第2章__集成运放及其基本应用

1、 2. 基本运算电路的分析计算基本运算电路的分析计算3. 电压比较器的分析和传输特性的求解电压比较器的分析和传输特性的求解本章本章重点：重点：1. 放大电路的性能指标：放大电路的性能指标：Au、Ad、Ac、KCMR、Ri、Ro等等一、放大的概念一、放大的概念u放大的对象：放大的对象：变化量变化量u放大的本质：放大的本质：能量的控制与转换能量的控制与转换u放大的特征：放大的特征：功率放大功率放大u放大的基本要求：放大的基本要求：不失真不失真放大的前提放大的前提判断电判断电路能否路能否放大的放大的基本出基本出发点发点V VCCCC至少一路直流至少一路直流电源供电电源供电二、放大电路的性能指标二、放

2、大电路的性能指标ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu1 1、放大倍数：输出量与输入量之比、放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源信号源信号源内阻内阻输入电压输入电压输入电流输入电流输出电压输出电压输出电流输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口有源网络。对信号而言，任何放大电路均可看成二端口有源网络。2 2、输入电阻和输出电阻、输入电阻和输出电阻 将输出等效将输出等效成有内阻的电成有内阻的电压源，内阻就压源，内阻就是输出电阻。是输出电阻。LooLoooo) 1(RUURUUUR空载时输出

3、空载时输出电压有效值电压有效值带带RL时的输出电时的输出电压有效值压有效值iiiIUR 输入电压与输入电压与输入电流有输入电流有效值之比。效值之比。 从输入端看进去从输入端看进去的等效电阻的等效电阻3. 3. 通频带通频带 由于电容、电感及放大管由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率下限频率上限频率上限频率LHbwfff4. 最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uo

4、m（有效值）（有效值）：不失真的前提下能够输出的最大电压。不失真的前提下能够输出的最大电压。5. 最大输出功率最大输出功率Pom和效率和效率： Pom ：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率的最大功率效率效率：放大电路中供电的直流电源能量的利用率放大电路中供电的直流电源能量的利用率效率等于最大输出功率效率等于最大输出功率 Pom与电源消耗功率与电源消耗功率 PV之比之比集成运算放大电路，集成运算放大电路，简称集成运放简称集成运放，是一个高性能的放大电路。因首先用于信是一个高性能的放大电路。因首先用于信号的运算而得名。号的运算而得名。由于它具

5、有体积小、重量轻、价格低、由于它具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。等许多方面得到了广泛应用。两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端集成运放的内部组成：集成运放的内部组成：同相输入同相输入反相输入反相输入输出输出 集成运算放大器即为高增益直接耦合放大器，其内部组成集成运算放大器即为高增益直接耦合放大器，其内部组成如下图所示：如下图所示：集成运放的电路符号集成运放的电路符号集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成集成运放的输

6、入部分是差分放大电路，集成运放也可看成高性能的差分放大电路。高性能的差分放大电路。差分放大差分放大电路电路ui1ui2uo放大放大 电路电路uiuo差分放大电路有二个输入端和一个输出端。在差动放大差分放大电路有二个输入端和一个输出端。在差动放大电路的两个输入端分别电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即输入大小相等、极性相反的信号，即 ui1 = -ui2=uid/2，这种输入方式称为，这种输入方式称为差模输入差模输入。两信号的差值。两信号的差值称为称为差模信号差模信号，用，用uid表示，表示，uid为两输入端输入信号之差，即为两输入端输入信号之差，即 uid = ui1 ui2若

7、两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1 = ui2=uic，这种输入方式称为，这种输入方式称为共模输入共模输入，两信号的算，两信号的算术平均值称为术平均值称为共模信号共模信号，用，用uic表示。表示。uic为：为： uic = (ui1 ui2) /2若若ui1 ui2，这种输入方式称为，这种输入方式称为比较输入比较输入， ui1、ui2可分可分解为一对共模信号及一对差模信号。即：解为一对共模信号及一对差模信号。即： 差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号起抑制作用，故称为差分放大电路

8、。模信号起抑制作用，故称为差分放大电路。22121iiiciiiduuuuuu2221idiciidiciuuuuuu综合考察差分放大电综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。力。其值越大越好。其值越大越好。 udCMRRucAKA 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。入双端输出、单端输入单端输出。odudiduAuocucicuAu 差模电压增益差模电压增

9、益 共模电压增益共模电压增益_ _+ + +( (a) )国标符号国标符号( (b) )习惯画法习惯画法+VOM-VOM+VOM-VOM 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM (该值接近于电源电压该值接近于电源电压) , 就是就是UOM ，即集成运

10、，即集成运放工作在非线性区。放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)+VOM-VOMvivo+VOM-VOM Aod越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。CCoOMVvVmax例：若例：若VOM=12V，Aod=106， 则则 |vi| v v- - 时，时， v vo o= =V Vomaxomax=+V=+Vomom（正饱和值）（正饱和值） v v+ + v v- - 时，时， v vo o= =V Vominomin=-V=-Vomom（负饱和值）（负饱和

11、值） v v+ + = = v v- - 时，时， 逻辑状态转换逻辑状态转换 因此因此 电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法:电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT:使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向 理想比较特性理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 时，时， vo=VominvI

12、 = VREF 时，逻辑状态转换时，逻辑状态转换 理想特性理想特性vIvoVREFVomaxVomin0 实际比较特性实际比较特性实际特性实际特性vI VREF -Vomin /Avd 时，时， vo=Vomin注：注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性越大，比较特性越接近理想特性; VREF作为门限值的比较精度越高。作为门限值的比较精度越高。3. 3. 几种常用的电压比较器几种常用的电压比较器（1 1）单限比较器）单限比较器：只有一个阈值电压：只有一个阈值电压（3 3）窗口比较器：）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压

13、跃变两次。（2 2）滞回比较器：）滞回比较器：具有滞回特性具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。压单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：回差电压：一、一、 单限比较器单限比较器电路特征：电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放处于开环或仅引入正反馈(起起加速作用加速作用)理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1) 净输入电流净输入电流为为0 （i+=i-=0）2) uP uN时，时， uOUOM uP 0 时时 uO UOM ; uI UT时，时

14、， uO=UOL;当当uIUT时，时， uO=UOH;当当uIUT时，时， uO=UOL 。例例1 1、电路如图所示，试画出该电路的电压传输特性。电路如图所示，试画出该电路的电压传输特性。根据叠加原理可求得：根据叠加原理可求得：V+=Vi /2+1.5该电路为一个带该电路为一个带有基准电压的过有基准电压的过零比较器。零比较器。 当当V+过过0时，电路发生翻时，电路发生翻转。即转。即Vi=-3V时，电路发时，电路发生翻转。生翻转。画出电压传输特性画出电压传输特性例例2、电路如图所示，输入电路如图所示，输入vi为三角波，试画出在为三角波，试画出在VREF分别为：分别为：0V、2V、-4V时时的输出

15、波形。（的输出波形。（VCC=12V） 该电路可实现脉宽调制该电路可实现脉宽调制和波形变换的作用。和波形变换的作用。 即改变基准电压即改变基准电压V VREFREF的大的大小，可调节脉冲的宽度。小，可调节脉冲的宽度。例例3、比较器电路如图所示。试求出门限电压（阈值电比较器电路如图所示。试求出门限电压（阈值电压）压）VT，画出电压传输特性。设运放输出高低电平分，画出电压传输特性。设运放输出高低电平分别为别为VOH和和VOL。解：解：根据叠加定理可得：根据叠加定理可得：iREFvRRRVRRRv211212REFiTiREFVRRvVvRVR1212)(0 在在 v+=v-=0 时，输出电压发生跳

16、时，输出电压发生跳变，可得：变，可得：单限电压比较器只有一个阈值电压，只要输入电压经过阈值单限电压比较器只有一个阈值电压，只要输入电压经过阈值电压，输出电压就产生跃变。若输入电压受到干扰或噪声的影响电压，输出电压就产生跃变。若输入电压受到干扰或噪声的影响在阈值电压上下波动，即使其幅值很小，输出电压也会在正、负在阈值电压上下波动，即使其幅值很小，输出电压也会在正、负饱和值之间反复跃变。若发生在自动控制系统中，这种过分灵敏饱和值之间反复跃变。若发生在自动控制系统中，这种过分灵敏的动作将会对执行机构产生不利的影响。的动作将会对执行机构产生不利的影响。为克服上述缺点可采用为克服上述缺点可采用滞回（迟滞

17、）比较器滞回（迟滞）比较器。二、滞回比较器二、滞回比较器，得令PNOPINuuuRRRuuu,211OLMOHM UUUU 1TM12RUURR 1. 1. 阈值电压阈值电压2. 工作原理及电压传输特性工作原理及电压传输特性 设设uIUT，则，则 uN uP， uO+UZ。此时。此时uP +UT，增，增大大 uI，直至，直至+UT，再增大，再增大， uO才从才从+UZ跃变为跃变为 UZ。 设设 uI+UT，则，则 uN uP， uOUZ。此时。此时uP UT，减小减小 uI，直至，直至UT，再减小，再减小， uO才从才从UZ跃变为跃变为+UZ。滞回比较器有两个门限电压滞回比较器有两个门限电压U

18、TH1和和UTH2，分别称为上门限电压，分别称为上门限电压和下门限电压。两个门限电压之差称为门限宽度或回差电压。和下门限电压。两个门限电压之差称为门限宽度或回差电压。调整调整R1和和R2的大小，可改变比较器的门限宽度的大小，可改变比较器的门限宽度。1TM12RUURR 3.滞回比较器设计中的问题滞回比较器设计中的问题OHVRRRRRVRV21221REF1TOLVRRRRRVRV21221REF1-T 从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图所示。从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图所示。当输入电压当输入电压 vI 从零逐渐增大，且从零逐渐增大，且 时时， ， 上限阈值上限阈值

19、(触发触发)电平电平:TIVv OHVv OTV当输入电压当输入电压 时，时， ，此时触发电平变为此时触发电平变为 ， 下限阈值下限阈值(触发触发)电平电平:TIVv OLVv O -TVVOH=+VOMVOL=-VOM 当当 逐渐增大，且逐渐增大，且 以前，以前， 始终等于始终等于 ，因此出现如图所示的滞回特性曲线。因此出现如图所示的滞回特性曲线。Iv TIVvOvOHV回差电压回差电压 ：TV0L0H212 -TTVVRRRVVVTTTTTomOLomOHVVVVVVVV图中：图中：滞回电压比较器的传输特性滞回电压比较器的传输特性画滞回电压比较器的传输特性应掌握三要素：画滞回电压比较器的传

20、输特性应掌握三要素： 1. 输出的高电平值输出的高电平值VOH 和输出低电平值和输出低电平值VOL ； 2. 上门限电平上门限电平VT+ 和下门限电平和下门限电平VT- ; 3. 输出的转换方向。输出的转换方向。 解：解： 第一步：求两个门限电平。第一步：求两个门限电平。 12TH1.2REF1212()OHRRUUURRRRTH120052V50UTH2200( 5)2V50U 第二步：在输入信号波形图上画出两第二步：在输入信号波形图上画出两条门限电平线，反映输入信号与门限电条门限电平线，反映输入信号与门限电平的比较，标出平的比较，标出uiUTH1与与ui UTH2的时的时间区域，图（间区域

21、，图（a） 第三步：在输出坐标轴上画出第三步：在输出坐标轴上画出ui UTH1与与ui UTH2所对应的时间区域的输所对应的时间区域的输出电压，图（出电压，图（b） 第四步：对于第四步：对于UTH2ui UTH1相应时相应时间区域，可参照前一时刻画出输出波形。间区域，可参照前一时刻画出输出波形。由于由于t = 0时，时，uo = +UOH ，因此在，因此在0t1区区域域uo = +UOH，图（，图（c） 例例1、求图示滞回比较器的输出波形。已知输出高、低电平分别求图示滞回比较器的输出波形。已知输出高、低电平分别为为5 V，t = 0时，时，uo = UOH，ui = 4 sinwt V。例例2

22、 2、比较器电路如图所示，输入波形如图所示，试比较器电路如图所示，输入波形如图所示，试画出其传输特性和输出电压波形。画出其传输特性和输出电压波形。VVRRVRVVVRRVRVOLTOHT520201020520201020212212 （2 2）画出电压传输特性）画出电压传输特性解：解： （1）求门限电压）求门限电压 由于由于 VREF=0，可得：，可得： （3 3）画出输出波形）画出输出波形例例3、电路如图所示。电路如图所示。 设：设：VOH=-VOL=5V解：根据电路参数可求得：解：根据电路参数可求得：VT+ =1.04V VT- =0.94V VT=0.1V 可画出电压传输特性如图所示。

23、可画出电压传输特性如图所示。例例4、比较器电路如图所示，设稳压管比较器电路如图所示，设稳压管VZ的稳压值为的稳压值为9V，试求：，试求： （1）画出该电路的电压传输特性；）画出该电路的电压传输特性；（2）当输入信号为）当输入信号为6Sint(V)，试对应输入信号画出输出波形。，试对应输入信号画出输出波形。解：（解：（1）画出电压传输特性）画出电压传输特性 这是一个同相输入滞回电压比较器，有这是一个同相输入滞回电压比较器，有可求出上、下门可求出上、下门限电压：限电压：电压传输特性如电压传输特性如图所示。图所示。（2）当输入信号为）当输入信号为6Sint(V)，试对应输入信号，试对应输入信号画出输出波形。画出输出波形。第第2 2次作业次作业 P41 2.16（d）、（）、（f）例例1、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压出电压vo负载电流负载电流iL。解解例例2 2、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压出电压v vo o。解解 A1的输出电压：的输出电压： A2的输出电压：的输出电压：例例3 3、由运算放大器组成的电路图图所示，试求出输由运算放大器组成的电路图图所示，试求出输出电压出电压v vo o表达式。表达式。解解可得：可得：vn4=0例例4 4、由运算放大器