模拟电子技术第4章.pptVIP

4 1概述4 2集成运放放大 运算电路4 3模拟乘法器及其应用4 4有源滤波器4 5集成运算放大器的非线性应用4 6集成运放使用常识与应用示例 第四章集成运算放大器的应用 教学目标 1 掌握运放理想特性 非理想特性 线性应用条件及其 虚短 虚断 特性 了解运放主要参数 2 掌握运放三种基本放大电路的组成 性能 特点 3 掌握求和 积分 微分运算电路的组成及其输入输出关系 4 了解模拟乘法器的基本特性 电路符号及由其构成的除法 平方 开方运算电路 5 熟悉滤波器功能及其分类 了解一阶 二阶有源滤波器的组成 性能 特点 选学开关电容滤波器原理和集成有源滤波器及其应用 教学目标 6 掌握集成运算非线性应用条件及其特点 掌握单值 迟滞电压比较器 窗口比较器的电路组成 工作原理 会计算阈值电压 会画电压传输特性图 根据ui波形能画出uo波形 了解集成电压比较器 熟悉比较器的应用 选学方波 矩形波 三角波 锯齿波发生器 7 熟悉测量放大器原理 集成测量放大器及其应用 8 熟悉特殊集成运放选用常识 熟悉集成运放的外接电阻选用 单电源交流放大调零 消振与保护等运放应用知识 4 1概述 4 1 1运算放大器非理想特性和主要参数 集成运放开环情况下的传输特性如图4 1 1所示 图4 1 1集成运放传输特性 它分为两个工作区 一是饱和区 称为非线性区 放由双电源供电时输出饱和值不是 Uom就是 Uom 二是放大区 又称线性区 曲线的斜率为电压放大倍数 理想运放Aod 在放大区的曲线与纵坐标重合 但实际情况如图中虚线所示 集成运放主要参数就是它的非理想特性的客观反映 1 开环差模电压增益Aod 集成运放的开环差模电压增益 Open Loopdifferentialvoltagegain 是指集成运放工作在线性区 接人规定负载而无负反馈情况下的直流差模电压增益 Aod与输出电压U0的大小有关 通常是在规定的输出电压幅值时 如U0 10V 测得的值 通常用分贝数dB表示 则为 一般情况希望Aod越大越好 Aod越大 构成的电路性能越稳定 运算精度越高 Aod一般可达100dB 最高可达140dB以上 如果集成运放差动输入级非常对称 当输入电压为零时 输出电压也应为零 不加调零装置 但实际上它的差动输入级很难达到对称 通常在室温25 下 为了使输入电压为零时输出电压为零 在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO UIO的大小反映了运放输入级电路的不对称程度 UIO越小越好 一般为 1 10 mV 2 输入失调电压UIO及其温漂dUIO dT 另外 输入失调电压的大小还随温度 电源电压的变化而变化 通常输入失调电压UIO对温度的变化率称之为输入电压的温度漂移 简称输入失调电压温漂 用dUIO dT表示 一般为 10 20 V 注意 dUIO dT不能用外接调零装置来补偿 在要求温漂低的场合 要选用低温漂的运放 3 输入失调电流IIO及其温漂dIIO dT 在常温下 输入信号为零时 放大器的两个输入端的基极静态电流之差称之为输入失调电流IIO 有IIO IB1 IB2它反应了输入级两管输入电流的不对称情况 IIO越小越好 一般为1nA 0 1 A IIO随温度的变化而变化 IIO随温度的变化率称之为输入失调电流温漂 用dIIO dT表示 单位为nA 4 输入偏置电流IIB 输入偏置电流 Inputbiascurrent 是指集成运放输出电压为零时 两个输入端偏置电流的平均值 即IIB IB1 IB2 2 IIB越小越好 一般为10nA 10 A 5 开环差模输入电阻Rid 差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电阻 它反映输入端向差动信号源索取电流的能力 其值越大越好 一般为几兆欧姆 MOS集成运放Rid高达106M 以上 6 开环差模输出电阻Rod 集成运放开环时 从输出端看进去的等效电阻 称之为输出电阻 它反映集成运放输出时的负载能力 其值越小越好 一般Rod小于几十欧姆 7 共模抑制比KCMR 共模抑制比为开环差模电压增益Aod与共模电压增益Aoc之比的绝对值 KCMR Aud Auc 它表示集成运放对共模信号抑制能力 其值越大越好 一般KCMR为60 130dB之间 8 最大差模和共模输入电压Uidmax Uicmax Uidmax是指集成运放两个输入端所允许加的最大差模电压 超过此电压 将会使集成运放输入级某一侧三极管发射结反向击穿 Uicmax是指集成运放两个输入端所允许加的共模最大电压 超过此电压 集成运放的共模抑制比将明显下降 9 最大输出电压Uom 在给定负载上 最大不失真输出电压的峰峰值称为最大输出电压 10 转换速率SR Slewrate SR是指集成运放在闭环状态下 输入大信号时输出电压随时间的最大变化率 SR越大越好 11 小信号频率参数 集成运放 741 工作于小信号状态幅频特性如图4 1 2所示 图中Aod dB 为直流差模增益 fH为上限频率 1 开环带宽BW BW为运放开环差模电压增益值比直流增益下降了3dB所对应的信号频率 例如 741的fH 7Hz 图4 1 2集成运放 741 幅频特性 BW fH 2 单位增益带宽BWG BWG为运放开环电压增益频率特性曲线上其增益下降到Aod 1 Aod为0dB 时的频率 集成运放闭环应用时 BWG就是反馈放大电路的增益带宽积 741运放Aod 2 105时 fT 2 105 7HZ 1 4MHZ 4 1 2典型的双运放 四运放简介 双运放F353引脚排列图如图4 1 3所示 该器件是一种高速JFET输入运算放大器 四运放LM324引脚排列图如图4 1 4所示 它是通用型单片高增益运算放大器 它既可以单电源使用 也可双电源使用 图4 1 3双运放F353图4 1 4四运放LM324 4 1 3集成运放理想化条件和线性应用条件 一 集成运放理想化条件满足理想化的集成运放应具有无限大的差模输入电阻 趋于零的输出电阻 无限大的差模电压增益和共模抑制比 无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移 在低频情况下的实际使用和分析集成运放电路时 可以近似地把它看成为理想集成运算放大器 Idealoperationalamplifier 二 集成运放线性应用条件及其特性把集成运放接成负反馈组态 Negativefreedbackconfigration 是集成运放线性应用的必要条件 理想集成运放线性应用时具有以下两个特性 即1 虚短 Virtualshortcircuit u u 2 虚断 Virtualopencircuit i i 0 4 2集成运放放大 运算电路 4 2 1反相输入放大电路 图4 2 1反相输入放大电路 图中 Rf为反馈电阻 构成电压并联负反馈组态 电阻RP称为直流平衡电阻 Ro 0 4 2 2同相输入放大电路 图4 2 2同相输入放大电路 放大电路的输入电阻Ri 放大电路的输出电阻Ro 0 输入信号ui经电阻R2送到同相输入端 Rf与R1使运放构成电压串联负反馈电路 图4 2 3电压跟随器 图4 2 4电压跟随器其它形式电路 a 基本电路 b 减小输入电阻接法 电压跟随器与射极跟随器类似 但其跟随性能更好 输入电阻更高 输出电阻为零 常用作变换器或缓冲器 在电子电路中应用极广 其实用电路还有其它两种形式 电路如图4 2 4所示 图b电路在同相输入端加一隔离电阻 防止因输入电阻过高而引人周围电场的干扰 Ri R 4 2 3差分输入 Differentialinput 放大电路 图4 2 5差分输入放大电路 当取R1 R2和Rf R3时 则上式为 差分输入放大电路的两个输入端都有信号输入 ui1通过R1接至运放的反相输入端 ui2通过R2 R3分压后接至同相输入端 而uo通过Rf R1反馈到反相输入端 例4 2 1两运放组成的抗共模噪声电路如图4 2 6所示 求Auf 图4 2 6两运放抗共模噪声电路 解题分析 在分析多个运放组成电路时 应把输入输出关系搞清楚 然后应用虚短 虚断概念和叠加定理求解 本例中A1的输出为A2的输入 A1组成同相比例放大器 A2组成差动放大组态 该电路具有很高的输入电阻可达几十兆欧 为提高抑制共模信号的能力 要求A1 A2具有较高的共模抑制比 4 2 4放大电路在工程实际中的应用示例 图4 2 7红外线报警器的放大电路 A1组成同相输入交流放大电路 A2组成反相交流放大电路 P2288为红外线 热释电 传感器 在工程实际中 传感器输出信号较弱 需经放大 附录B图B 7红外线报警器的两级放大电路如图4 2 7所示 图中 P2288为红外线 热释电 传感器 A1组成同相输入交流放大电路 C3起隔直作用 C4选瓷介电容 防止电路产生高频自激振荡 电容值标注104 表示该电容的电容量为0 1 F 从图中不难算出的电压放大倍数 A2组成反相交流放大电路 C7在交流信号情况下 视为短路 保证同相输入端交流接地 C6选瓷介电容 其电容量为0 01 F 放大倍数由下式估算 总放大倍数Au Au1 Au2 6500 4 2 5求和运算电路 图4 2 8反相加法器 当取R1 R2 R时 当取R Rf时 两个输入信号ui1 ui2分别通过R1 R2接至反相输入端 Rf为反馈电阻 R3为直流平衡电阻 一 反相加法器 二 同相加法器 图4 2 9同相加法器 应用叠加定理进行分析 设ui1单独作用 ui2 0 同相加法器如图4 2 9所示 输入信号ui1 ui2都加到同相输入端 而反相输入端通过电阻R3接地 图4 2 9同相加法器 设ui2单独作用 ui1 0 二者迭加得 若取 R1 R2 R3 Rf 则 4 2 6积分和微分电路 图4 2 11积分电路 若C上起始电压为零 则 若C上起始电压不为零 则 一 积分电路 积分运算 Integratialoperation 电路如图4 2 11所示 输入信号ui通过电阻R接至反相输入端 电容C为反馈元件 图4 2 12不同输入情况下的积分电路电压波形 a 输入为阶跃信号 b 输入为方波 c 输入为正弦波 二 微分电路 Differentiatialoperation 图4 2 13基本微分运算电路 将图4 2 11中反相输入端的电阻R和反馈电容C位置互换 便构成基本微分运算电路 如图4 2 13所示 图4 2 13所示电路并不实用 当输入电压产生阶跃变化或有脉冲式大幅值干扰 都会使集成运放内部的放大管进入饱和截止状态 以至于当信号消失了 内部管子还不能脱离原状态而回到放大区 出现阻塞现象 电路只有切断电源后方能恢复 即电路无法正常工作 此外基本微分电路容易产生自激振荡 使电路不能稳定工作 为解决上述问题 组成微分实用电路如图4 2 14 a 所示 R1限制输入电流亦即限制了R中电流 VZ1 VZ2用以限制输出电压 防止阻塞现象产生 C1为小容量电容 起相位补偿作用 防止产生自激振荡 若输入为方波 且RC T 2 T为方波周期 则输出为尖顶波 如图4 2 14 b 所示 图4 2 14实用微分运算电路 a 原理图 b 波形图 4 2 7集成测量放大器及其应用 一 集成测量放大电路 集成测量放大器在理想情况下仅放大两输入端间的电压差 当输入电压差为零时 输出将精确为零 集成测量放大器可分为固定增益 引脚可编程增益 数字控制仪器放大器等 增益固定测量放大器是由三运放组成的测量放大器的基础上发展起来的 测量放大电路又称精密放大电路或仪用放大电路 所用电阻均采用精密电阻 测量放大电路 InstrumentalAMp 如图4 2 15所示 图4 2 15测量放大电路 由于A1 A2采用高输入阻抗的同相输入放大电路的形式 根据虚短的概念 uN1 ui1 uN2 ui2 根据虚断的概念 流过R1 RP为同一电流iR1 且iR1 ui1 ui2 RP 因此运放A1和A2输出电压之差为 运放A3为减法运算电路 有 上式表明 输入电压与输出电压的差值成正比 该电路的放大倍数Au 即差模电压放大倍数 为 调节RP就可方便地改变放大倍数 且RP接在运放A1 A2的反相输入端之间 它的阻值改变不会影响电路的对称性 该电路具有很高的共模抑制比 只要A3的两输入端所接的电阻对称 uo1和uo2共模成分则可以互相抵消 例如 若ui1 ui2为共模信号 即ui1 ui2 由式 3 1 13 可知uo 0 即KCMR 从以上分析可知 即使运放本身KCMR不是很大 只要A1 A2对称性很好 各电阻阻值的匹配精度高 整个电路的KCMR仍然非常大 若电阻匹配误差为 0 001 KCMR可达100dB 二 典型集成测量 精密 放大器应用简介 鲍尔勃朗公司生产的INA104固定增益精密放大器基本电路 如图4 2 16所示 图中A4是缓冲级 A1 A2 A3组成测量放大电路 RG是外接电阻 图4 2 16INA104基本电路 如果ui1 ui2有一共模信号UCM 则A4就起作用 这时引脚 接到引脚 引脚 和引脚 相连并接到ui1 ui2信号电缆的外屏蔽层 以减少分布电容效应 使交流系统的共模抑制性能得到改善 4 2 8集成隔离放大器简介 在远距离信号传播过程中 常因强干扰的引入使放大电路的输出有很强的干扰而使系统无法正常工作 将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器 它切断了输入 输出侧电路间的直接联系 避免干扰信号混入输出信号 而有用信号能正常放大输出 集成隔离放大器根据隔离模式划分可分为两口隔离和三口隔离 两口隔离是指输入部分和输出部分欧姆隔离 三口隔离是信号输入部分 输出部分和功率供给部分相互欧姆隔离 根据隔离方式不同可分为 变压器隔离放大器 如两口隔离的AD204 三口隔离的AD210等 电容隔离放大器 如ISO106 光电隔离放大器及其应用 集成光隔离放大器及其应用在本书7 4节予以介绍 4 3模拟乘法器及其应用 图4 3 1模拟乘法器图形符号 uo KuXuY K称为模拟乘法器的增益系数 模拟乘法器的电路符号如图4 3 1所示 通常有两个输入端uX和uY及一个输出端uo 其输出电压正比于两个输入电压之乘积 4 3 1模拟乘法器的基本特性及图形符号 模拟乘法器 Analogmultiplier 与运算放大器组合 可实现除法 乘方 开方 倍频等各种运算电路 还可以实现检波 调制 解调以及构成各种函数发生器及锁相环电路等 4 3 2变跨导模拟乘法工作原理 图4 3 2模拟乘法器原理图 图4 3 2所示差动电路具有乘法功能 它的输出电压与输入电压ux uy的乘积成正比 比例系数在室温下为常数ux可正可负 而uy必须大于零 该电路才能正常工作 该电路属于二象限乘法器 4 3 3 模拟乘法器的几种典型应用电路 图4 3 3除法运算电路 uz KuXuY Kui2uo 一 除法电路将乘法器放在反相放大器的反馈支路中便构成除法运算电路 如图4 3 3所示 图4 3 3除法运算电路 图4 3 3所示电路 只有当ui2为正极性时 才能保证集成运放处于负反馈工作状态 电路才能正常工作 而ui1可正 可负 故电路属二象限除法器 二 平方运算 图4 3 4平方运算电路 在实际使用时 可以利用平方运算实现倍频功能 若输入信号为正弦信号 即ui Umsin t则输出电压为 在输出端接入一个隔直电容将直流隔开 则可得到二倍频的余弦波输出电压 实现倍频作用 平方运算是模拟量的自乘运算 因此将输入信号ui同时加到乘法器的两个输入端即可完成平方运算 电路如图4 3 4所示 其输出电压为 三 开方运算 图4 3 5平方根运算电路 平方根运算电路如图4 3 5所示 与图4 3 2所示的除法电路比较可知 它是上述除法电路的一个特例 如将除法电路中乘法器的两个输入端都接到运放的输出端 就组成了平方根运算电路 4 4有源滤波器 同无源滤波器相比 有源滤波器具有一定的信号放大和带负载能力可很方便的改变其特性参数等优点 此外 因其不使用电感和大电容元件 故体积小 重量轻 但是由于集成运放的带宽有限 因此有源滤波器的工作频率较低 一般在几千赫兹以下 而在频率较高的场所 采用LC无源滤波器或固态滤波器效果较好 4 4 1滤波器的功能及其分类滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过 而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路 只用无源器件R L C组成的滤波器称为无源滤波器 采用有源器件和R C元件组成的滤波器称为有源滤波器 按照功能 或幅频特性 的不同 滤波器分为低通滤波器 Low passfilter 简写LPF 高通滤波器 High passfilter简写HPF 带通滤波器 Band passfilter简写BPF 带阻滤波器 Band eliminationfilter简写BEF 其理想的幅频特性如图4 4 1所示 图4 4 1各种滤波器的理想幅频特性 a 低通滤波器 b 高通滤波器 c 带通滤波器 d 带阻滤波器 4 4 2一阶低通滤波器 图4 4 2一阶有源低通滤波器 特征频率 通带增益 一阶低通滤波器电路如图4 4 2所示 它是由运放和RC网络组成 由电路可得其频率特性 当f 0时 4 4 3一阶低通滤波器的幅频特性 当f f0时 当f 10f0时 衰减斜率为 20dB 十倍频 4 4 3一阶高通滤波器 图4 4 4一阶高通滤波器 把图4 4 2中的R C的位置互换 则可以得到如图4 4 4所示的一阶有源高通滤波器 同样可得到它的特征频率和通带电压放大倍数分别为 图4 4 5一阶高通滤波器的幅频特性 4 4 4二阶有源滤波器 图4 4 6二阶低通滤波器 图4 4 7二阶低通滤波器的幅频特性 一 二阶低通滤波器一阶LPF电路虽然简单 但幅频特性衰减斜率仅为 20dB 十倍频 与理想的幅频特性相差甚远 故选择性较差 若在图4 4 2的基础上再增加一节RC低通网络 就构成了二阶LPF 图4 4 6为目前使用较多的是二阶压控电压源LPF 其中运放 R1 Rf组成电压控制的电压源 并因此而得名 经推导 该电路的频率特性为 式中 为通带增益 f0为特征频率 Q为品质因数 令 则电压放大倍数为 当Q 0 707时 幅频特性响应曲线较平坦 而当Q 0 707时 高频端将出现升峰 一般这是我们不希望的 二 二阶高通滤波器 图4 4 8二阶高通滤波器的幅频响应 其中 将图4 4 6中的RC低通网络中的R与C对换 即组成图4 4 8a所示的二阶压控电压源高通滤波器 该电路的频率特性为 4 4 5带通滤波器和带阻滤波器 图4 4 9带通滤波器方框图和幅频特性 一 带通滤波器带通滤波器可由高通和低通滤波器串联而成 两者同时覆盖的同一频段形成一个通频段 即构成带通滤波器 其原理框图和幅频特性如图4 4 9所示 二阶压控电压源带通滤波器电路如图4 4 10所示 图中R1 C1组成低通网络 R2 C2组成高通网络 两者相串联就组成了带通滤波器 该电路的频率特性为 图4 4 10二阶压控电压源BPF 由图中可以看出Q值越大 带宽BW越窄 选频特性越好 二 带阻滤波器 图4 4 11带阻滤波器原理框图与幅频特性 a 原理框图 b 幅频特性 带阻滤波器是用来抑制或衰减某一频段内的信号 而对此频段外的信号允许通过 故也称为陷波器 这种滤波器经常用于电子系统抗干扰 带阻滤波器由低通和高通滤波器并联而成 两者对某一频段均不覆盖 形成带阻频段 其原理框图和理想幅频特性如图4 4 11所示 图4 4 12所示为典型的双T带阻滤波器 图4 4 12双T二阶压控电压源BEF a 电路图 b 幅频特性 由图中可以看出Q值越大 BW越窄 选择性越好 其低通和高通RC网络并联形成双T网络 与运放和电阻R1 Rf形成二阶压控电压源的BEF 4 4 6开关电容滤波器 SCF 前面讨论的有源滤波器 由于通带截止频率一般都不高 因此要求RC大且精度高 在集成电路中制造大电容或大电阻需占用很大芯片面积 因此很难将整个RC有源滤波器实现集成化 随着MOS制造工艺的发展 用开关电容取代电阻的开关电容滤波器已于1975年实现了单片集成化 这种滤波器由MOS开关电容和MOS运放组成 由于制造容易 价廉和性能优越 因此发展很快 自70年代以来 国内外已有大量的单片集成SCF问世 如美国的RETICON公司的SCBPFR5604 R5606 SCLPFR5609 SCHPFR6511 及可编程SCF5610等 MOTOROLA公司的MC14413 1 2和MC1414 1 2 清华大学研制的CF2932等 已经广泛用于PCM通信 语音信号处理等技术领域 一 开关电容电路的基本原理 图4 4 13基本开关电容电路 基本开关电容电路如图4 4 13所示 图中S1 S2是受时钟信号 控制的由MOS管构成的模拟开关 它们在时钟控制下周期性的交替接通 断开 当S1闭合时 电容C上所充电荷Q CuI 当S2闭合 S1断开时 则有纯电荷Q C UI UO 向输出端传送 若采样时间为T 则一周期内流向输出端的平均电流为 于是 输入与输出之间的等效电阻为 即开关电容电路可以作为一个电阻对待 其大小由时钟周期和电容量决定 只要选择合适的T和C就能得到很高阻值的等效电阻 例如 C 0 5pF T 4 s 则Req 4M 二 开关电容滤波器从原理上讲用开关电容来取代有源滤波器中的电阻 就构成了开关电容滤波器 但实际的开关电容滤波器 大都是根据状态变量来设计的 其结构形式和设计方法都很复杂 下面仅以一阶低通滤波器为例来说明利用开关电容电路组成滤波器的方法 由MOS开关电容电路所组成的一阶低通滤波器如图4 4 14所示 该电路的频率特性为 图4 4 14一阶开关电容滤波器 式中 R1 R2分别是两个MOS开关电容电路的等效电阻 其值分别为R1 T C3 R2 T C1 于是可得 由此可见 滤波器的主要参数Aup f0都由电容比来决定 而与电容的容量无关 因而在集成电路中可以做得十分准确 4 4 7集成有源滤波器及其应用 目前集成有源滤波器因其芯片内集成了精密运放 精密电阻 精密电容器或开关电容网络等 可方便地用很少的外接元件设计成高通 低通 带通 带阻滤波器 广泛应用于各种精密测试设备 通信设备 医疗仪器设备和数据采集系统中 集成有源滤波器分为通用型 可编程切换通用型 开关电容滤波器等多种类型与型号 各种集成有源滤波器的内电路 引脚功能及性能参数均不相同 限于篇幅 本节仅介绍UAF42型多用途通用型集成有源滤波器及其应用电路设计 一 UAF42多用途有源滤波器引脚排列 主要参数 1 内电路及其引脚排列 UAF42内部集成有四级精密运算放大器 50 1 0 005 K 的精密电阻和1000 1 0 005 PF精密电容器 其内电路如图4 4 15 a 所示 14脚DIP封装引脚排列如图 b 所示 16引脚SOL封装引脚排列如图 c 所示 其中Ui1 Ui2 Ui3为输入端 HPO为高通滤波器输出端 LPO为低通滤波器输出端 BPO为带通滤波器输出端 ADJ1 ADJ2为调整端 N4 为第四运放同相输入端 N4 为第四运放反相输入端 BRO为构成带阻滤波器时的输出端 图4 4 15UAF42有源滤波器内电路引脚排列 a 内电路 b 14引脚排列图 c 16引脚排列 2 性能参数 二 UAF42应用电路外接元器件选择 应用UAF42组成滤波器应用电路具有反相输入与同相输入两种组态 不管何种输入组态 电路频率 低通 高通滤波器的品质因数Q值 带通滤波器通带和带阻滤波器阻带计算公式相同 电路频率由下式计算 低通 高通滤波器Q值有以下关系 带通滤波器通带和带阻滤波器阻带即 3dB带宽BW 1 同相输入滤波器外接元器件选择 UAF42构成同相输入滤波器电路如图4 4 16所示 R2A RG RQ RF1 RF2为外接电阻 C1A C2A为外接电容 低通 高通 带通滤波器的增益ALP AHP ABP分别为 品质因数 图4 4 16UAF42构成同相输入滤波器电路 图中若RQ取50K 其输入信号可接至2脚 并省去外接的电阻RG 2 反相输入滤波器外接元器件选择 UAF42构成反相输入滤波器电路如图4 4 17所示 低通 高通 带通滤波器的增益ALP AHP ABP分别为 品质因数 图4 4 17UAF42构成反相输入滤波器 若RQ 50K 可利用内电阻R3 3脚不必接RQ 并将2脚接地即可 3 带阻滤波器外接元器件选择 UAF42构成带阻滤波器是利用低通滤波器LPF和高通滤波器HPF 通过外接电阻RZ1 RZ2 RZ3及内部运放构成求和电路求得 电路如图4 4 18所示 图4 4 18UAF42构成带阻滤波器 电路Q值 三 应用设计示例 在用UAF42设计滤波器 若被确定频率10Hz f0 100Hz时 不需要外接匹配电容 若f0 10Hz 需外接C1A和C2A电容 当f0在10Hz到32Hz范围时 最好增加外接阻值为5 4k 电阻R2A 这样可提高滤波器的稳定性 利用一片UAF42可根据需要设计二阶滤波器 对于多阶滤波器设计 可用多片UAF42串接而成 这样可使滤波器的截止频率呈二阶的倍数关系衰减 例4 4 2用UAF42设计一个在测量仪器中常用的50Hz陷波器 解 本电路采用图4 4 18所示电路图 该陷波器设计完毕 组装后 对其性能参数进行测试得到该电路频率响应曲线如图4 4 19所示 从图中可看出在50Hz处增益为 22 71dB 图4 4 1950Hz陷波器幅频特性 4 5集成运算放大器的非线性应用 4 5 1集成运放非线性应用的条件及特点 集成运放有线性和非线性两种工作状态 在开环工作或加正反馈时 由于集成运放的放大倍数很高 输入信号即使很小 也足以使运放工作在非线性工作状态 集成运放处于非线性工作时的电路统称为非线性应用电路 这种电路大量地被用于信号比较 信号转换和信号发生 以及自动控制系统和测试系统中 为了简化分析 同集成运放的线性运用一样 仍然假设电路中的集成运放为理想元件 图4 5 1集成运放开环工作状态电路 集成运放开环工作状态电路如图4 5 1所示 u 为同相输入电压 u 为反相输入电压 uid为差动输入电压uid u u uo Aod u u 由于Aod 所以 当uid u u 0即u u 时 输出电压达到正向最大值 uo Uom 其值比正电源电压低1 2V 当uid u u 0即u u 时 输出电压达到负向最大值 uo Uom 其值比负电源电压高1 2V 由于集成运放差模输入电阻很大 在非线性应用时 输入电流约为零 仍有 虚断 的特性 4 5 2电压比较器 Voltagecomparator 4 5 2单值电压比较器及传输特性 a 电路图 b 传输特性 一 单值电压比较器1 单值电压比较器工作原理开环工作的运算放大器是最基本的单值比较器 电路如图4 5 2a所示 在电路中 输入信号ui与基准电压UREF进行比较 当uiUREF时 Uo Uom 在ui UREF时 uo发生跳变 该电路理想传输特性如图4 5 2b所示 如果以地电位为基准电压 即同相输入端通过电阻R接地 组成如图4 5 3a所示电路 就形成一个过零比较器 Zerocrossingcomparator 则当ui0时 则Uo Uom也就是说 每当输入信号过零点时 输出信号就发生跳变 在过零比较器的反相输入端输入正弦波信号可以将正弦波转换成方波 波形图如图4 5 3b所示 图4 5 3过零比较器 a 电路图 b 正弦波转换成方波波形图 2 电压比较器的阈值电压 Thresholdvoltage 由上述分析可知 电压比较器翻转的临界条件是运放的两个输入端电压u u 对于图4 5 2所示电路为ui与UREF比较 当ui UREF时 即u u 时 电路状态发生翻转 我们把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压Uth 图4 5 2所示电路的Uth UREF 过零比较器的Uth 0 因为这种电路只有一个阈值电压 故称为单值电压比较器 二 迟滞比较器 Regenerativecomparator 单限比较器有一缺点 如果输入信号在阈值电压附近发生抖动时或者受到干扰时 比较器的输出电压就会发生不应有的跳变 就会使后续电路发生误动作 为了提高比较器的抗干扰能力 人们研制了一种具有滞回特性的比较器 亦称迟滞比较器 迟滞比较器电路如图4 5 4a所示 图中输入信号通过平衡电阻R接到反相端 基准电压UREF通过R1接到同相输入端 同时输出电压uo通过R2接到同相输入端 构成正反馈 图4 5 4迟滞比较器 a 电路 b 传输特性 由图4 5 4可知 i 0 电阻R上的压降为零 即u ui 而同时u 受UREF和uo的影响 当uo Uom时 由叠加定理可求得 此时ui u 输出电压将保持 Uom值 但当ui减少 使u 时 uo将再次由 Uom跳变到 Uom 其传输特性曲线如图4 5 4b所示 此时 ui u u 输出电压将保持 Uom 但当ui增加 使u 时 uo将由 Uom跳变到 Uom 此时 同相端电压为 由以上分析可知迟滞比较器有两个不同的门限电压 我们把称为上限门限电压 用Uth1表示 把称为下限门限电压 用Uth2表示 它们的差值称为门限宽度 又称回差电压或迟滞宽度 Hystersisvoltage 用 Uth表示 即 Uth Uth2 Uth1 例4 5 1 图示4 5 5a所示电压比较器 双向稳压管的稳定电压为 6V 请画出它的传输特性 当输入一个幅度为4V的正弦信号时 画出输出电压波形 图4 5 5例4 5 1图 a 电压比较器 b 电路传输特性 c 输出波形图 三 窗口比较器 单限比较器和迟滞比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只翻转一次 为了检测出输入电压是否在两个给定电压之间 可采用窗口比较器 窗口比较器电路如图4 5 6所示 窗口比较器又称双限比较器 图4 5 6窗口比较器 a 原理图 b 电压传输特性 4 5 3集成电压比较器 集成电压比较器按每一器件内所含电压比较器的个数可分为单 双和四电压比较器 按功能不同可分为通用型 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 或漏极 开路输出和互补输出三种 集电极 或漏极 开路输出的比较器 使用时应在输出端与电源之间接一电阻 此外 有的集成电压比较器带有选通端 用来控制比较器是处于工作状态还是禁止状态 所谓工作状态是电路按比较器的电压传输特性工作 所谓禁止状态是指比较器不再按电压传输性工作 而处于高阻状态 即从输出端看进去相当于开路 一 集成电压比较器分类 二 集成电压比较器主要参数 三 LM311及其应用 LM311是最早的也是最常用的电压比较器之一 它的简化内电路和引脚排列如图4 5 7所示 图4 5 7LM311内电路和引脚排列 a 简化内电路 b 引脚排列 LM311失调置零电路如图4 5 8 a 所示 通过调节电位器Rp使输入为零时 输出为零 图4 5 8LM311应用基本电路 a 失调置零 b 用上拉电阻RC对输出级偏置 c 用下拉电阻RE对输出级偏置 四 LM339及其应用 LM339是一种价格低廉单电源四比较器 又称为象限比较器 其简化内电路图和引脚排列如图4 5 9所示 图4 5 9LM339象限比较器简化内电路和引脚排列 a 简化内电路 b 引脚排列 LM339集电极开路输出 使用时应接5 1k 左右的上拉电阻 五 LM119 319 及其应用 LM119与LM319内电路及引脚均相同 仅其工作温度有区别 LM119为军品 工作温度范围为 55 C 125 C LM319为民品 工作温度范围为0 C 70 C LM119 319 为金属外壳封装双集成电压比较器 其引脚图 顶视图 如图4 5 10所示 图4 5 10LM119引脚图 LM119可双电源供电 也可用单电源供电 LM119为集电极开路输出 两个比较器可直接并联使用 共用上拉电阻 实现 线与 如图4 5 11 a 所示 图4 5 11LM119构成双限比较器及其电压传输特性 a 电路图 b 电压传输特性 4 5 4比较器应用示例 一 比较器在报警器中的应用 比较器在自动控制 测量 波形产生和波形变换领域得到广泛应用 附录B的模拟电子报警器中 就用比较器来自动控制声光示警电路 图4 5 12由图B 2所示的可燃气体报警器图截取而得 图中 运放A1组成单值比较器 在预热阶段和可燃气体浓度正常情况下 传感器电路的输出电压 由可燃气体浓度决定 UR1低于A1的阈值电压 比较器A1输出高电平 使V1饱和导通 绿色LED正偏发光 在可燃气体浓度超标时 A1输出低电平 红色LED正偏发光示警 同时使V2饱和导通 驱动声音报警电路发出报警声 图4 5 12比较器在报警器中的应用 A1组成单值比较器 A2组成的比较器起延时作用 运放A2组成的比较器起延时作用 保证传感器有足够的预热时间 使测试结果可靠 防止误动作发生 比较器A2的阈值电压Uth2 2 5V 开机电路通电时 C5上的电压为零 A2输出低电平 黄色LED正偏点亮 VD5反偏截止 电路通电后电容C5充电 当UC5 Uth2 2 5V时 比较器翻转 A2输出高电平 黄色LED熄灭 C5上的电压由零充至2 5V的时间就是传感器预热所需的延时时间 在延时阶段 传感器检测到可燃气体 电阻变小 UR1升高 VD5正偏导通 使A1反相输入端的电位钳位在1 5V左右 仍为低电平 A1仍输出高电平 V1继续饱和导通 绿色LED继续点亮 黄色LED继续点亮 起延时保护作用 二 集成电压比较器应用示例 用LM339比较器构成一个12V汽车蓄电池电压过压 欠压告警电路如图4 5 13所示 当蓄电池电压大于13V时和低于10V时 各由一个发光二极管LED发光告警 图4 5 13汽车蓄电池过压欠压告警电路 图中A1组成过压检测器 A2组成欠压检测电路 VZ提供参考电压建立稳定阈值电压 R3为VZ偏置限流电阻 VZ选用LM385 2 5集成电压基准源 其电压温度系数为20 10 6 C 动态电阻为0 6 工作电流IR 1mA UREF 2 5V 选E24系列电阻 取标称值10k 4 5 5方波 矩形波发生器 一 方波发生器 方波 Squarewave 发生器是非正弦发生器中应用最广的电路 数字电路和微机电路中时钟信号就由方波发生器提供 1 电路组成 方波发生器电路如图4 5 14a所示 它由滞回比较器和具有延时作用的RC反馈网络组成 图4 5 14方波发生器 a 电路图 b 波形图 2 工作原理 我们从滞回比较器原理可知 图4 5 14所示滞回比较器的输出电压不是uo1 Uom UZ UD 就是uo2 Uom UZ UD UD为二极管导通电压 为讨论方便 UD忽略不计 当电源接通 在t 0时刻 电容两端电压uc 0 设uo1 UZ 此时同相输入端电压 即阈值电压 为 输出电压uo UZ经R3向C充电 uc按指数规律上升 如图4 5 14b曲线 当电容上电压升至uc Uth1时 电路状态发生翻转 输出电压由uo1突变为uo2 UZ 此时 同相端输入电压突变为 此时 电容C上电压因放电而开始下降 如图4 5 14 b 曲线 放电完毕后电容反向充电 当uc u Uth2 电路发生翻转 uo UZ 电容反向放电 当放电完毕进行正向充电 当uc Uth1时 电路又发生翻转 输出由 UZ突变为 UZ 如此反复 在输出端即产生方波波形 波形如图4 5 14 b 所示 3 振荡频率估算 从以上分析可知 方波的频率与充放电时间常数有关 RC的乘积越大 充放电时间越长 方波的频率就越低 方波的周期和频率可由下式估算 由上式不难看出 适当选取R1 R2值 使 则 二 占空比可调的矩形波发生器 将图4 5 14电路稍加改造 就可组成占空比可调的矩形波发生器 电路如图4 5 15 a 所示 1 电路组成和工作原理 在脉冲电路中 将矩形波中高电平的时间TH与周期T之比称为占空比D 方波发生器高电平与低电平所占时间相等 占空比为 图4 5 15占空比可调矩形波发生器 a 电路图 b 波形图 振荡周期估算 4 5 6三角波 锯齿波发生器 图4 5 16三角波发生器 a 电路图 b 比较器传输特性 c 波形图 一 三角波发生器 1 电路组成和工作原理 三角波发生器电路如图4 5 16所示 电路由同相输入滞回比较器 A1 和积分器 A2 组成 应用迭加定理 集成运放A1同相输入端的电位 uo2经R1反馈至A1同相输入端控制滞回比较器翻转 A1反相输入端经R4接地 up1 uN1 0时比较器翻转 则阈值电压 比较器的输出电压uo1经R5接至A2的反相输入端 积分电路输出电压 2 频率的估算 从图4 5 16可见 方波和三角波的周期相等 是uo2从零变至所需时间4倍 所以 三角波周期和频率分别为 可见 该电路产生的方波和三角波的频率与R1 R2 R5及C有关 电路调试时一般先调节R2或R1 使三角波幅值满足要求后 再调节R5或C 用以调节频率值 为使频率可调 可在uo1输出端接一电位器 另一端接地 R5左端接电位器滑动臂 即组成了频率可调三角波电路 二 锯齿波发生器 图4 5 17锯齿波发生器 a 电路图 b 波形图 如果三角波波形不对称 即上升时间与下降时间不相等 则成为锯齿波 锯齿波电路如图4 5 17 a 所示 它与图4 5 16三角波电路的区别在于R5换成由电位器RP和VD1 VD2组成的网络 该电路的锯齿波幅值为 振荡频率为 式中 rd1 rd2为二极管导通动态电阻 通常可忽略不计 4 6集成运放使用常识与应用示例 4 6 1特殊集成运放及其应用 根据集成运放的性能不同分类 集成运放有高增益的通用型 高输入阻抗 低漂移 低功耗 高速 高压 高精度 大功率等各种专用型集成运算放大器 以及在运放应用电路基础发展而来的集成电压比较器 集成仪器放大器 隔离放大器等 在选用时要考虑有高的性能价格比 即要以较低的价格达到较高的性能 一般来说 专用型集成运放性能较好 但价格较高 在工程实践中不能一味地追求高性能 而且专用集成运放仅在某一方面有优异性能 所以在使用时应根据电路的要求 查找集成运放手册中的有关参数 合理的选用 一 高输入阻抗型这类运放主要用于测量放大器 模拟调节器 有源滤波器及采样保持电路等 它们的输入阻抗一般在1012 以上 如 A740 PC152 C14573等 二 低漂移型低漂移型运放主要用于精密测量 精密模拟计算 自控仪表 人体信息检测等方面 它们的失调电压温漂一般在0 2 0 6 V Aud 120dB KCMR 110dB 如F725 FC72 FC74 C7650等 三 高速型高速型运算放大器是指该类集成运放具有高的单位增益带宽 一般要求fT 10MHZ 和较高的转换速率 一般要求SR 30V s 它们主要用于D A转换和A D转换 有源滤波器 锁相环 高速采样和保持电路以及视频放大器等要求输出对输入响应迅速的地方 国产超高速运放F3554的SR 1000V s BWG 1 7GHZ 四 低功耗型低功耗型一般用于遥感 遥测 生物医学和空间技术研究等要求能源消耗有限制的场所 如UA735 UPC253等 五 高压型一般用于获取较高的输出电压的场合 如典型的3583型 电源电压达 150V UOmax 140V 六 大功率型用于输出功率要求大的场合 如LM12 输出电流达 10A 4 6 2集成运放外接电阻的选用 外接电阻的选择 对集成运放放大电路的性能有重大的影响 由于一般集成运放的最大输出电流Iom为 5 10 mA 从图4 2 1所示反相比例放大电路可知 流过反馈电阻Rf的电流if应满足下列要求 而uo一般为伏级 故Rf至少取k 以上的数量级 如果Rf和R1取值太小 会增加信号源的负载 如果取用M 级 也不合适 其原因有二 其一 电阻是有误差的 阻值越大 绝对误差越大 且电阻会随温度和时间变化产生时效误差 使阻值不稳定 影响精度 其二 运放的失调电流IIO会在外接高阻值电阻时引起较大的误差信号 综合上述分析 运放的外接电阻值尽可能配用几千欧至几百千欧之间 另外还应使反相和同相输入端外接直流通路等效电阻平衡 如图4 2 2中应取R2 R1 Rf 在设计反相输入放大电路中 外接电阻取值范围应在1k 1M 之间 最好在100k 以内 放大倍数限定在0 1 100倍之间 否则 如不采取其他措施很难保证放大电路增益的稳定性 受外接电阻等条件限制 同相放大器电压放大倍数限定在1 100之间 4 6 3单电源交流放大器 通常集成运放需正负两组电源供电 且大都需要正负电源对称 它们的电压有一个允许范围 使用前需查对清楚 单电源供电的集成运放功能与双电源供电的运放功能大致相同 在仅需用作放大交流信号的线性应用电路中 为简化电路 可采用单电源 正电源或负电源 供电 因此要求集成运放组成的交流放大器必须设计成单电源供电方式 当然直接选用单电源供电集成运放如LM324就更方便了 将双电源供电的集成运放改成单电源供电时必须满足 U U Uo三端的直流电压相等且等于电源电压的一半 如图4 6 1 a 所示电路为 A741构成反相交流电压放大器电路 其中R2 R3称为偏置电阻 用来设置放大器的静态工作点 为获得最大动态范围 通常使同相输入端静态工作点U 1 2VCC 即 所以取R2 R3 静态时 放大器输出电压应等于同相输入端电位 即 图中C1 C2为放大器耦合电容 如图4 6 1 b 所示电路为单电源供电自举式同相交流放大器 该电路接入R4的目的是为了提高放大器的输入电阻 接入R4后 放大器的输入电阻为 式中 ric为集成运放共模输入电阻 R4越大 放大器的输入电阻越大 因静态时R4两端的电位几乎相等 提高了同相输入端的电位 故称R4为自举电阻 图4 6 1单电源交流放大器 a 反相交流放大器 b 自举式同相交流放大器 4 6 4调零 为了消除集成运放的失调电压和失调电流引起的输出误差 以达到零输入零输出的要求 必须进行调零 对有外接调零端的集成运放 可通过外接调零元件进行调零 A741外接调零元件的调零电路如图4 6 2所示 将输入端接地 调节RP使输出为零 图4 6 2外接调零元件调零 当集成运放没有调零端时 可采用外加补偿电压的方法进行调零 它的基本原理是 在集成运放输入端施加一个补偿电压 以抵消失调电压和失调电流的影响 从而使输出为零 4 6 6集成运放电路的消振与保护电路 图4 6 3高频自激振荡波形 一 消振 由于集成运放增益很高 易产生自激振荡 消除自激振荡是动态调试的重要内容 运放是高电压增益的多级直接耦合放大器 在线性应用时 外电路大多采用深度负反馈电路 由于内部晶体管极间电容和分布电容的存在 信号传输过程中产生附加相移 因此在没有输入电压的情况下 而有一定频率 一定幅度的输出电压 这种现象称为自激振荡 消除自激振荡的方法是外加电抗元件或RC移相网络进行相位补偿 Phasecompensating 高频自振荡波形如图4 6 3所示 一般需进行相位补偿的运放在其产品说明书中注明了补偿端和补偿元件参考数值 按说明接入相位补偿元件或相移网络即可消振 Oscillationelioninating 但有一些需要进行实际调试 如F004 其调试电路如图4 6 4所示 图4 6 4补偿电容调试电路 首先将输入端接地 用示波器可观察输出端的