《模擬電子技術(shù)》課件第5章

5.1集成運(yùn)算放大電路簡介

5.1.1集成運(yùn)算放大電路的組成

集成運(yùn)算放大電路是一種高性能的直接耦合放大電路，其品種繁多，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)各不相同，但它們的基本組成可分為四部分，包括輸入級、中間級、輸出級和偏置電路，如圖5－1所示。圖5－1集成運(yùn)放組成方框圖

1.輸入級

通常采用一個(gè)雙端輸入的高性能差分放大電路，要求其差模放大倍數(shù)大，輸入電阻高，抑制共模信號能力強(qiáng)。

2.中間級

中間級是集成運(yùn)放的主放大器，要求具有較高的放大能力，多采用有源負(fù)載共射（或共源）放大電路。

3.輸出級

輸出級多采用互補(bǔ)對稱輸出電路，要求其具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電壓線性范圍寬和非線性失真小等特點(diǎn)。

4.偏置電路

偏置電路采用電流源電路，用于設(shè)置集成運(yùn)放中各級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。5.1.2差分放大電路

1.電路組成

差分放大電路的基本形式如圖5－2所示。圖中V1和V2特性相同，基極電阻相同，集電極電阻相同，發(fā)射極接一共用電阻RE。由于電路的對稱性，當(dāng)溫度變化時(shí)，uC1和uC2的變化一致，相當(dāng)于給放大電路加上了“大小相等、極性相同”的信號，即共模信號，導(dǎo)致輸出電壓uO＝0，即輸出端的零點(diǎn)漂移互相抵消了。而輸入的有用信號分成相同的兩部分，分別加到兩管的基極，相當(dāng)于給放大電路加上了“大小相等、極性相反”的信號，即差模信號，故輸出電壓等于V1（或V2）輸出電壓的兩倍?？梢?，差分放大電路對差模信號和共模信號具有完全不同的放大能力。圖5－2差分放大電路的基本形式為了描述差分放大電路對零漂的抑制能力，引入了一個(gè)技術(shù)指標(biāo)——共模抑制比，它的定義為差模電壓放大倍數(shù)Ad與共模電壓放大倍數(shù)Ac之比，即（5－1）表明KCMR愈大，電路抑制零漂的能力愈強(qiáng)。從圖5－2所示電路可以看出，差分電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，所以，信號的輸入和輸出方式可分為雙端輸入－雙端輸出、雙端輸入－單端輸出、單端輸入－雙端輸出和單端輸入－單端輸出。

2.靜態(tài)分析

以圖5－2所示電路為例，計(jì)算電路的Q點(diǎn)。令輸入電壓為零，考慮到電路結(jié)構(gòu)的對稱性，根據(jù)晶體管的基極回路可得故基極電流和電位分別為（5－2）（5－3）集電極電流和電位分別為（5－4）（5－5）發(fā)射極電位為（5－6）

3.動態(tài)分析

由于差分電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其輸入、輸出方式不同時(shí)，電路的性能、特點(diǎn)也不盡相同，下面分別加以介紹。

1）雙端輸入－雙端輸出

雙端輸入－雙端輸出電路如圖5－3所示。當(dāng)輸入差模信號時(shí)，兩管的射極電位UE不變，相對于接“地”；負(fù)載電阻RL兩端的電位為一端升高，另一端降低，故認(rèn)為RL中點(diǎn)電位不變，也相對于接“地”。所以，在差模信號作用下的交流通路如圖5－4所示。圖5－3雙端輸入－雙端輸出圖5－4在差模信號作用下的交流通路根據(jù)圖5－4可知故同理于是，輸出電壓由此可得差模電壓放大倍數(shù)（5－7）差模輸入電阻（5－8）輸出電阻（5－9）

2）雙端輸入－單端輸出

雙端輸入－單端輸出電路如圖5－5所示。當(dāng)輸入差模信號時(shí)，兩管的射極電位UE不變，相對于接“地”；若負(fù)載電阻RL接在V1的集電極，則輸出電壓輸入電壓圖5－5雙端輸入－單端輸出由此可得差模電壓放大倍數(shù)（5－10）若負(fù)載電阻RL接在V2的集電極，則差模電壓放大倍數(shù)可表示為（5－11）差模輸入電阻和輸出電阻分別為（5－12）（5－13）

3）單端輸入－雙端輸出

單端輸入－雙端輸出電路如圖5－6所示。單端輸入是指輸入電壓只加在其中一個(gè)輸入端與地之間，另一個(gè)輸入端接地。下面通過對輸入信號的等效變換來說明這種輸入方式的特點(diǎn)。輸入信號的等效變換圖如圖5－7所示。圖5－6單端輸入－雙端輸出圖5－7輸入信號的等效變換可以看出，兩個(gè)輸入端相當(dāng)于加入差模信號uI/2和-uI/2，同時(shí)，兩個(gè)輸入端加入了uI/2的共模信號，也就是說，單端輸入情況下，在差模信號輸入的同時(shí)，伴隨著共模信號的輸入。

于是，輸出電壓應(yīng)由兩部分組成：（5－14）在理想情況下，Ac=0，則ΔuO=AdΔuI

。這樣，單端輸入－雙端輸出電路與雙端輸入－雙端輸出電路的動態(tài)分析相同，結(jié)果參見式（5－7）、式（5－8）和式（5－9）。

4）單端輸入－單端輸出

單端輸入－單端輸出電路如圖5－8所示。參照單端輸入-雙端輸出電路中關(guān)于對單端輸入的討論和雙端輸入－單端輸出電路中關(guān)于對單端輸出的討論可知，單端輸入－單端輸出情況下的差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻分別可用式（5－10）~式（5－13）來表示。圖5－8單端輸入－單端輸出 5.2集成運(yùn)算放大電路的基本電路

5.2.1集成運(yùn)算放大電路的基本特性

根據(jù)上一節(jié)的介紹，我們知道，集成運(yùn)放的輸入級通常采用差分放大電路，所以，從外部來看，一般具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，以及連接電源電壓的引出端，有的還有調(diào)零和相位補(bǔ)償?shù)纫龆?。在兩個(gè)輸入端中，一個(gè)與輸出端為同相關(guān)系，另一個(gè)為反相關(guān)系，分別稱為同相輸入端和反相輸入端，并分別以“＋”和“-”表示。電路符號如圖5－9所示。

研究集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，可以得到它的傳輸特性，如圖5－10所示?？梢钥闯?，集成運(yùn)放工作的區(qū)域分為線性區(qū)和非線性區(qū)。有關(guān)工作在非線性區(qū)的情形將在5.4節(jié)中討論。

圖5－9運(yùn)放符號圖5－10集成運(yùn)放的傳輸特性當(dāng)工作在線性區(qū)時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓與其兩個(gè)輸入端電壓之間為線性關(guān)系，即（5－15）由于理想運(yùn)放的Aod=∞，根據(jù)式（5－15），可得即（5－16）表明運(yùn)放的同相端與反相端電壓相等，好像這兩端短路一樣，但實(shí)際上并沒有真正短路，故稱為“虛短”。由于理想運(yùn)放的Rid=∞，所以，兩個(gè)輸入端均沒有電流，即（5－17）表明運(yùn)放的同相端和反相端的電流均等于零，好像這兩端被斷開一樣，故稱為“虛斷”。5.2.2三種基本運(yùn)算電路圖5－11反相比例運(yùn)算電路

1.反相比例運(yùn)算電路

反相比例運(yùn)算電路如圖5－11所示。輸入電壓uI經(jīng)電阻R1加到運(yùn)放的反相輸入端，同相端經(jīng)電阻R2接地，輸出電壓uO經(jīng)電阻RF接回到反相端。

我們知道，集成運(yùn)放的同相端和反相端實(shí)際上是輸入級差分對管的基極，為使電路在輸入電壓為零時(shí)輸出電壓也為零，需使差分電路的參數(shù)保持對稱，即差分對管基極此時(shí)所接電阻應(yīng)保持一致，為此應(yīng)在同相端接入平衡電阻R2，并選擇R2的值為（5－18）利用瞬時(shí)極性法分析可知，反相比例運(yùn)算電路中的反饋組態(tài)為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模增益很高，易使1+AF>>1，即滿足深度負(fù)反饋的條件，故我們可以利用深度負(fù)反饋下電壓增益的計(jì)算方法，求解電路的電壓增益，這里從略。也可以用理想運(yùn)放的兩個(gè)重要結(jié)論來分析。

在圖5－11中，根據(jù)i+=0可知，電阻R2上沒有壓降，即u+=0，再由式（5－16），可得u+=u-=0，表明在反相比例運(yùn)算電路中，同相端與反相端等電位且為零，并將反相端稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪啾壤\(yùn)算電路的一個(gè)重要特點(diǎn)。根據(jù)i-=0，可得i1=iF。于是，有由此可得反相比例運(yùn)算電路的電壓增益（閉環(huán)增益）為（5－19）或者表明輸出電壓與輸入電壓成正比，“-”號說明反相，實(shí)現(xiàn)了反相比例運(yùn)算。不難看出，電路的輸入電阻為（5－20）

2.同相比例運(yùn)算電路

同相比例運(yùn)算電路如圖5－12所示。輸入電壓uI經(jīng)電阻R2加到運(yùn)放的同相輸入端，反相端經(jīng)電阻R1接地，輸出電壓uO經(jīng)電阻RF接回到反相端，以保證電路仍引入負(fù)反饋。同理，電阻R2仍為平衡電阻，取值為R2=R1∥RF。

利用瞬時(shí)極性法分析可知，同相比例運(yùn)算電路中的反饋組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。下面用理想運(yùn)放的兩個(gè)重要結(jié)論來分析其電壓增益。圖5－12同相比例運(yùn)算電路由此可得同相比例運(yùn)算電路的電壓增益（閉環(huán)增益）為（5－21）或者表明輸出電壓與輸入電壓成正比且同相，實(shí)現(xiàn)了同相比例運(yùn)算。由式（5－21）可知，電壓增益總是大于或等于1。當(dāng)Auf=1時(shí)，電路如圖5－13所示，uO=uI，即輸出電壓與輸入電壓不僅大小相等，而且相位相同，這就是所謂的電壓跟隨器。不難看出，在理想情況下，同相比例運(yùn)算電路的輸入電阻Rif→∞。圖5－13電壓跟隨器圖5－14差分比例運(yùn)算電路

3、差分比例運(yùn)算電路

差分比例運(yùn)算電路如圖5－14所示。輸入電壓uI1經(jīng)電阻R1加到運(yùn)放的反相輸入端，uI2經(jīng)電阻R2和R3分壓加到同相輸入端，輸出電壓uO經(jīng)電阻RF接回到反相端，以保證電路仍引入負(fù)反饋。為了確保運(yùn)放兩個(gè)輸入端的平衡，一般要求根據(jù)理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論，可以得到同相端電位為由疊加原理可得反相端電位為于是，有由此可得差分比例運(yùn)算電路的電壓增益為（5－22）或者表明輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差(uI2-uI1)成正比，實(shí)現(xiàn)了差分比例運(yùn)算，或者說，實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。

可以證明，差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電阻為（5－23）

【例5－1】圖5－15給出了采用兩級運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的差分比例運(yùn)算電路。試寫出電路的運(yùn)算關(guān)系。圖5－15高輸入電阻的差分比例運(yùn)算電路

解：第一個(gè)運(yùn)放為同相比例運(yùn)算電路，則有第二個(gè)運(yùn)放為差分比例運(yùn)算電路，利用疊加原理，可得所以 5.3集成運(yùn)算放大電路的應(yīng)用電路

5.3.1加法運(yùn)算電路

圖5－16給出了具有三個(gè)輸入端的反相加法運(yùn)算電路?？梢钥闯觯撾娐穼?shí)際上是在反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)輸入端口，每一個(gè)輸入端口由對應(yīng)的信號源和輸入電阻組成。在同相端仍然接有平衡電阻RP，其阻值為對于反相端，由于i-=0，有又因u+=u-=0，所以有則輸出電壓為（5－24）表明電路的輸出電壓為輸入電壓按不同比例相加所得的結(jié)果，“-”號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。圖5－16反相加法運(yùn)算電路5.3.2積分和微分運(yùn)算電路

1.積分運(yùn)算電路

積分運(yùn)算電路如圖5－17所示。可以看出，輸入電壓通過電阻R加到運(yùn)放的反相端，輸出電壓通過電容C引回到反相端，構(gòu)成負(fù)反饋。同相端接有平衡電阻RP，且RP=R。事實(shí)上，用電容C取代反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻RF，即為反相輸入積分運(yùn)算電路。

仿照反相比例運(yùn)算電路的分析方法，因iR=iC，考慮到電容的伏安關(guān)系 于是，有圖5－17積分運(yùn)算電路于是，有由此可得輸出電壓（5－25）表明輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。

2.微分運(yùn)算電路

將圖5－17所示電路中的電阻R和電容C的位置互換，就可得到微分運(yùn)算電路，如圖5－18所示。

類似地，因iC=iR，有由此可得輸出電壓（5－26）表明輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)成正比。圖5－18微分運(yùn)算電路5.3.3電壓、電流轉(zhuǎn)換電路

1.電壓－電流轉(zhuǎn)換電路

電壓－電流轉(zhuǎn)換電路是一種能夠?qū)⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為輸出電流的電路。當(dāng)電路的輸入電壓恒定時(shí)，在一定負(fù)載范圍內(nèi)輸出電流也恒定，即轉(zhuǎn)換電路可作為恒流源為負(fù)載提供恒定電流。

我們知道，當(dāng)電路引入電流負(fù)反饋時(shí)，可起到穩(wěn)定輸出電流的作用。據(jù)此利用集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路如圖5－19所示。圖5－19電壓－電流轉(zhuǎn)換電路

（a）反相輸入式電壓－電流轉(zhuǎn)換電路;

（b）同相輸入式電壓－電流轉(zhuǎn)換電路圖5－19（a）為反相輸入式電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，它實(shí)質(zhì)上是電流并聯(lián)負(fù)反饋電路，圖中輸入電壓經(jīng)R1加到反相端，RL既是反饋電阻又是負(fù)載電阻，RP為平衡電阻。根據(jù)理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論，可得（5－27）表明負(fù)載電流與輸入電壓成正比，且與負(fù)載無關(guān)。也就是說，輸入電壓按照一定比例轉(zhuǎn)換為輸出電流。圖5－19（b）為同相輸入式電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，它實(shí)質(zhì)上是電流串聯(lián)負(fù)反饋電路。根據(jù)理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論，可得（5－28）可見，該電路的結(jié)論與反相輸入式電壓－電流轉(zhuǎn)換電路的相同。

2.電流－電壓轉(zhuǎn)換電路

由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路即為電流－電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖5－20所示。

圖中以恒流i0作為輸入信號，根據(jù)理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論，可知故（5－29）表明輸出電壓與輸入電流成正比。也就是說，輸入電流按照一定比例轉(zhuǎn)換為輸出電壓。圖5－20電流－電壓轉(zhuǎn)換電路5.3.4交流放大電路

在圖5－11和圖5－12的基礎(chǔ)上接入耦合電容，可構(gòu)成集成運(yùn)放交流放大電路，如圖5－21所示。其中，圖（a）為反相輸入交流放大電路，圖（b）為同相輸入交流放大電路。圖5－21集成運(yùn)放交流放大電路

（a）反相輸入交流放大電路;（b）同相輸入交流放大電路不難證明，反相輸入交流放大電路的電壓增益為（5－30）同相輸入交流放大電路的電壓增益為（5－31）圖5－21中的集成運(yùn)放一般采用雙電源供電。但在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)電路中僅有單電源供電，此時(shí)我們可通過兩個(gè)等值電阻分壓，給運(yùn)放設(shè)置一個(gè)偏壓，以保證其正常工作。采用單電源供電的反相和同相輸入交流放大電路如圖5－22所示，電路的電壓增益分別同式（5－30）和式（5－31）。圖5－22單電源供電的集成運(yùn)放交流放大電路

（a）單電源供電的反相放大電路

（b）單電源供電的同相放大電路5.3.5精密整流電路

能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電的電路稱為整流電路。精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。我們知道，由于二極管導(dǎo)通時(shí)需要一個(gè)開啟電壓Uon，因此，即使輸入電壓uI的幅度足夠大，輸出電壓也只能是uI大于Uon

的那部分電壓。利用集成運(yùn)放的高差模增益，可有效地克服二極管開啟電壓Uon的影響，實(shí)現(xiàn)精密整流。圖5－23半波精密整流電路圖5－24輸入、輸出波形圖5－25半波精密整流電路的傳輸特性5.3.6有源濾波器

對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波器，其功能是使指定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而對其他頻率的信號加以抑制。按照濾波器的工作頻率，可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器等不同類型。按照電路的組成器件，又可分為無源濾波器和有源濾波器。

與無源濾波器相比，有源濾波器具有明顯的優(yōu)勢，一是可以通過正反饋，改善濾波器的特性;二是帶負(fù)載能力強(qiáng);三是可以設(shè)置一定的電壓增益，以彌補(bǔ)無源部分的損失。因此，有源濾波器在通信、測量、檢測和自動控制系統(tǒng)等電路中得到了廣泛的應(yīng)用。圖5－26理想濾波器的幅頻特性

（a）低通濾波器的幅頻特性;（b）高通濾波器的幅頻特性;

（c）帶通濾波器的幅頻特性;（d）帶阻濾波器的幅頻特性圖5－27一階低通有源濾波器的幅頻特性

1.一階低通有源濾波器

圖5－28給出了兩種電路形式的一階低通有源濾波器，其中圖（a）的輸入信號加到運(yùn)放的反相端，即反相輸入低通濾波器；圖（b）的輸入信號加到運(yùn)放的同相端，即同相輸入低通濾波器。不妨假設(shè)濾波器的輸入、輸出信號均為正弦穩(wěn)態(tài)信號，這樣，我們便可以用正弦穩(wěn)態(tài)的分析方法，求解濾波器的頻率特性。圖5－28一階低通有源濾波器

（a）反相輸入低通濾波器;（b）同相輸入低通濾波器

1）反相輸入低通濾波器

圖5－28（a）所示為反相輸入低通濾波器電路。電路的傳遞函數(shù)為（5－32）（5－33）相頻特性為（5－34）令f=0，由式（5－33），可得通帶電壓增益為（5－35）

2）同相輸入低通濾波器

圖5－28（b）所示為同相輸入低通濾波器電路。根據(jù)同相比例運(yùn)算電路的基本關(guān)系，可得輸出電壓為故電路的傳輸函數(shù)為（5－36）

2.一階高通有源濾波器

圖5－29給出了兩種電路形式的一階高通有源濾波器，其中圖（a）為反相輸入高通濾波器；圖（b）為同相輸入高通濾波器。仿照低通濾波器的分析方法可求解其頻率特性。

1）反相輸入高通濾波器

圖5－29（a）所示為反相輸入高通濾波器電路。電路的傳遞函數(shù)為（5－40）圖5－29一階高通有源濾波器（a）反相輸入高通濾波器（b）同相輸入高通濾波器反相輸入高通濾波器的幅頻特性、相頻特性和通帶電壓增益分別為（5－41）（5－42）（5－43）在MultiSIM軟件中，通過交流分析，得到一階反相輸入高通有源濾波器的幅頻特性曲線如圖5－30所示。在理想情況下，通帶范圍為fp→∞。實(shí)際上，由于受集成運(yùn)放上限頻率的限制，其通頻帶比理想值要窄得多。圖5－30一階高通有源濾波器的幅頻特性

2）同相輸入高通濾波器

圖5－29（b）所示為同相輸入高通濾波器電路。電路的傳遞函數(shù)為(5－44)同相輸入高通濾波器的幅頻特性、相頻特性和通帶電壓增益分別為(5－45)(5－46)(5－47)其幅頻特性曲線與圖5－30所示曲線類似。

3.二階有源濾波器

與理想濾波器相比，一階有源濾波器幅頻特性的過渡帶寬，濾波效果差。我們可以采用二階或高階有源濾波器，并在電路中引入適當(dāng)?shù)恼答?，使通頻帶以內(nèi)特性曲線更平緩，通頻帶以外特性曲線衰減更陡峭，即使濾波特性更接近理想特性。在圖5－31中給出了二階有源濾波器的一種電路形式，其中圖（a）為二階低通有源濾波器，圖（b）為二階高通有源濾波器。關(guān)于二階有源濾波器的幅頻特性、相頻特性等內(nèi)容的進(jìn)一步討論可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。圖5－31二階有源濾波器

（a）二階低通有源濾波器;（b）二階高通有源濾波器圖5－32不同階數(shù)巴特沃茲低通濾波器特性曲線比較 5.4電壓比較器

5.4.1集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)

由圖5－16可以看出集成運(yùn)放的傳輸特性，對于理想運(yùn)放來說，由于差模增益無窮大，只要同相端與反相端之間的差值電壓無窮小，輸出電壓將只有兩個(gè)值，即正的最大值或負(fù)的最大值，也就是說，輸出電壓與輸入差值電壓間不再是線性關(guān)系，此時(shí)集成運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)。若運(yùn)放輸出電壓的值為±UOM，則有(5－48)可見，當(dāng)運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，其電壓傳輸特性符合電壓比較器的要求。因此，在一定條件下，可選用集成運(yùn)放作比較器使用。從電路結(jié)構(gòu)來看，一般情況下運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，有時(shí)為提高比較精度，在電路中引入正反饋。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到實(shí)際運(yùn)放的差模增益為有限值，故應(yīng)選用高差模增益的運(yùn)放。5.4.2單限比較器

圖5－33（a）給出了一種電路結(jié)構(gòu)簡單的電壓比較器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)處于開環(huán)工作狀態(tài)的集成運(yùn)放，輸入信號uI加到反相輸入端，參考電壓UR加到同相輸入端。

根據(jù)式（5－48），有據(jù)此，畫出電路的電壓傳輸特性，如圖5－33（b）所示。圖5－33單限電壓比較器圖5－34過零電壓比較器

（a）電路圖；（b）傳輸特性顯然，該比較器的輸出電壓uO由一種狀態(tài)躍變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的輸入電壓uI=UR，稱為閾值電壓UT，即UT=UR。由于電路只有一個(gè)閾值電壓，故為單限比較器。如果閾值電壓等于零，則稱為過零比較器，電路和傳輸特性如圖5－34所示。當(dāng)然，輸入電壓可采用反相輸入方式，也可采用同相輸入方式，要注意二者的傳輸特性是不同的。

由于上述比較器的輸出電壓±UOM較高，與后續(xù)電路不兼容，故需要在比較器的輸出端接入限幅電路。利用兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)限幅的過零比較器如圖5－35所示。此時(shí)比較器的輸出電壓uO=±UOM=±(UZ+UD)，式中UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，UD為穩(wěn)壓管的正向壓降。

作為比較器的應(yīng)用，我們以圖5－35所示電路為例，假設(shè)輸入電壓為正弦波，根據(jù)比較器的傳輸特性，可知其輸出電壓為方波，也就是說，過零比較器可以將輸入的正弦波變換為方波。輸入、輸出波形如圖5－36所示。圖5－35帶限幅電路的過零比較器圖5－36過零比較器的輸入、輸出波形除上述電路外，單限比較器還有其他電路形式，比如如圖5－37所示。由于輸入電壓和參考電壓接成求和電路的形式，故這種比較器又稱為求和型單限比較器。

由圖5－37(a)可見，兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管接在了反相端與輸出端之間，在UOM>UZ+UD情況下，當(dāng)輸出端為高電平時(shí)，左邊的穩(wěn)壓管反向擊穿，右邊的穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ谑且肓艘粋€(gè)深度負(fù)反饋，使運(yùn)放的反相端為“虛地”，故輸出端的高電平為+(UZ+UD)；當(dāng)輸出端為低電平時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管反向擊穿，左邊的穩(wěn)壓管正向?qū)?，則輸出端的低電平為-(UZ+UD)。所以，如此連接的兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管仍然起到了限幅作用。圖5－37求和型單限比較器(a)電路;(b)傳輸特性還可以看出，運(yùn)放的同相端電位為零，所以，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，若使反相端的電位為零，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生躍變。據(jù)此，可求得電路的閾值電壓。

令于是，可得電路的閾值電壓為求和型單限比較器的傳輸特性如圖5－37（b）所示。5.4.3滯回比較器

圖5－38（a）為一個(gè)單限比較器，如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動，則其輸出電壓將在高低電平之間反復(fù)跳變，如圖5－38（b）所示。顯然，輸出波形是不符合要求的，這在控制系統(tǒng)中將導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作。所以，單限比較器雖具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在的主要問題是抗干擾能力差。為了解決這一問題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較器，其電路和傳輸特性如圖5－39所示。圖5－38有干擾時(shí)單限比較器的uI、uO波形

(a）單限比較器;（b）有干擾時(shí)圖（a）的uI、uO波形圖5－39滯回比較器

（a）電路；（b）傳輸特性比較圖5－39（a）與圖5－38（a），可以看出，前者的參考電壓UREF經(jīng)電阻R2接在運(yùn)放的同相輸入端，同時(shí)將輸出電壓uO通過電阻RF也接在同相輸入端，形成正反饋。這樣，運(yùn)放的同相端電位u＋將由UREF和uO共同決定，而uO有兩種可能的狀態(tài)，即UZ或－UZ?？梢?，使輸出電壓由UZ跳變?yōu)椋璘Z，以及由－UZ跳變?yōu)閁Z所需的輸入電壓值不同，即滯回比較器有兩個(gè)不同的門限電平，其傳輸特性呈滯回形狀。

我們知道，使比較器的輸出從一個(gè)狀態(tài)跳變到另一個(gè)狀態(tài)的臨界條件，是運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等，即u+=u-，此時(shí)對應(yīng)的uI值就是門限電平。為了確定電路的門限電平，利用疊加原理可得到同相輸入端電位為（5－49）若原來，當(dāng)uI由小逐漸增大到上門限電平UT＋時(shí)，uO將從UZ跳變?yōu)椋璘Z，根據(jù)式（5-49），可得（5－50）只要，uO將保持－UZ不變，其傳輸特性如圖5－40（a）所示。（5－50）（5－51）將圖5－40（a）和圖5－40（b）的傳輸特性綜合在一起，即構(gòu)成滯回比較器的傳輸特性，如圖5－39（b）所示。

上門限電平與下門限電平之差稱為回差或門限寬度，由式（5－50）和式（5－51），可得（5－52）由此可知，回差的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ和電阻R2、RF的值，與參考電壓UREF無關(guān)。改變UREF值的大小可以同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)門限電平的大小，表現(xiàn)為滯回比較器的傳輸特性曲線將左或右平移，但曲線的寬度將保持不變。圖5－40滯回比較器的傳輸特性圖5－41有干擾時(shí)滯回比較器的uI、uO波形5.5集成運(yùn)算放大器的選擇和使用

5.5.1集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

1.開環(huán)電壓增益Aod

5.最大差模輸入電壓Uidm

集成運(yùn)放反相端與同相端之間能夠承受的最大電壓稱為最大差模輸入電壓。

除了以上介紹的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，還有很多項(xiàng)指標(biāo)，讀者可參考有關(guān)資料。5.5.2集成運(yùn)算放大器的選擇和使用

1.集成運(yùn)放的分類

集成運(yùn)放主要分為通用型和專用型兩大類。