《模擬電子線路》第七章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

1、第7章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號的運(yùn)算、處理和產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。 如放大器、加法器、減法器、積分器、微分器等1 集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號的運(yùn)算、處理和產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。 如限幅器、高頻檢波器、有源濾波器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、頻率電壓轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、電壓跟隨器等第7章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用2 集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號的運(yùn)算、處理和產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。 如正弦波振蕩器、多諧振

2、蕩器等第7章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3集成運(yùn)放由哪些單元電路構(gòu)成？傳輸特性如何？集成運(yùn)放知識回顧輸入級中間級輸出級偏置電路uPuOuN4uiduoUOHUOL線性區(qū)Aud越大，運(yùn)放的線性范圍越小。集成運(yùn)放知識回顧 若UOH = -UOL=12V，Aud=105，uid在什么范圍內(nèi)，運(yùn)放工作在線性區(qū)間?答:|uid| 0.12mV時，運(yùn)放處于線性區(qū)。5通常為了保證運(yùn)放工作在線性區(qū)間，引入深度負(fù)反饋。為保證運(yùn)放工作在非線性區(qū)，運(yùn)放開環(huán)工作或引入正反饋！uiduoUOHUOL線性區(qū)集成運(yùn)放的工作區(qū)域運(yùn)放工作在不同的區(qū)間，有不同的特點(diǎn)，因此分析集成運(yùn)放首先應(yīng)判斷其工作區(qū)間。6一、反相比例放大器 1.電路

3、結(jié)構(gòu) 7.1.1 比例運(yùn)算電路 7.1 基本運(yùn)算電路 圖7.1.1反相比例放大器7運(yùn)用虛短、虛斷特性分析因此 if=ii2.分析方法 i+=i-=0u+=u-83.傳輸特性 圖7.1.1反相比例放大器b)閉環(huán)傳輸特性a)電路94.輸入電阻和輸出電阻 10二、同相比例放大器 圖7.1.2同相比例放大器i+=i-=0u+=u-11圖7.1.3 電壓跟隨器12圖7.1.4反相相加器 一、反相輸入求和電路 2.分析方法 (1)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析 (2)以反相比例放大器為基礎(chǔ)分析 1.電路結(jié)構(gòu) 3.優(yōu)點(diǎn) 各信號源支路相互獨(dú)立; 無共模信號輸入7.1.2 求和運(yùn)算電路 13 二、同相輸入求和電路 圖7

4、.1.5同相求和運(yùn)算電路 1.電路結(jié)構(gòu)及分析方法 i+=i-=0u+=u-14圖7.5同相求和運(yùn)算電路 當(dāng)R1=R2=R時各信號源支路互不獨(dú)立; 有共模信號輸入2.電路缺點(diǎn) 15 例1 試設(shè)計(jì)一個相加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均100k。如何滿足輸入電阻阻值要求？16所以Rf=300k，R2=100k，R1=150k。 為消除輸入偏流IIB產(chǎn)生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一直流平衡電阻R3，并令R3=R1R2Rf=50k。 解為滿足輸入電阻均100k，選R2=100k17三、雙端輸入求和電路 (分解)圖7.7雙端輸入求和運(yùn)算電路 181

5、920例2 A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)有信號變化范圍為-5V+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?+5V。uO = 0.5uI+2.5V電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)uIuO+5V-5VuIt+5V+2.5VuOt21uO =0.5uI +2.5V=0.5 (uI +5)V_+10k20k+5V5kuI20kuO1uO_+20k20k10k 22設(shè)電容電壓的初始值uC(0)=0,則輸出電壓uo(t)為，所以圖7-10 積分運(yùn)算電路 7.1.3 積分和微分運(yùn)算電路 在時域推導(dǎo)過程而一、 積分運(yùn)算電路 23在頻域推導(dǎo)過程(設(shè)電容電壓的初始值uC(0)=0)圖7-10 積分

6、運(yùn)算電路 24二、 微分運(yùn)算電路 圖7.12 微分運(yùn)算電路在時域推導(dǎo)過程在頻域推導(dǎo)過程257.1.4對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路一、對數(shù)運(yùn)算電路 圖7.13 由二極管構(gòu)成的基本對數(shù)運(yùn)算電路26 二、反對數(shù)運(yùn)算電路圖7.16 反對數(shù)運(yùn)算電路271.理想運(yùn)放工作在線性(linear)狀態(tài)時的特性2.比例運(yùn)算電路、求和運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法(1)反相比例放大器、同相比例放大器(2)反相輸入求和電路(3)同相輸入求和電路(4)雙端輸入求和電路 281.理想運(yùn)放工作在線性(linear)狀態(tài)時的特性;2.理想運(yùn)放工作在非線性(nonlinear)狀態(tài)時的特性;(1)“虛短”特性(virtual sh

7、ort circuit)(2)“虛斷”特性(virtual open circuit)(1)“離散”特性(2)“虛斷”特性uiduoUOHUOL297.2 電壓比較器7.2.1電壓比較器概述 電壓比較器可由通用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專用芯片（即電壓比較器芯片）實(shí)現(xiàn)。30圖7.17 電壓比較器的符號及傳輸特性當(dāng)時，輸出UOH 時，輸出UOL；當(dāng)鑒別不靈敏區(qū)即輸出、輸入不呈線性關(guān)系 1.基本特性(1)輸出呈開關(guān)特性(2)工作在非線性狀態(tài)31(1) 閾值電壓(UT) 2.參數(shù)(2) 高電平(UoH)和低電平(UoL)通用運(yùn)放外限幅(3) 鑒別靈敏度 Aud越大,不靈敏區(qū)越小,鑒別靈敏度越高。(4)轉(zhuǎn)換時間

8、 專用芯片327.2.2 單門限比較器 一、過零電壓比較器 (Zero-Crossing Comparator)圖7.19反相輸入過零電壓比較器 33圖7-21 反相輸入固定電壓比較器 二、固定電壓比較器3435例3 畫出下面電路的傳輸特性。R2urR1uiuoRp分析方法：運(yùn)放比較的是u-和u+。 36當(dāng)時，輸出UOH 時，輸出UOL 當(dāng)也就是說，當(dāng) 即時，輸出發(fā)生轉(zhuǎn)折。 故輸入ui比較的閥值電壓為： uouiUOHUOLUT37圖7.23 單門限電壓比較器抗干擾能力波形圖7.2.3遲滯比較器(Hysteresis Comparator)38 一、反相輸入遲滯比較器圖7.24反相輸入遲滯比較

9、器電路圖與傳輸特性 鑒別不靈敏區(qū)UTLUTHU上限閥值 下限閥值 39比較器輸出、輸入量關(guān)系分析的關(guān)鍵比較器的輸出從一種電平跳到另一種電平的臨界條件（u+=u-）所對應(yīng)的輸入電壓（即閾值電壓）。40UTLUTHUUTHUTLUr遲滯比較器應(yīng)用舉例1/241遲滯比較器應(yīng)用舉例2/2UTLUTHUUTHUTL42 二、同相輸入遲滯比較器圖7.25同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性437.2.4 窗口比較器(Window Comparator)圖7.26窗口比較器44Uo1 Uo2uo L L L H H L H HLHHH457.3 馳張振蕩器圖7.27 方波發(fā)生器一、電路結(jié)構(gòu)46二、工作原理1.2.

10、4748圖7.29 占空比可調(diào)的馳張振蕩器491.電壓比較器的基本特性及其參數(shù);本節(jié)內(nèi)容小節(jié)(1)輸出呈開關(guān)特性;(2)工作在非線性狀態(tài);2.單門限比較器 ;3.遲滯比較器;4.窗口比較器的工作原理;(3)高電平(UoH)和低電平(UoL)的確定;(2)上、下限閥值電壓的求法及畫電路傳輸特性;(1)反相輸入、同相輸入遲滯比較器電路結(jié)構(gòu);5.馳張振蕩器的工作原理;50 由于硅二極管的起始導(dǎo)通電壓約為0.7V，用它來對小信號電壓進(jìn)行整流會產(chǎn)生很大的誤差，若采用由集成運(yùn)放組件和二極管組成的如圖所示精密整流電路就可完成對微弱信號進(jìn)行半波精密整流。 7-4-1精密整流電路 ttuo0ui0(b)Vuiu

11、oRL(a)0.7V51 精密半波整流電路 ui =0時 uO =0 D1、D2 uO=0 ui 0 D1 、D2 uO=0 ui 0時 uO 0時，uo1=- ui, uo= - ui -2uo1=- ui +2ui = ui (2)當(dāng)ui0時，uo1=0, uo =- ui =-(-| ui |)=| ui |。所以54 圖 整流電路波形 精密全波整流電路 55(1) 當(dāng)uiuo時，uo10，二極管開關(guān)V導(dǎo)通，C充電，且整個電路(A1、A2)構(gòu)成跟隨器， uo =uCui，輸出跟隨ui增大；(2) 當(dāng)ui uo時， uo1 0，V截止，A2輸入阻抗很大，C無放電回路，故uo=uC，處于保持

12、狀態(tài)。這樣，即可以實(shí)現(xiàn)峰值檢波。峰值檢波電路 圖746 峰值檢波及電路 (a)波形；(b)電路 567.5有源濾波器7.5.1濾波電路的作用與分類577.5.1濾波電路的作用與分類587.5.2一階有源濾波器(a) 同相輸入式電路 (b) 幅頻特性曲線 圖7-37 一階低通有源濾波器597.5.2一階有源濾波器(d) 反相輸入式電路 圖7-37 一階低通有源濾波器607.5.2一階有源濾波器(a) 同相輸入式電路 (b) 幅頻特性曲線 圖7-38 同相輸入式一階高通濾波電路617.5.2一階有源濾波器圖7-39 反相輸入式一階高通濾波電路62作 業(yè)7.87.17.47.963UCCRCUC2R

13、CUC1UEEV1V2Iui1R1uoRfRp =R1 / Rf反相端同相端接直流平衡電阻Rp使輸入級的電路結(jié)構(gòu)對稱當(dāng)輸入全部為0時，確保輸出也為064(1)運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法 u-=?又因?yàn)?if=i1，則 (2)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析又因?yàn)?if=i1，則 65又因?yàn)?if=i1+i2，則 (1)運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法 當(dāng)R1=R2=R3=R時u-=?66又因?yàn)?if=i1+i2，則 (1)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析i+=i-=0u+=u-67又因?yàn)?uo=uo1+uo2(2)以反相比例放大器為基礎(chǔ)進(jìn)行分析68例（1）分析圖中各電路的功能；（2）分別畫出圖中各電路的傳輸特性；（a）反相比例放大器69（b）同相比例放大器70（c）過零電壓比例器71（d）遲滯電壓比例器72（a）反相比例放大器（b）同相比例放大器（c）過零電壓比例器（d）遲滯電壓比例器73電壓比較器中的正反饋思考1.只在輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時存在正反饋現(xiàn)象。在其它情況下，輸出端的電壓保持不變（UOH或UOL）。2.發(fā)生正反饋時，由于環(huán)路增益|AF|1 ，輸出很快達(dá)到限幅值（UOH或