模拟电子电路基础7.2 集成运放的一般结构

7.3 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用7.3.1 集成运放等效模型及应用集成运放等效模型及应用 7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）休息 1 休息 2返回7.3.3 同相输入应用同相输入应用(Noninuarting)7.3.4 差分输入（差分输入（Difference-Mode input）7.3.5 实用运算电路分析实用运算电路分析7.3.1 集成运放等效模型及应用集成运放等效模型及应用1理理想想运运放放及及等等效效模模型型。(Ideal Operational and Equivalent Model)(1)理理想想运运放放主主要要特特点点：RCMRicidudS,BW,K,R,R,A EOBCOBOBOBOBIBEIOCIOIOIOIOEI,EI,tI,TII,I,EU,EU,tU,TUU.0A,R,i,euCOnn(2)理理想想运运放放等等效效模模型型：“零零子子”：端端子子间间电电压压为为零零，流流过过电电流流为为零零的的二二端端电电路路元元件件。“任任意意子子”：端端子子间间电电压压为为任任意意，流流过过电电流流为为任任意意值值的的二二端端电电路路元元件件。理理想想运运放放等等效效模模型型：常数常数任意值任意值零子电路符号零子电路符号任意子电路符号任意子电路符号 u i0i 0u idu u u I I0u休息1 休息2返回7.3.1 集成运放等效模型及应用集成运放等效模型及应用：理想运放输出为有限值：理想运放输出为有限值 0u 由由于于 udA.0Auuuuud0id 特特性性虚虚短短称称为为理理想想运运放放的的uu ：由由于于 icidRR,0RuIIIididid .特特性性虚虚断断称称为为理理想想运运放放的的运运放放不不获获取取电电流流 0II：输出端为任意子，理想电压源：输出端为任意子，理想电压源(0R0)运运放放电电路路简简化化分分析析的的要要点点：输输出出端端理理想想电电压压源源虚虚断断运运放放不不获获取取电电流流虚虚短短电电位位同同相相端端电电位位等等于于反反相相端端0IIuu idu u u I I0u休息1 休息2返回7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）电电 路路 结结 构构：信信号号 sui经经 1由由反反相相输输入入端端输输入入)s(u0)s(ui)(11RZ)(FFRZrR u)(sI)(sIf1F,为为反反馈馈网网络络，相相当当于于电电压压并并联联负负反反馈馈。同同 相相 输输 入入 端端 经经rR接接 地地，rR：平平衡衡电电阻阻。rR=1/F 电电路路性性能能分分析析：根根据据理理想想运运放放特特性性：“零零子子”，Sff1IsIsI)s(I,0)s(I )(sI1 ”“虚虚地地.0ususu f01iZsusuZsusu 有有 1F1Fi0ufRRZZsusuA 有有 111111iifRZSIZsIsIsuZ f01iZsuZsu Rif休息1 休息2返回7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）(1)比比例例运运算算放放大大器器（反反向向运运放放）11ffRZRZ ,iuf1rRRR/1RfR0u电电压压增增益益1fufRRA 输输入入电电阻阻：1RRif；输输出出阻阻抗抗：R0=0(2)求求和和运运放放（反反相相加加法法器器）点点为为虚虚地地：0uuu 111RuI 222RuI uf0f333RuI,RuI 1I2I3IfI1R2R3R1u2u3u If321rRRRRR/0ufRf321IIII,0I 3211f0321uuuRRVRRR 时时，当当优优点点：1）改改变变321R,R,R可可调调相相加加比比例例参参数数。2）由由于于点点为为虚虚地地，输输入入信信号号之之间间满满 足足线线性性叠叠加加定定理理，互互不不影影响响。.电路仿真电路仿真返回7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）（3）积积分分运运算算CfZC t0fCdt)t(iC1uCufi而而1i1fRuii 1i)t(ui1R dttuCR1dtRtuC1tut0i1t01ic 0u 点点：虚虚地地又又 t0i1c0.dttuCR1tutu0u1rRR 例例：理理想想积积分分：电电容容C恒恒流流充充电电电电容容上上电电压压成成线线形形变变化化。当当 .tCREtuEtu10i )t(ui)t(u0tt uE电路仿真返回7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）（4）微微 分分 运运 算算1ZC .dttduCRtIRtu.dttductiifff0i1 ：虚地，：虚地，)t(ui u0ufRC1ifIfrRR （5）对对数数运运算算（非非线线性性运运算算电电路路）T 的的C B 短短 接接FRTiu1i1RrRBEufi0uA由由于于 PN 结结电电压压与与电电流流之之间间的的关关系系：TBETBEUusUusEfeI1eIii sfTBEIilnUu 虚虚 地地：1i1fRuii .BulnUIRlnulnUIRulnUuuiTs1iTs1iTBE0 式式中中：.uIRlnBis1无无关关的的常常量量与与 电路仿真电路仿真休息1休息2返回iu0u7.3.2 反相输入应用（反相输入应用（Inverting）（6）指指数数运运算算（非非线线性性运运算算电电路路）T 的的 CB 短短接接1R TBEUusE1eIii 由由虚虚地地：f01fiBERuiiuu i2Tiuk1UuSF1f0ekeIRiRu 式式中中：.U1K,IRKT2sF1 u+u-i1iE电路仿真休息1休息2返回7.3.3 同相输入应用同相输入应用(Noninuarting)电电路路结结构构：)s(ui2Z1ZfZ)s(u01IFI I I输输入入信信号号)s(ui作作用用在在同同相相输输入入端端。输输出出信信号号 )S(uo通通过过反反馈馈网网络络FZ，1Z到到反反相相输输入入端端。为为一一个个电电压压串串联联负负反反馈馈电电路路。为为使使输输入入端端平平衡衡对对称称，12ZZ/FZ 电电路路性性能能分分析析:由由理理想想运运放放“零零子子”：VV0II ususui 又又ou s-u=-FFZI 而而 sI1 1FZsusI susuo 1FZuZ 而而 susui 1FiZZ1su 电电压压增增益益：1FioufZZ1susuA 输输入入阻阻抗抗：0I.IsuZiif uu+u-休息1休息2返回0uiuFR2R 比比 例例 运运 算算)s(ui)s(u0 u1IFIII1RFR2R 11RRAFvf输输入入电电阻阻 ifR 如如果果u接接电电阻阻3R，则则有有321/RRRRF（静静态态平平衡衡）R3 1F323oiioufRR1RRRuuuuuuA32ifRRR 跟跟随随器器 当当0 ifR或或 1R时时，1RR1A1Fuf 右右图图所所示示电电路路中中fR与与2R接接 与与不不接接都都是是跟跟随随器器。电路仿真电路仿真7.3.3 同相输入应用同相输入应用(Noninuarting)u+u-休息1休息2返回求求和和运运算算（同同相相相相加加器器）由由同同相相放放大大器器知知：uRR1uFo u uFRR 根根据据叠叠加加原原理理：22111212uRRRuRRRu 2211uKuK 1u2u2R1R 其其 中中：21122121RRRKRRRK 21oF2121Fo212211F0uuuRR,RRuuRR121u,RRuKuKRR1u则则如如果果如如果果0u7.3.3 同相输入应用同相输入应用(Noninuarting)电路仿真休息1休息2返回7.3.3 差分输入（差分输入（Difference-Mode input）u1经经 R1加加 到到 反反 相相 输输 入入 端端。u2经经 R2加加 到到 同同 相相 输输 入入 端端。uo经经 Rf反反 馈馈 到到 反反 相相 输输 入入 端端。1u1R2u2R0uFR对对输输入入u1：电电压压并并联联负负反反馈馈。对对输输入入 u2：电电压压串串联联负负反反馈馈。利利 用用 叠叠 加加 原原 理理：令令11Fo2uRRu,0u 则则 令令21F323 o1uRR1RRRu,0u 则则 21F132311F ooouRRRRRRuRRuuu 有有由电路的静态平衡；由电路的静态平衡；3f21.32f1RR,RRR/RR/R 如如果果取取 121F0uuRRu 有有1F12oufRRuuuA （差差模模闭闭环环增增益益）3R电路仿真休息1休息2返回Uref7.3.5 实用运算电路分析实用运算电路分析具具有有温温度度补补偿偿的的对对数数放放大大电电路路 同同相相放放大大器器减减法法电电路路为为对对数数放放大大器器:A:A:A,A4321uiuou2u1uo如如果果 T1、T2特特性性相相同同，反反相相饱饱合合电电流流也也相相等等，即即IS 1=IS 2=IS则则有有：为为外外接接基基准准电电压压其其中中refS1refT2S1iT1U),IRUln(Uu)IRuln(Uu 有有refiTS1refS1iT120UulnU)IRUln()IRuln(Uuuu 由由 于于变变化化而而变变化化将将随随温温度度因因此此Tu,q/kTU0T 而而经经同同相相放放大大后后，输输出出电电压压u0为为)Uuln(qkT)RR1(urefit20 可可 见见 如如 果果 采采 用用 正正 温温 度度 系系 数数 的的 热热 敏敏 电电 阻阻 Rt可可 达达 到到 温温 度度 补补 偿偿 的的 作作 用用。电路仿真休息1休息2返回7.4 7.4 集成运放在电压比较器中的作用集成运放在电压比较器中的作用7.4.1 简单电压比较器简单电压比较器 7.4.2 电压比较器的应用实例电压比较器的应用实例 返回7.4.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器uiuoUREFEC-EE7.4.1 简单电压比较器简单电压比较器 电电压压比比较较器器是是用用于于模模拟拟输输入入电电压压与与基基准准电电压压间间进进行行比比较较的的电电路路。比比较较的的结结果果在在输输出出端端用用高高电电平平或或低低电电平平表表示示出出来来。电电压压比比较较器器是是模模拟拟信信号号和和数数字字信信号号间间的的桥桥梁梁，在在数数字字仪仪表表、自自动动控控制制、电电平平检检测测、波波形形产产生生诸诸多多方方面面应应用用极极广广。（1）电电压压比比较较器器基基本本概概念念 电电压压比比较较器器是是集集成成运运放放的的另另一一类类基基本本应应用用电电路路，作作用用是是对对两两个个输输入入电电压压进进行行比比较较，比比较较的的结结果果及及输输出出只只有有两两种种状状态态，既既高高电电平平和和低低电电平平。REFiUu 1UuOHo REFiUu 0UuOLo 比比较较器器 转转换换电电路路一一位位模模一一数数电电路路模模拟拟与与数数字字电电路路的的接接口口D/A比比较较器器 成成专专用用电电压压比比较较器器芯芯片片构构可可以以由由运运放放构构成成休息1休息2返回7.4.1 简单电压比较器简单电压比较器（2 2）鉴鉴别别灵灵敏敏度度 由由 于于 实实 际际 的的 运运 放放iudu,A 在在REFU附附 近近 的的 一一 个个 很很 小小 范范 围围 内内 存存 在在 一一 个个 鉴鉴 别别 不不 灵灵 敏敏 区区。UOLUOHUREF鉴 别鉴 别不 灵不 灵敏区敏区U uoui在在该该范范围围内内输输出出状状态态即即非非UOH又又非非UOL，故故无无法法实实现现对对输输入入电电平平大大小小进进行行判判别别。一一般般 UAud 鉴鉴别别灵灵敏敏度度（3）转转换换速速度度 输输出出状状态态产产生生转转换换所所需需要要的的时时间间，通通常常要要求求转转换换时时间间尽尽可可能能短短，以以便便实实现现高高速速比比较较。一一般般转转换换速速度度与与,SBWR有有关关 BW转转换换速速度度 RS转转换换速速度度休息1休息2返回uiuoEC-EE（3）同相比较器同相比较器 运运算算放放大大器器工工作作在在开开关关状状态态，基基准准 电电压压Uref 加加在在运运放放反反相相端端，Uref 值值可可由由电电 位位器器进进行行调调节节，输输入入信信号号ui加加在在运运放放的的同同 相相端端。基本电路功能：基本电路功能：refiUu 1EUucOHo refiUu 0EUuEOLo 输输出出、输输入入信信号号波波形形如如下下图图所所示示。UrefuitUrefUref00uouitUref 0 0Urefuo（ui-Uref）uOUOHUOL休息1休息2电路仿真返回uiuo-EEEC（4）反相比较器）反相比较器 右右图图是是一一个个实实际际的的反反相相比比较较器器电电路路。输输入入信信号号 ui加加在在运运放放的的反反相相端端，基基准准电电 压压 Uref 加加在在运运放放同同相相端端，Uref 值值可可由由电电 位位器器进进行行调调节节。UrefrefiUu 0EUuEOLo refiUu 1EUucOHo 基基本本电电路路功功能能：uOHuOL（ui-Uref）uO比比较较器器的的输输出出电电平平也也可可以以根根据据 要要求求改改变变。如如下下图图所所示示的的电电路路 中中，输输出出端端串串接接限限流流电电阻阻 R1，对对 地地串串接接两两只只稳稳压压管管。设设稳稳压压管管 的的稳稳压压值值分分别别为为 UZ1、UZ2，正正向向 道道通通电电压压 UD=0.7V，此此时时比比较较器器 的的输输出出电电平平为为（UZ2+UD）或或-（UZ1+UD）。电路仿真休息1休息2ui-EEECuoECuo返回uo uL uo ui ui 7.4.2 电压比较器的应用实例电压比较器的应用实例 窗窗口口检检测测电电路路ui uA uB L LE ED D3 3 L LE ED D2 2 L LE ED D1 1 6 6V V H H H H 暗暗 暗暗 亮亮 时时标标发发生生器器电电路路 电电路路由由过过零零电电压压比比较较器器，RC 微微分分电电路路（RCT）和和限限 幅幅二二极极管管 D 组组成成。当当运运放放同同相相 端端加加上上周周期期为为 T 的的输输入入信信号号时时，由由 vi 产产生生的的相相应应输输出出，uo，uo ，uL 如如右右图图所所示示。其其中中 uL 是是 一一系系列列周周期期为为 T 的的正正脉脉冲冲，可可 作作为为单单稳稳态态触触发发脉脉冲冲。3VuB6VuA电路仿真电路仿真休息1休息2ui uo uo uL 返回7.4.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器(1)简单比较器存在的问题：简单比较器存在的问题：输输出出电电压压高高频频脉脉冲冲边边缘缘不不够够陡陡峭峭，抗抗干干扰扰能能力力差差，iu在在REFU附附近近时时，由由于于干干扰扰，输输出出波波形形将将不不停停的的跳跳变变，直直到到iu远远离离REFU时时输输出出才才稳稳定定。0ut干扰信号REFUiu0u电路仿真休息1休息2返回uiuoUref7.4.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器（2）迟迟滞滞比比较较器器电电路路结结构构：2fRR,：引引入入正正反反馈馈，可可加加速速状状态态转转换换。21,ZZDD：输输出出限限幅幅。使使输输出出：1D2ZOL2D1ZOHUUUUUU sR为为稳稳压压管管限限流流电电阻阻，REFU为为参参考考电电平平。1.迟迟滞滞比比较较器器的的传传输输特特性性OF22REFF2FuRRRURRRu 而而 OLOHOUUu 当当Liuu 时时，oHoUu HOHF22REFF2FuURRRURRRu 只只有有当当Hiuu 后后，OLoUu LOLF22REFF2FuURRRURRRu )UU(RRRuuuOLOHF22LH uouiUoHUoLu+Hu+Lu 可可见见这这种种比比较较器器输输出出状状态态的的跳跳变变，并并不不是是发发生生在在同同一一个个输输入入信信号号电电平平上上。工工程程上上把把LHuuu 称称为为迟迟滞滞宽宽度度，改改变变正正反反馈馈量量的的大大小小可可以以自自由由调调节节迟迟带带宽宽度度。输输出出电电平平由由OHU跳跳变变到到OLU发发生生在在Hiuu 时时,.而而输输出出电电平平由由OLU跳跳变变到到OHU,发发生生在在 Liuu 电电 平平。uitu+Hu+Luou+电路仿真休息1休息2返回继续