集成運(yùn)算放大器及信號處理電路教學(xué)PPT

1、第四章第四章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 及信號處理電路及信號處理電路 2對輸入電阻的影響對輸入電阻的影響 r串聯(lián)負(fù)反饋可以提高輸入電阻；串聯(lián)負(fù)反饋可以提高輸入電阻； r并聯(lián)負(fù)反饋可以降低輸入電阻。并聯(lián)負(fù)反饋可以降低輸入電阻。 3對輸出電阻的影響對輸出電阻的影響 r電壓負(fù)反饋可使輸出電阻降低；電壓負(fù)反饋可使輸出電阻降低； r電流負(fù)反饋可使輸出電阻提高。電流負(fù)反饋可使輸出電阻提高。 r電阻減小和提高的倍數(shù)都是（電阻減小和提高的倍數(shù)都是（1+af）。）。 1穩(wěn)定放大倍數(shù)穩(wěn)定放大倍數(shù) 負(fù)反饋對放大電路的主要影響負(fù)反饋對放大電路的主要影響 v在分析集成運(yùn)放的各種應(yīng)用電路時，常常將其中在分析集成運(yùn)放的

2、各種應(yīng)用電路時，常常將其中 的集成運(yùn)放看成是一個理想運(yùn)算放大器。所謂理的集成運(yùn)放看成是一個理想運(yùn)算放大器。所謂理 想運(yùn)放就是將集成運(yùn)算放大器的各項技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)放就是將集成運(yùn)算放大器的各項技術(shù)指標(biāo)理 想化，即具有如下想化，即具有如下參數(shù)參數(shù)： 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益aod； 差模輸入電阻差模輸入電阻rid； 輸出電阻輸出電阻ro0； 共模抑制比共模抑制比kcmr； -3db帶寬帶寬fh； 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓uio、失調(diào)電流、失調(diào)電流iio、輸入偏置電流、輸入偏置電流iib以以 及他們的溫漂均為零等等。及他們的溫漂均為零等等。 當(dāng)工作在線性區(qū)時，集成運(yùn)放的輸出電壓與兩當(dāng)工作在線性

3、區(qū)時，集成運(yùn)放的輸出電壓與兩 個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即 （4.1.14.1.1） 式中：式中： uo是集成運(yùn)放的輸出端電壓；是集成運(yùn)放的輸出端電壓； u+和和u-分別是其同相輸入端和反相輸入端的電壓；分別是其同相輸入端和反相輸入端的電壓； aod是其開環(huán)差模電壓增益。是其開環(huán)差模電壓增益。 () ood uauu 1）理想集成運(yùn)放的差模輸入電壓等于零）理想集成運(yùn)放的差模輸入電壓等于零 由于集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，故輸出、輸入之間由于集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，故輸出、輸入之間 符合式符合式(4.1.1)所示的關(guān)系式。而且，因理想運(yùn)放的所示的關(guān)系式

4、。而且，因理想運(yùn)放的 aod，所以由式所以由式(4.1.1)可得可得 即即 (4.1.2) 上式表示運(yùn)放同相輸入端與反相輸入端兩點(diǎn)的電壓相等，上式表示運(yùn)放同相輸入端與反相輸入端兩點(diǎn)的電壓相等， 如同將該兩點(diǎn)短路一樣。但是該兩點(diǎn)實際上并未真正被短路，如同將該兩點(diǎn)短路一樣。但是該兩點(diǎn)實際上并未真正被短路， 只是表面上似乎短路了，因而是虛假的短路，所以將這種現(xiàn)只是表面上似乎短路了，因而是虛假的短路，所以將這種現(xiàn) 象稱為象稱為“虛短虛短”。 - - a ao od d + + u u+ +i i+ + i i- - u u- - u uo o 0 od o a u uu 0 o od u uu a 2

5、 2）理想集成運(yùn)放的輸入電流等于零）理想集成運(yùn)放的輸入電流等于零 由于理想集成運(yùn)放的差模輸入電阻由于理想集成運(yùn)放的差模輸入電阻r rid id ，因此因此 在其兩個輸入端均沒有電流，在其兩個輸入端均沒有電流， 即即 (4.1.3)(4.1.3) 此時，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如此時，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如 同該兩點(diǎn)被斷開了一樣，這種現(xiàn)象稱為同該兩點(diǎn)被斷開了一樣，這種現(xiàn)象稱為“虛斷虛斷”。 “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是理想運(yùn)放工作在線性區(qū)是理想運(yùn)放工作在線性區(qū) 時的兩個重要結(jié)論。這兩個重要結(jié)論常常作為今后時的兩個重要結(jié)論。這兩個重要結(jié)論常常作為今后

6、分析許多運(yùn)放應(yīng)用電路的出發(fā)點(diǎn)，因此必須牢牢記分析許多運(yùn)放應(yīng)用電路的出發(fā)點(diǎn)，因此必須牢牢記 住并掌握。住并掌握。 0ii 如果運(yùn)放的工作信號超出了線性放大的范圍，如果運(yùn)放的工作信號超出了線性放大的范圍， 則輸出電壓不會再隨著輸入電壓的增長線性增長，則輸出電壓不會再隨著輸入電壓的增長線性增長， 而將進(jìn)入飽和狀態(tài)，集成運(yùn)放的傳輸特性如圖而將進(jìn)入飽和狀態(tài)，集成運(yùn)放的傳輸特性如圖4.1.3 所示。所示。 理想特性 實際特性 uo o o opp + +u opp- -u u+ +-u u- 非線性區(qū)非線性區(qū) 線性區(qū) 運(yùn)放輸出分別等于運(yùn)放的正向最大輸出運(yùn)放輸出分別等于運(yùn)放的正向最大輸出 電壓電壓uopp，

7、或等于其負(fù)向最大輸出電或等于其負(fù)向最大輸出電 壓壓uopp，如圖如圖4.1.3中的粗線所示。中的粗線所示。 當(dāng)當(dāng)u+u 時 時, uo+uopp 當(dāng)當(dāng)u+ uz。 當(dāng)當(dāng)ui0，則右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)В瑒t右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，而左邊穩(wěn)壓管正向?qū)?通，通，uo- uz。 比較電路的傳輸特性如圖比較電路的傳輸特性如圖(c)所示。所示。 v也可以在集成運(yùn)放的輸出端接一個電阻和兩個也可以在集成運(yùn)放的輸出端接一個電阻和兩個 穩(wěn)壓管來實現(xiàn)限幅，如圖穩(wěn)壓管來實現(xiàn)限幅，如圖4.4.2(b)所示所示 。 v不難看出，此時過零比較電路的傳輸特性仍如不難看出，此時過零比較電路的傳輸特性仍如 圖圖4

8、.4.2(c)所示。所示。 v這兩個電路的不同之處在于，圖這兩個電路的不同之處在于，圖4.4.2(a)電路中電路中 的集成運(yùn)放，由于當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿時引入一的集成運(yùn)放，由于當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿時引入一 個深度負(fù)反饋，所以此時工作在線性區(qū)；而圖個深度負(fù)反饋，所以此時工作在線性區(qū)；而圖 4.4.2(b)電路中的集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，所以電路中的集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，所以 工作在非線性區(qū)。工作在非線性區(qū)。 v所謂單限比較電路是指只有一個門限電平的比所謂單限比較電路是指只有一個門限電平的比 較電路，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，輸出較電路，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，輸出 端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。端的狀態(tài)立即

9、發(fā)生跳變。 v實現(xiàn)單限比較的電路可有多種，其中一種如圖實現(xiàn)單限比較的電路可有多種，其中一種如圖 4.4.3(a)所示，可以看出，此電路是在圖所示，可以看出，此電路是在圖4.4.2(a) 所示過零比較電路的基礎(chǔ)上，將參考電壓所示過零比較電路的基礎(chǔ)上，將參考電壓uref 通過電阻通過電阻r2，也接在集成運(yùn)放的反相輸入端而也接在集成運(yùn)放的反相輸入端而 得到的，目的是引入一個用于比較的門限電平。得到的，目的是引入一個用于比較的門限電平。 由圖由圖4.4.3(a)可見，集成運(yùn)放的同相輸入端通過可見，集成運(yùn)放的同相輸入端通過 電阻接地，因此，當(dāng)輸入電壓電阻接地，因此，當(dāng)輸入電壓ui變化時，若反相輸變化時，

10、若反相輸 入端的電位入端的電位u-0，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。根則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。根 據(jù)據(jù)“虛斷虛斷”的特點(diǎn)，并利用疊加原理，求得此時反的特點(diǎn)，并利用疊加原理，求得此時反 相輸入端的電位為相輸入端的電位為 （4.4.1） 21 1212 0 iref rr uuu rrrr u uo o u ui i -u-uz z +u+uz z o o - - a a + + u ui i u uo o r r1 1 vdvdz z r r1 1 - -u urefref r r2 2 r r2 2 u urefref r r , , 由上式可解得門限電平為由上式可解得門限電平為 此單限比較電路

11、的傳輸特性見圖此單限比較電路的傳輸特性見圖4.4.3(b)。對比對比 4.4.3(b)和和4.4.2(b)中的傳輸特性可知，前面介紹的過中的傳輸特性可知，前面介紹的過 零比較電路，實際上也是一個門限電平等于零的單零比較電路，實際上也是一個門限電平等于零的單 限比較電路，也屬于單限比較電路的范圍。限比較電路，也屬于單限比較電路的范圍。 1 2 tiref r uuu r u uo o u ui i -u-uz z +u+uz z o o - - a a + + u ui i u uo o r r1 1 vdvdz z r r1 1 - -u urefref r r2 2 r r2 2 u ure

12、fref r r , , 如果輸入電壓受到干如果輸入電壓受到干 擾或噪聲的影響，在擾或噪聲的影響，在 門限電平上下波動，門限電平上下波動， 見圖見圖 (a)，則輸出電，則輸出電 壓將在高、低兩個電壓將在高、低兩個電 平之間反復(fù)地跳變，平之間反復(fù)地跳變， 見圖見圖 (b)，如在控制，如在控制 系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，系統(tǒng)中發(fā)生這種情況， 將對執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不將對執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不 利的影響。利的影響。 單限比較電路具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但單限比較電路具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但 存在的主要問題是抗干擾能力差。存在的主要問題是抗干擾能力差。 圖圖4.4.4 存在干擾時，單限比較電路波形圖存在干擾

13、時，單限比較電路波形圖 為了解決以上問題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較為了解決以上問題，可以采用具有滯回傳輸特性的比較 電路。滯回比較電路又名施密特觸發(fā)器，這種比較電路有兩電路。滯回比較電路又名施密特觸發(fā)器，這種比較電路有兩 個可變的比較門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，其電路見個可變的比較門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，其電路見 圖圖4.4.5(a)。輸入電壓輸入電壓 ui 經(jīng)電阻經(jīng)電阻 r1 加在集成運(yùn)放的反相輸入加在集成運(yùn)放的反相輸入 端，參考電壓端，參考電壓 uref 經(jīng)電阻經(jīng)電阻 r2 接在同相輸入端，此外從輸出接在同相輸入端，此外從輸出 端通過電阻端通過電阻 rf 引回到同相輸入端

14、。電阻引回到同相輸入端。電阻r和背靠背串連的穩(wěn)和背靠背串連的穩(wěn) 壓管壓管 vdz 的作用只是限幅，將輸出電壓的幅度限制在的作用只是限幅，將輸出電壓的幅度限制在uz。 u uo o u ui i -u-uz z +u+uz z o o u urefref a a + + u ui i u uo or r vdvdz z r rf f r r2 2 r r1 1 + + u ut t- -u ut+t+ - - 圖圖4.4.5 滯加比較電路（滯加比較電路（a）電路圖和（）電路圖和（b）傳輸特性）傳輸特性 電路中，當(dāng)集成運(yùn)放反相與同相輸入端的電位電路中，當(dāng)集成運(yùn)放反相與同相輸入端的電位 相等，即相等

15、，即 u u- -=u=u+ + 時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。 其中其中 i uu u+ 則有參考電壓則有參考電壓 uref 和輸出電壓和輸出電壓 uo 兩者共同決定，而兩者共同決定，而 uo 有兩種不同的狀態(tài)：有兩種不同的狀態(tài)：- uz 和和 + uz ，由此可見，使輸出，由此可見，使輸出 電壓由電壓由 - uz跳變到跳變到 + uz 和輸出電壓由和輸出電壓由 + uz 跳變到跳變到 uz 所需要的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個不同的門所需要的電壓是不同的。即這種比較電路有兩個不同的門 限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，見圖限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，見圖4.4

16、.5(b)。 圖圖4.4.4(c)為存在干擾時，滯回比較電路的輸出特性，可為存在干擾時，滯回比較電路的輸出特性，可 見其性能得到大大改善。見其性能得到大大改善。 圖圖4.4.4 存在干擾時，單限比較電路存在干擾時，單限比較電路 和滯回比較電路波形圖和滯回比較電路波形圖 比較電路的兩個門限電平值，可用疊加定理求出：比較電路的兩個門限電平值，可用疊加定理求出： v若原來輸出電壓為若原來輸出電壓為 uz ，當(dāng)逐漸減小，當(dāng)逐漸減小 ui 時，時，uo 從從 uz 跳變到跳變到 +uz 所需的門限電平用表示，則所需的門限電平用表示，則 v若原來輸出電壓為若原來輸出電壓為 +uz ，當(dāng)逐漸增大，當(dāng)逐漸增大

17、 ui 時，時，uo 從從 +uz 跳變到跳變到 uz 所需的門限電平用表示，則所需的門限電平用表示，則 2 22 f trefz ff rr uuu rrrr 2 22 f trefz ff rr uuu rrrr 上述兩個門限電平的差稱為回差或門限寬度，用符上述兩個門限電平的差稱為回差或門限寬度，用符 號表示是：號表示是： 由上式可見：門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)由上式可見：門限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn) 定電壓定電壓 uz 以及電阻以及電阻 r2 和和 rf 的值。但與參考電壓的值。但與參考電壓 uref 無關(guān)。改變無關(guān)。改變 uref 的大小可以調(diào)節(jié)兩個門限電的大小可以調(diào)節(jié)兩個門限電 平

18、和的大小，但兩者之差不變。即當(dāng)平和的大小，但兩者之差不變。即當(dāng) uref 增大或增大或 減小時，傳輸特性將平行的左移或右移。減小時，傳輸特性將平行的左移或右移。 2 2 2 tttz f r uuuu rr v在實際工作中，有時需要檢測輸入模擬信號的電在實際工作中，有時需要檢測輸入模擬信號的電 平是否處在兩個給定的門限電平之間，這就要求平是否處在兩個給定的門限電平之間，這就要求 比較電路有兩個門限電平，這種比較電路稱為雙比較電路有兩個門限電平，這種比較電路稱為雙 限比較電路。限比較電路。 v雙限比較電路的一種電路如圖雙限比較電路的一種電路如圖4.4.6(a)所示。電路所示。電路 由兩個集成運(yùn)放

19、組成，輸入電壓由兩個集成運(yùn)放組成，輸入電壓 ui 各通過一個電各通過一個電 阻阻 r 分別接到分別接到 a1 的同相輸入端和的同相輸入端和 a2 的反相輸入的反相輸入 端，參考電壓端，參考電壓 uref1 和和 uref2 分別加在分別加在 a1 的反相的反相 輸入端和輸入端和 a2 的同相輸入端，其中的同相輸入端，其中 uref1 uref2 ， 兩個集成運(yùn)放的輸出端各通過一個二極管后并聯(lián)兩個集成運(yùn)放的輸出端各通過一個二極管后并聯(lián) 在一起，作為雙限比較電路的輸出端。在一起，作為雙限比較電路的輸出端。 - - a a1 1 + + u u r r u uref1ref1 - - a a2 2

20、+ + r r i i r r r r u uref2ref2 vdvd1 1 vdvd2 2 r rl l u uo o + + u uththu utltl u ui i u uo o o o 若若 ui 低于低于 uref2 (當(dāng)然更低于當(dāng)然更低于 uref1 )，此時運(yùn)放，此時運(yùn)放 a1 輸輸 出低電平，出低電平， a2 輸出高電平，于是二極管輸出高電平，于是二極管 vd1 截止，截止， vd2 導(dǎo)通，則輸出電壓導(dǎo)通，則輸出電壓 uo 為高電平。為高電平。 若若 ui 高于高于 uref1 (當(dāng)然更高于當(dāng)然更高于 uref2 )，此時，此時 a1 輸出高輸出高 電平，電平， a2 輸出

21、低電平，則輸出低電平，則 vdl 導(dǎo)通，導(dǎo)通， vd2 截止，輸截止，輸 出電壓出電壓 uo 也為高電平。也為高電平。 圖圖4.4.6 雙限比較電路（雙限比較電路（a）電路圖（）電路圖（b）傳輸特性）傳輸特性 - - a a1 1 + + u u r r u uref1ref1 - - a a2 2 + + r r i i r r r r u uref2ref2 vdvd1 1 vdvd2 2 r rl l u uo o + + u uththu utltl u ui i u uo o o o 只有當(dāng)只有當(dāng) ui 高于高于 uref2 而低于而低于 uref1 時，運(yùn)放時，運(yùn)放 a1 、 a2

22、 均輸出低電平，二極管均輸出低電平，二極管 vdl 、 vd2 均截止，則輸出電均截止，則輸出電 壓壓 uo 為低電平。比較電路的傳輸特性如圖為低電平。比較電路的傳輸特性如圖4.4.6(b)所示。所示。 由圖可見，這種比較電路有兩個門限電平：上門限電平由圖可見，這種比較電路有兩個門限電平：上門限電平 uth 和下門限電平和下門限電平 utl 。在本電路中，。在本電路中， uth uref1 ， utluref2 。由于這種比較電路的傳輸特性形狀像一個。由于這種比較電路的傳輸特性形狀像一個 窗孔，所以又稱為窗孔比較電路。窗孔，所以又稱為窗孔比較電路。 圖圖4.4.6 雙限比較電路（雙限比較電路（

23、a）電路圖（）電路圖（b）傳輸特性）傳輸特性 選用時需要考慮以下兩個因素：選用時需要考慮以下兩個因素： v首先，由于通用集成運(yùn)放主要是根據(jù)線性放大的首先，由于通用集成運(yùn)放主要是根據(jù)線性放大的 要求而設(shè)計的，因此相對來說工作速度比較慢。要求而設(shè)計的，因此相對來說工作速度比較慢。 而專用的集成電壓比較器，總是將縮短響應(yīng)時間、而專用的集成電壓比較器，總是將縮短響應(yīng)時間、 提高工作速度作為設(shè)計的主要目標(biāo)之一。如果要提高工作速度作為設(shè)計的主要目標(biāo)之一。如果要 求得到同樣的響應(yīng)時間，一般情況下專用集成電求得到同樣的響應(yīng)時間，一般情況下專用集成電 壓比較器的價格比較低。壓比較器的價格比較低。 v其次，專用集成電壓比較器的輸出電平一般可直其次，專用集成電壓比較器的輸出電平一般可直 接與接與ttl等數(shù)字電路兼容，而通用集成運(yùn)放的輸