集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第5章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路，稱(chēng)為集成電路。集成電路具有體積小，重量輕，引出線(xiàn)和焊接點(diǎn)少，壽命長(zhǎng)，可靠性高，性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，因此其發(fā)展速度極為驚人。目前集成電路的應(yīng)用幾乎遍及所有產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)品中。在軍事設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器等中都采用了集成電路。集成電路按其功能來(lái)分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類(lèi)繁多，有運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其

2、他模擬集成電路等。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放）是應(yīng)用極為廣泛的一種，也是其他各類(lèi)模擬集成電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此這里首先給予介紹。5.1 集成電路與運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介5.1.1 集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)放是模擬集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種，它實(shí)際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大器。之所以被稱(chēng)為運(yùn)算放大器，是因?yàn)樵撈骷畛踔饕糜谀M計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算的緣故。實(shí)際上，目前集成運(yùn)放的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了模擬運(yùn)算的范圍，但仍沿用了運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放）的名稱(chēng)。集成的發(fā)展十分迅速。通用型產(chǎn)品經(jīng)歷了四代更替，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷改進(jìn)。同時(shí)，發(fā)展了適應(yīng)特殊需要的各種專(zhuān)用型集

3、成運(yùn)放。第一代集成運(yùn)放以（我國(guó)的FC3）為代表，特點(diǎn)是采用了微電流的恒流源、共模負(fù)反饋等電路，它的性能指標(biāo)比一般的分立元件要提高。主要缺點(diǎn)是內(nèi)部缺乏過(guò)電流保護(hù)，輸出短路容易損壞。第二代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)六十年代的型高增益運(yùn)放為代表，它的特點(diǎn)是普遍采用了有源負(fù)載，因而在不增加放大級(jí)的情況下可獲得很高的開(kāi)環(huán)增益。電路中還有過(guò)流保護(hù)措施。但是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比指標(biāo)不理想。 第三代集成運(yùn)放代以二十世紀(jì)七十年代的AD508為代表，其特點(diǎn)使輸入級(jí)采用了“超管”，且工作電流很低。從而使輸入失調(diào)電流和溫漂等項(xiàng)參數(shù)值大大下降。第四代集成運(yùn)放以二十世紀(jì)八十年代的HA2900為代表，它的特點(diǎn)是制造工藝達(dá)到大規(guī)

4、模集成電路的水平。將場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型管兼容在同一塊硅片上，輸入級(jí)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管，輸入電阻達(dá)100M以上，而且采取調(diào)制和解調(diào)措施，成為自穩(wěn)零運(yùn)算放大器，使失調(diào)電壓和溫漂進(jìn)一步降低，一般無(wú)須調(diào)零即可使用。目前，集成運(yùn)放和其他模擬集成電路正向高速、高壓、低功耗、低零漂、低噪聲、大功率、大規(guī)模集成、專(zhuān)業(yè)化等方向發(fā)展。除了通用型集成運(yùn)放外，有些特殊需要的場(chǎng)合要求使用某一特定指標(biāo)相對(duì)比較突出的運(yùn)放，即專(zhuān)用型運(yùn)放。常見(jiàn)的專(zhuān)用型運(yùn)放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高壓型、大功率型、高精度型、跨導(dǎo)型、低噪聲型等。5.1.2 模擬集成電路的特點(diǎn)由于受制造工藝的限制，模擬集成電路與分立元件電路相比具有如下

5、特點(diǎn)：1.采用有源器件由于制造工藝的原因，在集成電路中制造有源器件比制造大電阻容易實(shí)現(xiàn)。因此大電阻多用有源器件構(gòu)成的恒流源電路代替，以獲得穩(wěn)定的偏置電流。BJT比二極管更易制作，一般用集-基短路的BJT代替二極管。2.采用直接耦合作為級(jí)間耦合方式由于集成工藝不易制造大電容，集成電路中電容量一般不超過(guò)100pF，至于電感，只能限于極小的數(shù)值（1mH以下）。因此，在集成電路中，級(jí)間不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。3.采用多管復(fù)合或組合電路 集成電路制造工藝的特點(diǎn)是晶體管特別是BJT或FET最容易制作，而復(fù)合和組合結(jié)構(gòu)的電路性能較好，因此，在集成電路中多采用復(fù)合管（一般為兩管復(fù)合）和組合（

6、共射-共基、共集-共基組合等）電路。5.1.3 集成運(yùn)放的基本組成圖5-1 集成運(yùn)放的組成框圖集成運(yùn)放的類(lèi)型很多，電路也不盡相同，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，其一般的內(nèi)部組成原理框圖如圖5-1所示，它主要由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。輸入級(jí)主要由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，以減小運(yùn)放的零漂和其他方面的性能，它的兩個(gè)輸入端分別構(gòu)成整個(gè)電路的同相輸入端和反相輸入端。中間級(jí)的主要作用是獲得高的電壓增益，一般由一級(jí)或多級(jí)放大器構(gòu)成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器（電壓緩沖放大器）或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高運(yùn)放的帶負(fù)載能力和輸出功率。偏置電路則是為各級(jí)提供合適的工作點(diǎn)及能源的。此外，為獲得電

7、路性能的優(yōu)化，集成運(yùn)放內(nèi)部還增加了一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過(guò)載保護(hù)電路和頻率補(bǔ)償電路等。圖5-2 集成運(yùn)放的電路符號(hào)a）國(guó)際符號(hào) b）慣用符號(hào)集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖5-2所示（省略了電源端、調(diào)零端等）。集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端分別稱(chēng)為同相輸入端uP和反相輸入端uN；一個(gè)輸出端uo。其中的“-”、“+”分別表示反相輸入端uN和同相輸入端uP。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要了解集成運(yùn)放外部各引出端的功能及相應(yīng)的接法，但一般不需要畫(huà)出其內(nèi)部電路。5.1.4 集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的參數(shù)是否正確、合理選擇是使用運(yùn)放的基本依據(jù)，因此了解其各性能參數(shù)及其意義是十分必要的。集成運(yùn)放的主要參數(shù)有以下幾種。1.開(kāi)環(huán)差

8、模電壓增益Aod是指運(yùn)放在開(kāi)環(huán)、線(xiàn)性放大區(qū)并在規(guī)定的測(cè)試負(fù)載和輸出電壓幅度的條件下的直流差模電壓增益（絕對(duì)值）。一般運(yùn)放的Aod為60120dB，性能較好的運(yùn)放Aod140dB。值得注意的是，一般希望Aod越大越好，實(shí)際的Aod與工作頻率有關(guān)，當(dāng)頻率大于一定值后，Aod隨頻率升高而迅速下降。2.溫度漂移放大器的零點(diǎn)漂移的主要來(lái)源是溫度漂移，而溫度漂移對(duì)輸出的影響可以折合為等效輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO，因此可以用以下指標(biāo)來(lái)表示放大器的溫度穩(wěn)定性即溫漂指標(biāo)。在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化量DUIO與引起UIO變化的溫度變化量DT之比，稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓/溫度系數(shù)DUIO/DT。

9、DUIO/DT越小越好，一般為±(1020) mV/。3.最大差模輸入電壓Uid,max這是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間所允許的最大輸入電壓值。若輸入電壓超過(guò)該值，則可能使運(yùn)放輸入級(jí)BJT的其中一個(gè)發(fā)射結(jié)產(chǎn)生反向擊穿。顯然這是不允許的。Uid,max大一些好，一般為幾到幾十伏。4.最大共模輸入電壓Uic,max這是指運(yùn)放輸入端所允許的最大共模輸入電壓。若共模輸入電壓超過(guò)該值，則可能造成運(yùn)放工作不正常，其共模抑制比KCMR將明顯下降。顯然，Uic,max大一些好，高質(zhì)量運(yùn)放最大共模輸入電壓可達(dá)十幾伏。5.單位增益帶寬fTfT是指使運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod下降到0dB（即Aod =1）時(shí)

10、的信號(hào)頻率，它與三極管的特征頻率fT相類(lèi)似，是集成運(yùn)放的重要參數(shù)。6.開(kāi)環(huán)帶寬fHfH是指使運(yùn)放開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod下降為直流增益的倍（相當(dāng)于-3dB）時(shí)的信號(hào)頻率。由于運(yùn)放的增益很高，因此fH一般較低，約幾赫茲至幾百赫茲左右（寬帶高速運(yùn)放除外）。7.轉(zhuǎn)換速率SR這是指運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（如矩形波信號(hào)等）時(shí)，其輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即轉(zhuǎn)換速率SR反映運(yùn)放對(duì)高速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)情況，主要與補(bǔ)償電容、運(yùn)放內(nèi)部各管的極間電容、雜散電容等因素有關(guān)。SR大一些好，SR越大，則說(shuō)明運(yùn)放的高頻性能越好。一般運(yùn)放SR小于1V/ms，高速運(yùn)放可達(dá)65 V/ms以上。需要指出的是，轉(zhuǎn)換速

11、率SR是由運(yùn)放瞬態(tài)響應(yīng)情況得到的參數(shù)，而單位增益帶寬fT和開(kāi)環(huán)帶寬fH是由運(yùn)放頻率響應(yīng)（即穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）情況得到的參數(shù)，它們均反映了運(yùn)放的高頻性能，從這一點(diǎn)來(lái)看，它們的本質(zhì)是一致的。但它們分別是在大信號(hào)和小信號(hào)的條件下得到的，從結(jié)果看，它們之間有較大的差別。8.最大輸出電壓Uo,max最大輸出電壓Uo,max是指在一定的電源電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。除上述指標(biāo)外，集成運(yùn)放的參數(shù)還有共模抑制比KCMR、差模輸入電阻Rid、共模輸入電阻Ric、輸出電阻Ro、電源參數(shù)、靜態(tài)功耗PC等，其含義可查閱相關(guān)手冊(cè)，這里不再贅述。5.2差動(dòng)放大電路5.2.1 零點(diǎn)漂移集成運(yùn)放電路各級(jí)之間由于均

12、采用直接耦合方式，直接耦合放大電路具有良好的低頻頻率特性，可以放大緩慢變化甚至接近于零頻（直流）的信號(hào)（如溫度、濕度等緩慢變化的傳感信號(hào)），但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即當(dāng)溫度變化或電路參數(shù)等因素稍有變化時(shí)，電路工作點(diǎn)將隨之變化，輸出端電壓偏離靜態(tài)值（相當(dāng)于交流信號(hào)零點(diǎn)）而上下漂動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“零點(diǎn)漂移”，簡(jiǎn)稱(chēng)“零漂”。由于存在零漂，即使輸入信號(hào)為零，也會(huì)在輸出端產(chǎn)生電壓變化從而造成電路誤動(dòng)作，顯然這是不允許的。當(dāng)然，如果漂移電壓與輸入電壓相比很小，則影響不大，但如果輸入端等效漂移電壓與輸入電壓相比很接近或很大，即漂移嚴(yán)重時(shí)，則有用信號(hào)就會(huì)被漂移信號(hào)嚴(yán)重干擾，結(jié)果使電路無(wú)法正常工作。容易理解，多級(jí)

13、放大器中第一級(jí)放大器零漂的影響最為嚴(yán)重。如放大器第一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)由于溫度的變化，使電壓稍有偏移時(shí)，第一級(jí)的輸出電壓就將發(fā)生微小的變化，這種緩慢微小的變化經(jīng)過(guò)多級(jí)放大器逐步放大后，輸出端就會(huì)產(chǎn)生較大的漂移電壓。顯然，直流放大器的級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越高，輸出的漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，直接耦合放大電路必須采取措施來(lái)抑制零漂。抑制零點(diǎn)漂移的措施通常采用以下幾種：第一是采用質(zhì)量好的硅管。硅管受溫度的影響比鍺管小得多，所以目前要求較高的直流放大器的前置放大級(jí)幾乎都采用硅管。第二是采用熱敏元件進(jìn)行補(bǔ)償。就是利用溫度對(duì)非線(xiàn)性元件（晶體管二極管、熱敏電阻等）的影響，來(lái)抵消溫度對(duì)放大電路中三極管參數(shù)的影響所產(chǎn)生的

14、漂移。第三是采用差動(dòng)式放大電路。這是一種廣泛應(yīng)用的電路，它是利用特性相同的晶體管進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)抑制零點(diǎn)漂移的，將在下面介紹。5.2.2 簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路又稱(chēng)為差分放大器。這種電路能有效的減少三極管的參數(shù)隨溫度變化所引起的漂移，較好地解決在直流放大器中放大倍數(shù)和零點(diǎn)漂移的矛盾，因而在分立元件和集成電路中獲得十分廣泛的應(yīng)用。1.電路組成和工作原理簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路如圖5-3所示，它由兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的單管放大電路構(gòu)成，有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。其中三極管VT1, VT2的參數(shù)和特性完全相同（如b1 =b2 =b 等），RB1=RB2=RB，RC1=RC2=RC。顯然，兩個(gè)單管放大電路的靜態(tài)工

15、作點(diǎn)和電壓增益等均相同。當(dāng)然，實(shí)際電路總存在一定的差異，不可能完全對(duì)稱(chēng)，但在集成電路中，這種差異很小。圖5-3 簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路由于兩管電路完全對(duì)稱(chēng)，因此，靜態(tài)（ui =0）時(shí)，直流工作點(diǎn)UC1=UC2 ，此時(shí)電路的輸出uo= UC1-UC2 = 0（這種情況稱(chēng)為零輸入時(shí)零輸出）。當(dāng)溫度變化引起管子參數(shù)變化時(shí)，每一單管放大器的工作點(diǎn)必然隨之改變（存在零漂），但由于電路的對(duì)稱(chēng)性，UC1和UC2同時(shí)增大或減小，并保持UC1 =UC2，即始終有輸出電壓uo =0，或者說(shuō)零漂被抑制了。這就是差動(dòng)放大電路抑制零漂的原理。設(shè)每個(gè)單管放大電路的放大倍數(shù)為Au1，在電路完全對(duì)稱(chēng)的情況下，有 （5.1）顯然uo

16、1=Au1ui1，uo2=Au1ui2 ，而差動(dòng)放大電路的輸出取自?xún)蓚€(gè)對(duì)稱(chēng)單管放大電路的兩個(gè)輸出端之間（稱(chēng)為平衡輸出或雙端輸出），其輸出電壓 uo = uo1-uo2= Au1(ui1-ui2) （5.2）由式（5.2）可知，差動(dòng)放大電路輸出電壓與兩單管放大電路的輸入電壓之差成正比，“差動(dòng)”的概念由此而來(lái)。實(shí)際的輸入信號(hào)（即有用信號(hào)）電壓通常加到兩個(gè)輸入端之間（稱(chēng)為平衡輸入或雙端輸入），由于電路對(duì)稱(chēng)，因此兩管的發(fā)射結(jié)電流大小相等、方向相反，此時(shí)若一管的輸出電壓升高，另一管則降低，且有uo1= -uo2 ，所以u(píng)o=uo1-uo2=2uo1，因此輸出電壓不但不會(huì)為0，反而比單管輸出大一倍。這就是

17、差動(dòng)放大電路可以有效放大有用輸入信號(hào)的原理。設(shè)有用信號(hào)輸入時(shí)，兩管各自的輸入電壓（參考方向均為b極指向e極）分別用uid1和uid2表示，則有，uid1 = ui /2，uid2= -ui /2，uid1= -uid2。顯然，uid1與uid2大小相等、極性相反，通常稱(chēng)它們?yōu)橐粚?duì)差模輸入信號(hào)或差模信號(hào)。而電路的差動(dòng)輸入信號(hào)則為兩管差模輸入信號(hào)之差，即uid =uid1-uid2=2uid1= ui 。在只有差模輸入電壓uid作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是差動(dòng)輸出電壓uod 。通常把輸入差模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱(chēng)為差模增益，用Aud表示，即 （5.3）顯然，差模增益就是通常的放大器的電壓增益，

18、對(duì)于簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路，有 （5.4）差模增益Aud表示電路放大有用信號(hào)的能力。一般情況下要求|Aud| 盡可能大。以上討論的是差動(dòng)放大電路如何放大有用信號(hào)的。下面介紹它是如何抑制零漂信號(hào)（即共模信號(hào)）的原理， 設(shè)在一定的溫度變化值DT的情況下，兩個(gè)單管放大器的輸出漂移電壓分別為uoc1和uoc2 ，uoc1和uoc2折合到各自輸入端的等效輸入漂移電壓分別為uic1和uic2 ，顯然有uoc1 = uoc2 ，uic1 = uic2將uic1與uic2分別加到差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端，它們大小相等，極性相同，通常稱(chēng)它們?yōu)橐粚?duì)共模輸入信號(hào)或共模信號(hào)。共模信號(hào)可以表示為uic1 = uic2 = u

19、ic。顯然，共模信號(hào)并不是實(shí)際的有用信號(hào)，而是溫度等因素變化所產(chǎn)生的漂移或干擾信號(hào)，因此需要進(jìn)行抑制。當(dāng)只有共模輸入電壓uic作用時(shí)，差動(dòng)放大電路的輸出電壓就是共模輸出電壓uoc ，通常把輸入共模信號(hào)時(shí)的放大器增益稱(chēng)為共模增益，用Auc表示，則 （5.5）在電路完全對(duì)稱(chēng)情況下，差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)的uoc=0，則Auc =0共模增益Auc表示電路抑制共模信號(hào)的能力。|Auc|越小，電路抑制共模信號(hào)的能力也越強(qiáng)。當(dāng)然，實(shí)際差動(dòng)放大電路的兩個(gè)單管放大器不可能做到完全對(duì)稱(chēng)，因此Auc不可能完全等于0。需要指出的是，差動(dòng)放大電路實(shí)際工作時(shí)，總是既存在差模信號(hào)，也存在共模信號(hào)，因此，實(shí)際的ui1和ui

20、2可表示為 ui1=uic+uid1ui2=uic+uid2=uic-uid1由上述二式容易得到：uic=(ui1+ui2)/2 （5.6）uid1= -uid2 =(ui1-ui2)/2電路的差模輸入電壓uid=2uid1= ui1-ui2 = ui （5.7）2.共模抑制比在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，若電路基本對(duì)稱(chēng)，則對(duì)輸出起主要作用的是差模信號(hào)，而共模信號(hào)對(duì)輸出的作用要盡可能被抑制。為定量反映放大器放大有用的差模信號(hào)和抑制有害的共模信號(hào)的能力，通常引入?yún)?shù)共模抑制比，用KCMR表示。它定義為 （5.8a）共模抑制比用分貝表示則為 （5.8b）顯然，KCMR越大，輸出信號(hào)中的共模

21、成分相對(duì)越少，電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力就越強(qiáng)。5.2.3 射極耦合差動(dòng)放大電路前面所討論的簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路在實(shí)際應(yīng)用中存在以下不足。 即使電路完全對(duì)稱(chēng)，每一單管放大電路仍存在較大的零漂，在單端輸出（非對(duì)稱(chēng)輸出，即輸出取自任一單管放大電路的輸出）的情況下，該電路和普通放大電路一樣，沒(méi)有任何抑制零漂的能力。電路不完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，抑制零漂的作用明顯變差。 每一單管放大電路存在的零漂（即工作點(diǎn)的漂移）可能使它們均工作于飽和區(qū)，從而使整個(gè)放大器無(wú)法正常工作。采用射極耦合差動(dòng)放大電路可以較好地克服簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的不足，一種實(shí)用的射極耦合差動(dòng)放大電路如圖5-4a所示，電路中接入-VEE的目的是為了保證輸入端在

22、未接信號(hào)時(shí)基本為零輸入（IB, RB均很?。瑫r(shí)又給BJT發(fā)射結(jié)提供了正偏。其中，RC1=RC2=RC，RB1=RB2=RB。由圖5-4a可以看出，射極耦合差動(dòng)放大電路與簡(jiǎn)單差動(dòng)放大電路的關(guān)鍵不同之處在于兩管的發(fā)射極串聯(lián)了一個(gè)公共電阻RE（因此也稱(chēng)為電阻長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路），而正是RE的接入使得電路的性能發(fā)生了明顯變化。當(dāng)輸入信號(hào)為差模信號(hào)時(shí)，則ui1= -ui2 =uid/2，因此兩管的發(fā)射極電流 iE1和iE2將一個(gè)增大、另一個(gè)同量減小，即流過(guò)RE的電流iE =iE1+iE2保持不變，RE兩端的電壓也保持不變（相當(dāng)于交流iE =0, uE =0），也就是說(shuō)，RE對(duì)差模信號(hào)可視為短路，由此

23、可得該電路的差模交流通路如圖5-4b所示。顯然，RE的接入對(duì)差模信號(hào)的放大沒(méi)有任何影響。當(dāng)輸入（等效輸入）信號(hào)為共模信號(hào)時(shí)，則uic1= uic2 =uic，因此兩管的發(fā)射極電流iE1和iE2將同時(shí)同量增大或減小，相當(dāng)于交流iE1= iE2，即iE =iE1+iE2=2iE1，uE= iERE=2iE1RE。容易看出，此時(shí)RE對(duì)每一單管放大電路所呈現(xiàn)的等效電阻為2RE，由此可得該電路的共模交流通路如圖5-4c所示。顯然，RE的接入對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生了明顯影響，這個(gè)影響就是每一單管放大電路相當(dāng)于引入了反饋電阻為2RE的電流串聯(lián)負(fù)反饋。當(dāng)RE較大時(shí)，單端輸出的共模增益也很低，有效地抑制了零漂，并穩(wěn)定了

24、靜態(tài)工作點(diǎn)。由圖5-4c可以看出，RE越大，共模負(fù)反饋越深，可以有效地提高差動(dòng)放大電路的共模抑制比。但由于集成電路制造工藝的限制，RE不可能很大；另外，RE太大，則要求負(fù)電源電壓也很高（以產(chǎn)生一定的直流偏置電流），這一點(diǎn)對(duì)電路的實(shí)現(xiàn)是不利的。針對(duì)上述問(wèn)題，可以考慮將RE用直流恒流源來(lái)代替。圖5-4 射極耦合差動(dòng)放大電路a）基本電路 b)差模交流通路 d)共模交流通路5.3 集成運(yùn)放的應(yīng)用集成運(yùn)放應(yīng)用十分廣泛，電路的接法不同，集成運(yùn)放電路所處的工作狀態(tài)也不同，電路也就呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。因此可以把集成運(yùn)放的應(yīng)用分為兩類(lèi)：線(xiàn)性應(yīng)用和非線(xiàn)性應(yīng)用。5.3.1 集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用在集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用電路中

25、，集成運(yùn)放與外部電阻、電容和半導(dǎo)體器件等一起構(gòu)成深度負(fù)反饋電路或兼有正反饋而以負(fù)反饋為主。此時(shí)，集成運(yùn)放本身處于線(xiàn)性工作狀態(tài)，即其輸出量和凈輸入量成線(xiàn)性關(guān)系，但整個(gè)應(yīng)用電路的輸出和輸入也可能是非線(xiàn)性關(guān)系。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)或分析過(guò)程中常常把集成運(yùn)放理想化。理想運(yùn)放具有以下理想?yún)?shù)。 開(kāi)環(huán)電壓增益Aod。 差模輸入電阻rid。 輸出電阻rod=0。 共模抑制比KCMR，即沒(méi)有溫度漂移。 開(kāi)環(huán)帶寬fH。 轉(zhuǎn)換速率SR。 輸入端的偏置電流IBN=IBP=0。 干擾和噪聲均不存在。在一定的工作參數(shù)和運(yùn)算精度要求范圍內(nèi)，采用理想運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)或分析的結(jié)果與實(shí)際情況相差很小，誤差可以忽略，但卻大

26、大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)或分析過(guò)程。集成運(yùn)放實(shí)際是一種高增益的電壓放大器，其電壓增益可達(dá)104106以上。另外其輸入阻抗很高，BJT型運(yùn)放達(dá)幾百千歐以上，MOS型運(yùn)放則更高；而輸出電阻較小，一般在幾十歐左右，并具有一定的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，最大可達(dá)幾十到幾百毫安。由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益很高，且通頻帶很低（幾到幾百Hz，寬帶高速運(yùn)放除外），因此當(dāng)集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)時(shí)，均引入外部負(fù)反饋，而且通常為深度負(fù)反饋。由前面關(guān)于深度負(fù)反饋放大器計(jì)算的討論可知，運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的實(shí)際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為0，相當(dāng)于短路，即 uP=uN （5.9）但由于兩輸入端之間不是真正的短路，故稱(chēng)為“虛短”。另外，由

27、于集成運(yùn)放的輸入電阻很高，而凈輸入電壓又近似為0，因此，流經(jīng)運(yùn)放兩輸入端的電流可以近似看成為0， 即 iIN=iIP=0 （5.10）（以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相當(dāng)于開(kāi)路。但由于兩輸入端間不是真正的開(kāi)路，故稱(chēng)為“虛斷”。利用“虛短”和“虛斷”的概念，可以十分方便地對(duì)集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用電路進(jìn)行快速簡(jiǎn)捷地分析。集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用主要有模擬信號(hào)的產(chǎn)生、運(yùn)算、放大、濾波等。下面首先從基本運(yùn)算電路開(kāi)始討論。1.比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路是運(yùn)算電路中最簡(jiǎn)單的電路，其輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。比例運(yùn)算電路有反相輸入和同相輸入兩種。（1）反相輸入比例運(yùn)算電路圖5-5所示為反相輸入比例運(yùn)算

28、電路，該電路輸入信號(hào)加在反相輸入端上，輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故得名。在實(shí)際電路中，為減小溫漂提高運(yùn)算精度，同相端必須加接平衡電阻RP接地，RP的作用是保持運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路具有良好的對(duì)稱(chēng)性，減小溫漂提高運(yùn)算精度，。其阻值應(yīng)為RP=R1/Rf 。后面電路同理。由于運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，凈輸入電壓和凈輸入電流都為零。圖5-5 反相輸入比例運(yùn)算電路由“虛短”的概念可知，在P端接地時(shí)，uP=uN =0，稱(chēng)N端為“虛地”。由“虛斷”的概念可知ii=if 有 該電路的電壓增益 即 （5.11）輸出電壓uo與輸入電壓ui之間成比例（負(fù)值）關(guān)系。該電路引入了電壓并聯(lián)深度負(fù)反饋，電路輸入阻抗（為R1）較

29、小，但由于出現(xiàn)虛地，放大電路不存在共模信號(hào)，對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求也不高，因此該電路應(yīng)用場(chǎng)合較多。值得注意的是，雖然電壓增益只和Rf 和R1的比值有關(guān)，但是電路中電阻R1、RP、Rf 的取值應(yīng)有一定的范圍。若R1、RP、Rf 的取值太小，由于一般運(yùn)算放大器的輸出電流一般為幾十毫安，若R1、RP、Rf 的取值為幾歐姆的話(huà)，輸出電壓最大只有幾百毫伏。若R1、RP、Rf 的取值太大，雖然能滿(mǎn)足輸出電壓的要求，但同時(shí)又會(huì)帶來(lái)飽和失真和電阻熱噪聲的問(wèn)題。通常取R1的值為幾百歐姆至幾千歐姆。取Rf 的值為幾千至幾百千歐姆。后面電路同理。（2）同相輸入比例運(yùn)算電路圖5-6 同相輸入比例運(yùn)算電路圖5-6所示為

30、同相輸入比例運(yùn)算電路，由于輸入信號(hào)加在同相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相同，因此將它稱(chēng)為同相放大器。由“虛斷”的概念可知iP=iN=0，由“虛短”的概念可知ui=up=uN其電壓增益即 （5.12）同相輸入電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其輸入阻抗極高，但由于兩個(gè)輸入端均不能接地，放大電路中存在共模信號(hào)，不允許輸入信號(hào)中包含有較大的共模電壓，且對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求較高，否則很難保證運(yùn)算精度。圖5-6所示為同相輸入比例運(yùn)算電路中，若R1不接，或Rf短路，組成如圖5-7所示電路。此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況,此時(shí)的同相比例運(yùn)算電路稱(chēng)為電壓跟隨器。電路的輸出完全跟隨輸入變化。ui=uP=uN=uo

31、, Au=1，具有輸入阻抗大，輸出阻抗小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)和輸出級(jí)。圖5-7 電壓跟隨器2.加法電路電路測(cè)試35：加法電路的測(cè)試 （見(jiàn)9.5） 若多個(gè)輸入電壓同時(shí)作用于運(yùn)放的反相輸入端或同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算；若多個(gè)輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，則實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。圖5-8所示為加法電路，該電路可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓uS1與uS2相加。輸入信號(hào)從反相端輸入，同相端虛地。則有：uP=uN=0；又有“虛斷”的概念可知iI=0，圖5-8 加法電路因此，在反相輸入節(jié)點(diǎn)N可得節(jié)點(diǎn)電流方程： 即整理可得若R1=R2 =Rf

32、，則上式變?yōu)?（5.13）實(shí)現(xiàn)了真正意義的反相求和。圖5-8所示的加法電路也可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入電壓相加的電路。利用同相放大電路也可以組成加法電路。3.減法電路電路測(cè)試36 減法電路（一）的測(cè)試（見(jiàn)9.5） （1）減法電路（一）圖5-9所示電路第一級(jí)為反相比例放大電路，設(shè)Rf 1=R1，則uO1= -uS1。第二級(jí)為反相加法電路，圖5-9 減法電路（一）可導(dǎo)出 （5.14）若R2=Rf 2，則式（5.14）變?yōu)?（5.15）即實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)uS1與uS2的相減。此電路優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)比較靈活方便。 由于反相輸入端與同相輸入端“虛地”，因此在選用集成運(yùn)放時(shí)，對(duì)其最大共模輸入電壓的指標(biāo)要求不高，此電路應(yīng)

33、用比較廣泛。（2）減法電路（二）電路測(cè)試37 減法電路（二）的測(cè)試（見(jiàn)9.5） 電路如圖5-10所示。該電路是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。圖5-10 減法電路（二）根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知uP=uN，uI=0，iI=0并可得下列方程式： （5.16） （5.17）利用uN = uP，并聯(lián)解式（5.16）和式（5.17）可得在上式中，若滿(mǎn)足Rf/R=R3/R2，則該式可簡(jiǎn)化為 （5.18）當(dāng)Rf=R，有uO=uS2-uS1 （5.19）式（5.19）表明，輸出電壓uO與兩輸入電壓之差（uS2-uS1）成比例，實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)uS2與uS1的相減。從原理上說(shuō),求和電路也可以采用雙端輸入

34、(或稱(chēng)差動(dòng)輸入)方式、此時(shí)只用一個(gè)集成運(yùn)放，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)加法和減法運(yùn)算。但由于電路系數(shù)的調(diào)整非常麻煩，所以實(shí)際上很少采用。如需同時(shí)進(jìn)行加法、通常寧可多用一個(gè)集成運(yùn)放，而仍采用反相求和電路的結(jié)構(gòu)形式。4.積分電路電路測(cè)試38 積分電路的測(cè)試（見(jiàn)9.5） 圖5-11 積分電路在電子電路中，常用積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，此外，積分運(yùn)算電路還用于延時(shí)、定時(shí)和非正弦波發(fā)生電路中。積分電路有簡(jiǎn)單積分電路、同相積分電路、求和積分電路等。下面重點(diǎn)介紹一下簡(jiǎn)單積分電路。簡(jiǎn)單積分電路如圖5-11所示。反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻由電容阻所取代，便構(gòu)成了積分電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念有：uI=0

35、，iI=0，i1= i2= uS/R電流i2對(duì)C進(jìn)行充電，且為恒流充電（充電電流與電容C及電容上電壓無(wú)關(guān)）。假設(shè)電容C初始電壓為0，則 （5.20）式（5.20）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿(mǎn)足積分運(yùn)算要求，負(fù)號(hào)表示它們?cè)谙辔簧鲜窍喾吹?。RC稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù)，記為。實(shí)際的積分器因集成運(yùn)算放大器不是理想特性和電容有漏電等原因而產(chǎn)生積分誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至使積分電路不能正常工作。最簡(jiǎn)便的解決措施是，在電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻Rf，引入直流負(fù)反饋來(lái)抑制上述各種原因引起的積分漂移現(xiàn)象，但RfC的數(shù)值應(yīng)遠(yuǎn)大于積分時(shí)間。通常在精度要求不高、信號(hào)變化速度適中的情況下，只要積分電路功能正常，對(duì)積分誤差可不加考慮。若

36、要提高精度，則可采用高性能集成運(yùn)放和高質(zhì)量積分電容器。利用積分運(yùn)算電路能夠?qū)⑤斎氲恼译妷海儞Q為輸出的余弦電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的移相；將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的變換；對(duì)低頻信號(hào)增益大，對(duì)高頻信號(hào)增益小，當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)增益為零，實(shí)現(xiàn)了濾波功能。5.微分電路電路測(cè)試39 微分電路的測(cè)試（見(jiàn)9.5） 微分是積分的逆運(yùn)算。將圖5-12所示積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構(gòu)成微分電路，微分電路如圖5-12所示。微分電路選取相對(duì)較小的時(shí)間常數(shù)RC 。圖5-12 微分電路同樣根據(jù)“虛地”和“虛斷”的概念有：uI=0，iI=0，i1= i2設(shè)t=0時(shí)，電容C上的初始電壓為0

37、，則接入信號(hào)電壓uS時(shí)有： （5.21）式（5.21）表明，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿(mǎn)足微分運(yùn)算的要求。因此微分電路對(duì)高頻噪聲和突然出現(xiàn)的干擾（如雷電）等非常敏感，故它的抗干擾能力較差，限制了其應(yīng)用。6.有源濾波器允許某一部分頻率的信號(hào)順利通過(guò)，而使另一部分頻率的信號(hào)被急劇衰減（即被濾掉）的電子器件稱(chēng)為濾波器。濾波器可分為按照其功能，又可以分為低通、帶通、高通、帶阻濾波器。圖5-13所示為四種濾波器的幅頻特性。圖中fH為上限截止頻;fL為下限截止頻率；f0為中心頻率，即通帶和阻帶的中點(diǎn)。 圖5-13 四種濾波器的幅頻特性a）低通 b)高通 a）帶通 b)帶阻濾波器具有“選頻”的功能。在電子通信

38、、電子測(cè)試及自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常利用濾波器具有“選頻”的功能來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)的處理（用于數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等）。此外，濾波器在無(wú)線(xiàn)電通信、信號(hào)檢測(cè)和自動(dòng)控制中對(duì)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面也獲得了廣泛應(yīng)用。濾波器可分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩種。一般主要采用無(wú)源元件R, L和C組成的模擬濾波器稱(chēng)為無(wú)源濾波器；由集成運(yùn)放和R, C組成的濾波器稱(chēng)為有源濾波器。有源濾波器具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又很低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。不過(guò)，有源濾波器的工作頻率不高，一般在幾千赫以下。在頻率較高的場(chǎng)合，常采用L

39、C無(wú)源濾波器或固態(tài)濾波器。無(wú)源濾波器一般不存在噪聲問(wèn)題，而有源濾波器由于使用了放大器濾波器的噪聲性能就比較突出，信噪比很差的有源濾波器也很常見(jiàn)。因此，使用有源濾波器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：一是濾波器的電阻盡可能小一些，電容則要大一些；二是反饋量盡可能大一些，以減小增益；三是放大器的開(kāi)環(huán)頻率特性應(yīng)該比濾波器的通頻帶要寬。圖5-14 一階RC有源低通濾波電路如圖5-14所示為一簡(jiǎn)單的一階RC有源低通濾波電路。該電路在一級(jí)無(wú)源RC低通濾波電路的輸出端再加上一個(gè)同相比例放大器，使之與負(fù)載很好地隔離開(kāi)來(lái)，由于同相比例放大器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此，其帶負(fù)載能力很強(qiáng)，同時(shí)該電路還具有電壓放大作用。5.

40、3.2 集成運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用在集成運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用電路中，運(yùn)放一般工作在開(kāi)環(huán)或僅正反饋狀態(tài)，而運(yùn)放的增益很高，在非負(fù)反饋狀態(tài)下，其線(xiàn)性區(qū)的工作狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，因此主要工作在非線(xiàn)性區(qū)，實(shí)際上這正是非線(xiàn)性應(yīng)用電路所需要的工作區(qū)。電壓比較電路是用來(lái)比較兩個(gè)電壓大小的電路。在自動(dòng)控制、越限報(bào)警、波形變換等電路中得到應(yīng)用。由集成運(yùn)放所構(gòu)成的比較電路，其重要特點(diǎn)是運(yùn)放工作于非線(xiàn)性狀態(tài)。開(kāi)環(huán)工作時(shí)，由于其開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，因此，在兩個(gè)輸入端之間有微小的電壓差異時(shí)，其輸出電壓就偏向于飽和值；當(dāng)運(yùn)放電路引入適時(shí)的正反饋時(shí)，更加速了輸出狀態(tài)的變化，即輸出電壓不是處于正飽和狀態(tài)（接近正電源電壓+VCC），就是

41、處于負(fù)飽和狀態(tài)（接近負(fù)電源電壓-V）。處于運(yùn)放電壓傳輸特性的非線(xiàn)性區(qū)。由此可見(jiàn)，分析比較電路時(shí)應(yīng)注意：比較器中的運(yùn)放，“虛短”的概念不再成立，而“虛斷”的概念依然成立。應(yīng)著重抓住輸出發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值來(lái)分析其輸入輸出關(guān)系，畫(huà)出電壓傳輸特性。電壓比較器簡(jiǎn)稱(chēng)比較器，它常用來(lái)比較兩個(gè)電壓的大小，比較的結(jié)果（大或?。┩ǔＳ奢敵龅母唠娖経OH或低電平UOL來(lái)表示。1.簡(jiǎn)單電壓比較器電路測(cè)試40 簡(jiǎn)單電壓比較器的測(cè)試（見(jiàn)9.5） 簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路如圖5-15a所示，它將一個(gè)模擬量的電壓信號(hào)uI和一個(gè)參考電壓UREF相比較。模擬量信號(hào)可以從同相端輸入，也可從反相端輸入。圖5-15a所示的信號(hào)為反

42、相端輸入，參考電壓接于同相端。圖5-15 簡(jiǎn)單電壓比較器的基本電路a）電路 b)傳輸特性當(dāng)輸入信號(hào)uIUREF，輸出即為高電平uO=UOH（+VCC）當(dāng)輸入信號(hào)uIUREF，輸出即為高電平uO=UOL（-V）顯然，當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，表示輸入電壓uI比參考電壓UREF??；反之當(dāng)輸出為低電平時(shí)，則表示輸入電壓uI比參考電壓UREF大。根據(jù)上述分析，可得到該比較器的傳輸特性如圖5-15b中實(shí)線(xiàn)所示?？梢钥闯觯瑐鬏斕匦灾械木€(xiàn)性放大區(qū)（MN段）輸入電壓變化范圍極小，因此可近似認(rèn)為MN與橫軸垂直。通常把比較器的輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界輸入電壓稱(chēng)為閥值電壓或門(mén)限電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)為閥值，

43、用符號(hào)UTH表示。對(duì)這里所討論的簡(jiǎn)單比較器，有UTH=UREF。也可以將圖5-15a所示電路中的UREF和uI的接入位置互換，即uI接同相輸入端，UREF接反相輸入端，則得到同相輸入電壓比較器。不難理解，同相輸入電壓比較器的閥值仍為UREF，其傳輸特性如圖5-15b中虛線(xiàn)所示。作為上述兩種電路的一個(gè)特例，如果參考電壓UREF=0(該端接地），則輸入電壓超過(guò)零時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，這種比較器稱(chēng)為過(guò)零比較電路。2.遲滯電壓比較器電路測(cè)試41 遲滯電壓比較器的測(cè)試（見(jiàn)9.5） 當(dāng)基本電壓比較電路的輸入電壓若正好在參考電壓附近上下波動(dòng)時(shí)，不管這種波動(dòng)時(shí)信號(hào)本身引起的還是干擾引起的，輸出電平必然會(huì)跟著

44、變化翻轉(zhuǎn)。這表明雖然簡(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。在實(shí)際運(yùn)用中，有的電路過(guò)分靈敏會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，甚至使之不能正常工作。實(shí)際電路希望輸入電壓在一定的范圍內(nèi)，輸出電壓保持原狀不變。滯回比較電路就具有這一特點(diǎn)。遲滯比較器電路如圖5-16a所示，由于輸入信號(hào)由反相端加入，因此為反相遲滯比較器。為限制和穩(wěn)定輸出電壓幅值，在電路的輸出端并接了兩個(gè)互為串聯(lián)反向連接的穩(wěn)壓二極管。同時(shí)通過(guò)R3將輸出信號(hào)引到同相輸入端即引入了正反饋。正反饋的引入可加速比較電路的轉(zhuǎn)換過(guò)程。由運(yùn)放的特性可知，外接正反饋時(shí)，滯回比較電路工作于非線(xiàn)性區(qū)，即輸出電壓不是正飽和電壓（高電平UOH或），就是負(fù)飽

45、和電壓（低電平UOL），二者大小不一定相等。設(shè)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為UZ，忽略正向?qū)妷?，則比較器的輸出高電平UOHUZ，輸出低電平UOL-UZ。圖5-16 遲滯比較器a）反相遲滯比較器電路 b）傳輸特性 c）UREF=0時(shí)的傳輸特性 d）UREF=0時(shí)UI與UO的波形當(dāng)運(yùn)放輸出高電平時(shí)（uO=UOHUZ），根據(jù)“虛斷”，有 ，運(yùn)放同相端輸入電壓為參考電壓和輸出電壓UZ共同作用的結(jié)果，利用疊加定理有：又因?yàn)檩斎胄盘?hào)，所以此時(shí)的輸入電壓和比較，令稱(chēng)為上閥值電壓。 （5.22）當(dāng)運(yùn)放輸出低電平時(shí)（uO= UOL-UZ），根據(jù)“虛斷”，有 ，同理可得令稱(chēng)為下閥值電壓。 （5.23）得到了兩個(gè)閥值電壓

46、，顯然有UTH1UTH2。當(dāng)輸入信號(hào)uI= uN很小，uNuP，則比較器輸出高電平uO=UOH，此時(shí)比較器的閥值為UTH1 ；當(dāng)增大uI直到uI = uNUTH1時(shí)，才有uO= UOL，輸出高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，此時(shí)比較器的閥值變?yōu)閁TH2 ；若uI反過(guò)來(lái)又由較大值（UTH1）開(kāi)始減小，在略小于UTH1時(shí)，輸出電平并不翻轉(zhuǎn)，而是減小uI直到uI = uNUTH2時(shí)，才有uO= UOH，輸出低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)比較器的閥值又變?yōu)閁TH1。以上過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為，輸出高電平翻轉(zhuǎn)為低電平的閥值為UTH1，輸出低電平翻轉(zhuǎn)為高電平的閥值為UTH2。由上述分析可得到遲滯比較器的傳輸特性，如圖5-16b所

47、示?？梢?jiàn)該比較器的傳輸特性與磁滯回線(xiàn)類(lèi)似，故稱(chēng)為遲滯（或滯回）比較器。特別是當(dāng)UREF =0時(shí)，相應(yīng)的傳輸特性如圖5-16c所示，兩個(gè)閥值則為 （5.24） （5.25）顯然有 UTH2 = -UTH1。如圖5-16d所示為UREF=0的遲滯比較器在uI為正弦電壓時(shí)的輸入和輸出電壓波形。顯然，其輸出的方波較過(guò)零比較器延遲了一段時(shí)間。由于遲滯比較器輸出高、低電平相互翻轉(zhuǎn)的閥值不同，因此具有一定的抗干擾能力。當(dāng)輸入信號(hào)值在某一閥值附近時(shí)，只要干擾量不超過(guò)兩個(gè)閥值之差的范圍，輸出電壓就可保持高電平或低電平不變。令兩個(gè)閥值之差為 稱(chēng)為回差電壓。回差電壓是表明滯回比較器抗干擾能力的一個(gè)參數(shù)。另外，由于遲

48、滯比較器輸出高、低電平相互翻轉(zhuǎn)的過(guò)程是在瞬間完成的，即具有觸發(fā)器的特點(diǎn)，因此又稱(chēng)為施密特觸發(fā)器。電壓比較器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出的高低點(diǎn)平，輸入模擬電壓可能是溫度、壓力、流量、液面等通過(guò)傳感器采集的信號(hào)，因而它首先廣泛用于各種報(bào)警電路；其次，在自動(dòng)控制、電子測(cè)試、模數(shù)轉(zhuǎn)換、各種非正弦波的產(chǎn)生和變換電路中也得到廣泛的應(yīng)用。3.集成電壓比較器隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)比較器的工作特點(diǎn)和要求，集成電壓比較器得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在市場(chǎng)上用的比較多的產(chǎn)品有LM239/LM339系列、LM293/LM393系列和LM111/LM211/LM311系列。LM293/LM393系列為雙電壓比較器；LM23

49、9/LM339系列為四電壓比較器。LM111/LM211/LM311系列為單電壓比較器。它們都是集電極開(kāi)路輸出，均可采用雙電源或單電源方式供電，供電電壓從5V到±15V。LM111/LM211/LM311的不同在于工作溫度分別為55°C到 +125°C 、25°C到 +85°C、0°C to 到70°C。如圖5-17所示為L(zhǎng)M311的引腳圖。圖5-17 LM311的引腳圖圖5-18所示為L(zhǎng)M311在超聲波接收器中的應(yīng)用電路圖。JSQ為超聲波接收器，接收發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的超聲波信號(hào)，TL082為雙集成運(yùn)放，由于信號(hào)比較微弱，經(jīng)過(guò)

50、兩級(jí)放大后至LM311電壓比較器的反相輸入端，調(diào)節(jié)電位器，使當(dāng)沒(méi)有超聲波時(shí)LM311輸出為零，當(dāng)有超聲波信號(hào)時(shí)，電壓比較器有輸出，由于是集電極開(kāi)路門(mén)，輸出端通過(guò)一個(gè)上拉電阻至+5V,以便和單片機(jī)電源相匹配。圖5-18 LM311的應(yīng)用電路集成電壓比較器除了用作比較器功能外，通過(guò)不同的接法，可以組成不同的用途的電路，如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、振蕩器、電平檢測(cè)電路等等。知識(shí)小結(jié)· 集成運(yùn)算放大器是用集成工藝制成的、具有高增益的直接耦合多級(jí)放大器。它一般由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成。為了抑制溫漂和提高共模抑制比，常采用差動(dòng)式放大電路作為輸入級(jí)；中間為電壓增益級(jí)；互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電壓跟隨電路

51、常用于輸出級(jí)。· 差動(dòng)式放大電路是集成運(yùn)算放大器的重要組成單元，它既能放大直流信號(hào)，又能放大交流信號(hào)；它對(duì)差模信號(hào)具有很強(qiáng)的放大能力，而對(duì)共模信號(hào)卻具有很強(qiáng)的抑制能力。· 集成運(yùn)放是模擬集成電路的典型組件。對(duì)于它的內(nèi)部電路只要求定性了解，目的在于掌握它的主要技術(shù)指標(biāo)，能根據(jù)電路系統(tǒng)的要求正確選用。· 集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性工作區(qū)時(shí)，運(yùn)放接成負(fù)反饋的電路形式，此時(shí)電路可實(shí)現(xiàn)加、減、積分和微分等多種模擬信號(hào)的運(yùn)算，。分析這類(lèi)電路可利用“虛短”和“虛斷”這兩個(gè)重要概念，以求出輸出與輸入之間的關(guān)系。· 有源濾波電路通常是由運(yùn)放和RC反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，根據(jù)幅頻響應(yīng)不同，可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波電路。· 集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性工作區(qū)時(shí)，運(yùn)放接成開(kāi)環(huán)或正反饋的電路形式，此時(shí)電路的輸出電壓受電源電壓限制，且通常為二值電平（非高即低）。· 電壓比較器常用于比較信號(hào)大小、開(kāi)關(guān)控制、波形整形和非正弦波信號(hào)發(fā)生器等電路中。集成電壓比較器由于電路簡(jiǎn)單，使用方便而得到廣泛應(yīng)用。思考與練習(xí)5.1 集成運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？集成運(yùn)放有那幾部分組成？各部分的作用是什么？