1、计计 算算 机机 电电 路路 基基 础础第四章 集成运算放大器及信号处理电路第第4 4章章 集成运算放大器及信号处理集成运算放大器及信号处理电路电路4.1.1 4.1.1 运算放大器的指标运算放大器的指标4.1.24.1.2运算放大器运算放大器在线性状态下的工作在线性状态下的工作退出退出4.1.34.1.3运算放大器在非线性状态下的工作运算放大器在非线性状态下的工作4.14.1运算放大器的基本概念运算放大器的基本概念 在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放
2、就是将集成运算放大器的各项技术指标理想化，即放就是将集成运算放大器的各项技术指标理想化，即具有如下参数：具有如下参数： 开环差模电压增益开环差模电压增益A Aodod； 差模输入电阻差模输入电阻r ridid； 输出电阻输出电阻r ro o0 0； 共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR； -3dB-3dB带宽带宽f fH H； 输入失调电压输入失调电压U UIOIO、失调电流、失调电流I IIOIO、输入偏置电流、输入偏置电流I IIBIB以及他们的温漂均为零等等。以及他们的温漂均为零等等。4.1.24.1.2集成运算放大器在线性状态下的工作集成运算放大器在线性状态下的工作 当工作在线性区时
3、，集成运放的输出电压与两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即 （4.1.1） 式中uo是集成运放的输出端电压； u+和u-分别是其同相输入端和反相输入端的电压； Aod是其开环差模电压增益。)(uuAuodo1 1）理想集成运放的差模输入电压等于零）理想集成运放的差模输入电压等于零 由于集成运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式(4.1.1)所示的关系式。而且，因理想运放的Aod，所以由式(4.1.1)可得 即 (4.1.2) 上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只是表面上似乎短路了，因而是虚假的短路，所以将这种现象称为
4、“虚短”。- -A Ao od d+ +u u+ +i i+ +i i- -u u- -u uO O0odoAuuu0odoAuuu2 2）理想集成运放的输入电流等于零）理想集成运放的输入电流等于零 由于理想集成运放的差模输入电阻rid，因此在其两个输入端均没有电流，即 (4.1.3) 此时，运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开了一样，这种现象称为“虚断”。 “虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论。这两个重要结论常常作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢记住并掌握。 0ii3 3、运算放大器在非线性状态下的工作、运算放大器在非线性状态下的工
5、作 如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压不会再随着输入电压的增长线性增长，而将进入饱和状态，集成运放的传输特性如图4.1.3所示。 1 1）理想集成运放输出电压）理想集成运放输出电压u uO O的值只有两种可能的值只有两种可能理想特性实际特性uOO OOPP+ +UOPP- -Uu+ +-u u-非线性区非线性区线性区运放输出分别等于运放的正向最大输出电压UOPP，或等于其负向最大输出电压UOPP，如图4.1.3中的粗线所示。当u+u时, uO+UOPP当u+ UZ。 当uI0，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导通，uOUZ。比较电路的传输特性如图(c)所示。 也可以在集
6、成运放的输出端接一个电阻和两个稳压管来实现限幅，如图4.4.2(b)所示 。不难看出，此时过零比较电路的传输特性仍如图4.4.2(c)所示。这两个电路的不同之处在于，图4.4.2(a)电路中的集成运放，由于当稳压管反向击穿时引入一个深度负反馈，所以此时工作在线性区；而图4.4.2(b)电路中的集成运放处于开环状态，所以工作在非线性区。 - -A A+ +u uI Iu uO Ou uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO OR R- -A A+ +u uI Iu uO OR RVDVDVDVDZZR R2、单限比较电路、单限比较电路 所谓单限比较电路是指只有一个门限电平的比较电路，当
7、输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。 实现单限比较的电路可有多种，其中一种如图4.4.3(a)所示，可以看出，此电路是在图4.4.2(a)所示过零比较电路的基础上，将参考电压UREF通过电阻R2，也接在集成运放的反相输入端而得到的，目的是引入一个用于比较的门限电平。 u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U UREFREFR R, , 由图4.4.3(a)可见，集成运放的同相输入端通过电阻接地，因此，当输入电压uI变化时，若反相输入
8、端的电位u0，则输出端的状态将发生跳变。根据“虚断”的特点，并利用叠加原理，求得此时反相输入端的电位为 （4.4.1） 由上式可解得门限电平为此单限比较电路的传输特性见图4.4.3(b)。对比4.4.3(b)和4.4.2(b)中的传输特性可知，前面介绍的过零比较电路，实际上也是一个门限电平等于零的单限比较电路，也属于单限比较电路的范围。 0211212REFIURRRuRRRuREFITURRuU21u uO Ou uI I-U-UZ Z+U+UZ ZO O- -A A+ +u uI Iu uO OR R1 1VDVDZ ZR R1 1- -U UREFREFR R2 2R R2 2U URE
9、FREFR R, ,3、滞回比较电路、滞回比较电路 单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，见右图 (a)，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，见右图 (b)，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。u uI Iu uO Ou uT T+ +u uT T- -+ +U UZ Z- -U UZ Zu uO O+ +U UZ Z- -U UZ Zt tt tt t门门 限限 电电 平平图图 （ a a) )图图 （ b b) )图图 （ c c) ) 为了解决以上问题，可以采用具有滞回传
10、输特性的比较电路。滞回比较电路又名施密特触发器，这种比较电路有两个可变的比较门限电平，故传输特性呈滞回形状，其电路见图4.4.5(a)。输入电压uI经电阻R1加在集成运放的反相输入端，参考电压UREF经电阻R2接在同相输入端，此外从输出端通过电阻RF引回到同相输入端。电阻R和背靠背串连的稳压管VDz的作用只是限幅，将输出电压的幅度限制在UZ。 u uO Ou uI I- -U UZ Z+ +U UZ ZO OU UR RE EF FA A+ +u uI Iu uO OR RV VD DZ ZR RF FR R2 2R R1 1+ +u uT T- -u uT T+ +- - 电路中，当集成运放
11、反相与同相输入端的电位相等，即时，输出端的状态将发生跳变。其中 u+则有参考电压UREF和输出电压uO两者共同决定，而uO有两种不同的状态：UZ和+UZ，由此可见，使输出电压由UZ跳变到+UZ和输出电压由+UZ跳变到UZ所需要的电压是不同的。即这种比较电路有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，见图4.4.5(b)。图4.4.4(c)为存在干扰时，滞回比较电路的输出特性，可见其性能得到大大改善。 Iuu u uO Ou uI I- -U UZ Z+ +U UZ ZO OU UR RE EF FA A+ +u uI Iu uO OR RV VD DZ ZR RF FR R2 2R R1 1+
12、 +u uT T- -u uT T+ +- -比较电路的两个门限电平值，可用叠加定理求出： 若原来输出电压为UZ，当逐渐减小uI时，uO从UZ跳变到+UZ所需的门限电平用表示，则 若原来输出电压为+UZ，当逐渐增大uI时，uO从+UZ跳变到UZ所需的门限电平用表示，则 上述两个门限电平的差称为回差或门限宽度，用符号表示是： 由上式可见：门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压UZ以及电阻R2和RF的值。但与参考电压UREF无关。改变UREF的大小可以调节两个门限电平和的大小，但两者之差不变。即当UREF增大或减小时，传输特性将平行的左移或右移。 ZFREFFFTURRRURRRu222ZFREFFF
13、TURRRURRRu222ZFTTTURRRuuu2224、双限比较电路、双限比较电路 在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是否处在两个给定的门限电平之间，这就要求比较电路有两个门限电平，这种比较电路称为双限比较电路。双限比较电路的一种电路如图4.4.6(a)所示。电路由两个集成运放组成，输入电压uI各通过一个电阻R分别接到A1的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UREF1和UREF2分别加在A1的反相输入端和A2的同相输入端，其中UREF1 UREF2，两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，作为双限比较电路的输出端。 - -A A1 1+ +u uR RU UR RE
14、 EF F1 1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UR RE EF F2 2V VD D1 1V VD D2 2R RL Lu uO O+ +U UT TH HU UT TL Lu uI Iu uO OO O 若uI低于UREF2(当然更低于UREF1)，此时运放A1输出低电平，A2输出高电平，于是二极管VD1截止，VD2导通，则输出电压uO为高电平。 若uI高于UREF1(当然更高于UREF2)，此时A1输出高电平，A2输出低电平，则VDl导通，VD2截止，输出电压uo也为高电平。 只有当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VDl、VD2
15、均截止，则输出电压uO为低电平。比较电路的传输特性如图4.4.6(b)所示。由图可见，这种比较电路有两个门限电平：上门限电平UTH和下门限电平UTL。在本电路中，UTHUREF1，UTLUREF2。由于这种比较电路的传输特性形状像一个窗孔，所以又称为窗孔比较电路。 - -A A1 1+ +u uR RU UR RE EF F1 1- -A A2 2+ +R RI IR RR RU UR RE EF F2 2V VD D1 1V VD D2 2R RL Lu uO O+ +U UT TH HU UT TL Lu uI Iu uO OO O5、集成电压比较器、集成电压比较器 选用时需要考虑以下两个
16、因素：首先，由于通用集成运放主要是根据线性放大的要求而设计的，因此相对来说工作速度比较慢。而专用的集成电压比较器，总是将缩短响应时间、提高工作速度作为设计的主要目标之一。如果要求得到同样的响应时间，一般情况下专用集成电压比较器的价格比较低。其次，专用集成电压比较器的输出电平一般可直接与TTL等数字电路兼容，而通用集成运放的输出电压通常比较高，为了适应数字电路的逻辑电平，常常需要另外增加限幅措施。 对集成电压比较器的要求主要有以下几方面： (1)应具有较高的开环差模增益Aod。开环差模增益愈高，则比较器输出状态发生跳变所需加在输入端的差值电压愈小，比较器的灵敏度愈高。 (2)应有较快的响应速度。比较器的一项重要指标是响应时间，其含义是，当输入端加上一个阶跃电压时，输出电压从逻辑低电平跳变为逻辑高电平所需的时间。 (3)应有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高。在很多情况下，加在比较器两个输入端的模拟输入电压和参考电压比较高，因此，比较器将承受较高的共模输入电压，如共模抑制比不够高，将会影响比较器的精度。 (4)要求失调电压、失调电流以及他们的温漂比较低。这和一般的运放是一样的，如果失调电压、失调电流较大，将影响比较器的精度；如果温度漂移较大，则将影响比较器的稳定性。
