1、集成運算放大器的運用第1頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四上節課回顧1.串聯電壓負反饋2.并聯電流負反饋3.串聯電流負反饋4.并聯電壓負反饋四種組態負反饋的判斷方法、特點（穩定變量、對輸入輸出電阻的影響、特征增益及特征反饋系數）。第2頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四7.1 基本運算電路7.1.1 比例運算電路1.反相比例放大器虛地：因為是深度負反饋，所以 ，則 的現象。注意：實質是指同相輸入端和反相輸入端電位相等，而同相輸入端電位又等于零。 圖7.1.1 反相比例放大器 (a)電路；(b)閉環傳輸特性 第3頁，共54頁，2022年，5月20日，1點

2、43分，星期四1. 閉環增益Auf根據深反饋條件 其傳輸特性如圖7.1.1(b)所示，線性動態范圍擴大了。 第4頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 2.閉環輸入電阻Rif 因為反相端虛地，則 (7.1.2) 3. 閉環輸出電阻Rof 理想運放的輸出電阻Ro0，施加電壓負反饋后的輸出電阻進一步減小，所以(7.1.3) 第5頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四2.同相比例放大器如圖7.1.2(a)所示 虛短：在深度負反饋條件下，集成運放的同相輸入端與反相輸入端電位相等。 為了保證是負反饋，反饋信號必須引到運放的反相輸入端。 運放的差模輸入信號為： 因為是串

3、聯反饋，所以 閉環傳輸特性如圖7.1.2(b)所示。 第6頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.1.3 電壓跟隨器 圖7.1.2 同相比例放大器(a)電路 (b)閉環傳輸特性 第7頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四特點： 1.同相且成比例關系； 2Auf1； 3若R1開路（或R1）、Rf=0，則Auf=1，稱為電壓跟隨器。如圖所示。 4因為串聯電壓負反饋使輸入電阻增大，輸出電阻減小，所以閉環Rif=，Rof=0。 第8頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.1.2 求和運算電路(Adder)1.反相輸入求和電路(Inverti

4、ng Adder)（1）電路如圖所示。直流平衡電阻： 圖7.1.4 反相求和運算電路 （2）關系式：因為反相端“虛地”(Virtual Ground)， 第9頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四若 則 例1：利用集成運放實現以下求和運算關系： 要求對應于各個輸入信號來說，電路的輸入電阻不小于10K，試確定電路的參數。 解：電路如圖所示，由題可得： 第10頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 又因為各路的輸入電阻不小于10K，所以選R2=10K，則 Rf=5R2=50 K R1=Rf=50 K 第11頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四

5、 2.同相輸入求和電路(Noninverting Adder) 1.電路如圖所示。 2.同相端與反相端可視為“虛短路”，即 u+=u- 圖7.1.5 同相求和運算電路第12頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四所以： 當R1=R2時， 第13頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 3 雙端輸入求和電路(Subtractor) 如圖所示。 可應用疊加原理來計算。當ui2=0時，為同相比例放大器 當ui1=0時，為反相比例放大器第14頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四總的輸出電壓uo為： 當R1=R2，R3=Rf時 相減器的輸出電壓與兩個輸

6、入信號之差成正比。第15頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.1.3 積分(Integrator)和微分(Differentiator)運算電路 1.積分運算電路 積分器能實現積分運算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。電路如圖所示。 在uC(0)=0時 圖7.1.10 積分運算電路 第16頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四解：在t=01ms時間內，輸入電壓保持+6V不變，輸出電壓將作線性變化，由0變到-6V，即同理，可求得在t=13ms時間內，輸出電壓將由-6V線性變到+6V，在t=34ms時間內，輸出電壓將由+6V線性變到0。由此可得輸出電壓波

7、形如圖7.1.11(b)所示，已將方波轉換成三角波。 第17頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖例輸入、輸出波形第18頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 2. 微分運算電路 將積分器的C和R的位置互換，就成了微分器，如圖所示。 圖7.1.12 微分運算電路 輸出電壓和輸入電壓的微分成正比。第19頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 微分器的高頻增益大。如果輸入含有高頻噪聲的話，則輸出噪聲也將很大，而且電路可能不穩定，所以微分器很少有直接應用。在需要微分運算之處，也盡量設法用積分器代替。例如，解如下微分方程： (718) 第20頁，

8、共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 一、對數運算電路(Logarithmic) 最簡單的對數運算電路是將反相比例放大器的反饋電阻Rf換成一個二極管或三極管，如圖、圖所示。 由圖可見:式中，故 7.1.4 對數和反對數運算電路uo與ui成對數關系 圖7.1.13 對數運算電路第21頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四存在問題：ui必須為正；IS和UT都是溫度的函數，運算結果受溫度的影響很大改善方法：用對管消除IS的影響； 用熱敏電阻補償UT的溫度影響。如圖所示。 第22頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.1.15 具有溫度補償的對數

9、運算電路第23頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 圖中，V1和V2是一對性能參數匹配的晶體管，用以抵消反向飽和電流的影響，RT是熱敏電阻，用以補償UT引起的溫度漂移。由圖可見:第24頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四因為V1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則第25頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 式(7.1.19)表明，用對管消除了反向飽和電流的不良影響，而且只要選擇正溫度系數的熱敏電阻RT,也可消除UT =kT/q引起的溫度漂移，實現溫度穩定性良好的對數運算關系。 第26頁，共54頁，2022年，5月20日，1點

10、43分，星期四 二、反對數(指數)運算電路 指數運算是對數的逆運算，在電路結構上只要將對數運算器的電阻和晶體管位置調換一下即可，如圖所示。 輸出電壓與輸入電壓的指數運算關系。圖7.1.16 反對數運算電路第27頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四7.2 電壓比較器 電壓比較器概述 一、電壓比較器的基本特性功能：根據兩個輸入電壓的大小，確定輸出是高電平還是低電平。其輸出只有兩個狀態。（比較器工作在非線性狀態，所以，“虛短”不能隨便應用） 。開關特性和非線性符號及傳輸特性：如圖。ui為輸入電壓，ur參考電壓。 第28頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.

11、2.1 電壓比較器的符號及傳輸特性當 時，輸出為“高”當 時，輸出為“低” 第29頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四參數： 1.閥值電壓（UT）比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時所對應的輸入電壓值稱為閾值電壓，簡稱為閾值。 2. 高電平(UOH)和低電平(UOL) 其輸出限幅如圖所示。運放構成的比較器：UOH UCC， UOL-UEE專用比較器：UOH =3.4V左右， UOL=0.4V左右（與數字電路兼容）。 第30頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖 7.2.2 具有輸出限幅的電壓比較器第31頁，共54頁，2022年，5月20日，1點4

12、3分，星期四 3. 鑒別靈敏度 因為運放和專用比較器的Aud不為無窮大，所以ui在ur附近一個很小范圍內存在一個比較器的不靈敏區。如圖7.2.1(b)。 Aud不靈敏區鑒別靈敏度。 4.轉換時間 比較器的輸出狀態產生轉換所需要的時間。與壓擺率SR有關。 第32頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.2.2 單門限比較器 1.過零電壓比較器 如圖所示。ur=0。當ui 0時，輸出為低（UoL）； 當ui 0時，輸出為高（UoH）。第33頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 圖7.2.4 同相輸入過零電壓比較器 (a) 電路圖 (b) 電壓傳輸特性2.固定

13、電壓比較器圖7.2.5 反相輸入固定電壓比較器 (a) 電路圖 (b)電壓傳輸特性 +-第34頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四單門限比較器主要用來對輸入波形進行整形。利用反相輸入的單門限比較器圖7.2.3(a)、7.2.5(a)實現的波形變換如圖所示。 圖7.2.9 用單門限比較器實現波形變換 (a) 三角波變換為方波 (b) 三角波變換為矩形波第35頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.2.3 遲滯比較器雙穩態觸發器單門限比較器應用中存在的問題 輸出電壓轉換時間受運放壓擺率的限制，導致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭，如圖（a）所示。 抗干擾能力差，如圖

14、7-51（b）所示。 圖7.2.7 簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭 (b)受干擾情況第36頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 為了解決以上兩個問題，在比較器中引入正反饋，構成所謂“遲滯比較器”。這種比較器具有很強的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態轉換，從而改善了輸出波形的邊緣。 1.反相輸入遲滯比較器 如圖7.2.8(a)所示。其中R1將uo反饋到運放的同相端與R2一起構成正反饋，其正反饋系數F正為 第37頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.2.8 反相輸入遲滯比較器電路及傳輸特性 (a)電路； (b)傳

15、輸特性 第38頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 當ui，且ui=U+時，uo由UoHUoL，此時的U+為上門限電壓，記為UTH，且 電路的傳輸特性當 時， 上門限電壓 第39頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四當 再增大時， 當ui，且ui=U+時，uo由UoLUoH，此時的U+為下門限電壓，記為UTL，且 下門限電壓 回差U：上下門限電壓之差。 第40頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 2.同相輸入遲滯比較器 電路如圖72.9(a)所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當U+=U-=0時，輸出狀態才發

16、生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為 (765a) (765b) 第41頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.2.9 同相輸入遲滯比較器電路圖(a) 電路圖 (b) 傳輸特性 +-第42頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.2.4 窗口比較器 窗口比較器是一種用于判斷輸入電壓是否處于兩個已知電平之間的電壓比較器，常用于自動測試、故障檢測等場合。 圖7.2.10(a)給出一個雙運放或雙比較器組成的窗口比較器，兩個參考比較電平分別為URL和URH，且假定URHURL。由圖可見：第43

17、頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四當輸入電壓uiURL(顯然也小于UR2)時，Uo1為低電平UoL，而Uo2為高電平UoH，V1截止，V2導通，UoUoH。當輸入電壓ui URH時，Uo1為高電平UoH，而Uo2為低電平， V1導通， V2截止，UoUoH。 當URL ui URH時，Uo1和Uo2均為低電平UoL， V1 、 V2同時截止，輸出Uo=0。傳輸特性如圖7.2.10(b)所示。 第44頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四圖7.2.10 窗口比較器(a)電路 (b)傳輸特性第45頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 7.

18、3 弛張振蕩器 弛張振蕩器即方波三角波發生器，其波形特點是既有變化劇烈的部分，也有變化緩慢的部分。弛張振蕩器必須是一個正反饋電路，它由兩部分組成：狀態記憶電路；定時電路。如下圖示。 圖7.3.0 弛張振蕩器框圖第46頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 單運放將狀態記憶電路和定時電路集中在一起，如圖7.3.1(a)所示，其中帶正反饋的運放構成遲滯比較器，RC構成積分器即定時電路。其波形如圖7.3.1(b)所示。圖7.3.1 單運放弛張振蕩器電路及波形第47頁，共54頁，2022年，5月20日，1點43分，星期四 假定輸出為高電平(UoH=UVZ+UVD)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數規律上升，并趨向UoH。此時，運放同相端電壓U+為(766) 該電壓為比較器的參考電平。當uC上升到該電平值時，即U-=U+，則輸出狀態要發生翻轉，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時的U+記為高門限電壓