模拟电子技术5-7章

第5章集成运算放大器的应用5.1集成运算放大器构成的运算电路5.2集成运算放大器构成的信号处理电路 运算放大器最早应用于模拟信号的运算，故此得名。本章首先介绍由集成运算放构成的运算电路，包括比例电路、求和电路和积分、微分电路，然后介绍两种常用的模拟信号处理电路：有源滤波器和电压比较器。5.1集成运算放大器构成的运算电路 集成运放外加不同的反馈网络，可以实现比例、加法、减法、乘法、除法、积分、微分、对数、反对数等运算。此时集成运放工作在线性区。5.1.1比例运算电路 将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。比例运算电路是集成运算放大电路的主要放大形式之一。1.反相比例运算电路 反相比例运算电路又叫反相放大器，其电路如图5.1所示。图5.1反相比例运算电路2.同相比例运算电路 同相比例运算电路又叫同相放大器。如图5.2所示，R1与Rf引入深度串联电压负反馈，所以运放工作在线性区。图5.2同相比例运算电路3.差分比例运算电路 图5.3中,Rf引入强电压负反馈，相对于uI1而言，是并联电压负反馈，相对于uI2而言是串联电压负反馈。图5.3差分比例运算电路5.1.2求和电路1.反相求和电路 反相求和电路如图5.4所示，以3个输入端为例，实际中可根据需要增减输入端的数量。图5.4反相求求和电电路反相求求和电电路的的优点点是，，便于于调整整，可可以十十分方方便地地调整整某一一路的的输入入电阻阻，改改变该该路的的比例例系数数，而而不影影响其其他路路的比比例系系数，，因此此，反反相求求和电电路用用得较较为广广泛。。2.同相求求和运运算图5.5所示为为同相相求和和运算算电路路。它它是同同相输输入端端有两两个输输入信信号的的求和和运算算电路路。与与同相相比例例运算算电路路相比比，这这个同同相求求和电电路只只是增增加了了一个个输入入回路路。图5.5同相加加法运运算电电路5.1.3积分电电路和和微分分电路路1.积分电路积分电路的的输出电压压与输入电电压成积分分关系，积积分电路可可以实现积积分运算。。它在模拟拟计算机、、积分型模模数转换以以及产生矩矩阵波、三三角波等电电路中均有有广泛应用用。根据输入电电压加到集集成运放的的反相输入入端，有反反相积分电电路和同相相积分电路路两种基本本形式。积分电路在在实际应用用时要注意意如下两点点。①因为集成运运放和积分分电容器并并非理想器器件，会产产生积分误误差，情况况严重时甚甚至不能正正常工作。。因此，应应选择输入入失调电压压、失调电电流及温漂漂小的集成成运放；选选用泄漏电电阻大的电电容器以及及吸附效应应小的电容容器。②应用积分电电路时，动动态运用范范围也要考考虑。集成成运放的输输出电压和和输出电流流不允许超超过它的额额定值UOM和UOM。因而对输输入信号的的大小或积积分时间应应有一定的的限制。2.微分电路（1）基本微微分电路微分是积分分的逆运算算，即输出出电压与输输入电压成成微分关系系，用来确确定改变着着的信号的的变化速率率。只要将将反相积分分中的R和C位置互换，，就可构成成基本的微微分电路，，如图5.11所示。图5.11微分运算电电路（2）实用微微分电路当输入电压压发生跳变变时，有可可能超过集集成运放的的最大输出出电压，严严重时将使使微分电路路不能正常常工作。在在R两端并联稳稳压管，限限制输出幅幅度，加一一个小电阻阻R1和C串联，以限限制噪声和和突变的输输入电压。。改进后的的微分电路路如图5.13所示。图5.13实用微分电电路5.2集成运算放放大器构成成的信号处处理电路集成运放最最早用于模模拟电子计计算机中，，完成对信信号的数学学运算。随随着近代集集成运放的的发展，使使用范围超超出运算范范围，渗透透到电子技技术的各个个领域，在在各种模拟拟信号和脉脉冲信号的的测量、处处理、产生生、变换等等方面也都都获得了广广泛的应用用。下面介介绍其在信信号处理方方面的应用用。5.2.1有源滤波器器滤波器是一一种能使部部分频率的的信号顺利利通过而其其他频率的的信号受到到很大衰减减的装置，，在信息处处理、数据据传送和抑抑制干扰等等方面经常常使用。早早期的滤波波电路多由由电阻、电电容、电感感组成，为为无源滤波波器。由于于其低频下下工作时所所用电感较较大且品质质因数较低低，因而影影响滤波效效果。近些年来，，产生了由由集成运放放组成的有有源滤波电电路，它体体积小，选选择性好，，还可使所所处理信号号放大。不不足之处是是集成运放放需要电源源，且工作作电流过大大时运放会会饱和，在在高频下运运放的增益益会下降，，故在高频频下运用受受限。1.低通滤波器器低通滤波器器是指低频频信号能通通过而高频频信号不能能通过的滤滤波器。低通滤波电电路如图5.15所示，在图图5.15(a)中无源滤波波网络RC接至集成运运放的同相相输入端，，在图5.15(b)中RfC接至反相输输入端。下下面以图5.15(a)为例进行讲讲解。图5.15低通滤波电电路一阶滤波电电路的缺点点是，当ω≥ω0时，幅频特特性衰减太太慢，以-20dB／10倍频程的速速率下降，，与理想的的幅频特性性相比相差差甚远，如如图5.16所示。为此此可在一阶阶滤波电路路的基础上上，再增加加一级RC，组成二阶阶滤波电路路。它的幅幅频特性在在ω≥ω0时，以-40dB／10倍频程的速速率下降，，衰减速度度快，其幅幅频特性更更接近于理理想特性。。为进一步步改善滤波波波形,常将第一级级的电容C接到输出端端，引入一一个反馈。。这种电路路又称为赛赛伦-凯电路，实实际工作中中更为常用用。图5.16二阶低通有有源滤波电电路2.高通滤波器器高通滤波器器是指高频频信号能通通过而低频频信号不能能通过的滤滤波器，将将低通滤波波器中起滤滤波作用的的电阻、电电容互换，，即成为高高通有源滤滤波器。高通滤波电电路如图5.17所示。图5.17(a)为同相输入入,图5.17(b)为反相输入入。图5.17高通滤波电电路3.带通有源滤滤波电路（（BPF）（1）BPF的构成方法法BPF构成的总则则是LPF与HPF相串联。LPF与HPF串联有如下下两种情况况。①将有源LPF与有源HPF两级直接串串联。用这这种方法构构成的BPF通带宽，而而且通带截截止频率易易调整，但但所用元器器件多。②将两节电路路直接相联联，其优点点是电路简简单。（2）二阶压压控电压源源BPF二阶压控电电压源BPF电路性能分分析如下。。①传递函数②中心频率和和通带电压压放大倍数数③通带截止频频率④通带宽度⑤Q值⑥频率特性4.带阻有源滤滤波电路（（BEF）BEF构成的总原原则是LPF与HPF相并联，BEF构成的原理理框图如图图5.22所示。LPF与HPF并联有如下下两种情形形。图5.22BEF组成原理框框图①将有源LPF与有源HPF直接并联，，这种方法法实现较困困难，且电电路元器件件用的多，，不宜采用用。②用两节RC网络（即一一个无源LPF和一个无源源HPF）相并联，，构成无源源BEF，再将它与与同相比例例电路直接接相联。这这种方法应应用广泛。。5.2.2电压比较器器电压比较器器简称比较较器，其基基本功能是是对两个输输入电压进进行比较，，并根据比比较结果输输出高电平平或低电平平，据此来来判断输入入信号的大大小和极性性。电压比比较器常用用于自动控控制、波形形产生与变变换，模拟拟转换以及及越限报警警等许多场场合。电压比较器器通常由集集成运放构构成，与前前面章节不不同的是，，比较器中中的集成运运放大多处处于开环或或正反馈状状态。只要要在两个输输入端加一一个很小的的信号，运运放就会进进入非线性性区，属于于集成运放放的非线性性应用范围围。在分析析比较器时时，虚断路路原则仍成成立，虚短短及虚地等等概念仅在在判断临界界情况时才才适应。比较器可以以利用通用用集成运放放组成，也也可以采用用专用的集集成比较器器组件。对对它的要求求是电压幅幅度鉴别的的准确性、、稳定性、、输出电压压反应的快快速性以及及抗干扰能能力等。下下面分别介介绍几种比比较器。1.电平比较器器（过零比比较器）通常用阈值值电压和传传输特性来来描述比较较器的工作作特性。有时，为了了和后面的的电路相连连接以适应应某种需要要，常常希希望减小比比较器输出出幅度，为为此采用稳稳压管限幅幅。为了使使比较器输输出的正向向幅度和负负向幅度基基本相等，，可将双向向击穿稳压压二极管接接在电路的的输出端或或接在反馈馈回路中，，如图5.26所示。图5.26限幅电路及及过压保护护电路为了防止输输出信号过过大，损坏坏集成运放放，除了在在比较器的的输出回路路中串联接接入电阻外外，还可以以在集成运运放的两个个输入端之之间并联两两个相互反反接的二极极管，如图图5.27所示。图5.27限幅电路及及过压保护护电路2.任意电平比比较器（非非过零比较较器）将零电平比比较器中的的接地端改改为一个参参考电压UR（高为直流流电压），，由于UR的大小和极极性均可调调整，电路路成为任意意电平比较较器或称非非过零比较较器。电平电压比比较器结构构简单，灵灵敏度高，，但它的抗抗干扰能力力差。也就就是说，如如果输入信信号因干扰扰在阈值附附近变化时时，输出电电压将在高高、低电平平之间反复复地跳变，，可能使输输出状态产产生误动作作。为了提提高电压比比较器的抗抗干扰能力力，下面介介绍有两个个不同阈值值的滞回电电压比较器器。3.滞回电压压比较器器滞回电压压比较器器又称施施密特触触发器。。这种比比较器的的特点是是当输入入信号ui逐渐增大大或逐渐渐减小时时，它有有两个阈阈值，且且不相等等，其传传输特性性具有““滞回””曲线的的形状。。滞回比较较器也有有反相输输入和同同相输入入两种方方式。它它们的电电路及传传输特性性如图5.31所示。图5.31滞回比较较器及传传输特性性集成运放放输出端端至反相相输入端端为开环环。输出出端至同同相输入入端引入入正反馈馈，目的的是加速速输入状状态的跃跃变，使使运放经经过线性性区过渡渡的时间间缩短。。UR是某一个个固定电电压，改改变UR值能改变变阈值及及回差大大小。（1）正向向过程（2）负向向过程4.窗口电压压比较器器电平比较较器和滞滞回比较较器有一一个共同同特点，，即uI单方向变变化（正正向过程程或负向向过程））时，uO只跳为一一次。只只能检测测到一个个输入信信号的电电平，这这种比较较器称为为单限比比较器。。双限比较较器又称称为窗口口比较器器。它的的特点是是输入信信号单方方向变化化，可使使输出电电压uO跳变两次次，其传传输特性性如图5.34（b）所示，，它形似似窗口，，称为窗窗口比较较器。窗窗口比较较器提供供了两个个阈值和和两种输输出稳定定状态可可用来判判断uI是否在某某两个电电平之间间。比如如，从检检查产品品的角度度看，可可区分参参数值在在一定范范围之内内和之外外的产品品。窗口比较较器可用用两个阈阈值不同同的电平平比较器器组成。。阈值小小的电平平比较器器采用反反相输入入接法，，阈值大大的电平平比较器器采用同同相输入入接法。。再用两两只二极极管将两两个简单单比较器器的输出出端引到到同一点点作为输输出端，，具体电电路如图图5.34（a）所示。。图5.34窗口比较较器及传传输特性性窗口比较较器有两两个阈值值，它们们是URH和URL,有两个稳稳定状态态。其传传输特性性如图5.34（b）所示。。电压比较较器是模模拟电路路与数字字电路之之间的过过渡电路路。但通通用型集集成运放放构成的的电压编编辑部顺顺的高、、低电平平与数字字电路TTL器件的高高、低电电平的数数值相差差很大，，一般需需要加限限幅电路路才能驱驱动TTL器件，给给使用带带来不便便，而且且响应速速度低。。采用集集成电压压比较器器可以克克服这些些缺点。。5.集成电压压比较器器（1）集成成电压比比较器简简介与前面所所介绍的的由运放放组成的的比较器器相比，，集成电电压比较较器也可可以输出出高、低低电平，，但加入入了电平平移动和和数字驱驱动电路路，因此此可与数数字电路路直接相相连，作作为A/D转换器的的一个核核心部件件。集成电压压比较器器的电路路结构框框图如图图5.35所示。它它主要由由差动输输入级、、电平转转换级、、输出逻逻辑电平平和控制制级（具具有集电电极开路路结构的的输出级级）以及及偏置电电路几个个基本部部件组成成。其特特点是输输出的高高、低电电平分别别与数字字电路