電路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)