集成运算放大器及其应用电路课件

6.4 6.4 集成电压比较器集成电压比较器6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 第六章第六章 集成运算放大器及其应用电路集成运算放大器及其应用电路 6.4 集成电压比较器6.1 集成运放应用电路的组成原理 第16.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 根根据据集集成成运运放放自自身身所所处处的的工工作作状状态态，运运放放应应用用电电路路分分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路和非线性应用电路两大类。q 线性应用电路线性应用电路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或或Zf采采用用非非线线性性器器件件（如如三三极极管管），则则可可构构成成对对数数、反反对数、乘法、除法对数、乘法、除法等运算电路。等运算电路。Z1或或Zf采用线性器件采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。分等运算电路。组成：组成：集成运放外加深度负反馈。集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。工作，故运放处于线性状态。6.1 集成运放应用电路的组成原理 根据集成运放自身所2q 非线性应用电路非线性应用电路 -+AvovIVREF组成特点：组成特点：运放运放开环工作。开环工作。由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。例如电压比较器。6.1.1 6.1.1 集成运放理想化条件下两条重要法则集成运放理想化条件下两条重要法则 理理想想运运放放 失调和漂移0 推论推论因因则则因因则则 非线性应用电路-AvovIVREF组成特点：运放开环工作3说明：说明：相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚短路虚短路”。虚短路不能理解虚短路不能理解为两两输入端短接，只是入端短接，只是(v-v+)的的值小到了可以忽略不小到了可以忽略不计的程度。的程度。实际上，运放上，运放正是利用正是利用这个极其微小的差个极其微小的差值进行行电压放大的。放大的。同同样，虚虚断断路路不不能能理理解解为输入入端端开开路路，只只是是输入入电流小到了可以忽略不流小到了可以忽略不计的程度。的程度。相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚断路虚断路”。实实际际运运放放低低频频工工作作时时特特性性接接近近理理想想化化，因因此此可可利利用用“虚虚短短、虚虚断断”运运算算法法则则分分析析运运放放应应用用电电路路。此此时时，电电路路输输出出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。说明：相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输4q 集成运放基本应用电路集成运放基本应用电路 反相放大器反相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压并联负反馈类型：电压并联负反馈 因因则则反相输入端反相输入端“虚地虚地”。因因则则由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻因因因深度电压负反馈因深度电压负反馈，集成运放基本应用电路 反相放大器-AR1Rf+-vsv5 同相放大器同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈类型：电压串联负反馈 因因则则注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虚地虚地”。因因由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻因深度电压负反馈因深度电压负反馈，因因则则 同相放大器-AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联6 同相跟随器同相跟随器 -+A+-vsvo由图得由图得因因由于由于所以，同相跟随器性能所以，同相跟随器性能优于优于射随器。射随器。q 归纳与推广归纳与推广 当当R1、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：为线性电抗元件时，在复频域内：反相放大器反相放大器同相放大器同相放大器拉氏反变换拉氏反变换 得得注：注：拉氏反变换时拉氏反变换时 同相跟随器-A+-vsvo由图得因由于所以，同相跟随器性7q 加、减运算电路加、减运算电路 反相加法器反相加法器 6.1.2 6.1.2 运算电路运算电路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因因则则因因则则即即整理得整理得说明：说明：线性电路除可以采用线性电路除可以采用“虚短、虚断虚短、虚断”概念外，还可概念外，还可采采 用叠加原理进行分析。用叠加原理进行分析。令令vs2=0则则令令vs1=0则则例如例如 加、减运算电路 反相加法器 6.1.2 运算电路-AR28 同相加法器同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：利用叠加原理：则则 减法器减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令vs2=0，则则令令vs1=0，同相加法器-AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利9q 积分和微分电路积分和微分电路 有源积分器有源积分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则方法一：利用运算法则则则方法二：利用方法二：利用拉氏变换拉氏变换拉氏反变换得拉氏反变换得 积分和微分电路 有源积分器-ARC+-vsvo方法一：10 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏变换：拉氏变换：拉氏反变换得拉氏反变换得-+ARC+-vsvo 波形变换波形变换 tvs0输入方波输入方波积分输出三角波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲微分输出尖脉冲tvo0 有源微分器 利用拉氏变换：拉氏反变换得-ARC+-vsvo11q 对数、反对数变换器对数、反对数变换器 对数变换器对数变换器 -+AR+-vsvo利用运算法得：利用运算法得：由于由于整理得整理得缺点：缺点：vo受温度影响大、动态范围小。受温度影响大、动态范围小。vs必须大于必须大于0。对数、反对数变换器 对数变换器-AR+-vsvo利用运12 反对数变换器反对数变换器 利用运算法则得利用运算法则得由于由于整理得整理得缺点：缺点：vo受温度影响大。受温度影响大。vs必须小于必须小于0。-+AR+-vsvoT 反对数变换器 利用运算法则得由于整理得缺点：vo受温度影响136.1.3 6.1.3 仪器放大器仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。特点：特点：KCMR很高、很高、Ri 很大，很大，Av 在很大范围内可调。在很大范围内可调。q 三运放仪器放大器三运放仪器放大器 由由得得由由得得由由减法器减法器A3得：得：若若R1=R2、R3=R5、R4=R6 整理得整理得vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo26.1.3 仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高146.1.3 6.1.3 精密整流电路精密整流电路 q 精密半波整流电路精密半波整流电路 利利用用集集成成运运放放高高差差模模增增益益与与二二极极管管单向向导电特特性性，构构成成对微小幅微小幅值电压进行整流的行整流的电路。路。vo-+AvIR1vo R2RL+-D1D2 vI=0时时 vO =0 D1、D2 vO=0 vI 0时时 vO 0 D1、D2 vO=0 vI 0 D1、D2 vO=-(-(R2/R1)vI工作原理：工作原理：vOvI-R2/R1传输特性传输特性vItvOtvIR2R1-输入正弦波输入正弦波输出半波输出半波6.1.3 精密整流电路 精密半波整流电路 利用集15q 精密转折点电路精密转折点电路 当当v-0，即，即 vI -(-(R3/R1)VR 时：时：当当v-0，即，即 vI 0 D1、D2 传输特性传输特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO 0，即 vI -(R3 166.4 6.4 集成电压比较器集成电压比较器 电压比较器的作用电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压比较器的特点电压比较器的特点输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。6.4.1 6.4.1 电压比较器的作用电压比较器的作用 电压比较器工作原理电压比较器工作原理 只要开环只要开环Avd很大，则很大，则v+、v-间的微小差值，即可使运放输间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。出工作在饱和状态。由由可知可知v+v-时，vo=Vomax（正饱和值）（正饱和值）v+v-时，vo=Vomin（负饱和值）（负饱和值）v+=v-时，逻辑状态转换逻辑状态转换 因此因此6.4 集成电压比较器 电压比较器的作用比较两输入信号大小17 理想比较特性理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 时，vo=VominvI=VREF 时，逻辑状态转换逻辑状态转换 理想特性理想特性vIvoVREFVomaxVomin0 实际比较特性实际比较特性实际特性实际特性vI VREF-Vomin/Avd 时，vo=Vomin注：注：Avd 越大，比越大，比较特性越接近理想特性，特性越接近理想特性，VREF作作为 门限限值的比的比较精度越高。精度越高。理想比较特性-AvovIVREFvIvoVREFVomax186.4.1 6.4.1 具有不同比较特性的电压比较器具有不同比较特性的电压比较器q 单限电压比较器单限电压比较器 特点：运放开特点：运放开环工作。工作。过零比较器过零比较器 -+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流电阻，与限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。共同构成电平变换电路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on)vIvoVOHVOL0比较特性比较特性tvO0tvI06.4.1 具有不同比较特性的电压比较器 单限电压比较器 特19 单限比较器单限比较器 -+AvovI+-R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1）令）令v-=v+求出的输入电压求出的输入电压vI I 即门限电平。即门限电平。2）分别分析）分别分析vI I大于门限、小于门限时的输出大于门限、小于门限时的输出vO O电平。电平。令令得门限电平得门限电平即即v+v-若若则则vO O=VOH比较特性比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-单限比较器-AvovI+R3D1D2R1/R2VREF20 单限比较器优点：单限比较器优点：电路结构简单电路结构简单，可不计有限，可不计有限KCMR的影响。的影响。单限比较器缺点：单限比较器缺点：电路抗干扰能力电路抗干扰能力差。差。例如：过零比较器，例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。号时，输出会出现误操作。tvO0vIt0 单限比较器优点：电路结构简单，可不计有限KCMR的影响。21q 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器）-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2特点特点正反正反馈电路。路。具有双具有双门限。限。令令得门限电平：得门限电平：反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器 迟滞宽度：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH 迟滞比较器（施密特触发器）-AvovI+R3D1D2R22-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2令令得门限电平：得门限电平：同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器 迟滞宽度：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH 将反相迟滞比较器中的将反相迟滞比较器中的vI与与VREF交换，即得同相输入交换，即得同相输入迟滞比较器。迟滞比较器。-AvovI+R3D1D2RVREFR1R2令得门限电平：23 迟滞比较器优点：迟滞比较器优点：电路抗干扰能力电路抗干扰能力强。强。例：反相例：反相输入入迟滞比滞比较器的比器的比较特性如特性如图示，示，在已知在已知输入信号入信号时，试画画输出信号波形。出信号波形。vI(V)vo(V)0比较特性比较特性7-7-66vI(V)t010-106-6tvO(V)07-7 迟滞比较器优点：电路抗干扰能力强。例：反相输入迟滞比24 迟滞比较器应用迟滞比较器应用方波发生器方波发生器 -+Avo+-R3D1D2RR1R2C门限电平门限电平设设t=0时，时，vO=VOH，初始，初始 vC=0则则VOH 经经R向向C充电充电 vC按指数规律按指数规律 当当vC VIH 时时 vO跳变为跳变为VOL此时此时C经经R放电放电 vC按指数规律按指数规律 当当vC VIL时时 vO又上跳到又上跳到VOH可证振荡周期：可证振荡周期：tvO0vCt0VIHVILVOHVOL 迟滞比较器应用方波发生器-Avo+R3D1D2RR125有有源源滤滤波波器器：由由有有源源器器件件（三三极极管管、场场效效应应管管、集集成成运运放）构成的滤波器。放）构成的滤波器。例例：求求图图示示有有源源RC低低通通滤滤波波器器在在带带载载和和不不带带载载的的情情况况下下放大倍数的频率特性表达式。放大倍数的频率特性表达式。解：解：带载或不带载时都有：带载或不带载时都有：2.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器有源滤波电路有源滤波器：由有源器件（三极管、场效应管、集成运26