電路與電子技術-第6章--集成運算放大器及其應用4演示文檔

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.,6.5集成運放的應用,以集成運為放核心部件，在其外圍加上一定形式的外接電路，即可構成各種功能的電路，例如能對信號進行加、減、微分和積分的運算電路，濾波電路、比較電路以及波形產生和變換電路等。,集成運放有線性和非線性兩個工作區(qū)域，因此在分析具體的集成運放應用電路時，首先判斷運放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，再運用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點分析電路的工作原理。,一般判斷運放工作狀態(tài)的方法是看電路中引入反饋的極性，若為負反饋，則工作在線性區(qū)；若為正反饋或者沒有引入反饋（開環(huán)狀態(tài)），則運放工作在非線性狀態(tài)。,集成運算放大器加入負反饋，可以實現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等數(shù)學運算功能，實現(xiàn)這些運算功能的電路統(tǒng)稱為運算電路。在運算電路中，運放工作在線性區(qū)，在分析各種運算電路時，要注意輸入方式，利用“虛短”、“虛斷”和“虛地”的特點。,.,6.5.1 運算電路,圖所示為反相比例運算電路。輸入電壓ui通過電阻R1接入運放的反相輸入端。RF為反饋電阻，同相輸入端電阻R2接地，為保證運放輸入級差分放大電路的對稱性，要求R2=R1 //RF 。,1. 比例運算電路,（1）反相比例運算電路,工作原理分析：,電路引入電壓并聯(lián)負反饋，所以電路的運放工作在線性區(qū)，并具有虛短和虛斷的特點。,由于虛斷，故i+ = 0，即R2上沒有壓降，則u+ = 0；,ii = iF,i- = 0,又因虛短，可得 = 0，這說明在反相比例運算電路中，集成運放的反相輸入端與同相輸入端的電位不僅相等，而且均等于零，如同該兩點接地一樣，這種現(xiàn)象稱為虛地。,.,則輸出電壓與輸入電壓的關系為：,則反相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為：,因為 ii = iF,放大倍數(shù)僅與反饋網絡電阻數(shù)值有關,可做公式使用,.,式中的負號表示輸出電壓與輸入電壓反相。若RF = R1，則uo = - ui ，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相反。這時，反相比例電路只起反相作用，稱為反相器。,可看出，反相比例電路的輸入電阻不高，這是由于電路中接入了電壓并聯(lián)負反饋的緣故。由前面分析可知，并聯(lián)負反饋將降低輸入電阻。,反相比例運算電路中引入了深度的電壓并聯(lián)負反饋，該電路輸出電阻很小，具有很強的帶負載能力。,.,圖為同相比例運算電路，運放的反相輸入 端通過電阻R1接地，同相輸入端則通過補償電阻R2接輸入信號，R2 = R1 // RF。電路通過電阻RF引入了電壓串聯(lián)負反饋，運放工作在線性區(qū)。,根據虛短：u + = u - = ui,則同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為：,（2）同相比例運算電路,根據虛斷: i+ = i - = 0 ，即i1=if,放大倍數(shù)僅與反饋網絡電阻數(shù)值有關,,,.,如同相比例運算電路中的RF = 0，則由上式可知輸入電壓與輸出電壓之間相等，即：ui=uo，且相位相同，故稱電路為電壓跟隨器。,同相比例運算電路引入的是電壓串聯(lián)負反饋，具有較高的輸入電阻和很低的輸出電阻，這是這種電路的主要優(yōu)點。,Auf的值總為正，表示輸出電壓與輸入電壓同相。且其比值總是大于或等于1。即：,.,取樣保持電路：由取樣門(開關)和保持電容組成。當取樣脈沖到來時，取樣門閉合，uC=ui (ui ＞uC，C充電， ui ＜uC，C放電)。,取樣門(開關)可以用理想二極管代替,取樣脈沖,當取樣脈沖過去時，取樣門打開，電容電壓保持不變。這樣，就可以將輸入信號ui對應取樣脈沖到達時刻的樣品取出，且在脈沖休止期間保持住。其模型如圖所示。,.,,當取樣脈沖uS為高電平時，管子導通。此時，若ui＞uC，電容C充電且uC = ui 。若ui ＜ uC ，電容仍可通過場效應管向運放放電，且也能保證uC = ui 。而當uS為低電平，且uS ＜uGSoff(夾斷電壓)時，則場效應管截止，電容電壓保持。,如果將上圖中的單向開關(二極管D)換成一個雙向開關場效應管開關，電容不僅有充電回路，也有放電回路，則可實現(xiàn)取樣保持功能。如下圖所示。,電壓跟隨器的應用,.,.,前面介紹的反相和同相比例運算電路，都是單端輸入放大電路，差分比例運算電路屬于雙端輸入放大電路，其電路如圖所示。,（3）差分比例運算電路,,,代入上式，可得：,.,當滿足R1 = R1’，RF = RF ’時，整理上式，可求得輸出電壓與輸入電壓關系式為：,,所以，差分比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為：,,在電路元件參數(shù)對稱的條件下，差分比例運算電路的差模輸入電阻為：,,由以上分析可見，差動比例運算電路的輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比，實現(xiàn)了差動比例運算。,Rif= 2R1,實現(xiàn)了差分放大電路,.,用疊加定理求解差分比例運算電路,利用疊加定理,.,因為虛短，即u + = u -，所以得到：,在理想條件下，因為虛斷，i+ = i- = 0，求得反相輸入端的電位為：,故,.,因為虛短，即u + = u -，所以得到：,在理想條件下，因為虛斷，i+ = i- = 0，求得反相輸入端的電位為：,由疊加定理,.,思考題,組成哪種基本運算電路？ 與用一個運放組成的完成同樣運算的電路的主要區(qū)別是什么？ 為什么在求解第一級電路的運算關系時可以不考慮第二級電路對它的影響？,理想運放，高輸入電阻，所以前后級不相互影響,A1為同向輸入運放，A2為差動輸入運放,.,比例運算電路是一種基本的運放應用電路，以它為基礎可以組成具有各種用途的實際電路。,數(shù)據放大器是由比例運算電路構成的一種高增益、高輸入電阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差動輸入、單端輸出的形式。,比例運算電路的運放應用,當應變、溫度等物理量通過傳感器轉換成電量時，獲得的信號電壓變化量常常很小，而共模電壓卻很高。,通常用在數(shù)據采集、工業(yè)自動控制、精密測量以及生物工程等系統(tǒng)中，對各種傳感器送來的緩慢變化信號加以放大，然后輸出給系統(tǒng)。數(shù)據放大器質量的優(yōu)劣常常是決定整個系統(tǒng)精密的關鍵。,.,例：利用相減電路可構成“稱重放大器”。圖給出稱重放大器的示意圖。圖中壓力傳感器是由應變片構成的惠斯頓電橋，當壓力(重量)為零時，Rx=R，電橋處于平衡狀態(tài)，ui1=ui2，相減器輸出為零。而當有重量時，壓敏電阻Rx隨著壓力變化而變化，而電橋失去平衡，ui1 ≠ui2,相減器輸出電壓與重量有一定的關系式。試問，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關系。,典型值是當電源電壓US=10 V時，電橋輸出的差動信號最大約30mV。,.,稱重放大器的簡化圖：,戴維南定理可知：,先把電源部分從電路中斷開：,電路分析如下：,ui2,ui1,,,.,則：,重量(壓力)變化，Rx隨之變化，則uo也隨之變化，所以測量uo就可以換算出重量或壓力。,.,圖是由三個集成運放組成的通用數(shù)據放大器，其中每個集成運放接成比例運算電路形式。電路包含兩個放大級，A1、A2組成第一級，二者均接成同相輸入方式，因此輸入電阻很高。由于電路結構對稱，它們的漂移和失調都有互相抵消的作用。A3組成差動放大級，將差動輸入轉換為單端輸出。,例：圖中的三運放數(shù)據放大器即是目前應用測量放大器。,由圖可推出：,作業(yè),.,,,,,,實現(xiàn)多個輸入信號按各自不同的比例求和或求差的電路統(tǒng)稱為加減運算電路。,2. 加減運算電路,（1）加法運算電路,① 反相加法運算電路,.,反相求和運算電路 方法二：利用疊加原理 首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。,,.,必不可少嗎？,同相求和運算電路,,,方法1利用節(jié)點電流法求解,與反相求和運算電路的結果差一負號,② 同相加法運算電路,設R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf,方法2疊加原理同學自行分析,.,例 試設計一個反相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均≥100kΩ。,由上可得Rf=300kΩ，R2=100kΩ,R1=150kΩ。,實際電路中，為了消除輸入偏流產生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一直流平衡電阻Rp,并令Rp=R1‖R2‖Rf=50kΩ，如圖所示。,解 根據題意反相器為如圖所示，為滿足輸入電阻均≥100kΩ，可先選R2=100kΩ，,根據題意：uo=-(2ui1+3ui2),反相加器的輸出表達式為,.,電阻值過大或過小，可先選RF = 100 kΩ，則,,例 假設一個控制系統(tǒng)中的溫度、壓力和速度等物理量經傳感器后分別轉換成為模擬電壓量uI1、uI2、uI3，要求該系統(tǒng)的輸出電壓與上述各物理量之間的關系為：uo = -3ui1 - 10ui2 – 0.53 ui3,解 ：根據上述表達式，可選用反向求和電路。,將以上給定的關系式與式比較，可得：,求和電路的表達式,.,差分比例運算電路實際上就是一個簡單的加減運算電路。如果在差動比例運算電路的同相輸入端和反相輸入端各輸入多個信號，就變成了一般的加減運算電路，如圖所示，它綜合了反相加法運算電路和同相加法運算電路的特點，所以也可稱為雙端輸入求和運算電路。,當ui1 = ui2 = 0時，電路為同相求和運算電路，由上分析可知，設此時的輸出電壓為uo2，根據式得：,③ 加減運算電路,當ui3 = ui4 = 0時，u+ = u -= 0，電路為反相加法運算電路。設此時的輸出電壓為uo1，根據式得：,令RN = R1 // R2 // RF ，RP = R3 // R4 // R5 ，取RN = RP，使電路參數(shù)對稱。利用疊加定理可方便地得到這個電路的運算關系。,.,根據疊加定理，輸出電壓為：,利用RN = R1 // R2 // RF ，RP = R3 // R4 // R5，令 RN = RP ，則：,利用上圖實現(xiàn)加減運算，要保證RN = RP，有時選擇參數(shù)比較困難，這時可考慮用兩級電路實現(xiàn)，下面舉例說明。,.,例 求解圖所示電路uo和ui1、ui2、ui3的運算關系。,將uo1代入uo，可得：,解 圖所示為由兩個反相加法電路組成的加減運算電路。圖中,.,電容的電壓和電流之間有微分和積分關系，利用它來構成積分和微分運算電路。,從而實現(xiàn)了輸入電壓與輸出電壓之間的積分運算。通常上式中電阻R與電容C的乘積稱為積分時間常數(shù)，用符號“τ”表示。,3. 積分和微分運算電路,（1）積分運算電路,積分電路如圖所示，由虛地和虛短的概念可得ii = iC ，所以輸出電壓uo為：,積分器：是完成積分運算的電路，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。,.,積分電路的應用：,如圖所示。當輸入為階躍信號時，若t0時刻電容上的電壓為零，則輸出電壓波形如圖（a）所示。,當輸入為方波時，輸出電壓分別如圖（b）所示。,當輸入為正弦波時，輸出電壓分別如圖（c）所示。,.,例電路如圖所示，R=100kΩ，C=10μF。當t=0~t1(1s)時，開關S接a點；當t=t1(1s)~t2(3s)時，開關S接b點；而當t＞t2(3s)后，開關S接c點。已知運算放大器電源電壓UCC=|-UEE|=15V，初始電壓uC(0)=0,試畫出輸出電壓uC(0)的波形圖。同學自行分析,.,解 (1)因為初始電壓為零(uC(0)=0)，在t=0~1s間，開關S接地，所以uo=0。,輸出電壓從零開始線性下降。當t=3s時:,(2)在t=1~3s間，開關S接b點，電容C充電,充電電流,.,(3)在t＞3s后，S接c點，電容C放電后被反充電，uo從-4V開始線性上升，一直升至電源電壓UCC就不再上升了。那么升到電源電壓(+15V)所對應的時間tx是多少?,u o(t)的波形如圖所示。,.,微分是積分的逆運算。將積分電路中R和C的位置互換，即可組成基本微分電路，如圖所示。,可見，輸出電壓正比于輸入電壓的微分,（2）微分運算電路,微分電路的應用：,微分電路的階躍響應：,微分電路的波形變換作用如圖所示，可將矩形波變成尖脈沖輸出。,由虛地和虛短的概念可得iC = iR ，則輸出電壓為：,.,微分電路的應用：,工程上，常把比例（Proportion）、積分（Integration）和微分（Differentiation）電路結合起來構成PID校正電路，用作自動控制系統(tǒng)中的信號調節(jié)。,如圖所示。PID校正電路也叫PID調節(jié)器，它實際上是一個運算控制器，在自動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)對輸入信號進行比例（P）、積分（I）和微分（D）的控制運算，比例積分運算用來提高調節(jié)精度，微分運算用來加速過渡過程。,.,模擬乘法器是一種完成兩個模擬信號相乘的電子器件。應用十分廣泛，不僅用于模擬信號的運算，而且已經擴展到電子測量儀表、無線電通信等各個領域。,其中k是比例系數(shù)，其值可正可負，若k大于0則為同相乘法器，若k值小于0則為反相乘法器。k值通常為+0.1V -1或-0.1V -1。,4. 模擬乘法器及其應用（不講）,（1）模擬乘法器的電路符號和運算關系,模擬乘法器的電路符號如圖所示，它有兩個輸入電壓信號uX、uY和一個輸出電壓信號uo。輸出電壓：,符號,運算關系,.,模擬乘法器的用途十分廣泛，除了用于模擬信號的運算，如乘法、平方、除法及開方等運算以外，還在電子測量及無線電通訊等領域用于振幅調制、混頻、倍頻、同步檢測、鑒相、鑒頻、自動增益控制及功率測量等方面。,以此類推，當多個模擬乘法器串聯(lián)使用時，可以實現(xiàn)ui的任意次方運算。,（2）模擬乘法器的應用,① 平方運算電路,將模擬乘法器的兩個輸入端并聯(lián)后輸入相同的信號，就可實現(xiàn)平方運算，如圖所示。其輸出電壓：,.,,圖所示為除法運算電路，模擬乘法器放在反饋回路中，并形成深度負反饋。根據乘法規(guī)律可得 。再由“虛短”和“虛斷”得到u - = u + = 0，i1 = i2，于是有 。,從而實現(xiàn)了ui1對ui2的除法運算， 是其比例系數(shù)。,② 除法運算電路,將uo1代入，整理可得：,必須指出：ui1和uo1極性必須相反，才能保證運放工作于深度負反饋狀態(tài)，因此要求ui2必須為正，ui1的極性可以是任意的。此為二象限除法器。,.,在圖所示除法運算電路中，如果將ui2端也接到uo端，則除法運算電路變成了開方運算電路，如圖所示。,所以,,顯然，信號ui的極性必須和比例常數(shù)K的符號相反，電路才能正常工作。圖中二極管的作用是防止出現(xiàn)當ui因受干擾等原因變?yōu)檎禃r，uo為負值的情況，而且uo1與ui都為正值，運算放大電路變?yōu)檎答仯娐凡荒苷９ぷ鳎娐穼⒊霈F(xiàn)鎖定現(xiàn)象，加了二極管后，即可避免鎖定現(xiàn)象的發(fā)生。,③ 開方運算電路,由圖可得：,.,以上是模擬乘法器在信號運算方面的應用舉例。下面再舉幾個例子簡單說明模擬乘法器在電子測量和無線通訊等領域的應用。,則乘法器的輸出電壓為：,輸出電壓中包含兩部分，一部分是直流成分，另一部分是角頻率為2ω的余弦電壓?？稍谳敵龆私右粋€隔直電容將直流成分隔離，則可得到二倍頻的余弦輸出電壓，實現(xiàn)了倍頻作用。,④ 倍頻電路,如果將一個正弦波電壓同時接到乘法器的兩個輸入端，即,.,⑤ 功率測量電路,功率等于相應的電壓與電流的乘積，因此，可將被測電路的電壓信號和電流信號分別接到乘法器的兩個輸入端，則其輸出電壓即反映了被測電路的功率。,⑥ 自動增益控制電路,為了實現(xiàn)自動增益控制，常利用一個直流電壓來控制電路的增益，所以也稱為壓控增益?？蓪⑿盘栯妷汉椭绷骺刂齐妷悍謩e接到乘法器的兩個輸入端，則電路的增益將隨著直流控制電壓的大小而變化。,.,6.5.2 有源濾波器 有源濾波器是一種信號處理電路，在有源濾波器中集成運放工作在線性工作狀態(tài)。 1. 濾波的概念及濾波器的分類 何為濾波：在電子電路傳輸?shù)男盘栔校喾N頻率的信號分量，其中除有用頻率分量外，還有無用的甚至是對電子電路工作有害的頻率分量，如高頻干擾和噪聲。濾波器的作用就是，允許一定頻率范圍內的信號順利通過，而抑制或阻止其他頻率信號，即濾波。 無源濾波器和有源濾波器：僅僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波器稱為無源濾波器。由無源元件和有源元件（三極管、場效應管、集成運放）共同組成的濾波器稱為有源濾波器。 濾波器的分類：根據濾波器輸出信號中所保留的頻率段的不同，可將濾波器分為低通濾波器（（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）四大類。它們的幅頻特性如圖6-49所示，被保留的頻段稱為“通帶”，被抑制的頻段稱為“阻帶”。Au為各頻率的增益，Aum為通帶的最大增益，圖中虛線所示為實際濾波特性，實線為理想濾波特性。,.,圖6-49,.,濾波電路的理想特性是： （1）通帶范圍內信號無衰減地通過，阻帶范圍內無信號輸出； （2）通帶與阻帶之間的過渡為零。 2. 各種有源濾波器 圖6-50所示RC電路就是一個簡單的無源濾波器。圖6-50（a）電路中，電容C上的電壓為輸出電壓，對輸入信號中的高頻信號，電容的容抗XC很小，則輸出電壓中的高頻信號幅值很小，受到抑制，為低通濾波電路。圖6-50（b）電路中，電阻R上的電壓為輸出電壓，由于高頻時容抗很小，則高頻信號能順利通過，而低頻信號被抑制，因此為高通濾波電路。其幅頻特性如圖6-49（a）、（b）所示。,圖6-50,.,無源濾波器的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：無源濾波電路結構簡單。 缺點：通帶電壓放大倍數(shù)低，帶負載能力差、濾波特性受負載影響，過濾帶較寬、幅頻特性不理想等。 為了克服無源濾波器的缺點，可將RC無源濾波器接到集成運放的同相輸入端。因為集成運放為有源元件，故稱這種濾波電路為有源濾波器。 （1）有源低通濾波器 圖6-51（a）所示電路為有源低通濾波器，RC為無源低通濾波電路，輸入信號通過它加到同相比例運算電路的輸入端，即集成運放的同相輸入端，因而電路中引入了深度電壓負反饋。,圖6-51,高頻信號入地，低頻信號放大（同向輸入比例運放）,.,圖6-51（a）所示電路的電壓放大倍數(shù)為：,,式中,,,工作原理分析： 在圖6-51（a）所示電路中，當f = 0時，電容C相當于開路，此時的電壓放 大倍數(shù)Aup即為同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)。一般情況下，Aup＞1，所 以與無源濾波器相比，合理選擇R1和RF就可得到所需的放大倍數(shù)。由于電路引 入了深度電壓負反饋，輸出電阻近似為零，因此電路帶負載后， 與 關系不 變，即RL不影響電路的頻率特性。當信號頻率f為通帶截止頻率f0時，| |= Aup/ ；因此在圖6-51（b）所示的對數(shù)幅頻特性中，當f = f0時的增益比通帶 增益20lg Au p下降3 dB。當f ＞ f0時，增益以-20 dB/十倍頻的斜率下降，這是 一階低通濾波器的特點。而理想的低通濾波器則在f＞f0時，增益立刻降到0。,.,為了改善一階低通濾波器的特性，使之更接近于理想情況，可利用多個RC環(huán)節(jié)構成多階低通濾波器。具有兩個RC環(huán)節(jié)的電路，稱為二階低通濾波器；具有三個RC環(huán)節(jié)的電路，稱為三階低通濾波器電路；依此類推，階數(shù)愈多，f＞f0時，| |下降愈快， 的頻率特性愈接近理想情況。圖6-52（a）所示電路就是一種二階低通濾波器，圖6-52（b）所示是其不同Q（品質因數(shù)）值下的幅頻特性。由圖可以看出，二階低通濾波器的幅頻特性比一階的好。,,圖6-52,.,（2）有源高通濾波器 將圖6-52（a）所示一階低通濾波器中R和C的位置調換，就成為一階有源高通濾波器，，如圖6-53（a）所示。在圖中，濾波電容接在集成運放輸入端，它將阻隔、衰減低頻信號，而讓高頻信號順利通過。 同低通濾波器的分析類似，我們可以得出高通濾波器的下限截止頻率為f0 = 1/（2πRC），對于低于截止頻率的低頻信號，|Au|＜0.707|Au m|。 一階有源高通濾波器的帶負載能力強，并能補償RC網絡上壓降對通帶增益的損失，但存在過渡帶較寬，濾波性能較差的特點。采用二階高通濾波，可以明顯改善濾波性能。將圖6-48（a）所示二階低通濾波器中R和C的位置調換，就成為二階有源高通濾波電路。如圖6-53（b）所示。,圖6-53,低頻信號抑制，高頻信號通過且放大,.,（3）有源帶通濾波器 將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，如圖6-54所示，就可得到帶通濾波器。設前者的截止頻率為f01，后者的截止頻率為f02，f02應小于f01，則通頻帶為（f01 - f02）。實用電路中也常采用單個集成運放構成壓控電壓源二階帶通濾波電路，如圖6-55（a）所示，圖（b）是它的幅頻特性。Q值愈大，通帶放大倍數(shù)數(shù)值愈大，頻帶愈窄，選頻特性愈好。調整電路的Au p能夠改變頻帶寬度。,圖6-54,.,圖6-55,.,（4）有源帶阻濾波器 將輸入電壓同時作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個電路的輸出電壓求和，就可得到帶阻濾波器，如圖6-56所示。其中低通濾波器的截止頻率f01應小于高通濾波器的截止頻率f02，因此電路的阻帶為（f02 - f01）。 實用電路常利用無源LPF和HPF并聯(lián)構成無源帶阻濾波器，然后接同相比例運算電路，從而得到有源帶阻濾波器，如圖6-57所示。由于兩個無源濾波器均由三個元件構成英文字母T，故稱之為雙T網絡。,圖6-56,圖6-57,.,功能及應用：電壓比較器（簡稱比較器）是信號處理電路，其功能是比較兩個電壓的大小，通過輸出電壓的高電平或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系。在自動控制和電子測量中，常應用于鑒幅、模/數(shù)轉換、各種非正弦波形的產生和變換。,6.5.3 電壓比較器,輸入信號和輸出信號：電壓比較器的輸入信號通常是兩個模擬量，一般情況下，其中一個輸入信號是固定不變的參考電壓UREF，另一個輸入信號則是變化的信號ui。輸出只有兩種可能的狀態(tài)：正飽和值+UOM或負飽和值-UOM?？梢哉J為，比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號則是數(shù)字量，即0或1。,集成運放的工作狀態(tài)：電壓比較器中集成運放通常工作在非線性區(qū)，即滿足：當u -＜u+ 時，Uo = +UOM，正向飽和；當u - ＞u+ 時，Uo = -UOM，負向飽和；當u - = u+ 時，-UOM＜Uo＜+UOM，狀態(tài)不定。,.,比較器,將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高/低電平。,功能：,特性：,運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。,.,1. 運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。,運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法,2. 運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若U+＞U- 則UO=+UOM； 若U+＜U- 則UO=-UOM。 虛斷（運放輸入端電流=0） 注意：此時不能用虛短！即： U+≠U-,同向輸入的電壓比較器,.,1) 過零比較器: （門限電平=0）,1.單門限電壓比較器,Ui>0,u0=+u0M Ui<0,u0=-u0M,Ui0,u0=-u0M,同向輸入的電壓比較器,反向輸入的電壓比較器,.,例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?運放工作在非線性狀態(tài)： 若U+＞U- 則UO=+UOM； 若U+＜U- 則UO=-UOM。 虛斷（運放輸入端電流=0）,思考如何利用電壓比較器得到相反的方波？,.,2) 單門限比較器（與參考電壓比較）,UREF,UREF為參考電壓,當ui > UREF時 , uo = +Uom 當ui < UREF時 , uo = -Uom,運放處于開環(huán)狀態(tài),.,UREF,當ui UREF時 , uo = -Uom,若ui從反相端輸入,.,用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓,忽略了UD,3) 限幅電路——使輸出電壓穩(wěn)定,.,穩(wěn)幅電路的另一種形式接法：,將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路上,.,2. 滯回比較器,1. 滯回比較器,特點:電路中使用正反饋。,1、因為有正反饋，所以輸出飽和。,2、當uo正飽和時(uo =+UOM) ：,3、當uo負飽和時(uo =-UOM) ：,單限比較器的不足：單限電壓比較器只有一個閾值電壓，只要輸入電壓經過閾值電壓，輸出電壓就產生躍變。,若輸入電壓受到干擾或噪聲的影響在閾值電壓上下波動，即使其幅值很小，輸出電壓也會在正、負飽和值之間反復躍變。若發(fā)生在自動控制系統(tǒng)中，這種過分靈敏的動作將會對執(zhí)行機構產生不利的影響，甚至干擾其它設備，使之不能正常工作。,.,滯回比較器,設ui ?, 當ui = < UT-, uo從-UOM ? +UOM,這時, uo =-UOM , U+= UT-,設初始值: uo =+UOM , U+= UT+ 設ui ?, 當ui = > UT+, uo從+UOM ? -UOM,.,傳輸特性,UT+上門限電壓 UT-下門限電壓 UT+- UT-稱為回差,）,回差電壓,.,,,,,,,,例:設輸入為正弦波, 畫出輸出的波形。,.,加上參考電壓后的遲滯比較器：,上下限電壓：,由疊加原理：,.,例題：R1=10k?，R2=10k ? ，UZ=6V， UR=10V。當輸入ui為如圖所示的波形時，畫 出輸出uo的波形。,上、下限：,.,.,同相輸入遲滯比較器,電路如圖所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態(tài)才發(fā)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,同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性,先求跳變電壓,當U+=U-=0時，發(fā)生跳變,上門限電壓,下門限電壓,.,3 雙限電壓比較器(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 (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UR1和UR2，且假定UR2＞UR1。由圖可見：,.,,當輸入電壓ui＜UR1(顯然也小于UR2)時，Uo1為低電平UoL（同向比較器），而Uo2為高電平UoH（反向輸入比較器），D1截止，D2導通，Uo≈UoH。,當輸入電壓ui ＞UR2時，Uo1為高電平UoH，而Uo2為低電平， D1導通， D2截止，Uo≈UoH。,當UR1＜ ui ＜UR2時，Uo1和Uo2均為低電平UoL， D1 、 D2同時截止，輸出Uo=0。其傳輸特性如圖 (b)所示。,設UR2＞UR1,.,利用上述窗口比較器設計的雙向高壓過壓檢測電路如圖所示。,,,,,,,,,,,,,,-,+,C,1,,,-,+,C,2,,,,,,,,u,i,,,,,,U,o1,U,o2,V,1,V,2,,,,,,,,,,,,,,+5V,-5V,,,,,R,2,R,1,V,3,,,R,3,R,4,,,,,,,,T,U,Z,=6V,,,,,.,R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，KA動作，自動切斷電源。分析其工作原理。,溫度 超過 規(guī)定值，ui > UR， uo= +UOM，T 導通。 KA 動作，切斷電源。,溫度未超過規(guī)定值，ui < UR， uo= –UOM，T 截止。 KA 不動作。,例運放組成的過溫保護電路,.,1.電路結構,由滯回比較電路和RC定時電路構成的,上下限:,方波發(fā)生器,6.5.5 非正弦波發(fā)生電路（不講）,.,2.工作原理：,(1) 設 uo = + UOM ,,此時，輸出給C 充電, uc ?,則：u+=UT+,,,一旦 uc > UT+ , 就有 u- > u+ ,,在 uc < UT+ 時，,u- < u+ ,,uo 立即由＋UOM 變成－UOM,, 設uC初始值uC(0+)= 0,方波發(fā)生器,uo保持+UOM不變,.,此時，C 經輸出端放電,再反向充電,(2) 當uo = -UOM 時，,u+=UT-,uc達到UT-時，uo上翻,,當uo 重新回到＋UOM 以后，電路又進入另一個周期性的變化。,,.,,,,,,,,,,,,,,,周期與頻率的計算：,,f = 1/T,此期間是分析問題時的假設,實際上用示波器觀察波形時看不到這段波形.,.,周期與頻率的計算：,,,T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充電條件一樣T1 = T2。,T2階段uc(t)的過渡過程方程為:,.,,UC (?)=+UOM,周期與頻率的計算：,,.,思考題：點 b 是電位器 RW 的中點，點 a 和點 c 是 b 的上方和下方的某點 。試定性畫出點電位器可動端分別處于 a、b、c 三點時的 uo 、 uc 相對應的波形圖。,設Rwa> Rwc,.,2. 三角波發(fā)生電路,工作原理分析：集成運放A2構成一個積分電路，集成運放A1構成滯回電壓比較器，其反相端接地，集成運放A1同相端的電壓由uo和uo1共同決定。,.,,當u+ ＞0時，uo1 = +UOM；當u+ ＜0時，uo1 = -UOM。在電源剛接通時，假設電容器初始電壓為零，集成運放A1輸出電壓為正飽和電壓值+UOM，積分器輸入為+UOM，電容C開始充電，輸出電壓uo開始減小，u+ 值也隨之減小，當uo減小到-（R2/R1）UOM時，u+ 由正值變?yōu)榱?，滯回比較器A1翻轉，集成運放A1的輸出uo1 = -UOM。,.,,顯然，可以通過改變R1、R2、R3的阻值來改變三角波的頻率,當uo1 = -UOM時，積分器輸入負電壓，輸出電壓uo開始增大，u+ 值也隨之增大，當uo增加到（R2/R1）UOM時，u+ 由負值變?yōu)榱?，滯回比較器A1翻轉，集成運放A1的輸出uo1 = +UOM。,此后，前述過程不斷重復，便在A1的輸出端得到幅值為UOM的矩形波，A2輸出端得到三角波，可以證明其頻率為：,.,3 鋸齒波發(fā)生器,三角波發(fā)生器波形圖,電路與工作原理：,鋸齒波發(fā)生器,應改變積分器的充放電時間常數(shù),充電：(R4∥R‘)C，放電：仍為R4C,,.,≈T,電位器滑動端在最上端時：,鋸齒波發(fā)生器,.,例如圖所示，運放A1構成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。 A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過來三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉換，周而復始形成振蕩，其波形如圖所示。,雙運放方波–三角波振蕩器,.,.,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是目前較為通用的一種穩(wěn)壓電路。圖所示是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的結構圖。它由基準電壓源、比較放大電路、調整電路和采樣電路四部分組成。三極管T接成射極輸出器形式，主要起調整作用。因為它與負載RL相串聯(lián)，所以這種電路稱為串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。,6.5.4 集成穩(wěn)壓電路,1. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,Uo↑,.,組成：集成穩(wěn)壓電路的工作原理與分立元件的穩(wěn)壓電路是相同的。它的內部結構同樣包括有基準電壓源、比較放大器、調整電路、采樣電路和保護電路等部分。,2. 集成穩(wěn)壓電路,型號后面的兩位數(shù)字(××)代表輸出電壓值，可為±5 V、±6 V、±8 V、±12 V、±15 V、±18 V和±24 V七個等級。這個系列的產品，輸出的最大電流可達1.5 A。例如W7805表示輸出電壓為+5 V，輸出電流為1.5 A；W7905表示輸出電壓為-5 V，輸出電流為0.5 A。,集成穩(wěn)壓電路的類型：按其內部的工作方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、開關型；按其外部特性可分為三端固定式、三端可調式、多端固定式、多端可調式、正電壓輸出式、負電壓輸出式。,現(xiàn)主要介紹三端集成穩(wěn)壓電路。三個端子分別是輸入端、穩(wěn)定輸出端和公共接地端。,三端集成穩(wěn)壓電路的通用產品有W78××系列（正電壓輸出）和W79××系列（負電壓輸出）。,.,集成三端穩(wěn)壓器是集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用途十分廣泛，而且非常方便。集成三端穩(wěn)壓器有78××系列(輸出正電壓)和79××系列(輸出負電壓)，后面兩位數(shù)表示輸出電壓值，如7812，即表示輸出直流電壓為+12V。,集成三端穩(wěn)壓器,三端穩(wěn)壓器電路圖及外形圖,.,典型接法,C1可防止輸入引線較長而帶來的電感效應產生的自激,C2用來減小負載電流瞬時變化而引起的高頻干擾,C3 為容量較大的電解電容，用來減小輸出脈動和低頻干擾,.,三端穩(wěn)壓電源的功能可以擴展。圖 (a)是一個擴流電路。圖中T為擴流晶體管，輸出總電流Io=Io′+IC。,1）提高輸出電流的電路,集成三端穩(wěn)壓器的應用,.,圖 (b)電路是一個擴大輸出電壓的電路，該電路輸出電壓為：,式中，IQ為穩(wěn)壓器靜態(tài)工作電流，通常比較??；UR1是穩(wěn)壓器輸出電壓Uo′,2）提高輸出電壓的電路之一,.,目前，三端穩(wěn)壓器的最高輸出電壓是24 V。當需要大于24 V的輸出電壓時，可采用圖所示的電路提高輸出電壓。圖中VXX是三端穩(wěn)壓器的標稱輸出電壓；IZ是組件的穩(wěn)態(tài)電流，約為幾mA；外接電阻R1上的電壓是VXX；R2接在穩(wěn)壓器公共端3和電源公共端之間。按圖示接法的輸出電壓為：,提高輸出電壓的電路之二,.,圖 (c)電路是一個輸出電壓可調電路。只不過在三端穩(wěn)壓器和可調電位器之間加了隔離運放電路。所以，輸出電壓表達式同式。調節(jié)RW的中心抽頭位置即可調節(jié)輸出電壓Uo值。,3）輸出電壓可調電路,.,當需要正負電壓同時輸出時，可用一塊W7800正壓單片穩(wěn)壓器和一塊W7900負壓單片穩(wěn)壓器連接成圖所示的電路。這兩塊穩(wěn)壓器有一個公共接地端，并共用整流電路。,5）具有正負電壓輸出的穩(wěn)壓電源,