《電工電子技術(shù)》課件-第10章

第10章集成運(yùn)算放大器10.1集成運(yùn)算放大器簡介10.2集成運(yùn)算放大器在工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)10.3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用10.4集成運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用本章小結(jié)習(xí)題與思考題在電子設(shè)備以及自動控制系統(tǒng)中,經(jīng)常遇到一些頻率變化緩慢(幾十赫茲)的低頻信號或直流信號，采用一般的阻容耦合或變壓器耦合的放大器是不能放大這些信號的。因?yàn)樵谧枞蓠詈想娐分须娙輰Φ皖l信號呈現(xiàn)的電抗極大，信號被電容阻斷，無法正常傳輸?shù)较乱患?。而在變壓器耦合的放大電路中，信號有可能被變壓器原邊線圈的低阻所短路，也無法耦合到副邊傳輸?shù)较乱患?。因此，對于直流信號或頻率較低的信號宜采用直接耦合放大。集成運(yùn)算放大器是利用集成電路工藝制作的一種高增益的直接耦合多級放大器，是一種典型的模擬集成電路，應(yīng)用十分廣泛。本章主要介紹運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識及主要參數(shù)，運(yùn)算放大器的分析方法，運(yùn)算放大器在信號處理電路中的應(yīng)用。10.1集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器(IntegratedOperationalAmplifier)簡稱集成運(yùn)放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它的增益高(可達(dá)60~180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，共模抑制比高(60~170dB)，失調(diào)與漂移小，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點(diǎn)，適用于正、負(fù)兩種極性信號的輸入和輸出。集成電路是以電壓或電流為變量對模擬量進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、信號處理以及信號運(yùn)算的集成電路，它可以分為線性集成電路和非線性集成電路。線性集成電路是指輸入信號和輸出信號的變化呈線性關(guān)系的電路，如集成運(yùn)算放大器。非線性集成電路是指輸入和輸出信號的變化呈非線性關(guān)系的集成電路，如集成穩(wěn)壓器。線性集成電路有如下特點(diǎn)：

(1)集成電路中一般都采用直接耦合等電路結(jié)構(gòu)形式。

(2)集成電路的輸入級采用差動放大器放大電路，其目的是克服直接耦合電路的零點(diǎn)漂移。

(3)集成電路內(nèi)部采用NPN、PNP管配合使用，從而改進(jìn)了單管的性能。

(4)大量采用恒流源來設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)或作有源負(fù)載，用以提高電路性能。10.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

1.集成運(yùn)算放大器的電路符號

圖10-1所示是集成運(yùn)算放大器的兩種符號。運(yùn)算放大器的符號中有三個引線端：兩個輸入端，一個輸出端。其中，一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號“+”表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號“-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標(biāo)有“+”號。實(shí)際的運(yùn)算放大器必須有正、負(fù)電源端，個別類型的集成運(yùn)算放大器還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。集成運(yùn)算放大器滿足下列關(guān)系式：

uo=Aod(u+-u-)式中，Aod為集成運(yùn)算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖10-1集成運(yùn)算放大器符號

2.集成運(yùn)算放大器的基本組成集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成方框圖如圖10-2所示。集成運(yùn)放電路由四部分組成：輸入級、中間放大級、輸出級、偏置電路。

(1)輸入級。輸入級是集成運(yùn)算放大器性能保證的關(guān)鍵。為了減少零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號，要求輸入級溫漂小，共模抑制比高，有極高的輸入阻抗，一般輸入級采用有恒流源的差動放大電路。

(2)中間放大級。運(yùn)算放大器的主要增益是由中間級提供的，因此要求中間級有較高的電壓放大倍數(shù)。一般情況下，放大倍數(shù)可達(dá)幾萬甚至幾十萬以上，通常由多級放大電路組成。圖10-2集成運(yùn)算放大器的組成方框圖

(3)輸出級。輸出級的作用是提供一定的電流和電壓輸出，用以驅(qū)動負(fù)載工作。對輸出級的要求是輸入阻抗高、輸出阻抗低。輸出阻抗低是為了提高帶負(fù)載能力；輸入阻抗高是為了實(shí)現(xiàn)中間級與輸出級的隔離。所以，輸出級常采用互補(bǔ)對稱或準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功率放大電路。

(4)偏置電路。偏置電路的作用是為整個電路提供偏置電流、設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。偏置電路大多由各種恒流源電路組成。它們一般作為放大器的有源負(fù)載和差動放大器的發(fā)射極電阻。集成運(yùn)算放大器除了以上四大關(guān)鍵部分外，還有一些輔助電路，如過壓、過流以及過熱保護(hù)電路等。10.1.2集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

評價(jià)集成運(yùn)放好壞的參數(shù)很多，它們是描述一個實(shí)際運(yùn)放與理想放大器件接近程度的數(shù)據(jù)，這里僅介紹其中主要的幾種。為了合理選用和正確運(yùn)用運(yùn)算放大器，必須了解各主要參數(shù)的意義。常用的參數(shù)有以下幾種：

(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod：運(yùn)放在開環(huán)(無外加反饋)條件下，輸出電壓與輸入差模信號電壓之比，常用分貝(dB)表示。這個值越大越好，目前最高的可達(dá)140dB以上。

(2)最大輸出電壓Uopp：能使輸出電壓保持不失真的最大輸出電壓，稱為運(yùn)算放大器的最大輸出電壓。

(3)輸入失調(diào)電壓UIO：輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。UIO是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)，越小越好，典型值為2mV，高質(zhì)量的集成運(yùn)放可達(dá)1mV以下。

(4)輸入失調(diào)電流IIO：當(dāng)集成運(yùn)放輸出電壓為零時，流入兩輸入端的電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度，一般為0.5～5μA。

(5)輸入偏置電流IIB：集成運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差動放大兩個對管輸入電流的大小。通常，IIB為0.1～10μA。

(6)最大差模輸入電壓UIDM：運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時，差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。(7)最大共模輸入電壓UICM：在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的最大允許范圍。共模電壓超過此值時，將使輸入級工作不正常，共模抑制比顯著下降。

(8)差模輸入電阻rid：輸入差模信號時運(yùn)放的輸入電阻，它是衡量差分對管從差模輸入信號索取電流大小的標(biāo)志。rid越大越好，性能好的運(yùn)放，rid在1MΩ以上。

(9)輸出電阻ro：集成運(yùn)放開環(huán)工作時，從輸出端向里看進(jìn)去的等效電阻，其值越小，說明集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。

(10)共模抑制比KCMRR：與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益與共模電壓增益之比，常用分貝數(shù)來表示，KCMR＝20lg(Aud/Auc)(dB)。該值越大，說明輸入差分級各參數(shù)對稱程度越好。除了以上介紹的指標(biāo)外，還有帶寬、轉(zhuǎn)換速率、電源電壓抑制比等。此外，近年來，集成運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)不斷改進(jìn)，除通用型外，還開發(fā)了各種專用型集成運(yùn)放，如高速型(過渡時間短、轉(zhuǎn)換率高)、高阻型(具有高輸入電阻)、高壓型(有較高的輸出電壓)、大功率型(輸出功率高達(dá)十幾瓦)、低功耗型(靜態(tài)功耗低，如1～2V、10～100μA)、低漂移型(溫漂較小)等。實(shí)用中，考慮到便宜與采購方便，一般應(yīng)選擇通用型集成運(yùn)放，有特殊需要時，則應(yīng)選擇專用型。10.2集成運(yùn)算放大器在工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)

10.2.1理想運(yùn)算放大器的工作條件

在分析集成運(yùn)放構(gòu)成的應(yīng)用電路時，將集成運(yùn)放看成理想運(yùn)算放大器，可以使分析問題大大簡化。理想運(yùn)算放大器應(yīng)當(dāng)滿足以下各項(xiàng)條件：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=∞差模輸入電阻rid=∞輸出電阻ro=0輸入偏置電流IB1=IB2=0共模抑制比KCMRR=∞失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的溫漂均為0上限頻率fH=∞盡管理想運(yùn)放并不存在，但由于實(shí)際集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較理想，在工程應(yīng)用中具體分析時將其理想化一般是允許的。這種分析計(jì)算所帶來的誤差一般不大，只是在需要對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析時才予以考慮。10.2.2運(yùn)算放大器的傳輸特性實(shí)際電路中集成運(yùn)放的傳輸特性如圖10-3所示。圖10-3集成運(yùn)放的傳輸特性10.2.3集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)、非線性區(qū)的特點(diǎn)在分析運(yùn)放應(yīng)用電路時，還需了解運(yùn)放是工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，只有這樣才能按照不同區(qū)域所具有的特點(diǎn)與規(guī)律進(jìn)行分析。

1.線性區(qū)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，其輸出信號和輸入信號之間有以下關(guān)系：

Uo=Aod(U+-U-)

(10-1)由于一般集成運(yùn)放的開環(huán)差模增益都很大，因此，都要接有深度負(fù)反饋，使其凈輸入電壓減小，這樣才能使其工作在線性區(qū)。理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時，可有以下兩條重要特點(diǎn)：

(1)由于Aod=∞，而輸出電壓Uo總為有限值，則由式(10-1)有(10-2)

(2)由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模輸入電阻rid=∞，輸入偏置電流IB=0，當(dāng)然不會向外部電路索取任何電流，因此其兩個輸入端的電流都為零，即

I

-=I+=0(10-3)

這就是說，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，其兩個輸入端均無電流，這一特點(diǎn)稱為“虛斷”。一般實(shí)際的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，其技術(shù)指標(biāo)與理想條件非常接近，因而上述兩個特點(diǎn)是成立的。

2.非線性區(qū)由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益Aod很大，當(dāng)它工作于開環(huán)狀態(tài)(即未接深度負(fù)反饋)或加有正反饋時，只要有差模信號輸入，哪怕是微小的電壓信號，集成運(yùn)放都將進(jìn)入非線性區(qū)，其輸出電壓立即達(dá)到正向飽和值Uom或負(fù)向飽和值-Uom。此時，(10-1)式不再成立。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時，有以下兩個特點(diǎn)：

(1)只要輸入電壓U-與U+不相等，輸出電壓就飽和，因此有

Uo=Uom

U+>U-

Uo=-Uom

U+<U-

(10-4)

(2)虛斷仍然成立，即

I-=I+=0

(10-5)綜上所述，在分析具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時，可將集成運(yùn)放按理想運(yùn)放對待，判斷它是否工作在線性區(qū)。一般來說，集成運(yùn)放引入了深度負(fù)反饋時，將工作在線性區(qū)；集成運(yùn)放引入了正反饋和負(fù)反饋時，將工作在非線性區(qū)。在此基礎(chǔ)上，可運(yùn)用上述線性區(qū)或非線性區(qū)的特點(diǎn)分析電路的工作原理，使分析工作大為簡化。10.3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用

運(yùn)算放大器能完成模擬量的多種數(shù)學(xué)運(yùn)算，如基本運(yùn)算,加、減運(yùn)算,微分與積分運(yùn)算等。10.3.1基本運(yùn)算電路

基本運(yùn)算放大器包括反相輸入放大器和同相輸入放大器，它們是構(gòu)成各種復(fù)雜運(yùn)算電路的基礎(chǔ)，是最基本的運(yùn)算放大電路。

1.反相輸入比例運(yùn)算放大器

反相輸入放大器又稱為反相比例運(yùn)算電路，其基本形式如圖10-4所示,輸入信號Ui經(jīng)R1加至集成運(yùn)放的反相輸入端。Rf為反饋電阻，將輸出電壓Uo反饋至反相輸入端，形成深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖10-4反相輸入放大器

1)電壓放大倍數(shù)(比例系數(shù))在圖10-4中,考慮到Ii=0，故Ii=If，即(10-6)上式表明，集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓相位相反，大小成比例關(guān)系。比例系數(shù)(即電壓放大倍數(shù))等于外接電阻Rf與R1之比值，顯然與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，只要選用不同的Rf、R1電阻值，便可方便地改變比例系數(shù)。而且，只要選用優(yōu)質(zhì)的精密電阻，使這兩個電阻值精確、穩(wěn)定，即使放大器本身的參數(shù)發(fā)生一些變化，Auf的值還是非常精確、穩(wěn)定的。輸出電壓與輸入電壓相位相反，體現(xiàn)在(10-6)式中的負(fù)號上。特別當(dāng)Rf=R1時，Auf=1，即輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相反，稱此時的電路為反相器。集成運(yùn)放的輸入級均為差動放大器，而差動放大器兩邊電路參數(shù)應(yīng)當(dāng)對稱。靜態(tài)時，集成運(yùn)放的輸入信號電壓與輸出電壓均為零，此時電阻R1與Rf相當(dāng)于并聯(lián)地接在運(yùn)放反相輸入端與地之間，這個并聯(lián)電阻相當(dāng)于差動輸入級一個三極管的基極電阻。為了使差動輸入級的兩側(cè)對稱，在運(yùn)放同相端與地之間也接入了一個電阻R2，并使R2=R1∥Rf，這樣便可使電路達(dá)到靜態(tài)平衡，所以R2被稱為平衡電阻。

2)輸入、輸出電阻由于反相輸入端為虛地(U-=0)，所以反相輸入放大器的輸入電阻為無窮大，即rif≈∞。設(shè)rof為集成運(yùn)放開環(huán)時的輸出電阻(其值不會很大)，則圖10-4中電壓負(fù)反饋使閉環(huán)輸出電阻降低為其中，反饋系數(shù)F=R1/(R1+Rf)，Aod→∞，所以可有

rof≈0

2.同相輸入比例運(yùn)算放大器同相輸入放大器又稱為同相比例運(yùn)算電路，其基本形式如圖10-5所示，輸入信號Ui經(jīng)R2加至集成運(yùn)放的同相端。Rf為反饋電阻，輸出電壓經(jīng)Rf及R1組成的分壓電路，取R1上的分壓作為反饋信號加到運(yùn)放的反相輸入端，形成了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋。R2為平衡電阻，其值應(yīng)為R2=R1∥Rf。

1)電壓放大倍數(shù)(比例系數(shù))由圖10-5可以列出圖10-5同相輸入放大器由虛斷有

I-=I+=0故

I1=If

即再由虛斷及I+=0，有

U-=U+=Ui

所以 即經(jīng)整理得電壓放大倍數(shù)為(10-7)上式表明，集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓相位相同，大小成比例關(guān)系。比例系數(shù)(即電壓放大倍數(shù))等于1+Rf/R1，此值與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。輸出電壓與輸入電壓相位相同，體現(xiàn)在式(10-7)中的1+Rf/R1為正值上。作為同相輸入放大器的特例，我們令Rf=0(即將反饋電阻短路)或(和)R1=∞(即將反相輸入端電阻開路)，則由式(10-7)可得Auf=1。這表明，Uo=Ui，輸出電壓與輸入電壓相等，如圖10-6所示。我們稱這種電路為電壓跟隨器。這種電壓跟隨器比前面討論的射極輸出器(射隨器)的性能強(qiáng)得多，它的輸入電阻很高，輸出電阻很低，“跟隨”性能很穩(wěn)定。圖10-6電壓跟隨器

2)輸入、輸出電阻同相輸入放大器是一個電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，理想情況下，輸入電阻為無窮大，即rif≈∞，而輸出電阻為零，即rof≈0。即使考慮到實(shí)際參數(shù)，輸入電阻仍然很大，輸出電阻仍然很低。應(yīng)當(dāng)指出，在同相輸入放大器中，“虛短”仍然成立，但因反相端不為地電位，因此不再有虛地存在。由于兩輸入端都不為地，使得集成運(yùn)放的共模輸入電壓值較高。以上兩種基本運(yùn)算放大器，無論是反相輸入方式還是同相輸入方式，輸出信號總是通過反饋網(wǎng)絡(luò)加到集成運(yùn)放的反相輸入端，以實(shí)現(xiàn)深度負(fù)反饋。正是加了深度負(fù)反饋，才使得電壓放大倍數(shù)僅取決于反饋電路和輸入電路的元件值，而與運(yùn)放本身的參數(shù)幾乎無關(guān)；也正是由于電壓負(fù)反饋，才使得電路的輸出電阻很低，而輸入電阻依反饋類型不同或很高(同相放大器)或很低(反相放大器)。10.3.2加法、減法運(yùn)算

1．加法運(yùn)算加法運(yùn)算是指電路的輸出電壓等于各個輸入電壓的代數(shù)和。在圖10-4所示的反相輸入放大器中，再增加幾個支路便可組成反相加法運(yùn)算電路，如圖10-7所示。圖中，有多個輸入信號加在了反相輸入端。同相端的平衡電阻值為

R4=R1∥R2∥…∥Rn∥Rf

反相加法運(yùn)算電路也稱反相加法器。由虛地，有

U-=U+=0圖10-7反相加法運(yùn)算電路當(dāng)輸入信號為三個時，各支路中的電流分別為由虛斷，I-=0，則

I1+I2+I3=If

(10-8)可見，上式可以模擬這樣的函數(shù)關(guān)系：

y=a1x1+a2x2+a3x3

當(dāng)R1=R2=R3=R時，特別，當(dāng)R=Rf時，式(10-8)變?yōu)?/p>

Uo=-(Ui1+Ui2+Ui3)

(10-9)當(dāng)僅有Ui1輸入時，對應(yīng)的輸出電壓Uo1為同樣，當(dāng)僅有Ui2、Ui3輸入時，對應(yīng)的輸出電壓Uo2Uo3分別為：這樣，當(dāng)Ui1、Ui2、Ui3均輸入時，其輸出電壓Uo為(10-10)

2．減法運(yùn)算

減法運(yùn)算是指電路的輸出電壓與兩個輸入電壓之差成比例，減法運(yùn)算又稱為差動比例運(yùn)算或差動輸入放大。圖10-8即為減法運(yùn)算電路。由圖可見，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別接有輸入信號ui1和ui2。從電路結(jié)構(gòu)來看，它是由同相輸入放大器和反相輸入放大器組合而成的。下面用疊加原理進(jìn)行分析。當(dāng)ui2=0、僅ui1單獨(dú)作用時，該電路為同相輸入放大器，其輸出電壓為圖10-8減法運(yùn)算電路當(dāng)ui1=0、僅ui2單獨(dú)作用時，該電路為反相輸入放大器，輸出電壓為這樣，當(dāng)Ui1、Ui2同時作用時，其輸出電壓為uo1與uo2的疊加，即特別，當(dāng)R1=R2，R3=Rf時，(10-11)而當(dāng)R1=Rf時，

uo=ui2-ui1(10-12)可見，輸出電壓與兩個輸入電壓之差成比例((10-11)式)，特殊情況下，比例系數(shù)為1((10-12)式)，從而實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。10.3.3積分、微分運(yùn)算

1．積分運(yùn)算積分運(yùn)算電路是模擬計(jì)算機(jī)中的基本單元，利用它可以實(shí)現(xiàn)對微分方程的模擬，能對信號進(jìn)行積分運(yùn)算。此外，積分運(yùn)算電路在控制和測量系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。在反相輸入比例運(yùn)算放大器中，將反饋電阻Rf換成電容C，就成了積分運(yùn)算電路，如圖10-9所示。積分運(yùn)算電路也稱為積分器。圖10-9(a)中，由于

U-=0，i1=if=故(10-13)上式說明，輸出電壓為輸入電壓對時間的積分，實(shí)現(xiàn)了積分運(yùn)算。式中負(fù)號表示輸出與輸入相位相反。R1C為積分時間常數(shù)，其值越小，積分作用越強(qiáng)，反之，積分作用越弱。當(dāng)輸入電壓為常數(shù)(ui=u1)時，(10-13)式變?yōu)橛缮鲜娇梢钥闯?，?dāng)輸入電壓固定時，由集成運(yùn)放構(gòu)成的積分電路，在電容充電過程(即積分過程)中，輸出電壓(即電容兩端電壓)隨時間作線性增長，增長速度均勻。而簡單的RC積分電路所能實(shí)現(xiàn)的則是電容兩端電壓隨時間按指數(shù)規(guī)律增長，只在很小范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系。從這一點(diǎn)來看，集成運(yùn)放構(gòu)成的積分器實(shí)現(xiàn)了接近理想的積分運(yùn)算。積分電路的波形變換作用如圖10-9(b)所示，可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動控制系統(tǒng)中用以延緩過渡過程的沖擊，使被控制的電動機(jī)外加電壓緩慢上升，避免其機(jī)械轉(zhuǎn)矩猛增，造成傳動機(jī)械的損壞。積分電路還常用來做顯示器的掃描電路，以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算等。圖10-9積分運(yùn)算電路

2．微分運(yùn)算

微分與積分互為逆運(yùn)算,將圖10-9中的C與R1位置互換，便構(gòu)成微分電路，如圖10-10(a)所示。微分電路也稱微分器。在圖10-10(a)中，由U-=0，I-=0，有i1=if；又圖10-10微分電路可見，輸出電壓與輸入電壓對時間的微分成比例，實(shí)現(xiàn)了微分運(yùn)算。式中負(fù)號表示輸出與輸入相位相反。RfC為微分時間常數(shù)，其值越大，微分作用越強(qiáng)；反之，微分作用越弱。微分電路是一個高通網(wǎng)絡(luò)，對高頻干擾及高頻噪聲反應(yīng)靈敏，會使輸出的信噪比下降。此外，電路中R、C具有滯后移相作用，與運(yùn)放本身的滯后移相相疊加，容易產(chǎn)生高頻自激，使電路不穩(wěn)定。因此，實(shí)用中常用圖10-10(b)所示的改進(jìn)電路。在此圖中，R1的作用是限制輸入電壓突變，C1的作用是增強(qiáng)高頻負(fù)反饋，從而抑制高頻噪聲，提高工作的穩(wěn)定性。10.4集成運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用

在通信系統(tǒng)以及自動控制電路中，經(jīng)常需要對信號進(jìn)行處理，如信號的濾波、信號的采樣和保持、信號幅度的比較等。在信號處理方面大多數(shù)運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)。下面分別介紹幾種集成運(yùn)算放大器信號處理方面的應(yīng)用。10.4.1有源濾波器對信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路。濾波電路可使指定頻段的信號能順利通過，而對于其他頻段的信號則進(jìn)行很大的衰減甚至抑制。僅由無源元件電阻、電容或電感組成的濾波器稱為無源濾波器。由RC電路和運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為有源濾波器。有源濾波器具有體積小、效率高、頻率特性好、具有放大作用等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。通常以濾波器的工作頻率范圍來命名，例如，低通濾波器為能通過低頻信號而抑制高頻信號的濾波器；與之相反的則稱為高通濾波器；帶通濾波器是只能通過特定頻帶范圍內(nèi)信號的濾波器；帶阻濾波器是只在特定頻率范圍內(nèi)信號不能通過的濾波器。

1.有源低通濾波電路

圖10-11(a)為一階有源低通濾波電路。

R和C為無源低通濾波器，運(yùn)算放大器接成同相比例放大組態(tài)，對輸入信號中各頻率分量均有如下的關(guān)系：圖10-11有源低通濾波電路由上式可看出，輸入信號頻率越高，相應(yīng)的輸出信號越小，而低頻信號則可得到有效的放大，故稱為低通濾波器。令,則當(dāng)ω＝ω0時，|Ａu|=0.707(1+Rf/R1)，其中1+Rf/R1是此電路的最大增益Ａum。

2.有源高通濾波電路

將圖10-11(a)中R和C的位置調(diào)換，就成為有源高通濾波電路，如圖10-12所示。在圖中，濾波電容接在集成運(yùn)放輸入端，它將阻隔、衰減低頻信號，而讓高頻信號順利通過。同低通濾波電路的分析類似，我們可以得出有源高通濾波電路的下限截止頻率為，對于低于截止頻率的低頻信號，|Ａu|<0.707|Ａum|。圖10-12有源高通濾波電路10.4.2電壓比較器

電壓比較器的功能是將輸入信號電壓ui與參考電壓UR進(jìn)行比較，當(dāng)輸入電壓大于或小于參考電壓時，比較器的輸出將是兩種截然不同的狀態(tài)(高電平或低電平)。電壓比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，可將任意波形轉(zhuǎn)換為矩形波，在測量電路和控制電路中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

1.單門限電壓比較器

單門限電壓比較器的基本電路如圖10-13(a)所示，其傳輸特性如圖10-13(b)所示。若希望當(dāng)ui>uREF時，uo=＋Uom，只需將ui與uREF的輸入端調(diào)換即可，如圖10-13(c)所示，其傳輸特性如圖10-13(d)所示。若uREF=0，如圖10-13(e)所示，其傳輸特性如圖10-13(f)所示。圖10-13(e)為過零電壓比較器，傳輸特性如圖10-13(f)所示，其波形轉(zhuǎn)換作用如圖10-14所示。圖10-13單門限電壓比較電路圖10-14過零電壓比較器的波形轉(zhuǎn)換作用

2.滯回電壓比較器

前面介紹的比較器其狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的門限電壓是在某一個固定值上，在實(shí)際應(yīng)用時，如果實(shí)際測得的信號存在外界干擾，即在正弦波上疊加了高頻干擾，過零電壓比較器就容易出現(xiàn)多次誤翻轉(zhuǎn)，如圖10-15所示。解決辦法是采用滯回電壓比較器。滯回電壓比較器的組成如圖10-16(a)所示。圖10-15外界干擾的影響圖10-16滯回電壓比較器

1)電路特點(diǎn)當(dāng)輸出為正向飽和電壓＋Uom時，將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為上門限電平，用UTH1表示，則有(10-14)當(dāng)輸出為負(fù)向飽和電壓-Ｕom時，將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為下門限電平，用UTH2表示，則有(10-15)通過式(10-14)和式(10-15)可以看出，上門限電平UTH1的值比下門限電平UTH2的值大。

2)傳輸特性和回差電壓ΔUTH

滯回比較器的傳輸特性如圖10-16(b)所示。我們把上門限電壓UTH1與下門限電壓UTH2之差稱為回差電壓，即回差電壓的存在，大大提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號的峰值小于半個回差電壓，比較器就不會因?yàn)楦蓴_而誤動作。