集成運算放大器的運用

集成運算放大器的運用第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月上節(jié)課回顧1.串聯(lián)電壓負(fù)反饋2.并聯(lián)電流負(fù)反饋3.串聯(lián)電流負(fù)反饋4.并聯(lián)電壓負(fù)反饋四種組態(tài)負(fù)反饋的判斷方法、特點（穩(wěn)定變量、對輸入輸出電阻的影響、特征增益及特征反饋系數(shù)）。第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1基本運算電路7.1.1比例運算電路1.反相比例放大器虛地：因為是深度負(fù)反饋，所以，則的現(xiàn)象。

注意：實質(zhì)是指同相輸入端和反相輸入端電位相等，而同相輸入端電位又等于零。

圖7.1.1反相比例放大器

(a)電路；(b)閉環(huán)傳輸特性第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.閉環(huán)增益Auf

根據(jù)深反饋條件其傳輸特性如圖7.1.1(b)所示，線性動態(tài)范圍擴(kuò)大了。第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.閉環(huán)輸入電阻Rif

因為反相端虛地，則

(7.1.2)

3.閉環(huán)輸出電阻Rof

理想運放的輸出電阻Ro≈0，施加電壓負(fù)反饋后的輸出電阻進(jìn)一步減小，所以(7.1.3)第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相比例放大器如圖7.1.2(a)所示虛短：在深度負(fù)反饋條件下，集成運放的同相輸入端與反相輸入端電位相等。為了保證是負(fù)反饋，反饋信號必須引到運放的反相輸入端。運放的差模輸入信號為：因為是串聯(lián)反饋，所以閉環(huán)傳輸特性如圖7.1.2(b)所示。第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.1.3電壓跟隨器圖7.1.2同相比例放大器(a)電路(b)閉環(huán)傳輸特性第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：

1.同相且成比例關(guān)系；

2．Auf≥1；

3．若R1開路（或R1→∞）、Rf=0，則Auf=1，稱為電壓跟隨器。如圖7.1.3所示。

4．因為串聯(lián)電壓負(fù)反饋使輸入電阻增大，輸出電阻減小，所以閉環(huán)Rif=∞，Rof=0。第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.2求和運算電路(Adder)1.反相輸入求和電路

(InvertingAdder)（1）電路如圖7.1.4所示。直流平衡電阻：圖7.1.4反相求和運算電路（2）關(guān)系式：因為反相端“虛地”(VirtualGround)，

第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月若則例1：利用集成運放實現(xiàn)以下求和運算關(guān)系：

要求對應(yīng)于各個輸入信號來說，電路的輸入電阻不小于10KΩ，試確定電路的參數(shù)。

解：電路如圖7.1.4所示，由題可得：

第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月又因為各路的輸入電阻不小于10KΩ，所以選R2=10KΩ，則

Rf=5R2=50KΩ

R1=Rf=50KΩ

第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.同相輸入求和電路

(NoninvertingAdder)1.電路如圖7.1.5所示。

2.同相端與反相端可視為“虛短路”，即

u+=u-

圖7.1.5同相求和運算電路第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月所以：

當(dāng)R1=R2時，

第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

3雙端輸入求和電路(Subtractor)

如圖7.1.7所示。可應(yīng)用疊加原理來計算。①當(dāng)ui2=0時，為同相比例放大器②當(dāng)ui1=0時，為反相比例放大器第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月總的輸出電壓uo為：

當(dāng)R1=R2，R3=Rf時相減器的輸出電壓與兩個輸入信號之差成正比。第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1.3積分(Integrator)和微分(Differentiator)運算電路

1.積分運算電路

積分器能實現(xiàn)積分運算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。電路如圖7.1.10所示。在uC(0)=0時

圖7.1.10積分運算電路第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月解：在t=0～1ms時間內(nèi)，輸入電壓保持+6V不變，輸出電壓將作線性變化，由0變到-6V，即同理，可求得在t=1～3ms時間內(nèi)，輸出電壓將由-6V線性變到+6V，在t=3～4ms時間內(nèi)，輸出電壓將由+6V線性變到0。由此可得輸出電壓波形如圖7.1.11(b)所示，已將方波轉(zhuǎn)換成三角波。第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.1.11例7.1.2輸入、輸出波形第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.微分運算電路將積分器的C和R的位置互換，就成了微分器，如圖7.1.12所示。圖7.1.12微分運算電路輸出電壓和輸入電壓的微分成正比。第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月微分器的高頻增益大。如果輸入含有高頻噪聲的話，則輸出噪聲也將很大，而且電路可能不穩(wěn)定，所以微分器很少有直接應(yīng)用。在需要微分運算之處，也盡量設(shè)法用積分器代替。例如，解如下微分方程：(7—18)第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、對數(shù)運算電路

(Logarithmic)

最簡單的對數(shù)運算電路是將反相比例放大器的反饋電阻Rf換成一個二極管或三極管，如圖7.1.13、圖7.1.14所示。由圖可見:式中，故7.1.4對數(shù)和反對數(shù)運算電路uo與ui成對數(shù)關(guān)系

圖7.1.13對數(shù)運算電路第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月存在問題：①ui必須為正；②IS和UT都是溫度的函數(shù)，運算結(jié)果受溫度的影響很大改善方法：①用對管消除IS的影響；②用熱敏電阻補償U(kuò)T的溫度影響。如圖7.1.15所示。第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.1.15具有溫度補償?shù)膶?shù)運算電路第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7.1.15中，V1和V2是一對性能參數(shù)匹配的晶體管，用以抵消反向飽和電流的影響，RT是熱敏電阻，用以補償U(kuò)T引起的溫度漂移。由圖可見:第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月因為V1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月式(7.1.19)表明，用對管消除了反向飽和電流的不良影響，而且只要選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT,也可消除UT=kT/q引起的溫度漂移，實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性良好的對數(shù)運算關(guān)系。第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、反對數(shù)(指數(shù))運算電路指數(shù)運算是對數(shù)的逆運算，在電路結(jié)構(gòu)上只要將對數(shù)運算器的電阻和晶體管位置調(diào)換一下即可，如圖7.1.16所示。輸出電壓與輸入電壓的指數(shù)運算關(guān)系。圖7.1.16反對數(shù)運算電路第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2電壓比較器

7.2.1電壓比較器概述一、電壓比較器的基本特性功能：根據(jù)兩個輸入電壓的大小，確定輸出是高電平還是低電平。其輸出只有兩個狀態(tài)。（比較器工作在非線性狀態(tài)，所以，“虛短”不能隨便應(yīng)用）。

開關(guān)特性和非線性符號及傳輸特性：如圖7.2.1。ui為輸入電壓，ur參考電壓。第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.1電壓比較器的符號及傳輸特性①當(dāng)時，輸出為“高”

②當(dāng)時，輸出為“低”第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)：

1.閥值電壓（UT）比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時所對應(yīng)的輸入電壓值稱為閾值電壓，簡稱為閾值。

2.高電平(UOH)和低電平(UOL)其輸出限幅如圖7.2.2所示。——運放構(gòu)成的比較器：UOH≈UCC，UOL≈-UEE——專用比較器：UOH=3.4V左右，UOL=0.4V左右（與數(shù)字電路兼容）。第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.2具有輸出限幅的電壓比較器第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.鑒別靈敏度因為運放和專用比較器的Aud不為無窮大，所以ui在ur附近一個很小范圍內(nèi)存在一個比較器的不靈敏區(qū)。如圖7.2.1(b)。Aud↑→不靈敏區(qū)↓→鑒別靈敏度↑。

4.轉(zhuǎn)換時間 比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時間。與壓擺率SR有關(guān)。第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.2單門限比較器

1.過零電壓比較器如圖7.2.3所示。ur=0。當(dāng)ui>

0時，輸出為低（UoL）；當(dāng)ui<0時，輸出為高（UoH）。第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.4同相輸入過零電壓比較器(a)電路圖(b)電壓傳輸特性2.固定電壓比較器圖7.2.5反相輸入固定電壓比較器(a)電路圖(b)電壓傳輸特性+-第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月單門限比較器主要用來對輸入波形進(jìn)行整形。利用反相輸入的單門限比較器圖7.2.3(a)、7.2.5(a)實現(xiàn)的波形變換如圖7.2.9所示。圖7.2.9用單門限比較器實現(xiàn)波形變換

(a)三角波變換為方波(b)三角波變換為矩形波第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.3遲滯比較器——雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單門限比較器應(yīng)用中存在的問題①輸出電壓轉(zhuǎn)換時間受運放壓擺率的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭，如圖7.2.7（a）所示。②抗干擾能力差，如圖7-51（b）所示。圖7.2.7簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭(b)受干擾情況第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月為了解決以上兩個問題，在比較器中引入正反饋，構(gòu)成所謂“遲滯比較器”。這種比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。

1.反相輸入遲滯比較器

如圖7.2.8(a)所示。其中R1將uo反饋到運放的同相端與R2一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F正為第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.8反相輸入遲滯比較器電路及傳輸特性

(a)電路；(b)傳輸特性

第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)ui↑，且ui=U+時，uo由UoH→UoL，此時的U+為上門限電壓，記為UTH，且

電路的傳輸特性①當(dāng)時，——上門限電壓第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②當(dāng)再增大時，

當(dāng)ui↓，且ui=U+時，uo由UoL→UoH，此時的U+為下門限電壓，記為UTL，且——下門限電壓回差ΔU：上下門限電壓之差。第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.同相輸入遲滯比較器

電路如圖72.9(a)所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)U+=U-=0時，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為

(7—65a)(7—65b)第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.9同相輸入遲滯比較器電路圖(a)電路圖(b)傳輸特性+-第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.4窗口比較器

窗口比較器是一種用于判斷輸入電壓是否處于兩個已知電平之間的電壓比較器，常用于自動測試、故障檢測等場合。

圖7.2.10(a)給出一個雙運放或雙比較器組成的窗口比較器，兩個參考比較電平分別為URL和URH，且假定URH＞URL。由圖可見：第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)輸入電壓ui＜URL(顯然也小于UR2)時，Uo1為低電平UoL，而Uo2為高電平UoH，V1截止，V2導(dǎo)通，Uo≈UoH。當(dāng)輸入電壓ui

＞URH時，Uo1為高電平UoH，而Uo2為低電平，V1導(dǎo)通，V2截止，Uo≈UoH。當(dāng)URL＜ui

＜URH時，Uo1和Uo2均為低電平UoL，V1

、V2同時截止，輸出Uo=0。傳輸特性如圖7.2.10(b)所示。

第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.2.10窗口比較器(a)電路(b)傳輸特性第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.3弛張振蕩器

弛張振蕩器即方波——三角波發(fā)生器，其波形特點是既有變化劇烈的部分，也有變化緩慢的部分。弛張振蕩器必須是一個正反饋電路，它由兩部分組成：①狀態(tài)記憶電路；②定時電路。如下圖示。圖7.3.0弛張振蕩器框圖第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月單運放將狀態(tài)記憶電路和定時電路集中在一起，如圖7.3.1(a)所示，其中帶正反饋的運放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時電路。其波形如圖7.3.1(b)所示。圖7.3.1單運放弛張振蕩器電路及波形第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月假定輸出為高電平(UoH=UVZ+UVD)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。此時，運放同相端電壓U+為(7—66)

該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC上升到該電平值時，即U-=U+，