第6章 集成运算放大器基本应用电路

1、6.1 引言引言 集成运算放大器的基本应用电路：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。信号的运算、处理及信号产生电路。 本章的主要内容：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；区的特点； 集成运放的集成运放的线性应用线性应用电路电路比例运算电路、加减比例运算电路、加减 运算电路、积分和微分运算电路、对数和指数运算电路。运算电路、积分和微分运算电路、对数和指数运算电路。 运放的运放的非线性应用非线性应用电路电路电压比较器。电压比较器。 第第6章章 集成运算放大器基本应用电路集成运算放大器基本应

2、用电路 6.2 理想运算放大器理想运算放大器 什么是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。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理想运放的技术指标 IO d 0 d U T IO d 0 d I T 6.2.2 理想运放工作在线性区和非线性区的特点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：运放工作在线性区时，有： OodIdodP

3、N ()uAuAuu 因为因为 od A Id 0Vu PN uu 所以所以 即即 称为虚短称为虚短 又有输入电阻又有输入电阻 id R PN 0ii 因此因此 称为虚断称为虚断 理想运放工作在线性有两个重要特性：理想运放工作在线性有两个重要特性：“虚短虚短”和和“虚断虚断”。 +Uom -Uom 理想运放的电压传输特性理想运放的电压传输特性 0 线性区线性区 Aod +Uom -Uom 理想运放的电压传输特性理想运放的电压传输特性 0 非线性区非线性区 非线性非线性区区 运放工作在非线性区时，即使运放工作在非线性区时，即使 uP-uN为微小量，为微小量，Aod= ，所以，所以 uO将饱和，为

4、将饱和，为+UOM或或-U 。 。 理想运放工作在非线性也有两理想运放工作在非线性也有两 个特点：个特点： (1) 当当uPuN时，时， uO= UOM；当当uP0时，时，VD导通。由导通。由“虚短虚短” 和和“虚断虚断”可得可得 由二极管的伏安特性方程得由二极管的伏安特性方程得 只有只有uI0时，此对数时，此对数 函数关系才成立函数关系才成立 6.6 对数和指数运算电路对数和指数运算电路 6.6.2 指数运算电路指数运算电路 将对数运算电路中的二极管将对数运算电路中的二极管VD和电阻和电阻R互换，可得互换，可得 指数运算电路。指数运算电路。 ORD I S T exp ui Ri R u R

5、I U 指数运算电路相当反对数运算电路。指数运算电路相当反对数运算电路。 指数运算电路指数运算电路 当当uI0时，时，VD导通。由导通。由“虚短虚短”和和“虚断虚断”可得可得 O DR u ii R ID uu 电压比较器中的集成运放工作在电压比较器中的集成运放工作在开环开环或或引入正反馈引入正反馈状态，状态， 工作在非线性区工作在非线性区。 运放的电路工作状态运放的电路工作状态 电压比较器电压比较器可实现信号鉴幅和比较功能；与其它电子电路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、模组合，可实现信号发生、模-数转换、电源监测等功能。数转换、电源监测等功能。 其输出只有两种

6、稳定状态：其输出只有两种稳定状态：高电平高电平和和低电平低电平。 OMPN OMPN , O , Uuu Uuu u 6.7 电压比较器电压比较器 电压比较器的电压传输特性电压比较器的电压传输特性 电压比较器的输出电压电压比较器的输出电压uO与输入电压与输入电压uI之间的关系曲线，之间的关系曲线， 称为称为电压传输特性电压传输特性。 电压比较器的输出电压电压比较器的输出电压uO与差模输入电压与差模输入电压uId=uP-uN之间之间 的电压传输特性如图所示。的电压传输特性如图所示。 根据电压传输特性的不同，电压根据电压传输特性的不同，电压 比较器分为比较器分为3种：种：单限比较器、单限比较器、

7、滞回比较器滞回比较器和和窗口比较器窗口比较器。 当当uId0时，时，uO= +UOM 比较器的输出状态发生跃变时所对应的输入电压称为比较器的输出状态发生跃变时所对应的输入电压称为阈阈 值电压值电压，用，用UTH表示。表示。 当当uId0时，时，uO= - -UOM 单限比较器只有一个阈值电压单限比较器只有一个阈值电压 1)当当uI UREF 时，时， uO UZ； 2) 电路的阈值电压电路的阈值电压UTH UREF 6.7.1 单限比较器单限比较器 (a) (b) 单限比较器及其电压传输特性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入端并联的两个二极管作

8、用是保护运放的输入级 。 运放输出端的运放输出端的R与与DZ构成输出限幅电路。构成输出限幅电路。 对单限比较器进行如下讨论：对单限比较器进行如下讨论： (1) 当当UREF =0V时，单限比较器称为时，单限比较器称为过零比较器过零比较器。其阈值电。其阈值电 压为零。压为零。 (2) 当参考电压当参考电压UREF为常量时，单限比较器可以用于波形变为常量时，单限比较器可以用于波形变 换。设输入换。设输入uI为三角波，过零比较器输出波形为矩形波。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过零比较器的输出电压波形 (3) 当参考电压当参考电压UREF为高频三角波时，若输入为高频三

9、角波时，若输入uI为低频正弦为低频正弦 信号，则比较器输出为脉宽调制信号，则比较器输出为脉宽调制(PWM)波形，。波形，。 单限比较器输出的单限比较器输出的PWM波形波形 (4) 若将单限比较器的输入端与参考电压端互换，此时输入若将单限比较器的输入端与参考电压端互换，此时输入 uI经过经过UTH时，时，uO的跃变方向正好与原图相反。的跃变方向正好与原图相反。 相应地过零比较器的输出电压波形及单限比较器的相应地过零比较器的输出电压波形及单限比较器的PWM波波 形也与原来的波形相反。形也与原来的波形相反。 (5) 分析电压比较器的方法分析电压比较器的方法确定其确定其电压传输特性电压传输特性。 a.

10、 确定比较器的确定比较器的阈值电压阈值电压UTH； b. 明确输出在输入过明确输出在输入过UTH时的时的跃变方向跃变方向。 基本方法：基本方法： a. 令令uP=uN，求阈值电压，求阈值电压UTH。 b. 若若uI由同相输入端接入，有由同相输入端接入，有 若若uI由反相输入端接入，有由反相输入端接入，有 OMITH O OMITH , , UuU u UuU OMITH O OMITH , , UuU u UuU (6) 当输入电压当输入电压uI受到干扰在阈值电压上下波动时，其输受到干扰在阈值电压上下波动时，其输 出出uO将在高、低电平之间反复跳跃。因此单限比较器将在高、低电平之间反复跳跃。因

11、此单限比较器抗抗 干扰能力差干扰能力差。 例例6.7.1 单限比较器的参考电压单限比较器的参考电压UREF0V，试分析其电压传，试分析其电压传 输特性。输特性。 解：根据解：根据“虚断虚断”和叠加定理和叠加定理 P 0u 12 NIREF 1212 RR uuU RRRR 令令 PN 0uu求得求得 2 THREF 1 R UU R 得出电路的电压传输特性。得出电路的电压传输特性。 (a) (b) 例例6.7.1的电路图及其电压传输特性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 滞回比较器的输出滞回比较器的输出uO经过反馈电阻经过反馈电阻R1被引回到运放的被引回到运放的 同相输

12、入端。由于引入了正反馈，运放工作于非线性区，同相输入端。由于引入了正反馈，运放工作于非线性区， uO为高电平为高电平+UZ或低电平或低电平- -UZ。 uP不仅取决于不仅取决于UREF，还受，还受uO的影响。随着的影响。随着uO在在+UZ和和-UZ之之 间的跃变，间的跃变，uP也随之改变。因此，也随之改变。因此，滞回比较器具有两个阈滞回比较器具有两个阈 值电压值电压。 反相滞回比较器与电压传输特性反相滞回比较器与电压传输特性 反相滞回比较器反相滞回比较器 根据根据“虚断虚断” 和叠加定理和叠加定理 NI uu 12 PREFO 1212 RR uUu RRRR PN uu 12 THREFZ

13、1212 RR UUU RRRR 12 TH1REFZ 1212 RR UUU RRRR 12 TH2REFZ 1212 RR UUU RRRR 令令可得可得 当当uO = +UZ 时，上限阈值电压时，上限阈值电压 UTH1 当当uO = - -UZ 时，下限阈值电压时，下限阈值电压 UTH2 设设uIUTH2，则，则 uN uP， uO+UZ。此时。此时uPUTH1， 增大增大 uI，经过，经过UTH1时，时， uO从从+UZ跃变为跃变为- -UZ。 电压传输特性电压传输特性 设设 uIUTH1，则，则 uN uP， uO- -UZ。此时。此时uP UTH2， 减小减小 uI，经过，经过UT

14、H2， uO从从- -UZ跃变为跃变为+UZ。 由以上分析可得由以上分析可得滞回比较器滞回比较器的的电压传输特性电压传输特性。 两阈值电压之差称为两阈值电压之差称为回差电压回差电压 2 TH1TH2Z 12 2R UUUU RR 改变改变UREF的值，可使滞回的值，可使滞回 特性曲线在水平方向上移动；特性曲线在水平方向上移动； 改变电阻改变电阻R1、R2的比值，可改的比值，可改 变回差电压变回差电压 U。 设设uI UTH1， uO-UZ，阈值电压为，阈值电压为UTH2；减小；减小uI过过UTH2， uO由由-UZ跳变为跳变为+UZ，阈值电压为，阈值电压为UTH1；此后；此后uI只有经过只有经

15、过UTH1 时才使时才使uO由由+UZ跳变为跳变为-UZ。因此有。因此有更强的抗干扰能力更强的抗干扰能力。 (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。滞回比较器可用于波形变换，例如将三角波变换为矩形波。 将图中将图中uI和和UREF的位置互换，就构成了同相滞回比较器，其的位置互换，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。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。 例例6.7.2设运放的最大输出电压设运放的最大输出电压UOM = 12V，试求：，试求：

16、 1. 分析电路的电压传输特性；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。根据电路输入电压信号画出电路的输出电压波形。 解：解：1. 由电路图可知由电路图可知 例例6.7.2电路图及其电压传输特性电路图及其电压传输特性 NREF 3VuU 根据根据“虚断虚断” 和叠加定和叠加定 理理 21 PIO 1212 RR uUu RRRR PN uu求得求得 121 THREFO 22 RRR UUu RR 当当uO = +6V时，时，UTH1=1.5V；当；当uO = -6V时，时，UTH2=7.5V 令令 2. 根据电路的电压传输特性，根据电路的电压传输特性， 可

17、得电路的输出电压波形。可得电路的输出电压波形。 该电路为该电路为同相滞回比较器同相滞回比较器， 可画出其电压传输特性。可画出其电压传输特性。 例例6.7.2的输入和输出电压波形的输入和输出电压波形 6.7.3 窗口比较器窗口比较器 窗口比较器由一对单窗口比较器由一对单 限比较器构成。有两限比较器构成。有两 个阈值电压，由个阈值电压，由R1、 R2与与VD1、VD2构成构成 的分压支路提供。的分压支路提供。 当当R1 =R2时时 2 LCCDCCD 12 HLDCCD 1 =(2) 2 1 =2 2 R UVUVU R +R UU + UVU 窗口比较器窗口比较器 1. 当当uIUL时，时，UO

18、2 = +UOM，VD4导通；导通；uO1=-UOM，VD3截截 止，止，uO=+UOM。 2. 当当UH uIUL时，时，uO1=- -UOM ，uO2 =- -UOM ，VD3、VD4 截止，截止，uO=0。 3. 当当uIUH时，时，uO1 =+UOM ，VD3导通；导通；uO2 =-UOM ，VD4 截止，截止，uO= +UOM。 窗口比较器的输入窗口比较器的输入uI在单向变化过程中，经过每一个在单向变化过程中，经过每一个 阈值电压时，阈值电压时，uO都发生跃变，即都发生跃变，即uO会跳变两次。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，常用于信窗口比较器可以检测某一特定范

19、围的输入信号，常用于信 号鉴幅、模拟号鉴幅、模拟-数字转换等电路中。数字转换等电路中。 窗口比较器的输入和输出电压波形窗口比较器的输入和输出电压波形 集成电压比较器与由通用的集成运放构成的比较器的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：区别为： (1) 通用集成运算放大器的工作速度较慢，一般为通用集成运算放大器的工作速度较慢，一般为 s数数 量级；集成电压比较器翻转速度快，大约在量级；集成电压比较器翻转速度快，大约在ns数量级。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，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

20、需加限双极性输出，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幅措施。集成电压比较器的输出级为集电极开路结构集电极开路结构，需，需 接上拉电阻，输出符合接上拉电阻，输出符合TTL/CMOS电平，容易和数字电路电平，容易和数字电路 连接。连接。 6.7.4 集成电压比较器的特点集成电压比较器的特点 集成电压比较器分类：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；精度型； 按输出方式可分

21、为普通、集电极开路输出或互补输出。按输出方式可分为普通、集电极开路输出或互补输出。 表表6.7.1 几种常用集成电压比较器的性能比较几种常用集成电压比较器的性能比较 LM311的的8脚双列直插式脚双列直插式管脚图如下图管脚图如下图(b)所示。所示。LM311有有 同相和反相两个输入端，正、负两个外接电源，有外部平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。输出可接成衡调节端和选通控制端。输出可接成“线与线与”方式。方式。 (a) (b) LM311的管脚的管脚 LM311特点：输入偏流小，电压范围宽、响应速度快、特点：输入偏流小，电压范围宽、响应速度快、 输出与输出与TTL及及CMOS电平兼容。电平兼容。 1.