1、第五章第五章 集成运算放大器集成运算放大器 5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 5.2 理想集成运放及其分析特点理想集成运放及其分析特点 5.3 集成集成运运算放大器的线性应用算放大器的线性应用5.4 有源滤波电路有源滤波电路 5.5 电压比较器电压比较器 集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为了抑制零点漂移,所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路，为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路。5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介输入级中间级输出
2、级偏置电路UoUi图5-1 集成运放框图 集成运放的内部电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。5.1.1 集成运算放大器的电路构成及特点集成运算放大器的电路构成及特点 15 VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5IR30 pFR7R8V15V18V19V14VD1VD2R9R10 15 V8uiIC1 k50 kRw3 k39 kC4.5 k7.5 k50 k25 kuo外接调零电位器输入级偏置电路中间级输出级9IC101 k图图 5 2 F007的电路原理图的电路原理图1 偏置电路偏置电路 UCC UEER5V11R
3、4V10V12V13至中间级IR至输入级I34IC9V9V8IC8IC13IC10图图 5-3F007的偏置电路的偏置电路 51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICC2 输入级输入级 V8V9V2V4I34UoV61 k 50 k 1 k V7V5V3V1 15 V 15 VI ICIC9Ui1Ui21 k 10 k 10图 5 4 的输入级 F007 V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:910981234CCCCIIIIIIITCC(因为IC10是恒定电流)12CCI
4、I34CCII3 中间级中间级 7.5 kR84.5 kR7R539 kIR30 pFV16V11V17V12V13IC133 kV10Ui15 V至输出级15 VV15图 5 5F0 0 7的中间级 4 输出级和过载保护输出级和过载保护 V15VD1VD2R7R8V16V17V18V19R10R9V14V13Ui15 V15 VUo图 5-6F0 0 7的输出级 5.1.2 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即idoodUUA 对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增
5、益集成运放的Aod可高达140dB(107倍),理想集成运放认为Aod为无穷大。2.最大输出电压最大输出电压U op-p 0.1 0.2 0.3 0.4Uid/mV0.10.20.30.41010线性区Uo/VUid0图图 5 7 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 3.差模输入电阻差模输入电阻rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。4.输出电阻输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负
6、载能力。有时只用最大输出电流Io max表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。5.共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好,理想集成运放的CMRR为无穷大。6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uid max 从集成运放输入端看进去,一般都有两个或两个以上的发射结相串联,若输入端的差模电压过高,会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏,PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏,如F007的U id max为30V。7.最大共模输入电压最大共模输入电压U ic max 输入端共模信号超过一定数值后,集成运放
7、工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uic max值为13V。8.输入失调电压输入失调电压UIO 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器),它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时,输出也为零,但实际中往往输出不为零,将此电压折合到集成运放的输入端的电压,常称为输入失调电压UIO。其值在110mV范围,要求愈小愈好。9.输入偏置电流输入偏置电流IIB和输入失调电流和输入失调电流IIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流,用 表示;而将IB1、IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIO,即 IIB和IIO愈小,它
8、们的影响也愈小。IIB的数值通常为十分之几微安,则IIO更小。F007的IIB=200nA,IIO为50100nA。)(21211BBBIII211BBOIII 10.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 和输入失调电流温漂和输入失调电流温漂 它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响,使直流输出电压调至零伏,但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放 可做到0.9V/以下,可做到0.009A/以下。F007的dTdUo1dTdIo1dTdUo1dTdIo1CnAdTdICVdTdUOo/1,/302011 11.-3dB带宽带宽fh 随着输入信号频率上升
9、,放大电路的电压放大倍数将下降,当Aod下降到中频时的0.707倍时为截止频率,用分贝表示正好下降了3dB,故对应此时的频率fh称为上限截止频率,又常称为-3dB带宽。当输入信号频率继续增大时,Aod继续下降；当Aod=1时,与此对应的频率fc称为单位增益带宽。F007的fc=1MHz。12.转换速率转换速率SR 频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中,有时需要集成运放工作在大信号情况(输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压U op-p),此时用转换速率表示其特性dtdUSRo直流指标:。、dTdIdTdUIIUOOIBOO1111小信号指标:choidodffCMRRrrA、大信号指
10、标:。、SRUUIUicidopopmaxmaxmax5.2 理想集成运放及其分析特点理想集成运放及其分析特点5.2.1 集成运放的理想化集成运放的理想化 理想集成运放是将实际运放理想化，原因是由于实际运放的一些主要技术参数接近理想化的缘故。运放理想化的目的：使分析过程简化，而这种近似分析引入的误差又在工程允许的范围内。运放理想化条件：运放理想化条件：(1)开环电压放大倍数Aod=;(2)输入电阻rid=;ric=；(3)输入偏置电流IB1=IB2=0;(4)失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂 均为零。(5)共模抑制比CMRR=;(6)输出电阻rod=0;(7)-3dB带宽fh=;(
11、8)无干扰、噪声。dTdIdTdUIOIO、1 集成运放的线性工作区集成运放的线性工作区 放大器的线性工作区是指输出电压Uo与输入电压Ui成正比时的输入电压Ui的取值范围。记作Ui minUi max。uoiuoiiuOAUUAUUUAUmaxmaxminmin,Uo与Ui成正比,可表示为 5.2.2 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 代表运放同相输入端的电位；U代表运放反相输入端的电位；其中,与都是运放的差模输入电压,只是两者的规定正方向相反。当集成运放工作在线性区时,作为一个线性放大器件,它的输出信号和输入信号之间满足如下关系:UUUUUUUUUUAUUAUododo)(例如F007开
12、环时Aod=105,UOL=-10V,UOH=+10V,则其线性区为-0.1mV+0.1mV。如果外加负反馈,使闭环增益Auf=100,则mVVAUAUUmVVAUAUUufOHufoiufOLufoi1001.0100101001.010010maxmaxminminUUUUAUoodo0无究小量 对于理想运放,由于Aod=,Uo是有限值,所以当其工作在线性状态时,由公式(7-1)可得 00无究小量无究小量icicidrUIIrUII故2 集成运放的非线性工作区集成运放的非线性工作区 运放的非线性工作区是指其Uo与 不成比例时,的取值范围。在非线性工作区UUudoAU U正向饱合区UOHUO
13、L负向饱合区UoOU图 5 8 理想运放开环传输特性)47(,状态不定时当负向饱和时当正向饱和时当OHooLOLoOHoUUUUUUUUUUUUU 由于理想运放的rid=ric=,而输入电压总是有理值,所以不论输入电压是差模信号还是共模信号,流过两输入端的电流及均为无穷小量,即II0无穷小量II5.3 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用5.3.1 比例运算电路比例运算电路 1.反相比例运算电路反相比例运算电路 UoRfI1IIfUiR1RI图 5 9 反相比例运算电路 因为 ,所以0I0RIU又因为 ,所以 0U1110RURUUIUUUii0U因为，所以 fII 1ifffoU
14、RRRIU1该式表明,Uo与Ui是比例关系,其比例系数是Rf/R1,负号表示Uo与Ui相位相反。作为一个放大器,其闭环增益、输入电阻、输出电阻分别为所以 0111oiiffioufrRIUrRRUUA2.同相比例运算电路同相比例运算电路 UoRfI1IfUiR1RII图 5 10 同相比例运算电路 因为 ，所以0IiiUURIU因为 ，所以 0IiffffoifURRRRRRIRIURUII11111111IUrRRUUAiifiouf110or电压增益 输入电阻 输出电阻 若图 5-10 中的R1=或Rf=0,则Uo=Ui,此时,该电路构成电压跟随器,分别如图 5-11(a)、(b)所示。图
15、 5-11(a)中,Rf具有限流保护作用,R=Rf,以满足平衡条件RfUoRUi(a)UoUi(b)图 5 11 电压跟随器 3.差动比例运算电路差动比例运算电路 UoR1RfR2RpUi1Ui2Ii图 5 12 差动比例运算电路 21oooUUU)(111211foifoRRRUUURRU1222212112112ipippfoippfoippURRURRRRRRUURRRRPRUURRRUU因为 所以 所以 若满足平衡条件 R1Rf=R2Rp，则 1212ififoURRURRU若满足对称条件 R1=R2,Rf=Rp，则)()(211211iifoiifoUURRUUURRU或 当满足对称
16、条件时,其差模电压增益Aud为 02112121oiiiidfiioudrRRIUUrRRUUUA差模输入电阻为 输出电阻 5.3.2 加法运算电路加法运算电路1.反相加法运算电路反相加法运算电路 UoR1RfR2I3R3I2I1RIIfUi1Ui2Ui3图 5 13 反相求和电路 因为Rf引入负反馈,所以运放工作在线性区,故。0,0RUUII321321321RURURUIIIIiiif321321ifififoffoURRURRURRURIU反相求和电路可以模拟如下方程:)(221100XaXaXaY例如,要求用集成运算放大器实现)52(321iiioUUUU如果Rf=100k,电路如图5
17、-13所示,则只要选取 21RRfkR50112RRf53RRfkR1002kR203则kkkkkR1.1120/100/100/50图 5-13 所示电路对 呈现的输入电阻分别为321iiiUUU、0332211332211oiiiiiirRIUrRIUrRIUr输出电阻为 2.同相求和电路同相求和电路 UoRfRbIcRcIbIaIIfRaR1I1Ui1Ui2Ui3图 5 14 同相求和电路 因为 ，所以UUI,0URRRRRRURRIRIRIUfffffo11111111)()(因为 所以,0I0cbaIII0321cibiaiRUURUURUU即 因为 cibiaiRURURURU32
18、1式中 R=RaRbRc，所以cibiaifoRURURURRRRU32111若满足平衡条件R=RaRbRc=R=R1Rf，则321icfibfiafoURRURRURRU该电路对 所呈现的输入电阻分别为321iiiUUU、bacciicabbiicbaaiiRRRIUrRRRIUrRRRIUr/332211输出电阻为 0or3.代数求和电路代数求和电路 UoR2RfR3R1R4Ui1Ui2Ui3Ui4图 5 15 代数求和电路 令 ,在 作用下,则043iiUU21iiUU 和021iiUU 令 ,在 作用下,则43iiUU 和21121ififoURRURRU)(43243ififoURR
19、URRRRU式中,R=R3R4,R=R1R2Rf故 2143122143)(ififififoooURRURRURRURRRRUUU若满足平衡条件 R=R，则21432143ififififoURRURRURRURRUUoRfRfR1R2RR4RfR3RUo1Ui3Ui4Ui1Ui2图 5 16 代数求和电路的常用形式 由于理想运放的输出电阻为零,所以其输出电压Uo不受负载的影响。当多级理想运放相连时,后级对前级的输出电压Uo不产生影响。2114312143ififoffoififoURRURRURRUURRURRU21432143ififififoURRURRURRURRU5.3.3 积分电
20、路和微分电路积分电路和微分电路 1.积分电路积分电路 uORCuI放电充电i1RuCiC图 5 17 反相积分电路基本形式 uuuCO由电路得 因为“-”端是虚地,即 ,并且 0u)0(1CCCudtiCu式中uC(0)是积分前时刻电容C上的电压,称为电容端电压的初始值。所以)0(1CCCOudtiCuu把 代入上式得RuiiC11)0(11COudtuRCu当uC(0)=0 时dtuRCuO11若输入电压是图 5-18(a)所示的阶跃电压,并假定uC(0)=0,则t0时,由于uI=E,所以tRCEdtERCuO1uIEOtuOOUOLt(a)阶跃输入t1t2t3t412T12TuIEO Et
21、uOO UomtUom(b)方波输入图5 18 基本积分电路的积分波形 当时间在t1 t2期间时,uI=+E,电容充电,其初始值 当时间在0t1期间时,uI=-E,电容放电tRCEdtERCutO101当t=t1时，uO=+Uom。21211)(11ttomttCCUdtERCtudtERCuomOCUtutu)()(11omomttCOUtRCEUdtERCuu211所以 当t=t2时,uO=-Uom。如此周而复始,即可得到三角波输出。uOuIRRCRf图5 19 实际积分运算电路 2.微分电路微分电路 uORiCiiFuICRuORuICRR1(a)基本微分电路(b)实际微分电路图5 20
22、 微分电路 因为 ,并且“-”端是虚地,所以 0idtduRCRiRiuCFO15.3.4 对数和指数运算电路对数和指数运算电路 1.对数运算电路对数运算电路 1TDUuSDeIi当 时，所以,将反相比例电路中的Rf用二极管或三极管代替,即可组成对数运算电路,如图5-21所示。TDUu TDUuSDeIi uOi1uIRRuDVDiD图5 21 基本对数运算电路 TDUuSDeIIi1当二极管正向导通时 由于“-”端是虚地，所以 Rui11DOuu)0(111uRIunUuSTOuOi1uIRRiCuBE图5 22 用三极管的对数运算电路 2.指数运算电路指数运算电路 uOiFuIRRVDiD
23、图 5 23 基本指数运算电路 由于“-”端是虚地,所以二极管的端电压uD为11uuuuD当uIUT时TUuSDeII1又因为 ，所以iF=iD，故0iTUuSDFOIRiRiu1Re5.3.5 乘法运算电路乘法运算电路 对数运算电路求和运算电路对数运算电路反对数运算电路uOuXuY图 5 24 简单乘法器框图 YXYXOuunununu)11(11kZuOuXuYXY图 5 25 集成乘法器电路符号 YXOukuu 2111kuukuukuuYXOuOR1RpiuX1uZR2kuX2图 5 26 除法电路 因为运放的“-”端是虚地,并且 ,所以 0i0211RuRuZX因为 ，由以上两式得O
24、XZukuu22112XXOuukRRu正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则21XXOuuuuOR1RpiuZR2k反相器uIuI图 5 27 开平方电路(uI0)因为运放的“-”端是虚地,并且 ,所以0i0211RuRuZ而 故,211OZkuuuu112ukRRuO正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则 1uuO 【例1】图 5-28 是一个由理想运放构成的高输入阻抗放大器,求其输入电阻ri。RR2R22R1R1I1RIIiUoRriUiUo2图 5 28 高输入阻抗放大器 解解 两个运放都外加有负反馈,所以都工作在线性区。iooioioiiUURRUURRURUURUI
25、II2221121122111111RRRRURRRRUIUrURRRRIiiiiiii当 时,。一般为防止自激,以保证ri为正值,R要略大于R1。01 RRir5.4 有源滤波电路有源滤波电路 RLUo.Ui.RCRLUo.Ui.CR10.7070Au.10.7070Au.o(a)低通滤波电路(b)高通滤波电路(c)低通幅频特性(d)高通幅频特性图图5 29 无源滤波器及其幅频特性无源滤波器及其幅频特性 RCjRCjCjRRUUAjRCjCjRCjUUAooouoou111111111111111图5-29(a)中：图5-29(b)中：它们的截止角频率均为 无源滤波电路主要存在如下问题:(1
26、)电路的增益小,最大仅为1。(2)带负载能力差。如在无源滤波电路的输出端接一负载电阻RL,如图5-29(a)、(b)虚线所示,则其截止频率和增益均随RL而变化。以低通滤波电路为例,接入RL后,传递函数将成为11)1(11/1/1ouLLLLLLLLLLLLujACRjRRRRRCRjRCRjRRCRjRRCjRRCjA式中 CRRRRARRRLoLLuLL1/可见增益 ,而截止频率。为了克服上述缺点,可将RC无源网络接至集成运放的输入端,组成有源滤波电路。1RRRALLuRCCRoLu115.4.1 低通滤波电路低通滤波电路 RfCRfRR1(a)RC接同相输入端R1RUi.Uo.CUi.Uo
27、.(b)RfC接反相输入端图5 30 低通滤波电路 oupffojARCjRRAURCjCjRUCjUURRU1111111111111输出电压为 而 所以传递函数为 低通滤波器的通带电压放大倍数是当工作频率趋近于零时,其输出电压Uo与其输入电压Ui的比值,记作Aup；截止角频率是随着工作频率的提高,电压放大倍数(传递函数的模)下降到 时,对应的角频率,记作o。对于图 5-30(a)：2/upARCRRAofup111101010.70720 dB/10 倍频程0(a)理想特性(b)一阶实际低通幅频特性AAup20 lg.01AAup20 lg.图5 31 低通滤波电路的幅频特性 1111RR
28、AjAjRRAfupoupofCRfo1RfC(a)二阶低通滤波电路R1RUo.Ui.RfCR1RUo.Ui.RCR(b)改进型二阶低通滤波电路C图5 32 二阶低通滤波电路 5.4.2 高通滤波电路高通滤波电路 RfCRRfCRR1(a)同相输入(b)反相输入R1Ui.Uo.Ui.Uo.图5 33 高通滤波电路 以图5-33(a)为例进行讲解。ifoiifoURCjRRUURCjUCjRRUURRU111)11111)111所以 则 oupiojAUUA1RRAAfup1RCupAAo12式中Aup为通带电压放大倍数 通带截止角频率 10AAup20 lg10(a)理想幅频特性AAup20
29、lg.10.70720 dB/10 倍频程0(b)实际高通幅频特性01.图5 34 高通滤波器的幅频特性 其幅频特性如图5-34所示。同样的方法可以得到图5-33(b)的特性 oupofjAjRRA111CRRRAfofup11式中 Rf(a)二阶高通滤波电路R1RUo.Ui.(b)改进型二阶高通滤波电路CCRRfR1RUo.Ui.CCR图5 35 二阶高通滤波电路 5.4.3 带通滤波电路和带阻滤波电路带通滤波电路和带阻滤波电路 将截止频率为h的低通滤波电路和截止频率为l的高通滤波电路进行不同的组合,就可获得带通滤波电路和带阻滤波电路。如图5-36(a)所示,将一个低通滤波电路和一个高通滤波
30、电路“串接”组成带通滤波电路,h的信号被低通滤波电路滤掉,l的信号被高通滤波电路滤掉,只有当lh时信号才能通过,显然,hl才能组成带通电路。图5-36(b)为一个低通滤波电路和一个高通滤波电路“并联”组成的带阻滤波电路,h信号从低通滤波电路中通过,l的信号从高通滤波电路通过,只有hl的信号无法通过,同样,hl才能组成带阻电路。低通高通低通AAup.OhUo.1高通AAup.Ol1阻Ol1h通阻Ui.低通高通Uo.Ui.低通AAup.Oh1AAup.Ol1高通阻Ol1h通通(a)带通滤波电路(b)带阻滤波电路AAup.AAup.图图5 36 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图带通滤波和带阻滤波电
31、路的组成原理图 Rf(a)带通滤波电路R1R2Uo.Ui.(b)带阻滤波电路CCR3RfR1Uo.Ui.CCRRR22CR图5 37 带通滤波和带阻滤波的典型电路5.5 电电 压压 比比 较较 器器 当 时,Uo=UOH(正向饱和)当 时,Uo=UOL(负向饱和)当 时,UOLUoUOH(状态不定)UUUUUU 1.比较器的阈值比较器的阈值 比较器的输出状态发生跳变的时刻,所对应的输入电压值叫作比较器的阈值电压,简称阈值；或叫门限电压,简称门限。记作UTH。2.比较器的传输特性比较器的传输特性 比较器的输出电压uO与输入电压uI之间的对应关系叫作比较器的传输特性,它可用曲线表示,也可用方程式表
32、示。3.比较器的组态比较器的组态 若输入电压uI从运放的“-”端输入,则称为反相比较器；若输入电压uI从运放的“+”端输入,则称为同相比较器。5.5.1 简单电压比较器简单电压比较器 uIuOURURuOuI(a)反相比较器(b)同相比较器图 5 38 简单电压比较器 uIURUOHuOUOLOuIURUOHuOUOLO(a)图7-32(a)的传输特性(b)图7-32(b)的传输特性图 5 39 简单电压比较器的传输特性 【例2】在图 5-38(a)所示的电路中,输入电压uI为正弦波,画出UR0,UR0,UR=0 时的输出电压波形。解解 由图 5-38(a)求得：UTH=UR所以,当UR0时,
33、UTH0；UR0时,UTH0；UR=0时,UTH=0。三种情况下的输出电压波形如图 5-40 所示。uIUROuO UOHO UOLuI UROuO UOHO UOLw tw tw tw tuIOuO UOHO UOLw tw t(a)UR0(b)UR0(c)UR0图 5 40 例 2 输出波形 uIuO(a)VD1URR2VDzR1RpVD2uIuO(b)VD2VD1URR2VDzR1RpVD3图 5 41 具有输入保护和输出限幅的比较器 5.5.2 滞回比较器滞回比较器 uIuOUOHUOLOO(a)(b)tt图5 42 噪声干扰对简单比较器的影响(a)同相滞回比较器R1R2R3uIURu
34、O(b)反相滞回比较器R1R2R3URuIuO图5 43 滞回比较器1323322uRRRuRRRuUuOR从图5-43(a)可得 uu当 时所对应的uI值就是阈值,即 ORTHuRRURRU32321OLRTHURRURRU323211OHRTHURRURRU323212当uO=UOL时得上阈值:当uO=UOH时得下阈值：uOuIOuOuIO(a)同相滞回比较器(b)反相滞回比较器UTH1UTH2UTH1UTH2图5 44 滞回比较器的传输特性同样的方法可求得反相滞回比较器的阈值电压和传输特性:32231RRURURUOHRTH32232RRURURUOLRTH 【例3】指出图5-45中各电
35、路属于何种类型的比较器,并画出相应的传输特性。设集成运放UOH=12V,UOL=-12V,各稳压管的稳压值Uz=6V,VDz和VD 的正向导通压降UD=0.7V。R1R2RuIURuO3k2kVDz(a)R1uIuO(b)VDzRR2URuO(c)VDuI10 kR1Rf20 k5 V9 VR图5 45 例3图 解解 图 5-45(a)是一个同相简单电压比较器。因为 ,所以可利用叠加原理求得0iiRURRRuRRRu2111212而 ，故0uVURRuURuuTH5.7211该比较器的输出高电平 及输出低电平 分别为VUUVUUDOLzOH7.0,6OHUOLUuOuI60.707.51202
36、912uIuOuO0.706uI(a)(b)(c)图 5 46 例 3 的传输特性 根据阈值的定义,要求解UTH,应当在 的时刻进行。这里 是指二者真正相等,而不是指“+”端与“-”端之间虚短路。当 时,uO=0。而 uu uu uu0u0Riuu所以,VDz的端电压的绝对值uDz为0ODzuuu可见,在 时,稳压管VDz必定截止,可视之为开路因此,应当在VDz开路的情况下,求解图 5-39(b)的UTH。此时 uu00,11uuTHuURiuuu故 所以该电路是过零比较器。当uI0时,稳压器VDz不是反向击穿,就是正向导通。在这两种情况下,VDz的等效电阻都不大,因而可以对运放产生很强的负反
37、馈。所以该比较器中的运放是工作在线性区,其“-”端是虚地。由此可以求得,该比较器输出的高电平 及低电平 分别为OHUOLUVUUVUzOLOH6,7.0 按照求得的UTH、和 即可画出其传输特性,如图 5-46(b)所示。OHUOLU 本例说明,比较器中的运放并非全都工作在非线性区,有些比较器中的运放是工作在线性区。图 5-45(c)是反相滞回比较器。当uI较低,以致使 时,输出电压uO=UOH=12V,而UR=9V,由电路可以看出,此时二极管VD必定截止,可视之为开路。在此情况下,运放相当于开环工作,由此求得上阈值为 uuVUURTH91 当uI较高,以致使 时,输出电压uO=UOL=-12
38、V,而UR=9V,此时二极管必定导通,可视之为短路,由此求得下阈值为 uuVURRRURRRUOLfRffTH22222 该比较器的输出电压等于其运放的输出电压。按照求得的 和UOL,再根据滞回比较器的工作原理,即可画出其传输特性,如图 5-46(c)所示。OHTHTHUUU、21 【例4】滞回比较器如图 5-43(a)所示,其上、下阈值及输入波形如图 5-47(a)所示,其中虚线三角波是未受干扰时的输入波形,实线是受干扰后的输入波形,请画出受干扰后的输出电压波形。解解 图 5-43(a)是同相滞回比较器,根据其传输特性可知,当其输出低电平时,只有在输入电压高于上阈值后,输出才能跳变成高电平；
39、反之,当其输出高电平时,只有在输入电压低于下阈值后,输出才能跳变成低电平。uOUOHUOLOtt1t2t3tuIUT HUT HO(a)(b)t1t2t312图 5 47 例4输入、输出波形 5.5.3 窗口比较器窗口比较器 UBVD1RRRUIUAuO1uO2uOUOHUBUAuI(a)电路图(b)传输特性RVD2uOO图5 48 窗口比较器 当uIUA时,uO1为高电平,VD1导通;uO2为低电平,VD2截止,即uO=uO1=UOH。当uIUB时,uO1为低电平,VD1截止;uO2为高电平,VD2导通,即uO=uO2=UOH。当UBuIUA时,uO1=uO2=UOL,二极管VD1、VD2均截止,uO=0V,其传输特性如图5-48(b)所示。窗口比较器电路如图5-48(a)所示。其工作原理如下:集成电压比较器内部电路的结构和工作原理与集成运算放大器十分相似,但由于用途不同,集成电压比较器有其固有的特点:(1)集成电压比较器,可直接驱动TTL等数字集成电路器件。(2)一般集成电压比较器的响应速度比同等价格集成运放构成的比较器的响应速度要快。(3)为提高速度,集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。
