模拟电路第七章

1、1v模拟电子技术课程的补充材料已印刷好，请以班级模拟电子技术课程的补充材料已印刷好，请以班级为单位去教材科领取。为单位去教材科领取。v教材名称：模拟电子线路教材名称：模拟电子线路(B)补充讲义补充讲义(修订版修订版)，v教材代号：教材代号：04080015，v作者：电子电路教研室作者：电子电路教研室，v出版社：本校出版社：本校，v出版日期：出版日期：2008-05。通知通知2第第7章章集成运算集成运算放大器的应用放大器的应用3集成运算放大器，有三级：输入级、集成运算放大器，有三级：输入级、中间级和输出级。是一种直接耦合的高增中间级和输出级。是一种直接耦合的高增益的放大器，益的放大器，Aud可以

2、达到上千。可以达到上千。如果在其外围加上负反馈，可以实如果在其外围加上负反馈，可以实现信号的运算，处理，波形的产生和信号现信号的运算，处理，波形的产生和信号的变换等功能，应用十分广泛。的变换等功能，应用十分广泛。 71 集成运算放大器在基本运算中的应用集成运算放大器在基本运算中的应用 为了分析方便，把实际运算放大器为了分析方便，把实际运算放大器简化成理想运算放大器。简化成理想运算放大器。 4AuudUCCUEEuouoUCCUEE0Auud U U( a )( b )5(1)“+”表示同相输入端，表明从该端输入的表示同相输入端，表明从该端输入的信号输出为同相放大。信号输出为同相放大。(2)“”

3、表示反相输入端，表明从该端输入的表示反相输入端，表明从该端输入的信号输出为反相放大。信号输出为反相放大。(3) 集成运放是高增益的直接耦合放大器。集成运放是高增益的直接耦合放大器。其开环放大倍数非常大。其开环放大倍数非常大。 说说 明明6一、理想运算放大器概念一、理想运算放大器概念1.开环差模电压增益开环差模电压增益Aud； 2.差模输入电阻差模输入电阻Rid 3.差模输出电阻差模输出电阻Rod0 4. KCMR 5.输入失调电流输入失调电流IIO、失调电压、失调电压UIO和它们和它们的温漂均为零；的温漂均为零；6.输入偏置电流输入偏置电流IIB=0 7. 3dB带宽带宽BW= 7二、理想运算

4、放大器特性二、理想运算放大器特性1.“虚短虚短”特性特性当集成运放工作在当集成运放工作在线性状态线性状态时，由于时，由于0udoidAUUUU所以：所以：UU2.“虚断虚断”特性特性idR由于所以：所以：0II8二、反相比例放大器二、反相比例放大器判断反馈类型：并联电压负反馈判断反馈类型：并联电压负反馈 91Auf根据深负反馈的条件（或理想运放的根据深负反馈的条件（或理想运放的虚断概念）可知：虚断概念）可知： fiII11RURUUIiii22RURUUIoof12RRUUAiouf因此：因此：10Auuo(a)R2Ii.If.Ii.R1uiuoUCCuiAuf R2/R1UEE0(b)闭环传

5、输特性闭环传输特性 增加负反馈使线性范围增大增加负反馈使线性范围增大112闭环输入电阻闭环输入电阻Rif因此：因此：iiiiifIUUIUR根据虚地的概念得到根据虚地的概念得到 ：0U1RRif123闭环输出电阻闭环输出电阻Rof理想运放理想运放Ro0，所以，所以Rof=013三、同相比例放大器三、同相比例放大器判断反馈类型：串联电压负反馈判断反馈类型：串联电压负反馈 141Auf根据深负反馈的条件（或理想运放的根据深负反馈的条件（或理想运放的虚短概念）可知：虚短概念）可知： fiUU121211RRRRRUUUUAfoiouf15闭环传输特性闭环传输特性 增加负反馈使线性范围增大增加负反馈使

6、线性范围增大16若若R1开路（或开路（或R1）、）、R2=0，则，则Auf=1，称为电压跟随器。在实验室里，经常用电称为电压跟随器。在实验室里，经常用电压跟随器来检测运放的好坏。压跟随器来检测运放的好坏。 Auuo uiui因为串联电压负反馈使输入电阻增大，因为串联电压负反馈使输入电阻增大，输出电阻减小，所以闭环输出电阻减小，所以闭环Rif=，Rof=0。 17例例1： (1)判断电路的级间反馈组态；判断电路的级间反馈组态；(2)电路满电路满足深度负反馈条件，求各电路足深度负反馈条件，求各电路Auf表达式。表达式。解：解：(1) 串联电压负反馈。串联电压负反馈。 541RRUUUUAfoiou

7、f（2）18例例2： (1)判断电路的级间反馈组态；判断电路的级间反馈组态；(2)电路满电路满足深度负反馈条件，求各电路足深度负反馈条件，求各电路Auf表达式。表达式。解：解：(1) 串联电压负反馈。串联电压负反馈。 （2）2324522RRRRRUUUUUUUUAfooofoiouf19图71反相相加器 7.1.2 求和运算电路求和运算电路一、反相相加器一、反相相加器20333332222211111RuRuuiRuRuuiRuRuuiiiiiii又因为又因为 if=i1+i2+i3，则，则 332211ifififffouRRuRRuRRRiu)(321iiifouuuRRu21 例例1

8、试设计一个相加器，完成试设计一个相加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的运的运算，并要求对算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均的输入电阻均100k。2, 312RRRRff所以选所以选Rf=300k，R2=100k，R1=150k。 实际电路中，为了消除输入偏流产生的误差，实际电路中，为了消除输入偏流产生的误差，在同相输入端和地之间接入一在同相输入端和地之间接入一直流平衡电阻直流平衡电阻Rp，并令并令Rp=R1R2Rf=50k。解解: 为满足输入电阻均为满足输入电阻均100k，选，选R2=100k， 22Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k图图72 满足例满足

9、例1要求的反相相加器电路要求的反相相加器电路 23Rfui1uoui2RR1R2R3 二、同相相加器二、同相相加器图图73 同相相加器电同相相加器电路路213213123123iiuRRRRRuRRRRRUfofUuRRRU)(1 (213213123123iifouRRRRRuRRRRRRRu)()(1 (2113213iifouuRRRRRRRu当当R1=R2时时: 24三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路R3ui2uoui1R1R2R4R3ui2uo2R1R2R4R3ui1uo1R1R4R2(分解)图74 相减器电路 25R3ui1uo1R1R4R2142413131)(1 ()1

10、(iouRRRRRURRuR3ui2uo2R1R2R42132iouRRu21ooouuu213142413)(1 (iiuRRuRRRRR26则若,4321RRRR)(2113iiouuRRu27713 积分和微分运算电路积分和微分运算电路CRii RUiiRdttduCdttduCiocC)()(一、积分运算电路一、积分运算电路 dttuRCUdttiCtuitCcto0)0(11t=0时电容器时电容器C两端的初始电压两端的初始电压)0(CU28二、二、 微分器微分器CRii RURUiooR0dttduCdttduCiicC)()( dttduCRtuio29利用加法器和积分器可以用电路

11、解微分方程：利用加法器和积分器可以用电路解微分方程： iooouudtdudtud4322例：例：其中：其中：tcosUuimi求求uo=?解：解： dtudtduudtdtuddtduooioo4322301M 1M /34M 1M 1M 1M uo1uF1uF-uiuo该表达式可以用加法器和积分器来实现：该表达式可以用加法器和积分器来实现： 31 715 对数、反对数运算器对数、反对数运算器一、对数运算器一、对数运算器RIuUuRuiiIiUuuSiToiCSCTBEolnln132SCTBEoIiUuulnRuiiiiCRIuUuSiToln图图714 对数放大器对数放大器存在问题：存在

12、问题：ui必须为正；否则二极管或三极管反相必须为正；否则二极管或三极管反相截止。截止。IS和和UT都是温度的函数，运算结果受温都是温度的函数，运算结果受温度的影响很大。度的影响很大。33改善方法：改善方法：用对管消除用对管消除IS的影响；用的影响；用热敏电阻补偿热敏电阻补偿UT的温度影响。的温度影响。342UuATToRRRRRuU3222其中：其中：111211221223lnlnln)1(SSccTScTScTBEBEAAToIiiiUIiUIiUuuuuRRRu35因为因为V1、V2有匹配对称的特性，所以有匹配对称的特性，所以IS1=IS2，则：，则： )ln()1 ()1 ()(,ln

13、ln1232312211112RRuUqkTRRRuRRRuRURuuUiIRuiiIUiiUuiCCTAToCCBEBECCCRiCCRTCCTA36 二、反对数（指数）运算器二、反对数（指数）运算器TBEUuSfCfffoeIRiRiRu图图716 反对数（指数）运算器反对数（指数）运算器 iBEuuTiUufSoeRIu3772 电压比较器及弛张振荡电压比较器及弛张振荡器器721电压比较电压比较器器（1）功能：比较两个电压的大小；）功能：比较两个电压的大小；（2）特点：至少有两个输入端，通常一个）特点：至少有两个输入端，通常一个作为参考电压（基准电压），另一个是被比作为参考电压（基准电压

14、），另一个是被比较的电压，输出仅有高电平和低电平两个状较的电压，输出仅有高电平和低电平两个状态，表示比较结果。态，表示比较结果。38图图717 电压比较器的符号及传输特电压比较器的符号及传输特性性391、阈值电压、阈值电压UT我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时所对应的输入电压值称为阈值电一个电平时所对应的输入电压值称为阈值电压，简称为阈值，用符号压，简称为阈值，用符号UT表示。图表示。图7-17中，中，UT=ur。一、电压比较器的主要性能指标一、电压比较器的主要性能指标 TU40 2. 高电平高电平(UoH)和低电平和低电平(UoL)运放

15、构成的比较器：运放构成的比较器：UOH UCC， UOL-UEE专用比较器：专用比较器：UOH =3.4V左右，左右， UOL= - -0.4V左右（与数字电路兼容）。左右（与数字电路兼容）。由限幅电路决定。由限幅电路决定。41 图图718具有输出限幅的电压比较器具有输出限幅的电压比较器 VZVDUUVZVD()UU输出高、低电平分别为输出高、低电平分别为 VZUVDU为稳压二极管的稳定电压，为稳压二极管的稳定电压，为稳压二极管的正向导通电压为稳压二极管的正向导通电压 42 3. 鉴别灵敏度鉴别灵敏度uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鉴别不灵敏区(a )(b ) Aud不灵敏

16、区不灵敏区鉴别灵敏度鉴别灵敏度。 434. 转换速度转换速度 比较器的输出状态产生转换所需要的比较器的输出状态产生转换所需要的时间。转换时间越短，比较的速度越快。时间。转换时间越短，比较的速度越快。 447.2.2 单门限比较器单门限比较器1.过零比较器过零比较器令令ur=0，则为过零比较器。，则为过零比较器。 图图7-19 反相输入过零电压比较器反相输入过零电压比较器 (a) 电路图电路图 (b) 电压传输特性电压传输特性45同理，可得同相输入的过零电压比较器的电路图和传同理，可得同相输入的过零电压比较器的电路图和传输特性曲线如图输特性曲线如图7-20所示。所示。 图图7-20 同相输入过零

17、电压比较器同相输入过零电压比较器 (a) 电路图电路图 (b) 电压传输特性电压传输特性462. 固定电压比较器固定电压比较器(a) (b) 图图7-21 反相输入固定电压比较器反相输入固定电压比较器 (a) 电路图电路图 (b)电压传输特性电压传输特性 47单门限比较器应用单门限比较器应用v单门限比较器主要用来对输入波形进行整形，可以单门限比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将正弦波、三角波或任意不规则的输入波形整形为将正弦波、三角波或任意不规则的输入波形整形为脉冲波输出脉冲波输出图图7-22 用单门限比较器实现波形变换用单门限比较器实现波形变换 (a) 三角波变换为方波三角波变换为方波

18、(b) 三角波变换为矩形波三角波变换为矩形波48例：画出下面电路的传输特性：例：画出下面电路的传输特性：解：解： 注意本题中注意本题中ui和和ur的连接方式与前面的连接方式与前面的例子不同。此时门限电平并不是参考的例子不同。此时门限电平并不是参考电压电压ur。 R2urR1uiuoRp49分析方法：运放比较的是分析方法：运放比较的是u-和和u+。 212211RRRuRRRuuir0u uu时，输出时，输出uOL 当当时，输出时，输出uOH 当当 uu也就是说，当也就是说，当 uu0212211RRRuRRRuir即即时，输出发生转折。时，输出发生转折。 50所以：输入所以：输入ui比较的门限

19、电压为：比较的门限电压为： rthuRRu21uouiuoHuoLuth517.2.3 迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器1.简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题图图7-23 单门限电压比较器抗干扰能力波形图单门限电压比较器抗干扰能力波形图522.迟滞比较器电路及传输特性迟滞比较器电路及传输特性特点：在比较器中引入正反馈特点：在比较器中引入正反馈 Aud 鉴别灵敏度鉴别灵敏度 转换速度转换速度 改善了输出改善了输出波形的边缘，同时具有较强的抗干扰能力。波形的边缘，同时具有较强的抗干扰能力。 53 1)反向输入的迟滞比较器反向输入的迟滞比较器(a) (b) 图图7-24

20、 反相输入迟滞比较器电路图反相输入迟滞比较器电路图 (a) 电路图电路图 (b) 传输特性传输特性 54212RRRUUFof正oofrURRRUFUU212正oHrTHURRRUU2121正反馈系数正反馈系数参考电平参考电平上门限电压上门限电压oLrTLURRRUU2122)(212OLOHTLTHUURRRUUU下门限电压下门限电压回差回差55图图753迟滞比较器输出波形迟滞比较器输出波形迟滞比较器输出波形迟滞比较器输出波形56 2)同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器(a) (b) 图图7-25 同相输入迟滞比较器电路图同相输入迟滞比较器电路图(a) 电路图电路图 (b) 传输特性传输特

21、性 571、电压比较器的、电压比较器的特点特点 (1)比较器中的运放工作于开环或正反馈比较器中的运放工作于开环或正反馈状态（非线性状态），输入端的虚短特征状态（非线性状态），输入端的虚短特征不再存在；不再存在； (2)输出与输入之间呈现非线性特性，输输出与输入之间呈现非线性特性，输出不是高电平就是低电平；出不是高电平就是低电平； (3)由于运放的输入电阻高，输入电流一由于运放的输入电阻高，输入电流一般非常小，可以忽略，即仍可认为运放的般非常小，可以忽略，即仍可认为运放的输入电流为零（虚断成立）。输入电流为零（虚断成立）。总总 结结58 (1)输出高、低电平。输出高、低电平。它取决于集成运放输出

22、它取决于集成运放输出电压的最大幅度或输出端的限幅电路；电压的最大幅度或输出端的限幅电路； (2)阈值电压。阈值电压。它是使集成运放同相输入端和它是使集成运放同相输入端和反相输入端电位相等时所对应的输入电压；反相输入端电位相等时所对应的输入电压； (3)输入电压超过阈值电压时输出电压的输入电压超过阈值电压时输出电压的跃变跃变方向，方向，它决定于输入电压是作用于集成运放反它决定于输入电压是作用于集成运放反相输入端，还是同相输入端。相输入端，还是同相输入端。电压比较器的电压比较器的三个要素：三个要素：59724 窗口比较窗口比较器器(a) (b) 图图7-26 窗口比较器窗口比较器(a) 电路图电路图 (b) 传输特性传输特性 60（1）电路组成：）电路组成：1.RfC组成定时电路组成定时电路2.运算放大器：电压检运算放大器：电压检测比较器测比较器3.R1、R2分压电路，分压电路，产生正负两个阈值电压产生正负两个阈值电压VT1和和VT2。与运算放大。与运算放大器一起组成一个开关。器一起组成一个开关。73 弛张振荡器弛张振荡器弛张振荡器又称多谐振荡器，由滞回比较器和弛张振荡器又称多谐振荡器，由滞回比较器和RC定时电路定时电路构成，无需外