第六章 信号运算及处理电路

【解】uo1=－uiRfR1uo2=－uo12RR2RfR1=uiuo2=uo2－uo1【例1】

图所示为两级比例运算放大电路，求uo与ui

的关系。2RfR1RfR1=ui+

ui3RfR1=ui上一题下一题返回练习题集∞－++△2Ruiuo2∞－++△RfR1Ruo1

+uo－R2R23图1补充例题

【解】前级电路为电压跟随器，故

uo1=ui1

后级电路利用叠加原理分析。在uo1=ui1单独作用时为反相比例运算电路，故uo’

=－ui1RfR1在

ui2单独作用时为同相比例运算电路，故（）uo’’

=1+ui2RfR1由此求得：RfR1（）uo=uo’+uo’’

=1+ui2－ui1RfR1=5ui2－4ui1【例2】图所示电路中，已知Rf=4R1，求uo与ui1和ui2的关系式。上一题下一题返回练习题集∞－++△Rfui1uo∞－++△R1R2图2ui2

【证】由于u+=u－

=0，“－”端为虚地端，Rf和R4可视为并联，因而R4∥RfR3

+R4∥RfuR4=uo即R3

+R4∥RfR4∥Rfuo=uR4由于uR4=uRf=－Rf

if因此R3

+R4∥RfR4∥Rfuo=uR4if=i1=uiR1R3

+R4∥RfR4∥Rf=－uiRfR1（）【例3】图所示为一反相比例运算电路，试证明：uo∞－++△R1RfuiR3R4R2RfR1Af=R3R4R3R1(1+)－uoui=－上一题下一题返回练习题集下一页（）R3R4∥Rf=－1

+

uiRfR1（）R3Rf=－1

++

uiRfR1R3R4即〔=－1

+－

（）R3R4RfR1R3R1〕uiRfR1Af=R3R4R3R1(1+)－uoui=－上一题下一题返回练习题集上一页+-+UiUReRL++VCCRIeIC例：写出电路电压放大倍数的表达式。例1:电路如图2.8(a)所示，试求uo的表达式；若已知ui=1V，R1=R2=20kΩ,R3=5kΩ,求uo的值。由图示电路有：代入数值计算有:2.T型网络反相比例运算电路图7.2.2T型网络反相比例运算电路电阻R2、R3和R4构成T形网络电路节点N的电流方程为i4=

i2+i3输出电压u0=

-i2R2–i4R4

所以将各电流代入上式长安大学电控学院

第六章信号运算与处理电路1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理；4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第6章信号运算与处理电路6.1基本运算电路

集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。6.1.1加法运算电路

1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

ii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以令

有:【例】

试求出图所示电路输出电压与输入电压之间的关系式。【解】：

2.同相加法运算电路由虚断，反相输入端电压为:对于同相输入端，解之得:其中，

平衡电阻：

1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–6.1.2减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui32具有高输入电阻的减法运算电路例题3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V例：用集成运放实现以下运算关系解：比较得：选RF1=20k，得：R1=100k，R3=15.4k；选RF2=100k，得：R4=100k，R2=10k。6.1.3微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–

输出电压U0与输入电压Ui的微分成正比，且输出与输入反相。

Ui=UC由于“虚断”，i-

=0，故iC

=iR又由于“虚地”，u+

=u-=0

可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。1.基本微分运算电路微分电路的作用：微分电路的作用有移相功能。2.实际微分电路1.在输入回路中串入电阻R1,用来限制噪声和突变的输入电压所形成的过大输入电流；.在反馈回路中加入电容CF与反馈电阻Rf并联，并选择参数使RfCf=R1C1,用来进行相位补偿，达到稳定工作的目的。uoC1uiR2RF++––++–R13.比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiC6.1.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有U0=-UC1.积分运算电路由于“虚地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虚断”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——积分时间常数(动画avi\12-1.avi)2.积分电路的输入、输出波形(一)输入电压为阶跃信号图6.3.2t0t1tuIOtuOOUI当t≤

t0

时，uI=0，uO=0；当t0

<t≤t1

时，uI=UI=常数，当t>t1时，uI=0，uo保持t=t1时的输出电压值不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。问题：如输入波形为方波，输出波形为何波？(二)输入电压为正弦波tuOO可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先90

。因此，此时积分电路的作用是移相。tuIOUm注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻。（三）输入为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui

3、比例-积分运算电路：将比例运算和积分运算结合ifi1上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF由二极管方程知当uD

UT

时，或：利用“虚地”原理，可得：用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。1.采用二极管对数运算电路6.2对数与反对数运算电路6.2.1对数运算电路6.2.1对数运算电路2.采用三极管对数运算电路根据虚地和虚断路原则有：可得：两边同时取对数得：平衡电阻：R2=R1

输出电压U0与输入电压Ui的对数成正比。为了克服温度的影响，可以利用特性相同的两个晶体管来实现温度补偿，电路如图所示。图中T1、T2为对管，运放A1与T1管组成基本对数运算电路，运放A2与T2管组成温度补偿电路，UREF为外加参考电压。利用集成运放虚短和虚断的概念，列节点N1的KCL方程为列节点P2的KCL方程为P2点的电位为P2点的电位为所以输出电压uo为6.2.2反对数运算电路设输入ui=ube>>UT输出电压U0与输入电压Ui的指数成正比。二、指数运算电路当uI

>0时，根据集成运放反相输入端“虚地”及“虚断”的特点，可得：所以：可见，输出电压正比于输入电压的指数。指数运算电路1.基本电路为了克服温度的影响，同样可以利用特性相同的两个晶体管来实现温度补偿，电路如图所示。由图可以得出从而有6.2.3利用对数和指数电路实现的乘除电路乘法电路的输出电压正比于其两个输入电压的乘积，即uo=uI1uI2求对数，得：再求指数，得：所以利用对数电路、求和电路和指数电路，可得乘法电路的方块图：对数电路对数电路uI1uI2lnuI1lnuI2求和电路lnuI1+lnuI2指数电路uO=uI1uI2乘法运算电路乘法运算电路同理：除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除所得的商，即：求对数，得：再求指数，得：所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图：对数电路对数电路uI1uI2lnuI1lnuI2减法电路lnuI1-lnuI2指数电路滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。优点：体积小、效率高、频率特性好。6.3有源滤波电路6.3.1滤波器的基础知识一、滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类:

低通滤波器LPF

；高通滤波器HPF

；带通滤波器BPF

；带阻滤波器BEF2.按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类:

一阶，二阶…高阶组成:

由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大，电感还会引起电磁感应。(a)

无源滤波器电路简单高频性能好工作可靠优点通带信号有能量损耗负载效应比较明显缺点CRRL无源高通滤波器(b)有源滤波器：电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大精度高、性能稳定、易于调试负载效应小组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成优点可以多级相联，用低阶来构成高阶滤波器通带范围小需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合。缺点低通高通带通带阻二、四种典型的频率特性传递函数：幅频特性(幅度之比）相频特性（初相位之差）filter传递函数、幅频特性三、无源虑波器1.电路：

RC++一阶RC低通滤波器(无源)截止频率2.传递函数为：传递函数幅频特性截止频率10.707c截止频率此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。3.幅频特性O

为了克服上述缺点，可将RC无源网络接至集成运放的输入端，组成有源滤波电路。一、有源低通滤波器uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R由RC电路得出由同相比例运算关系得出1.电路：

6.3.2一阶有源滤波器2.电压放大倍数：称为截止角频率式中3.传递函数其模为:幅角为:4.幅频特性：低通滤波器具有使低频信号易通过，而抑制高频信号的作用。时，时，时，O0频率特性——通带电压放大倍数可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同；但通带电压放大倍数得到提高。

缺点：一阶低通有源滤波器在f>f0

时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为-20dB/十倍频。

解决办法：采用二阶低通有源滤波器。电压放大倍数当

>0时，|T(j)|

衰减很快

显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。

为了改善滤波效果，使

>

0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一阶二阶幅频特性0|Auf0||T(j)|O二、有源高通滤波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo1.电路：

由同相比例运算关系得出其模为幅角为3.传递函数2.电压放大倍数：称为截止角频率式中时，时，时，高通滤波器具有使高频信号易通过，而抑制低频信号的作用。频率特性O04.幅频特性：1.简单二阶低通电路可提高幅频特性的衰减斜率简单二阶低通电路RF用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)简单二阶低通电路的幅频特性6.3.3二阶有源滤波器简单二阶低通电路的幅频特性输入电压经过两级RC低通电路，在高频段，对数幅频特性以-40dB/十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。令电压放大倍数分母的模等于

可解出通带截止频率fP=0.37f0问题：在f=f0

附近，输出幅度衰减大，fP

远离f0

引入正反馈，可以增大放大倍数，使fP

接近f0

滤波特性趋于理想。压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源二阶低通滤波电路2.压控电压源二阶低通滤波电路用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)6.3.4其它滤波电路一、高通滤波电路高通滤波电路与低通滤波电路具有对称性1.压控电压源二阶高通滤波电路2.无限增益多路反馈二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为“镜像”关系。二阶有源高通滤波器二、带通滤波电路(BPF)只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。低通高通fp1fO低通ffp2O高通阻阻fp1fp2fO通压控电压源二阶带通滤波电路——中心频率——通带电压放大倍数图7.4.18——比例系数fbw=

fp1–

fp2=f0/Q——通频带三、带阻滤波器(BEF)在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通图7.4.20常用有源带阻滤波电路——中心频率——通带电压放大倍数常用有源带阻滤波电路阻带宽度BW＝fp2–

fp1＝f0

/Q带阻滤波器的幅频特性四、全通滤波电路全通滤波电路电压放大倍数︱Au︱=1φ=1800-2arctanf/f0全通滤波电路全通滤波电路的相频特性6.4

集成运放应用举例在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。电流源由集成运放组成的电流源电路如图所示，它实际上是一个电流串联负反馈电路，在理想的情况下有 所以输出电流IL为 即IL与负载电阻RL无关，又因为该电路引入的是电流串联负反馈，其输入电阻和输出电阻均很大，具有电流源性质。 此时输出电压UL为电压源由集成运放组成的电压源电路如图所示，它实际上是一个电压串联负反馈电路，在理想的情况下有 输出电压的大小与负载电阻RL无关，由于该电路引入的是电压串联负反馈，其输入电阻很大，输出电阻很小，具有电压源性质。直流电压表右图是由一块普通的微安表与集成运放构成的高灵敏度的直流毫伏表电路。电流表的内阻为Rg，从图中可得被测电压UX为 上式说明被测电压UX与流过表头的电流Ig成正比。若电阻R=10Ω，当微安表的满量程读数为100μA时，直流毫伏表的满量程为10010-6A10Ω=10-3V=1mV。直流电压表该毫伏表的特点是： 能测量小于1mV的微弱信号，灵敏度高； 由于电路中引入了串联负反馈，所以毫伏表具有很高的输入电阻； 同时毫伏表的满量程电压值不受表头内阻Rg阻值的影响，只要是100μA满量程的电流表均可利用，互换性较好。如果将上述1mV表头作为基本元件，配以分压器，就可以构成多量程的直流电压表，电路如图所示。测量放大器ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3–––––––+对A1和A2有对A3有改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数电荷放大器ut、Ct和电容上的电量q之间的关系为利用“虚短”和“虚断”，可得运放A的输出电压电荷放大器可得隔离放大器变压器耦合式隔离放大器光电耦合式隔离放大器光电耦合式基本应用电路，图中R和Rf为外接电阻，调整它们的阻值可以改变放大器增益。若光电二极管D1、D2所受光照相同，可以得出电压-电流转换电路设集成运放是理想的，利用“虚短”和“虚断”的概念，可知uN=uP=0，iO=iR，从而可得iO与uI成线性关系，且与负载电阻RL无关，实现了电压-电流转换。电压-电流转换电路豪兰德（Howland）电流源电路。设集成运放是理想的，利用“虚短”和“虚断”的概念，可知uN=uP，i1=if，列出节点N和节点P的KCL方程分别为求解可得若取电流-电压转换电路该电路中引入了电压并联负反馈，在理想运放条件下，输入电阻Rif=0，因而if=iS，所以输出电压图6.39电流-电压转换电路

高精度整流电路由集成运放组成的高精度整流电路如图所示，它在反相比例电路的基础上增加了二极管D1和D2，其工作原理如下： 当ui<0时，集成运放的输出电压uA>0，二极管D2截止，D1导通，集成运放工作在深度负反馈状态，这时的电路相当于反相比例电路，因此输出电压uo为 当R1=Rf时，uo=-ui，由于ui<0，所以输出电压uo为正值。 当ui>0时，uA<0，二极管D2导通，集成运放仍然工作在深度负反馈状态，且uA-0.7V，D1截止，反馈电阻Rf上没有电流流过。又因为集成运放的反相输入端为虚地点，所以输出电压uo=0。

高精度整流电路综上所述，可以画出它的输入输出波形如图所示，在电路中即使输入电压小于二极管的死区电压，输出电压uo仍为

|-ui|。所以该整流电路具有较高的精度。

高精度整流电路如果利用反相求和电路，让图电路的输出-Kui与ui相加，就可以实现全波整流，电路如图所示。

SuC+–ui+–uo+–++–模拟开关模拟输入信号1.电路6.4.2采样保持电路

采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器2.工作原理采样保持电路1.电路采样阶段：

uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，

ui对存储电容C充电，uo=uC

=ui

。保持阶段：

uG为0，

S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。

SuC+–ui+–uo+–++–6.5

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区++∞uou–u+i+i––6.5.1过零比较器参考电压为零的比较器称为过零比较器。1、反相输入过零比较器，，

过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波6.5.1过零比较器2、同相输入过零比较器3、过零限幅比较器为了限制输出电压的最大值，可用稳压管来限幅。

7.27同相输入过零限幅比较器

7.28反相输入过零限幅比较器

电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)参考电压6.5.2任意电压比较器1.基本电压比较器uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t22.单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR存在干扰时单限比较器的uI、uO

波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t23.输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZ电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)【例】:

电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+–+CDRLR4.反相求和型电压比较器求得门限电压：

【例】在图所示反相求和型电压比较器中，已知双向稳压管的稳压值为Uz=6V，

R1=2kΩ；R2=4kΩ试画出UR=4V时的电压传输特性。若（V）时，试画出输出电压u。的波形。【解】：根据反相求和型电压比较器的门限电压:[例]在图所示电路中，UZ=±6V，在图8.2.7中所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和图8.2.7所示电路的输出电压u02解过零比较器一般单限比较器。波形图R1R26.5.3滞回比较器（施密特触发器）滞回比较器的特点：可大大提高比较器的抗干扰能力。一、基本滞回比较器解：（1）门限电压（3）输出电压波形例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性1)电路和门限电压1.反相型迟滞比较器uIRR18UREFR2R3UZPuO正反馈当uI>uP

时，uO=-UZ当uI<uP

时，uO=+UZ当uI=uP

时，状态翻转例：R1=30k，R2=15k,UZ=6V,UREF=0,求UT。二、任意电压滞回比较器特点：2)传输特性RR18uIUREFR2R3UZPuOOuIuOUTHUTLUZ-UZ当uI

逐渐增大时

只要uI<UTH，则uO=UZ一旦uI>UTL，则uO=-UZ当uI逐渐减小时只要uI>UTH，则uO=-UZ一旦uI<UTL，则uO=UZ上门限下门限U=UTH

-UTLU回差电压uI

上升时与上门限比,uI

下降时与下门限比。2.同相型迟滞比较器R1R8uIUREFR2R3UZNPuO状态翻转时，uP=uN=UREF若UREF=0传输特性OuIuOUTHUTLUZ-UZU=UTH

-UTL应用举例抗干扰单门限比较器迟滞比较器整形OuItUTHUTLOuOtUOHUOLOuItUTHUTLOuOtUOHUOL波形变换OuItUTOuOtUOHUOL三、窗口电压比较器参考电压UREF2<UREF1

(1)若uI低于UREF2，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管D1

截止，D2导通，输出电压uO为高电平；

(2)若uI高于UREF1，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管D2

截止，D1

导通，输出电压uO为高电平；窗口电压比较器：检测输入电压是否在两个规定电压之间，

(3)当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管D1、D2

均截止，输出电压uO为低电平；

上门限电平UTH=UREF1；

下门限电平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号uI<UREF2

或uI>UREF1时，输出为高电平；而当UREF2<

uI<

UREF1时，输出为低电平。7.5.4集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。±5V双电源供电，逻辑电源为5V。±15V双电源供电，逻辑电源为5V。2.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功能图8.2.16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性7.6集成运放的性能指标及低频等效电路一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod

为100~140dB。7.6.1集成运放的主要性能指标二、输入失调电压UIO三、输入失调电压温漂UIO

定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO

为1~10mV；高质量运放：UIO

为1mV以下。定义：一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；四、输入失调电流IIO五、输入失调电流温漂IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即定义：一般运放为几十~一百纳安；高质量的低于1nA。定义：一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流IIB七、差模输入电阻rid八、共模抑制比KCMR定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。九、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、-3dB带宽fH表示Aod

下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。十二、单位增益带宽

fc

Aod

降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。十三、转换速率SR额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/s。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR

值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。7.6.2集成运放的低频等效电路考虑各种失调因素时等效电路图不考虑各种失调因素的电路图7.7集成运放的种类及选择7.7.1集成运放的发展概况第一代产品：沿用分立元件放大电路的设计思想，采用了集成数字电路的制造工艺。

典型产品有μA709，国产的F003、5G23第二代产品：采用了有源负载，简化了电路设计；属于通用型运放，应用非常广泛。

典型产品有μA741、LM324，国产的F007、5G24第三代产品：输入级采用超β管（1000~5000倍）；版图设计考虑热效应的影响，增大了共模拟制比和输入电阻。

典型产品有HA2900、SN62088，国产的5G76507.7.2集成运放的种类一、按工作原理分类1.电压放大型F007、F3242.电流放大型LM3900、F19003.跨导型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分类1.可变增益运放2.选通运放1.高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037）2.低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指标分类3.高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130）4.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）5.高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。6.大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。7.7.3运放的选择（略）根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。

已知现有集成运放的类型是：

①通用型②高阻型③高速型④低功耗型

⑤高压型⑥大功率型⑦高精度型

（1）作低频放大器，应选用

。

（2）作宽频带放大器，应选用

。

（3）作幅值为1μV以下微弱信号的测量放大器，应选用

。

（4）作内阻为100kΩ信号源的放大器，应选用

。

（5）负载需5A电流驱动的放大器，应选用

。

（6）要求输出电压幅值为±80V的放大器，应选用

。

（7）宇航仪器中所用的放大器，应选用

。【课堂练习】（1）①（2）③（3）⑦（4）②（5）⑥（6）⑤（7）④7.8集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）二、使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因7.8.1使用时必做的工作2.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大7.8.2保护措施一、输入保护(a)防止输入差模信号幅值过大(b)防止输入共模信号幅值过大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保护元件保护元件uO+AR1RFD1D2uI保护元件图4.6.1输入保护措施二、电源极性错接保护保护元件：D1、D2三、输出端错接保护保护元件：稳压管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI图4.6.2利用稳压管保护运放图4.6.3电源接错保护四、输出限流保护+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保护元件：T1、T2(b)保护管工作特性正常工作时工作点在

A；工作电流过大，工作点经B

移到C

或D

点。(a)电路图BCDAICUCEO图输出限流保护7.8.3输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来输出电压幅值。+uNuPA图4.6.4提高输出电压的电路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)