集成运算放大器基本应用电路.pptVIP

6.1 引言 集成运算放大器的基本应用电路： 信号的运算、处理及信号产生电路。 本章的主要内容： 理想运放的概念及理想运放工作在线性区和非线性 区的特点； 集成运放的线性应用电路比例运算电路、加减 运算电路、积分和微分运算电路、对数和指数运算电路 。 运放的非线性应用电路电压比较器。 第6章 集成运算放大器基本应用电路 6.2 理想运算放大器 什么是理想运算放大器? 将集成运放的各项技术指标理想化后得到一种最简模型。 (1) Aod= (2) Rid= , Ro=0 (3) IB1=IB2=0A (4) UIO=0，IIO=0， ， (5) KCMR= (6) BW= 6.2.1 理想运放的技术指标 6.2.2 理想运放工作在线性区和非线性区的特点 运放工作在线性区时，有： 因为 所以 即 称为虚短 又有输输入电电阻 因此 称为虚断 理想运放工作在线性有两个重要特性：“虚短”和“虚断”。 +Uom -Uom 理想运放的电压传输特性 0 线性区 Aod +Uom -Uom 理想运放的电压传输特性 0 非线性区 非线性区 运放工作在非线性区时，uP-uN 为微小量，Aod= ，所以uO将 饱饱和，为为+UOM或-U。 理想运放工作在非线性区也有 两个特点： (1) 当uPuN时， uO= UOM；当uP0时，VD导通。由“虚短” 和“虚断”可得 由二极管的伏安特性方程得 只有uI0时，此对数 函数关系才成立 6.6 对数和指数运算电路 6.6.2 指数运算电路 将对数运算电路中的二极管VD和电阻R互换，可得 指数运算电路。 指数运算电路相当反对数运算电路。 指数运算电路 当uI0时，VD导通。由“虚短”和“虚断”可得 2.电压比较器中的集成运放工作在开环或引入正反馈状态 ，工作在非线性区。 运放的工作状态 1.电压比较器可实现信号鉴幅和比较功能；与其它电子电 路组合，可实现信号发生、模-数转换、电源监测等功能。 6.7 电压比较器 3.电压比较器的电压传输特性 电压比较器的输出电压uO与输入电压uI之间的关系曲线， 称为电压传输特性。 (2)电压比较器的两种输出电压。 根据电压传输特性的不同，电压比较器分为3种：单限 比较器、滞回比较器和窗口比较器。 (1)比较器的输出状态发生跃变时所对应的输入电压称为 阈值电压，用UTH表示。 (3)电压比较器输出电压的跃变方向。 当uI UREF 时， uO UZ； 电路的阈值电压UTH UREF 6.7.1 单限比较器 (a) (b) 单限比较器及其电压传输特性 运放输入端并联的两个二极管作用是保护运放的输入级 。 运放输出端的R与DZ构成输出限幅电路。 对单限比较器进行如下讨论： (1) 当UREF =0V时，单限比较器称为过零比较器。其阈值电 压为零。 6.7.1 单限比较器 (2) 当参考电压UREF为常量时，单限比较器可以用于波形变 换。设输入uI为三角波，过零比较器输出波形为矩形波。 过零比较器的输出电压波形 6.7.1 单限比较器 (3) 当参考电压UREF为高频三角波时，若输入uI为低频正弦 信号，则比较器输出为脉宽调制(PWM)波形，。 单限比较器输出的PWM波形 6.7.1 单限比较器 (4) 若将单限比较器的输入端与参考电压端互换，此时输入 uI经过UTH时，uO的跃变方向正好与原图相反。 6.7.1 单限比较器 (5) 分析电压比较器的方法确定其电压传输特性。 a. 确定比较器的阈值电压UTH； b. 明确输出在输入过UTH时的跃变方向。 基本方法： a. 令uP=uN，求阈值电压UTH。 b. 若uI由同相输入端接入，有 若uI由反相输入端接入，有 (6) 当输入电压uI受到干扰在阈值电压上下波动时，其输 出uO将在高、低电平之间反复跳跃。因此单限比较器抗 干扰能力差。 6.7.1 单限比较器 例6.7.1 单限比较器的参考电压UREF0V，试分析其电压传 输特性。 解：根据“虚断”和叠加定理 令 求得 得出电路的电压传输特性。 (a) (b) 例6.7.1的电路图及其电压传输特性 6.7.2 滞回比较器 滞回比较器的输出uO经过反馈电阻R1被引回到运放的 同相输入端。由于引入了正反馈，运放工作于非线性区， uO为高电平+UZ或低电平-UZ。 uP不仅取决于UREF，还受uO的影响。随着uO在+UZ和-UZ之 间的跃变，uP也随之改变。因此，滞回比较器具有两个阈 值电压。 反相滞回比较器与电压传输特性 反相滞回比较器 根据“虚断” 和叠加定理 令可得 当uO = +UZ 时，上限阈值电压 UTH1 当uO = -UZ 时，下限阈值电压 UTH2 6.7.2 滞回比较器 1. 设uIUTH2，则 uN uP， uO+UZ。此时uPUTH1， 增大 uI，经过UTH1时， uO从+UZ跃变为-UZ。 电压传输特性 2. 设 uIUTH1，则 uN uP， uO-UZ。此时uP UTH2， 减小 uI，经过UTH2， uO从-UZ跃变为+UZ。 由以上分析可得滞回比较器的电压传输特性。 两阈值电压之差称为回差电压 改变UREF的值，可使滞回 特性曲线在水平方向上移动； 改变电阻R1、R2的比值，可改 变回差电压U。 6.7.2 滞回比较器 设uI UTH， uO-UZ，阈值电压为UTH2；减小uI过UTH2时， uO由-UZ跳变为+UZ，阈值电压为UTH1；此后uI只有经过UTH1 时才使uO由+UZ跳变为-UZ。因此有更强的抗干扰能力。 (a) (b) 反相滞回比较器的输入与输出电压波形 滞回比较器可用于波形变换，例如将三角波变换为矩形波。 6.7.2 滞回比较器 将图中uI和UREF的位置互换，就构成了同相滞回比较器，其 电压传输特性曲线的变化方向与反相滞回比较器正好相反。 6.7.2 滞回比较器 例6.7.2设运放的最大输出电压UOM = 12V，试求： 1. 分析电路的电压传输特性； 2. 根据电路输入电压信号画出电路的输出电压波形。 解：1. 由电路图可知 例6.7.2电路图及其电压传输特性 根据“虚断” 和叠加定理 求得 当uO = +6V时，UTH1=1.5V；当uO = -6V时，UTH2=7.5V 令 6.7.2 滞回比较器 2. 根据电路的电压传输特性， 可得电路的输出电压波形。 该电路为同相滞回比较器， 可画出其电压传输特性。 例6.7.2的输入和输出电压波形 6.7.2 滞回比较器 6.7.3 窗口比较器 窗口比较器由一对单 限比较器构成。有两 个阈值电压，由R1、 R2与VD1、VD2构成 的分压支路提供。 当R1 =R2时 窗口比较器 1. 当uIUL时，UO2 = +UOM，VD4导通；uO1=-UOM，VD3截 止，uO=+UOM。 2. 当UH uIUL时，uO1=-UOM ，uO2 =-UOM ，VD3、VD4 截止，uO=0。 3. 当uIUH时，uO1 =+UOM ，VD3导通；uO2 =-UOM ，VD4 截止，uO= +UOM。 6.7.3 窗口比较器 窗口比较器的输入uI在单向变化过程中，经过每一个 阈值电压时，uO都发生跃变，即uO会跳变两次。 窗口比较器可以检测某一特定范围的输入信号，常用于信 号鉴幅、模拟-数字转换等电路中。 窗口比较器的输入和输出电压波形 6.7.3 窗口比较器 集成电压比较器与由通用的集成运放构成的比较器的 区别为： (1) 通用集成运算放大器的工作速度较慢，一般为s数 量级；集成电压比较器翻转速度快，大约在ns数量级。 (2) 通用集成运算放大器的输出级一般采用推挽电路， 双极性输出，输出电平比较高。与数字电路连接时需加限 幅措施。集成电压比较器的输出级为集电极开路结构，需 接上拉电阻，输出符合TTL/CMOS电平，容易和数字电路 连接。 6.7.4 集成电压比较器的特点 集成电压比较器分类： 按电压比较器的个数，可分为单、双和四电压比较器； 按功能可分为通用型、高速型、低功耗型、低电压型和高 精度型； 按输出方式可分为普通、集电极开路输出或互补输出。 表6.7.1 几种常用集成电压比较器的性能比较 6.7.4 集成电压比较器的特点 LM311的8脚双列直插式管脚图如下图(b)所示。LM311有 同相和反相两个输入端，正、负两个外接电源，有外部平 衡调节端和选通控制端。输出可接成“线与”方式。 (a) (b) LM311的管脚 LM311特点：输入偏流小，电压范围宽、响应速度快 、输出与TTL及CMOS电平兼容。 1. LM311 电阻R的阻值可根据负载电流的大小和电源电压的高 低来选择，电阻R也可以是负载。 LM311可以采用集电极(或漏极)开路输出，其输出电 平灵活，可以输出3.3V 、5V和12V等。 (a) 集电极输出方式 (b) 发射极输出方式 LM311常用接法 1. LM311 LM339是一种四电压比较器集成电路。采用14脚双列 直插式的封装。 LM339的特点：(1) 工作电源电压范围宽，单电源、双 电源均可工作；(2) 输入失调电压小； (3) 对信号源的内阻 要求不高；(4) 共模输入电压范围宽； (5) 差动输入电压范