第3章 集成运算放大器20140423

1、 第第3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 3.2 集成运放的线性应用集成运放的线性应用 3.3 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 3.4 集成运放组成的信号发生器集成运放组成的信号发生器 3.5 函数信号发生器函数信号发生器 3.6 集成运放使用常识集成运放使用常识 3.1 集成运算放大器集成运算放大器 知识点知识点 （1）集成运放的基本特性，虚短、虚断的概念。）集成运放的基本特性，虚短、虚断的概念。 （2）反馈的概念及反馈类型的判定。）反馈的概念及反馈类型的判定。 技能点技能点 掌握集成运放两种工作状态的判断。掌握集成运放两种工作状态的

2、判断。 3.1.1 概述概述 1、集成运放的外形与符号、集成运放的外形与符号 常见集成运放的外形多为金封圆壳式和塑封双列直插式两种常见集成运放的外形多为金封圆壳式和塑封双列直插式两种类型。类型。 目前广泛目前广泛应用的主要是双列直插式，根据其内部所包含的运放的个数，应用的主要是双列直插式，根据其内部所包含的运放的个数，又分为单运放、双运放以及四运放等形式。又分为单运放、双运放以及四运放等形式。 圆形封装圆形封装 b) 双列直插式双列直插式 c) LM324的引脚及功能的引脚及功能图图3-1 集成运放的外形、引脚排序及功能集成运放的外形、引脚排序及功能 除了电源端外，每个单元电路都有除了电源端外

3、，每个单元电路都有同相输入端同相输入端u+（简称同（简称同相端）、相端）、反相输入端反相输入端u-（简称反相端）与（简称反相端）与信号输出端信号输出端uo三个端口。三个端口。新符号新符号 b) 旧符号旧符号图图3-2 集成运放的符号集成运放的符号 从外部功能来看，从外部功能来看，集成运放集成运放可以简单地可以简单地等效为等效为一个高性能的一个高性能的电压放大电压放大器器，相当于一个独立的器件。，相当于一个独立的器件。 在将其应用于实际电路的过程中，只需掌握其外部特性，不必考虑芯片在将其应用于实际电路的过程中，只需掌握其外部特性，不必考虑芯片内部的复杂结构。内部的复杂结构。 3.1.2 理想运算

4、放大器理想运算放大器 1、理想运放的性能指标、理想运放的性能指标 所谓理想运算放大器，是指其具有以下主要的所谓理想运算放大器，是指其具有以下主要的性能指标：性能指标： （1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Aud = ； （2）输入电阻）输入电阻rid = ； （3）输出电阻）输出电阻rod = 0。 此外，其它的性能也认为是理想化的。此外，其它的性能也认为是理想化的。 尽管理想运放实际上并不存在，但尽管理想运放实际上并不存在，但由于集成运放制造工由于集成运放制造工艺的不断改进，其各项性能指标不断提高，故一般在艺的不断改进，其各项性能指标不断提高，故一般在分析分析集成运放的应用电路时集成运放

5、的应用电路时，将实际的集成运放理想化将实际的集成运放理想化所造成所造成的误差极小，在工程估算、分析中是的误差极小，在工程估算、分析中是允许允许的。的。 2、集成运放的传输特性集成运放的传输特性 （1）线性区）线性区 曲线上升部分的斜率：曲线上升部分的斜率：运放的开环电运放的开环电压放大倍数压放大倍数Aud。 在虚线所包括的输入信号范围内，运放在虚线所包括的输入信号范围内，运放的输出电压通常可表示为的输出电压通常可表示为 uo =Aud ( u+u-） =Auduid， uo与与uid成线性放大关系。成线性放大关系。非线性区非线性区线性区0+UomUomuouid图图3-4 集成运放的传输特性集

6、成运放的传输特性 （2）非线性区）非线性区 在虚线框以外所对应的输入信号区域。在虚线框以外所对应的输入信号区域。 输出电压仅为输出电压仅为Uom或或-Uom（近似为正、（近似为正、负电源的电压值），且不随输入信号而负电源的电压值），且不随输入信号而改变，即改变，即uo与与ui 为非线性关系。为非线性关系。通常通常Aud非常高，可达几十万倍非常高，可达几十万倍 电压传输特性中的线性区电压传输特性中的线性区非常窄。非常窄。电路引入负反馈电路引入负反馈 运放运放开环开环或电路中或电路中引入引入正反馈正反馈3、集成运放工作在线性区的特点、集成运放工作在线性区的特点以以通用型集成运放通用型集成运放F74

7、1为例。为例。例：已知例：已知F741开环电压增益的典型值开环电压增益的典型值Aud =200000（倍），差模（倍），差模输入电阻为输入电阻为rid =2M，若输出电压的最大峰值为，若输出电压的最大峰值为 uo =12V（设所用的电源为（设所用的电源为12V），试求），试求 1）输入电压）输入电压( u+u-）的最大值；）的最大值；2）输入电流）输入电流i+（i-）的最大值。）的最大值。 解：运放工作在线性区，则有解：运放工作在线性区，则有uo =Auduid = Aud（u+u-），由此），由此可得可得 1）( u+u-）= uo / Aud =12V/ 200000 =0.06mV； 2

8、）i+ = ( u+u-）/ rid = 0.06mV/2M =0.06mV/2000000=0.03A 。 计算表明，计算表明，集成运放工作在线性区时有集成运放工作在线性区时有 u+u-0，u+u-；i+ =i-0。 集成运放工作在线性区时的两个重要概念：集成运放工作在线性区时的两个重要概念： （1）集成运放的两个输入端的电压近似相等，理想化时可以）集成运放的两个输入端的电压近似相等，理想化时可以认为认为u+ =u-，即运放的两个输入端为等电位，可视为短路，称，即运放的两个输入端为等电位，可视为短路，称之为之为“虚短虚短”。 （2）集成运放两个输入端的输入电流近似为）集成运放两个输入端的输入

9、电流近似为0，理想化时可以，理想化时可以认为认为i+ =i- =0，无电流输入运放，即运放的两个输入端相当于，无电流输入运放，即运放的两个输入端相当于断路，称之为断路，称之为“虚断虚断”。 在实际应用电路中，要输入几乎为在实际应用电路中，要输入几乎为0的的信号是不现实的，所以，实现运放工作在线信号是不现实的，所以，实现运放工作在线性区的必要条件是在电路中引入性区的必要条件是在电路中引入深度的负反深度的负反馈。馈。 4、集成运放工作在非线性区的特点、集成运放工作在非线性区的特点 （1）输出电压只有正向饱和电压）输出电压只有正向饱和电压+Uom和负向饱和电压和负向饱和电压-Uom两两种状态，即种状

10、态，即 uo =+Uom （u+ u- ）；）； uo =-Uom （u+ u- ）。）。 （2）由于集成运放的输入电阻极大（理想时）由于集成运放的输入电阻极大（理想时rid = ），故输入），故输入端电流端电流i+ =i-0。即运放的两个输入端仍然是。即运放的两个输入端仍然是“虚断虚断”。 由于集成运放的开环极大（理想时由于集成运放的开环极大（理想时Aud = ），极小的输入），极小的输入信号即可使输出信号为信号即可使输出信号为+Uom或或-Uom，故，故集成运放处于开环集成运放处于开环或正反馈时，工作在非线性工作区。或正反馈时，工作在非线性工作区。反馈的基本概念反馈的基本概念反馈：反馈：将

11、输出量的一部分将输出量的一部分 或全部通过一定的电路形式作用或全部通过一定的电路形式作用 到输入回路，用来影响其输入量到输入回路，用来影响其输入量 的措施。的措施。基本放大电路基本放大电路反馈网络反馈网络输入量输入量净输入量净输入量反馈量反馈量 输出量输出量反馈放大电路的方框图反馈放大电路的方框图一、什么是反馈一、什么是反馈3.1.3 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈二、如何判断有无反馈二、如何判断有无反馈通过寻找电路中有无反馈通路可判断出电路是否引了反馈。通过寻找电路中有无反馈通路可判断出电路是否引了反馈。有无反馈的判断有无反馈的判断无反馈无反馈无反馈无反馈有反馈有反馈反馈的分类及判别反

12、馈的分类及判别1.分类分类 （1）正反馈：）正反馈： 引入的引入的反馈信号反馈信号Xf增强了外加输入信号的增强了外加输入信号的作用，作用，使使放大电路的放大电路的净输入信号增加净输入信号增加，导致，导致放大电路的放大倍数提高的反馈。放大电路的放大倍数提高的反馈。 正反馈主要用于振荡电路、信号产生电正反馈主要用于振荡电路、信号产生电路，其他电路中则很少用正反馈。路，其他电路中则很少用正反馈。（2）负反馈：）负反馈： 引入的引入的反馈信号反馈信号Xf削弱了外加输入信号削弱了外加输入信号的作用，的作用，使使放大电路的放大电路的净输入信号减小净输入信号减小，导致放大电路的放大倍数减小的反馈。导致放大电

13、路的放大倍数减小的反馈。 一般放大电路中经常引入负反馈，以一般放大电路中经常引入负反馈，以改善放大电路的性能指标。改善放大电路的性能指标。反馈的分类及判别反馈的分类及判别反馈极性的判定反馈极性的判定 +R1R2Rfuiuo图图3-6 正反馈放大器正反馈放大器 引入深度的负反馈是使引入深度的负反馈是使运放工作在线性放大区的必运放工作在线性放大区的必要条件，也是判断运放是否要条件，也是判断运放是否工作在线性区的标准。工作在线性区的标准。 应用于线性放大的运放应用于线性放大的运放电路都是深度的负反馈放大电路都是深度的负反馈放大器。器。+VCC R1 R2 T1R4 T2uO+-+-R3 R5 C1

14、+R6 C2 C3 + uI uF 分立元件放大电路反馈极性的判断分立元件放大电路反馈极性的判断 结论：负反馈结论：负反馈 3、负反馈放大器的类型、负反馈放大器的类型（1）电压反馈和电流反馈）电压反馈和电流反馈1）定义）定义电压反馈电压反馈v 反馈信号从输出电压反馈信号从输出电压uo采样。采样。电流反馈电流反馈v 反馈信号从输出电流反馈信号从输出电流io采样。采样。 +R1R2RfRLuiuo+R1R2RfRLuiuo+R2RLuoui+R1Rfio a) 电压串联负反馈电压串联负反馈 c) 电流串联负反馈电流串联负反馈图图3-7 负反馈放大器的四种类型负反馈放大器的四种类型b) 电压并联负反

15、馈电压并联负反馈 d) 电流并联负反馈电流并联负反馈 思考题思考题 （1）如何判断集成运放工作在线性区还是非线性区？）如何判断集成运放工作在线性区还是非线性区？ （2）无论集成运放是工作在线性区还是非线性区，是否都）无论集成运放是工作在线性区还是非线性区，是否都存在存在“虚短虚短”和和“虚断虚断”？ （3）为什么说引入深度负反馈是集成运放工作在线性区的）为什么说引入深度负反馈是集成运放工作在线性区的必要条件？必要条件？ （4）闭环放大器与开环放大器在电路结构上有何区别？）闭环放大器与开环放大器在电路结构上有何区别？ （5）如何判断闭环放大器的反馈极性？）如何判断闭环放大器的反馈极性？ 3.2

16、集成运放的线性应用集成运放的线性应用 知识点知识点 （1）集成运放线性应用的基本分析方法。）集成运放线性应用的基本分析方法。 （2）集成运放线性应用的几种典型电路的特性。）集成运放线性应用的几种典型电路的特性。 技能点技能点 掌握集成运放在测量放大器、掌握集成运放在测量放大器、PI调节器以及信号调节器以及信号 处理方面的典型应用。处理方面的典型应用。 集成运放工作在线性区时都引入深度的集成运放工作在线性区时都引入深度的负反馈，因而可以利用负反馈，因而可以利用“虚短虚短”、“虚断虚断”的的概念进行分析。概念进行分析。 集成运放典型的线性应用有比例、加法、集成运放典型的线性应用有比例、加法、减法、

17、微分、积分运算电路等形式。减法、微分、积分运算电路等形式。3.2.1 比例运算电路比例运算电路如右图，如右图，Rf 引入深度负反馈引入深度负反馈一一. 反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路 1、电路的构成、电路的构成2、函数关系、函数关系IfOfOIFRfOFIRNPNPuRRuRuRuiiRuiRuiuuuu即虚地,)(0, 0,要求：要求：R2=R1 / Rf 图图3.8 反相比例运算电路反相比例运算电路uIuO iR iF iN Rf R1 R2 iP PN。时，为单位增益反相器当关。与集成运放内部参数无1,fffARRA，例例1：要求输入电阻：要求输入电阻Ri100 k，放大倍数，

18、放大倍数Au100，则，则 uIuO iR iF iN Rf R R iP PNRf=Ri Au=10MRf R1R2 uI uouf 二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路 1、电路的构成、电路的构成2、函数关系、函数关系 若希望输入电阻高，若希望输入电阻高， 且输入输出同相位，可且输入输出同相位，可 用此电路。用此电路。iRiF图图3-9 同相比例运算电路同相比例运算电路uP uN AIfOfOIfONFRIPNFRNPuRRuRRuRuRRuRuiiuuuiiii)1 (, 01111虚短：虚断：起限流作用且在意外情况下使得差放输入对称f/RRR12R2的作用的作用:三、电压跟随器三、

19、电压跟随器uO = uIuO=uN=uP=uI, Auf= uO / uI1RF uO 图图3-10 电压跟随器电压跟随器uIRAuPuN例例2 电路如图所示，已知电路如图所示，已知uO =-55 uI ，其余参数如图中所标注，其余参数如图中所标注， 试求出试求出R5的值。的值。A1 -+A2 -+R1 R2 R3 R5 R4 uI uO 10k100k100k解：解：A1构成同相比例运算电路，构成同相比例运算电路，A2构成反相比例运算电路。因此构成反相比例运算电路。因此kRuukRuRRuuukkuRRuIIOOIIIO500551110011)101001 ()1 (55145121得出u

20、O1 R6 1. 反相加法运算电路反相加法运算电路 ui2 ui1 ui3 u = ( + + ) o Rf Rf Rf R1 R2 R3 i1 if f f 3.2.2 加减运算电路加减运算电路 u uI1 4 一、加法运算电路一、加法运算电路 =R1/R2/R3/Rf1 O 3 uI3 uI2 i2 i3 2 虚地点虚地点利用结点电流法求解运算关系，对结点利用结点电流法求解运算关系，对结点N进行分析，可得：进行分析，可得：N输入电流的叠加输入电流的叠加4 4 当当R1=R2=R3=Rf时，时，uo= -（ui1+ui2+ui3）1 u o 2. 同相加法运算电路同相加法运算电路3 uI1

21、uI2uI3 f 2 i1i2i3R i图图3-11.1 同相加法运算电路同相加法运算电路 PN利用结点电流法求解运算关系，对结点利用结点电流法求解运算关系，对结点P进行分析，可得：进行分析，可得：）时，当）令）于是得其中，即又332211332211332211321332211321332211332211321-(/()1 (/),()1111()1 ()1 (RuRuRuRuRRRuRuRuRRRuRRRRuRuRuRRRuRRRRRRuRuRuRuRRRRuRuRuRuRuRuuRuuRuuiiiiuRRuRRuIIIfOnpIIIfnpOfnIIIpfOpIIIpIIIIIIffO

22、当调整某一路电阻时，必当调整某一路电阻时，必须相应的改变须相应的改变R的值，以的值，以保证保证Rn=Rp.二、减法运算电路（差分比例运算电路）二、减法运算电路（差分比例运算电路） u oRf R1 R2 R3 uI2 uI1 )(12IIfouuRRu函数关系函数关系:图图3-12 减法运算电路减法运算电路u- u+ 1123231o1uififuRRuRRRRR当当R1=R2，R3=Rf 时，时，当当R1=R2=R3=Rf 时，时，uo= ui2-ui1输出电压仅由两个输入电压之差决定，故减法电路也称输出电压仅由两个输入电压之差决定，故减法电路也称为差动放大电路为差动放大电路 两输入电压不相

23、等（两输入电压不相等（“差差”）时）时有输出信号（有输出信号（“动动”），所放大（处理）的是两个输入），所放大（处理）的是两个输入信号的差值（常称为差动输入）信号的差值（常称为差动输入）2. 双运放加减运算电路双运放加减运算电路(1) 电路的构成电路的构成A1 -+A2 -+R1 Rf1 R3 Rf2 RuO uO1 R2 R RuI1 uI2 uI3 (2) 函数关系函数关系)()()(),(33221121332211123312221111RuRuRuRuRRRuRuRuRRRuRuRuRuRuRuRuIIIfOfIIIffOIOfOIIfO，则若 集成运放线性应用时，通常要集成运放线性

24、应用时，通常要求放大电路具有高增益、高输入电求放大电路具有高增益、高输入电阻以及良好的抗干扰能力。阻以及良好的抗干扰能力。 在工程上常采用多个运放组成在工程上常采用多个运放组成的电路来满足实际的需要。的电路来满足实际的需要。图图3-13 测量放大器原理测量放大器原理3.2.4 测量放大器测量放大器A1、A2: 构成了两个完全对称的同相构成了两个完全对称的同相 比例运算放大器比例运算放大器; A3: 组成差动（减法）电路。组成差动（减法）电路。 输入信号输入信号分别从分别从A1、A2的同的同相端输入，电路具有很高的输入相端输入，电路具有很高的输入电阻；电阻； A1、A2的输出电压的输出电压（uo

25、1uo2）作为作为A3的差动输入电压，因而具的差动输入电压，因而具有良好的抗干扰能力。有良好的抗干扰能力。 根据虚短，可知根据虚短，可知R1上的电压降为（上的电压降为（ui1ui2），则通过），则通过R1上的电流为：上的电流为： (ui1ui2)/R1，由于虚断特性，可知通过，由于虚断特性，可知通过R1上的电流与通过电阻上的电流与通过电阻R2的电流相等，的电流相等，即即 电路保持了差动放大的功能，因而具有很强的抑制干电路保持了差动放大的功能，因而具有很强的抑制干扰信号的能力，利用可调电阻扰信号的能力，利用可调电阻R1，则，则可方便地调节电路的可方便地调节电路的增益。增益。 3.2.5 积分运算

26、电路积分运算电路u i C uO 1 由虚断和虚地由虚断和虚地iRiCuC )(11,00i000tudtuRCuRuiiudtiCuuiiiOttOiCRtCttCCOCRN图图3-14 积分运算电路积分运算电路 A. 0)0(05. 010k CuFCR，且，例如将方波变成三角波将方波变成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuit 0 +3V-3V(ms)135 接通电源时，接通电源时，uo(t)= uo(0)=0 01ms时，时， ui= -3V, uo(t0)=uo(0)=0tdtdtuRCtuutttOO65 . 0301)(0i00 1ms3ms时，时， ui= 3V, uo

27、(t0)=uo(1)=0mssRC5 . 0105 . 01005. 01010363ttdtudtuRCtuutOttOO612) 1(6165 . 03) 1 (1)(1i00将方波变成三角波将方波变成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuit 0 +3V-3V(ms)135 3ms5ms时，时， ui= -3V, uo(t0)=uo(3)=12-6t0= 12-63=-6VtdtdtuRCtuutttOO6245 . 0361)(3i00 5ms6ms时，时， ui= 3V, uo(t0)=uo(5)=-24+65=6VmssRC5 . 0105 . 01005. 01010363

28、ttdtudtuRCtuutOttOO636)5(665 . 03)5(1)(5i00将方波变成三角波将方波变成三角波)(10i0tudtuRCuOttOuo uit 0 +3V-3V+6V-6Vt (ms)(ms)135 01ms时，时，tuO6 1ms3ms时，时，tuO612 3ms5ms时，时，tuO624 5ms6ms时，时，tuO636 在实际电路中，积分电路常用在实际电路中，积分电路常用于延时、定时和各种波形变换等。于延时、定时和各种波形变换等。 积分电路还可将输入的三角波积分电路还可将输入的三角波转换为正弦波。转换为正弦波。 在自动控制系统中，常利用积分在自动控制系统中，常利用

29、积分电路以电路以延缓过渡过程的冲击延缓过渡过程的冲击。 实际积分电路存在的问题实际积分电路存在的问题 “积分漂移积分漂移”现象：在现象：在uI=0时，时， uO仍产生缓慢变化的输仍产生缓慢变化的输出电压的现象。出电压的现象。解决办法：解决办法： C并并Rf 引入直流负反馈引入直流负反馈积分运算电路积分运算电路3.2.6 微分运算电路微分运算电路 uO 积分的逆运算，积分的逆运算， R和和C的位置互换。的位置互换。dtduRCRiRiuICROu I C iR iC A图图3-17 微分运算电路微分运算电路若输入为方波，且若输入为方波，且RCT/2， 则输出为尖顶波。则输出为尖顶波。uO uI

30、微分电路输入、微分电路输入、 输出波形分析输出波形分析 3.2.7 有源滤波电路有源滤波电路 滤波电路是一种选频电路，其允许滤波电路是一种选频电路，其允许一定频率范围的信号通过，阻止或削弱一定频率范围的信号通过，阻止或削弱（滤除）其它频率范围的信号。（滤除）其它频率范围的信号。 1、有源低通滤波器、有源低通滤波器 滤波电容滤波电容C对低频信号相当于开路，对高频信号相当于短对低频信号相当于开路，对高频信号相当于短路。该滤波电路是滤除高频段信号，使低频信号顺利通过，故路。该滤波电路是滤除高频段信号，使低频信号顺利通过，故称为低通滤波电路。为了使滤波效果更理想，通常采用二阶有称为低通滤波电路。为了使

31、滤波效果更理想，通常采用二阶有源滤波电路，如图源滤波电路，如图3-19b所示。所示。CRR1Rfuiuo+CCRRR1Rfuiuo+a) 一阶低通滤波一阶低通滤波 b) 二阶低通滤波二阶低通滤波图图3-19 有源低通滤波电路有源低通滤波电路 2、有源高通滤波器、有源高通滤波器 一阶有源高通滤波电路如图一阶有源高通滤波电路如图3-20 a) 所示，显然，它将阻隔、所示，显然，它将阻隔、滤除输入的低频信号，而让高频信号顺利通过。实际应用中，多滤除输入的低频信号，而让高频信号顺利通过。实际应用中，多采用二阶有源高通滤波电路，如图采用二阶有源高通滤波电路，如图3-20 b)。 有源滤波电路广泛应用于广

32、播、通讯、测量和控制系统中，有源滤波电路广泛应用于广播、通讯、测量和控制系统中，用于选取有用频率的信号，滤除无用频率的信号。用于选取有用频率的信号，滤除无用频率的信号。CCCRRRR1R1RfRfuiuiuouo+a) 一阶高通滤波一阶高通滤波 b) 二阶高通滤波二阶高通滤波图图3-20 有源高通滤波电路有源高通滤波电路 思考题：思考题： （1）集成运放组成的放大器与分立元件组成的电路相比，）集成运放组成的放大器与分立元件组成的电路相比，有何特点？有何特点？ （2）工作在线性区的集成运放都存在）工作在线性区的集成运放都存在“虚地虚地”吗？为什么？吗？为什么？ （3）为什么测量放大器具有很高的输

33、入电阻以及良好的抗）为什么测量放大器具有很高的输入电阻以及良好的抗干扰能力？干扰能力？ （4）积分电路有哪些波形变换作用？）积分电路有哪些波形变换作用？ 3.3 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 知识点知识点 （1）集成运放的非线性应用电路的结构、性能特点。）集成运放的非线性应用电路的结构、性能特点。 （2）几种电压比较器的性能特点。）几种电压比较器的性能特点。 技能点技能点 掌握电压比较器的典型应用电路。掌握电压比较器的典型应用电路。 集成运放工作在集成运放工作在非线性区非线性区时，处于时，处于开环开环或或正反馈正反馈状状态。态。 此时运放两个输入端的电压不一定相等（不存在虚此时运放

34、两个输入端的电压不一定相等（不存在虚短），但仍然存在虚断。短），但仍然存在虚断。 电压比较器电压比较器是集成运放典型的非线性应用。是集成运放典型的非线性应用。 电压比较器简称比较器，其将输入电压（被测信号，电压比较器简称比较器，其将输入电压（被测信号，通常是连续的模拟量）与另一标准的电压信号（参考电通常是连续的模拟量）与另一标准的电压信号（参考电压）进行比较，输出的是以高、低电平为特征的数字信压）进行比较，输出的是以高、低电平为特征的数字信号，即号，即“1”或或“0”。 常用作模拟电路与数字电路的接口。常用作模拟电路与数字电路的接口。 3.3.1 单门限电压比较器单门限电压比较器 反相输入的单

35、门限比较器如图反相输入的单门限比较器如图3-21a 所示。所示。 集成运放处于集成运放处于开环状态开环状态，工作在，工作在非线性区非线性区，反相端的输入信号，反相端的输入信号ui与同与同相端的参考电压相端的参考电压UR比较，根据运放非线性工作的特性，可得：比较，根据运放非线性工作的特性，可得： 当当 ui UR（即（即u-u+）时，）时， uo=-Uom ； 当当 ui UR（即（即u-u+）时，）时， uo =+Uom 。 电路的传输特性如图电路的传输特性如图3-21b 所示。所示。R1uiuoUR+ui0+UomUomURuoa) 电路电路 b) 传输特性传输特性图图3-21 单门限电压比

36、较电路单门限电压比较电路 图图3-22a 所示的电路称为过零电压比较器（参考电压所示的电路称为过零电压比较器（参考电压为为0），当输入电压过），当输入电压过0时，输出电压就发生跳变，传输特时，输出电压就发生跳变，传输特性如图性如图b所示。所示。 过零比较器可将正弦波转换为方波，如图过零比较器可将正弦波转换为方波，如图c所示。所示。R1uiuo+ui0+UomUomuoa) 电路电路 b) 传输特性传输特性 c) 波形变换波形变换 图图3-22 过零比较器过零比较器 单门限比较器（又称为简单比较器）单门限比较器（又称为简单比较器）结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差，结构简单，灵敏度高，但抗干扰能

37、力差，当输入信号在参考电压附近受到干扰时，当输入信号在参考电压附近受到干扰时，很容易使电路状态产生连续的跳变，造成很容易使电路状态产生连续的跳变，造成后续电路的误动作。后续电路的误动作。 3.3.2 滞回电压比较器滞回电压比较器+R1R2Rfuiuo图图3-23 滞回电压比较器滞回电压比较器（3-12） （3-13） UT、-UT分别称为上门限电压与下门限电压。电路的传分别称为上门限电压与下门限电压。电路的传输特性如图输特性如图3-23b所示。所示。uiui0+UomUomUTUT滞回电压比较器传输特性滞回电压比较器传输特性 两个门限电压之差，即两个门限电压之差，即 U=UT (-UT) =

38、2UT称为称为回回差电压差电压。 显然，回差电压使输出电压的正跳变和负跳变不是发生在输入显然，回差电压使输出电压的正跳变和负跳变不是发生在输入电压的同一点上，所以，即使干扰信号使得输入电压在参考电压电压的同一点上，所以，即使干扰信号使得输入电压在参考电压UR（本例中（本例中UR=0）的附近波动，只要其不超出回差电压的范围，电路）的附近波动，只要其不超出回差电压的范围，电路的输出电压将保持稳定。的输出电压将保持稳定。 由此可见，该电路具有较强的抗干扰能力，尤其适用于输入信由此可见，该电路具有较强的抗干扰能力，尤其适用于输入信号受干扰较频繁的场合。号受干扰较频繁的场合。uiui0+UomUomUT

39、UT 3.3.3 双限比较器双限比较器 在实际工作中，有时需要检测输入信号的电平是否处于设定的两个电平之在实际工作中，有时需要检测输入信号的电平是否处于设定的两个电平之间，这就要求比较器有两个门限电平。这种比较器称为双限比较器。间，这就要求比较器有两个门限电平。这种比较器称为双限比较器。 图图3-24a所示是一种典型的双限比较器，其中的所示是一种典型的双限比较器，其中的URFE1、URFE2为设定的两为设定的两个门限电压（参考电压），个门限电压（参考电压），ui为所检测的输入信号。为所检测的输入信号。 设设A1和和A2的的输出高电平输出高电平为为+UOM、输出低电平输出低电平为为0。REF2U

40、UREF1uouiRRRRRLVD1VD2+AA12 a) 电路电路 b) ui与与uo 的关系的关系图图3-24 双限比较器双限比较器 思考题思考题 （1）为什么电压比较器输出只有高、低电平？）为什么电压比较器输出只有高、低电平？ （2）若在过零比较器的同相端输入正弦波（反相端接地），）若在过零比较器的同相端输入正弦波（反相端接地），试画出对应的输出波形。试画出对应的输出波形。 （3）滞回电压比较器的特点是什么？）滞回电压比较器的特点是什么？ （4）双限比较器还可以应用于哪些方面？您可以举出一些例）双限比较器还可以应用于哪些方面？您可以举出一些例子吗？子吗？ 3.4 集成运放组成的信号发生器

41、集成运放组成的信号发生器 知识点知识点 （1）各种非正弦波振荡电路的结构、原理以及频）各种非正弦波振荡电路的结构、原理以及频率的估算。率的估算。 （2）正弦波振荡器的组成及原理。）正弦波振荡器的组成及原理。 （3）不同正弦波振荡电路的结构、性能特点及频）不同正弦波振荡电路的结构、性能特点及频率的估算。率的估算。 技能点技能点 掌握信号发生器的测试、调试的方法掌握信号发生器的测试、调试的方法 电子技术的许多领域都需要各种类型的信号源。电子技术的许多领域都需要各种类型的信号源。 用于产生各种信号的电子电路称为用于产生各种信号的电子电路称为信号发生器信号发生器。 信号发生器是在没有输入信号的情况下，

42、依靠电路的信号发生器是在没有输入信号的情况下，依靠电路的自激振荡来产生稳定的输出信号，又称之为振荡器。自激振荡来产生稳定的输出信号，又称之为振荡器。 因此，振荡器是一种无需外加信号就能将直流电能转因此，振荡器是一种无需外加信号就能将直流电能转变为交流电能的能量变换器。变为交流电能的能量变换器。 根据产生的信号波形，振荡器可分为正弦波振荡器和根据产生的信号波形，振荡器可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。非正弦波振荡器两大类。 3.4.1 非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器 1、方波信号发生器、方波信号发生器 方波发生器是能够直接产生方波的非正弦波发生器。方波发生器是能够直接产生方波的非正

43、弦波发生器。 由于方波包含着极其丰富的谐波分量，故这种电路又称为多谐振荡器，由于方波包含着极其丰富的谐波分量，故这种电路又称为多谐振荡器，常在数字系统中作为信号源。常在数字系统中作为信号源。 R和双向稳压管和双向稳压管VZ使输出电压限幅为使输出电压限幅为uo=UZ。由于滞回比较器输出只有。由于滞回比较器输出只有+UZ、-UZ两种状态，故电路对应的门限电压为两种状态，故电路对应的门限电压为C充电放电RVZR1R2RfUzuuCO+图图3-26 方波信号发生器及其波形方波信号发生器及其波形C充电放电RVZR1R2RfUzuuCO+图图3-26 方波信号发生器及其波形方波信号发生器及其波形电路的起振

44、：电路的起振： 电路接通电源瞬间，必然引起电路电路接通电源瞬间，必然引起电路中各点电位产生突变，电路输出是中各点电位产生突变，电路输出是+UZ还是还是-UZ纯属偶然（由纯属偶然（由uC与与u+比较而比较而定）。定）。 假设通电瞬间电路输出为假设通电瞬间电路输出为uo=+UZ（此时的门限电压为（此时的门限电压为+UT），则电路的），则电路的输出电压输出电压uo通过通过Rf对对C进行充电，进行充电，uC按按指数规律上升；指数规律上升； 当电容充电至当电容充电至uCUT，即，即u-u+ 时，时，输出电压就翻转为输出电压就翻转为uo=-UZ（此时门限电（此时门限电压跳变为压跳变为-UT）；）； 接着电

45、容接着电容C通过通过Rf对输出端放电，对输出端放电，uC按指数规律下降，当放电至按指数规律下降，当放电至uC-UT，即即u-u+时，输出电压又翻转为时，输出电压又翻转为uo=+UZ（此时的门限电压又跳变为（此时的门限电压又跳变为+UT），），uo又通过又通过Rf对对C进行充电。进行充电。 可以证明，当可以证明，当R1=R2时，其振荡周期为时，其振荡周期为 T2.2RfC，则振荡，则振荡频率为频率为（3-14） 2、三角波发生器、三角波发生器 三角波发生器基本电路如图三角波发生器基本电路如图3-27所示。所示。 运放运放A1：构成同相输入滞回比较器；构成同相输入滞回比较器； 运放运放A2：构成反

46、相积分电路。构成反相积分电路。 滞回比较器输出的矩形波输入积分电路的反相输入端，而积分电路输滞回比较器输出的矩形波输入积分电路的反相输入端，而积分电路输出的三角波又连接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的出的三角波又连接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在运放状态发生跳变，从而在运放A2的输出端得到的输出端得到周期性的三角波。周期性的三角波。+UzUT+UTUztto1uuo00图图3-27 三角波信号发生器及其波形三角波信号发生器及其波形uoR1R2R3CUzR4o1uR5VZ+AA12u+u01+UzUT+UTUztto1uuo00图图3-27

47、三角波信号发生器及其波形三角波信号发生器及其波形uoR1R2R3CUzR4o1uR5VZ+AA12u+u01v假设通电瞬间假设通电瞬间uo1=+UZ ，u+为正值。反为正值。反相积分器输入正电压，相积分器输入正电压，uo1通过通过R4对电对电容容C充电，输出电压充电，输出电压uo开始线性减小，开始线性减小，A1同相端电压同相端电压u+（下同）随之减小，（下同）随之减小，当输出电压当输出电压uo减小到减小到uo=-UT时，时，u+也减也减小为小为0，此时，此时A1状态翻转，状态翻转，uo1=-UZ ，同时同时u+跳变为负值；此时反相积分器跳变为负值；此时反相积分器输入负电压，电容输入负电压，电容

48、C通过通过R4对对uo1放电，放电，输出电压输出电压uo开始线性增大，开始线性增大，u+值也随之值也随之上升，当输出电压增大到上升，当输出电压增大到uo=+UT时，时，u+也上升为也上升为0，此时，此时A1状态翻转，状态翻转，uo1=+UZ ，同时，同时u+跳变为正值。跳变为正值。v 如此周而复始，电路形成稳定的如此周而复始，电路形成稳定的振荡，在振荡，在A1的输出端得到幅值为的输出端得到幅值为UZ的的方波，方波，A2输出端得到幅值为输出端得到幅值为UT的三角的三角波。波。可以证明，其振荡频率为可以证明，其振荡频率为（3-15） 3、锯齿波发生器、锯齿波发生器 在图在图3-27的三角波信号发生

49、器中，如果将积分电容的充、放电回路分开，使得两个的三角波信号发生器中，如果将积分电容的充、放电回路分开，使得两个回路的时间常数不相等，即可使输出电压的波形为锯齿波。回路的时间常数不相等，即可使输出电压的波形为锯齿波。 一个简易的锯齿波信号发生器如图一个简易的锯齿波信号发生器如图3-28所示，利用二极管所示，利用二极管VD1、VD2和电位器和电位器RP将积分电容将积分电容C的充、放电回路分开，通过调节的充、放电回路分开，通过调节RP的动端位置，改变充、放电回路时间的动端位置，改变充、放电回路时间常数的差值，电路可得到矩形波和锯齿波，信号波形如图所示。常数的差值，电路可得到矩形波和锯齿波，信号波形

50、如图所示。 uoR1R2R3o1uCUzR4VD1VD2VZ+AA21RP+UzUT+UTUztto1uuo00图图3-28 锯齿波信号发生器及其波形锯齿波信号发生器及其波形 3.4.2 正弦波信号发生器正弦波信号发生器 产生正弦波信号的电路称为产生正弦波信号的电路称为正弦波振荡电路正弦波振荡电路（或正弦波信号发生器）。（或正弦波信号发生器）。根据振荡电路的选频网络所用的元件，正弦波振荡电路通常可分为根据振荡电路的选频网络所用的元件，正弦波振荡电路通常可分为RC振荡电路、振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路。振荡电路和石英晶体振荡电路。 1、正弦波振荡的原理、正弦波振荡的原理 设置放大电路

51、和反馈网络的参数，使设置放大电路和反馈网络的参数，使uf ui ；当开关；当开关S迅速切换到迅速切换到2端时，端时，uf便代替了便代替了ui，使放大电路维持输出信号，使放大电路维持输出信号uo不变。尽管此时切断了输入信号，电不变。尽管此时切断了输入信号，电路仍然输出具有一定频率和幅值的正弦波信号，即电路形成了正弦波振荡。路仍然输出具有一定频率和幅值的正弦波信号，即电路形成了正弦波振荡。图图3-29 正弦波振荡电路原理框图正弦波振荡电路原理框图 由此可知，产生正弦波振荡的条件是：由此可知，产生正弦波振荡的条件是： uf = ui 。 具体可表述为：具体可表述为： （1）振荡的相位平衡条件：）振荡

52、的相位平衡条件：uf与与ui必须同相位，即要求正反馈；必须同相位，即要求正反馈； （2）振荡的幅值平衡条件：）振荡的幅值平衡条件：uf与与ui必须大小相等，即有必须大小相等，即有 AuF=1。 其中：其中：Au为放大电路的增益。为放大电路的增益。 F为正反馈电路的反馈系数：为正反馈电路的反馈系数：F= uf /uo。 显然，在一个正弦波振荡电路中，为了能输出确定频率的正弦波信显然，在一个正弦波振荡电路中，为了能输出确定频率的正弦波信号，电路中要有选频网络；号，电路中要有选频网络； 同时，为了使输出电压幅度保持稳定，振荡电路中还必须要有稳幅同时，为了使输出电压幅度保持稳定，振荡电路中还必须要有稳

53、幅环节。环节。 由此可见，一个正弦波振荡器通常由由此可见，一个正弦波振荡器通常由放大电路、正反馈电路、选频放大电路、正反馈电路、选频网络和稳幅环节网络和稳幅环节等等4部分组成。部分组成。 2、RC正弦波振荡器正弦波振荡器 （1）电路组成）电路组成 集成运放组成最常用的是集成运放组成最常用的是RC串、并串、并联式正弦波振荡电路（又称为文氏桥式联式正弦波振荡电路（又称为文氏桥式振荡器）如图振荡器）如图3-30所示。所示。 其中，集成运放通过其中，集成运放通过Rf、R1引入深引入深度的负反馈，工作在线性放大状态，组度的负反馈，工作在线性放大状态，组成同相放大电路，成同相放大电路，RC串、并联网络作串

54、、并联网络作为选频网络，同时构成正反馈电路（电为选频网络，同时构成正反馈电路（电路中正、负反馈并存）。路中正、负反馈并存）。uoCCRRR1Rfuf+图图3-30 RC正弦波振荡器正弦波振荡器（2）工作原理）工作原理 分析及实验证明，分析及实验证明，RC串、并联网络具有选频特性，当输出信号的频率串、并联网络具有选频特性，当输出信号的频率等于由等于由RC串、并联网络参数所决定的特定频率串、并联网络参数所决定的特定频率o，即，即 时，时，RC串、并联网络呈现为纯阻性，即反馈到同相端的信号串、并联网络呈现为纯阻性，即反馈到同相端的信号uf与放大电路与放大电路的输出信号的输出信号uo同相位（满足振荡的

55、相位平衡条件），此时同相端得到的反同相位（满足振荡的相位平衡条件），此时同相端得到的反馈信号馈信号uf具有最大值，并且为：具有最大值，并且为： uf = uo / 3，即正反馈系数，即正反馈系数F=uf /uo =1/3。 显然，只要放大电路的放大倍数显然，只要放大电路的放大倍数Au=3， 则有则有AuF=1（满足振荡的幅度（满足振荡的幅度平衡条件），将使得输出电压保持不变，电路形成稳定的正弦波振荡。平衡条件），将使得输出电压保持不变，电路形成稳定的正弦波振荡。 根据同相放大电路的放大倍数根据同相放大电路的放大倍数 Au=(1Rf/R1) =3，可推得，电路形成，可推得，电路形成稳定振荡的条件

56、是：稳定振荡的条件是：Rf =2R1。（3-16） （4）振荡频率及其调整）振荡频率及其调整 以上分析表明，振荡电路的输出频率由选频网络的参数决定，即如式以上分析表明，振荡电路的输出频率由选频网络的参数决定，即如式（3-16）所示。）所示。 从式（从式（3-16）可看出，调节选频网络的参数）可看出，调节选频网络的参数R、C，可以在一定的范围，可以在一定的范围内调节电路的振荡频率。在实际电路中，通常采用双连电位器代替电阻内调节电路的振荡频率。在实际电路中，通常采用双连电位器代替电阻R，或用双连电容器代替电容或用双连电容器代替电容C，同时调节选频网络串、并联两部分，从而实现，同时调节选频网络串、并

57、联两部分，从而实现振荡频率的平滑调节。振荡频率的平滑调节。 显然，减小选频网络的电容可以提高振荡频率，但由于电路中存在分布显然，减小选频网络的电容可以提高振荡频率，但由于电路中存在分布电容，电容不可能取得很小，因而使电路振荡频率的提高受到了限制。所电容，电容不可能取得很小，因而使电路振荡频率的提高受到了限制。所以，以，RC振荡器通常只适用于低频（振荡器通常只适用于低频（1MHz以下）振荡。以下）振荡。 如果需要产生更高频率的正弦信号，则需采用如果需要产生更高频率的正弦信号，则需采用LC正弦波振荡器或石英正弦波振荡器或石英晶体振荡器。晶体振荡器。 3、LC正弦波振荡器正弦波振荡器 LC正弦波振荡

58、器可分为变压器反正弦波振荡器可分为变压器反馈式振荡器、电感反馈式振荡器和电馈式振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器，由容反馈式振荡器，由LC并联谐振特性并联谐振特性确定振荡电路的频率，用于产生几确定振荡电路的频率，用于产生几MHz以上的高频信号。以上的高频信号。 （1）变压器反馈式）变压器反馈式LC振荡振荡器器 电路如图电路如图3-31所示，集成运放组成所示，集成运放组成放大电路，放大电路，L1和和C2并联谐振回路组成选并联谐振回路组成选频电路，频电路，L2为反馈绕组。为反馈绕组。 如果如果电路不能起振，大多数的原电路不能起振，大多数的原因是由于因是由于L2的同名端有误，只要将其对的同名

59、端有误，只要将其对调即可。调即可。 电路的振荡频率由电路的振荡频率由L1C2并联回路的并联回路的固有谐振频率固有谐振频率fo决定，即决定，即+R2RfC2C1uoL12LR1图图3-31 变压器反馈式正弦波振荡器变压器反馈式正弦波振荡器（3-17） （2）电感三点式正弦波振荡器）电感三点式正弦波振荡器 电路如图电路如图3-32所示，对于交流通路，所示，对于交流通路，LC谐振回路中电感的谐振回路中电感的3个端点个端点a、b、c分别与集成运放的两个输入端和输出端相连，故称为电感三点式。分别与集成运放的两个输入端和输出端相连，故称为电感三点式。 集成运放组成放大电路，等效电感集成运放组成放大电路，等

60、效电感L （L1和和L2串联）与串联）与C2并联组成选频网并联组成选频网络。络。 显然，在谐振条件下，显然，在谐振条件下，a、c两点的相位相反，从两点的相位相反，从L1两端取出的信号为正两端取出的信号为正反馈信号，满足振荡的相位条件；通常取反馈线圈反馈信号，满足振荡的相位条件；通常取反馈线圈L1的匝数约为总匝数的的匝数约为总匝数的1/8至至1/4，即可满足振荡的幅度条件，所以电路能产生自激振荡。，即可满足振荡的幅度条件，所以电路能产生自激振荡。+R2RfC2C1uoL12LR1abc图图3-32 电感三点式正弦波振荡器电感三点式正弦波振荡器 （3）电容三点式正弦波振荡器）电容三点式正弦波振荡器