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第10章集成運(yùn)算放大器10.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)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(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用10.4集成運(yùn)算放大器在信號(hào)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(dòng)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(hào)或直流信號(hào),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(hào)的。因?yàn)樵谧枞蓠詈想娐分须娙輰?duì)低頻信號(hào)呈現(xiàn)的電抗極大,信號(hào)被電容阻斷,無(wú)法正常傳輸?shù)较乱患?jí)。而在變壓器耦合的放大電路中,信號(hào)有可能被變壓器原邊線圈的低阻所短路,也無(wú)法耦合到副邊傳輸?shù)较乱患?jí)。因此,對(duì)于直流信號(hào)或頻率較低的信號(hào)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(jí)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(shí)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(hào)處理電路中的應(yīng)用。10.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器(IntegratedOperationalAmplifier)簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放,是由多級(jí)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(wàn)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(shí)輸出電壓亦為零的特點(diǎn),適用于正、負(fù)兩種極性信號(hào)的輸入和輸出。集成電路是以電壓或電流為變量對(duì)模擬量進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理以及信號(hào)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(hào)和輸出信號(hào)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(hào)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(jí)采用差動(dòng)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(lái)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(hào)
圖10-1所示是集成運(yùn)算放大器的兩種符號(hào)。運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端:兩個(gè)輸入端,一個(gè)輸出端。其中,一個(gè)稱為同相輸入端,即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同,用符號(hào)“+”表示;另一個(gè)稱為反相輸入端,即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異,用符號(hào)“-”表示。輸出端一般畫(huà)在輸入端的另一側(cè),在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有“+”號(hào)。實(shí)際的運(yùn)算放大器必須有正、負(fù)電源端,個(gè)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(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖10-1集成運(yùn)算放大器符號(hào)
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(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路。
(1)輸入級(jí)。輸入級(jí)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(hào),要求輸入級(jí)溫漂小,共模抑制比高,有極高的輸入阻抗,一般輸入級(jí)采用有恒流源的差動(dòng)放大電路。
(2)中間放大級(jí)。運(yùn)算放大器的主要增益是由中間級(jí)提供的,因此要求中間級(jí)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(wàn)甚至幾十萬(wàn)以上,通常由多級(jí)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(jí)。輸出級(jí)的作用是提供一定的電流和電壓輸出,用以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。對(duì)輸出級(jí)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(jí)與輸出級(jí)的隔離。所以,輸出級(jí)常采用互補(bǔ)對(duì)稱或準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。
(4)偏置電路。偏置電路的作用是為整個(gè)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(dòng)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(guò)壓、過(guò)流以及過(guò)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(píng)價(jià)集成運(yùn)放好壞的參數(shù)很多,它們是描述一個(gè)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(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod:運(yùn)放在開(kāi)環(huán)(無(wú)外加反饋)條件下,輸出電壓與輸入差模信號(hào)電壓之比,常用分貝(dB)表示。這個(gè)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(shí),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(duì)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(shí),流入兩輸入端的電流之差,用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)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(gè)輸入端偏置電流的平均值,用于衡量差動(dòng)放大兩個(gè)對(duì)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(guò)此電壓時(shí),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(guò)此值時(shí),將使輸入級(jí)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(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻,它是衡量差分對(duì)管從差模輸入信號(hào)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(kāi)環(huán)工作時(shí),從輸出端向里看進(jìn)去的等效電阻,其值越小,說(shuō)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(lái)表示,KCMR=20lg(Aud/Auc)(dB)。該值越大,說(shuō)明輸入差分級(jí)各參數(shù)對(duì)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(lái),集成運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)不斷改進(jìn),除通用型外,還開(kāi)發(fā)了各種專用型集成運(yùn)放,如高速型(過(guò)渡時(shí)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(gòu)方便,一般應(yīng)選擇通用型集成運(yùn)放,有特殊需要時(shí),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(shí),將集成運(yùn)放看成理想運(yùn)算放大器,可以使分析問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。理想運(yùn)算放大器應(yīng)當(dāng)滿足以下各項(xiàng)條件:開(kāi)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(shí)將其理想化一般是允許的。這種分析計(jì)算所帶來(lái)的誤差一般不大,只是在需要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析時(shí)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(shí),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(shí),其輸出信號(hào)和輸入信號(hào)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(kāi)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(shí),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(kāi)環(huán)差模輸入電阻rid=∞,輸入偏置電流IB=0,當(dāng)然不會(huì)向外部電路索取任何電流,因此其兩個(gè)輸入端的電流都為零,即
I
-=I+=0(10-3)
這就是說(shuō),集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),其兩個(gè)輸入端均無(wú)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(shí),其技術(shù)指標(biāo)與理想條件非常接近,因而上述兩個(gè)特點(diǎn)是成立的。
2.非線性區(qū)由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益Aod很大,當(dāng)它工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)(即未接深度負(fù)反饋)或加有正反饋時(shí),只要有差模信號(hào)輸入,哪怕是微小的電壓信號(hào),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(shí),(10-1)式不再成立。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí),有以下兩個(gè)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(shí),可將集成運(yùn)放按理想運(yùn)放對(duì)待,判斷它是否工作在線性區(qū)。一般來(lái)說(shuō),集成運(yùn)放引入了深度負(fù)反饋時(shí),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(shí),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(jiǎn)化。10.3運(yùn)算放大器在信號(hào)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(hào)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(wú)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(gè)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(hào)上。特別當(dāng)Rf=R1時(shí),Auf=1,即輸出電壓與輸入電壓大小相等,相位相反,稱此時(shí)的電路為反相器。集成運(yùn)放的輸入級(jí)均為差動(dòng)放大器,而差動(dòng)放大器兩邊電路參數(shù)應(yīng)當(dāng)對(duì)稱。靜態(tài)時(shí),集成運(yùn)放的輸入信號(hào)電壓與輸出電壓均為零,此時(shí)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(gè)并聯(lián)電阻相當(dāng)于差動(dòng)輸入級(jí)一個(gè)三極管的基極電阻。為了使差動(dòng)輸入級(jí)的兩側(cè)對(duì)稱,在運(yùn)放同相端與地之間也接入了一個(gè)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(wú)窮大,即rif≈∞。設(shè)rof為集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)的輸出電阻(其值不會(huì)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(hào)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(hào)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(wú)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(kāi)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(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路,理想情況下,輸入電阻為無(wú)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(wú)論是反相輸入方式還是同相輸入方式,輸出信號(hào)總是通過(guò)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(wú)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(gè)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(gè)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(gè)輸入信號(hào)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(hào)為三個(gè)時(shí),各支路中的電流分別為由虛斷,I-=0,則
I1+I2+I3=If
(10-8)可見(jiàn),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(shí),特別,當(dāng)R=Rf時(shí),式(10-8)變?yōu)?/p>
Uo=-(Ui1+Ui2+Ui3)
(10-9)當(dāng)僅有Ui1輸入時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出電壓Uo1為同樣,當(dāng)僅有Ui2、Ui3輸入時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出電壓Uo2Uo3分別為:這樣,當(dāng)Ui1、Ui2、Ui3均輸入時(shí),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(gè)輸入電壓之差成比例,減法運(yùn)算又稱為差動(dòng)比例運(yùn)算或差動(dòng)輸入放大。圖10-8即為減法運(yùn)算電路。由圖可見(jiàn),運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別接有輸入信號(hào)ui1和ui2。從電路結(jié)構(gòu)來(lái)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(shí),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(shí),該電路為反相輸入放大器,輸出電壓為這樣,當(dāng)Ui1、Ui2同時(shí)作用時(shí),其輸出電壓為uo1與uo2的疊加,即特別,當(dāng)R1=R2,R3=Rf時(shí),(10-11)而當(dāng)R1=Rf時(shí),
uo=ui2-ui1(10-12)可見(jiàn),輸出電壓與兩個(gè)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(duì)微分方程的模擬,能對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算。此外,積分運(yùn)算電路在控制和測(cè)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(shuō)明,輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分,實(shí)現(xiàn)了積分運(yùn)算。式中負(fù)號(hào)表示輸出與輸入相位相反。R1C為積分時(shí)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(shí),(10-13)式變?yōu)橛缮鲜娇梢钥闯?,?dāng)輸入電壓固定時(shí),由集成運(yùn)放構(gòu)成的積分電路,在電容充電過(guò)程(即積分過(guò)程)中,輸出電壓(即電容兩端電壓)隨時(shí)間作線性增長(zhǎng),增長(zhǎng)速度均勻。而簡(jiǎn)單的RC積分電路所能實(shí)現(xiàn)的則是電容兩端電壓隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),只在很小范圍內(nèi)可近似為線性關(guān)系。從這一點(diǎn)來(lái)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(dòng)控制系統(tǒng)中用以延緩過(guò)渡過(guò)程的沖擊,使被控制的電動(dòng)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(dòng)機(jī)械的損壞。積分電路還常用來(lái)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(jiàn),輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分成比例,實(shí)現(xiàn)了微分運(yùn)算。式中負(fù)號(hào)表示輸出與輸入相位相反。RfC為微分時(shí)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(gè)高通網(wǎng)絡(luò),對(duì)高頻干擾及高頻噪聲反應(yīng)靈敏,會(huì)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(hào)處理方面的應(yīng)用
在通信系統(tǒng)以及自動(dòng)控制電路中,經(jīng)常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,如信號(hào)的濾波、信號(hào)的采樣和保持、信號(hào)幅度的比較等。在信號(hào)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(hào)處理方面的應(yīng)用。10.4.1有源濾波器對(duì)信號(hào)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(hào)能順利通過(guò),而對(duì)于其他頻段的信號(hào)則進(jìn)行很大的衰減甚至抑制。僅由無(wú)源元件電阻、電容或電感組成的濾波器稱為無(wú)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(lái)命名,例如,低通濾波器為能通過(guò)低頻信號(hào)而抑制高頻信號(hào)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(guò)特定頻帶范圍內(nèi)信號(hào)的濾波器;帶阻濾波器是只在特定頻率范圍內(nèi)信號(hào)不能通過(guò)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(wú)源低通濾波器,運(yùn)算放大器接成同相比例放大組態(tài),對(duì)輸入信號(hào)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(hào)頻率越高,相應(yīng)的輸出信號(hào)越小,而低頻信號(hào)則可得到有效的放大,故稱為低通濾波器。令,則當(dāng)ω=ω0時(shí),|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(hào),而讓高頻信號(hào)順利通過(guò)。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(duì)于低于截止頻率的低頻信號(hào),|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(hào)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(shí),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(cè)量電路和控制電路中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
1.單門(mén)限電壓比較器
單門(mén)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(shí),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(guò)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(mén)限電壓比較電路圖10-14過(guò)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(mén)限電壓是在某一個(gè)固定值上,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),如果實(shí)際測(cè)得的信號(hào)存在外界干擾,即在正弦波上疊加了高頻干擾,過(guò)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(shí),將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為上門(mén)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(shí),將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為下門(mén)限電平,用UTH2表示,則有(10-15)通過(guò)式(10-14)和式(10-15)可以看出,上門(mén)限電平UTH1的值比下門(mén)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(mén)限電壓UTH1與下門(mén)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(hào)的峰值小于半個(gè)回差電壓,比較器就不會(huì)因?yàn)楦蓴_而誤動(dòng)作。
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