第4章 集成运放应用及滤波电路

测量放大器•测量放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比等特点。•三运放测量放大器•1.同相并联型差分放大器RS_R2+R6uo1A2R_R3R5+R4uoA1A3_R1R2+uo2uidiuic+-+-b1b2•2.分析：)(21o2o1RRRiuu由原理图可知，A1、A2运放：Ruuib2b1_RSR2+R6uo1A2R_R3R5+R4uoA1A3_R1R2+uo2uidiuic+-+-三运放测量放大器原理图b1b2)()(b2b121uuRRRRid21)(uRRRRA3运放双端输入，得o134o265634o)(1uRRuRRRRRu同相并联型差分放大器具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益可调等优点，广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用这种电路。同相串联型差分放大器为了获得高输入阻抗，并达到少用运放器件的目的，可采用同相串联型差分放大器。其输入阻抗通常可高达几十兆欧。A1、A2组成放大倍数约为27的同相串联型差分放大器，其输出端接有RC高通滤波器。输出级是A3组成的放大倍数为33的同相放大器，这个电路的总电压放大倍数为27×33=891。同相串联比同相并联电路接成的心电放大器省一个运放器件，更为经济合算。测量放大器的主要技术指标1.非线性度非线性度:放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。例如：一个测量放大器，当增益为1时，非线性度为0.025%；当增益为500时，非线性度有可能达到0.1%。如果将其用于一个12位的A/D转换器中，将会严重影响A/D转换器的精度。2.温漂温漂：测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。例如：一个温漂2V/℃的测量放大器，当增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mV的变化。通常测量放大器的输出电压会随温度的变化而发生（1~50）V/℃变化，这也与测量放大器的增益有关。应尽量选择温漂小的测量放大器。3.建立时间建立时间：指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。放大器输出电压tUtU0驱动信号建立时间误差上偏差误差下偏差3.建立时间建立时间：指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。测量放大器的建立时间随其增益的增加而增加。当增益200时，为达到误差范围±0.01%，往往建立时间达到50s～100s，有时甚至高达350s。例如：4.恢复时间恢复时间：指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。5.电源引起的失调电源引起的失调：电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。6.共模抑制比共模抑制比：放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比。(dB)ucudAACMRRlg20CMRR越大，此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大。6.共模抑制比电路对称性：电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。放大器本身的线性工作范围：测量放大器工作线性范围不是无限大的，当共模信号超出了其线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。影响共模抑制比的因素：隔离放大器如果输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大，对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。隔离放大器的特点：输入回路与输出回路之间是电绝缘的。信号传递的主要方式:1.电磁耦合;2.光电耦合。二极管——二极管型二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光敏二极管IoIiIiIo发光二极管发光二极管光敏三极管光电耦合隔离放大器光电耦合器的特点：耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件；非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真。克服非线性失真通常采取的措施:给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。采用负反馈技术。光电耦合隔离放大器CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5VRWR2O2GND2GND1T2T12.变压器隔离放大器输入端与输出端之间（包括它们所使用的电源之间）无直接耦合通路，其信息传送通过磁路来实现。+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuIk100CCV变压器隔离放大器1A调制器隔离电源解调器振荡器2A输入屏蔽输出屏蔽k100k100M116151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(–VEE)变压器隔离放大器AD277原理图和引脚理想运放组成的电压比较器一、概述二、单限比较器三、滞回比较器四、双限比较器五、集成电压比较器一、概述1.电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性uO＝f(uI)电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向3、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：1)净输入电流为02)uPuN时，uO＝＋UOMuPuN时，uO＝－UOM无源网络4.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）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。（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：电路原理图及传输特性如图所示(b)传输特性•1.零电平比较器•二.单限电压比较器(a)电路原理图+UCCuoui+-+-_R1+-UCCB双向稳压管限幅电路原理图及传输特性(b)传输特性(a)电路原理图+UCCuoui+-+-_R+-UCCBD1D2R0DZ电路原理图及电压传输特性如图所示•非零电平比较器(b)电压传输特性(a)电路原理图UBuo+-R0+UCCui+-_R+-UCCDZ2.当随ui↑，但满足ui＜UB，则有uo=+UZ，输出保持不变；3.当ui＞UB，即v+＜v－时，则uo=－UZ1.当ui＜UB时，则v+＞v－有uo=+UZ(c)输入、输出电压波形(a)电路原理图UBuo+-R0+UCCui+-_R+-UCCDZ比较原理的分析•例：电路如图所示，输入电压ui为正弦电压，RC＜＜T/2试分析并画出输出电压u’’o、u’o、uo的波形。•解：据电路图可知，运算放大器构成过零比较器，同相输入端输入，反相输入端接“地”，ui_C+uoDR2R1RLRu”ou’o(1)当ui为正弦电压，当ui＞0，有v+＞v－，则u”o=+Uo(sat)当ui＜0，有v+＜v－，则u”o=－Uo(sat)传输特性曲线如图（a），u”o为矩形波如图(b).(2)RC组成微分电路，且RC＜＜T/2∴u’o波形为正负尖脉冲，见图(c)。(3)D起着检波作用，除去负尖脉冲使输出波形为正尖脉冲，见图(d)。ui_C+uoDR2R1RLRu”ou’o传输特性输出波形ui_C+uoDR2R1RLRu”ou’o设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为UZUOppuIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ当uI0时，不接稳压管时，uo=+U0PP，接入稳压管后，左边的稳压管被反向击穿，集成运放的反向输入端“虚地”，uo=+UZ当uI0时，右边的稳压管被反向击穿，uo=-UZ利用稳压管限幅的过零比较器2.一般单限比较器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRRuREF12TURRUOMOUU一般单限比较器分析0REF＜UREF12TURRUOMOUU作用于反相输入端I211REF212NuRRRURRRu（1）若要UT0，则应如何修改电路？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？（3）若要改变UOL、UOH呢？（1）写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；（2）根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出的高、低电平；电压比较器的分析方法（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。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。三、滞回比较器滞回电压比较器又称施密特触发器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳定的输出电压。电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回形状。，得令PNO211PIN,uuuRRRuuuOMOHOMOLUUUUREF211TURRRU1.阈值电压2.工作原理及电压传输特性设uI＜－UT，则uN＜uP，uO＝+UOM。此时uP＝+UT，增大uI，直至+UT，再增大，uO才从+UOM跃变为－UOM。设uI＞+UT，则uN＞uP，uO＝－UOM。此时uP＝－UT，减小uI，直至－UT，再减小，uO才从－UOM跃变为+UOM。OMOUUOM211TURRRU滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电平UT+和UT-的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。四、双限比较器双限比较器又称为窗口比较器。它的特点是输入信号单方向变化，可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图所示，它形似窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断uI是否在某两个电平之间。若uI大于URH，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD2截止，VD1导通，输出电压uO为高电平若uI小于URL，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD1截止，VD2导通，输出电压uO为高电平若URLuIURL，二极管VD1、VD2均截止，输出电压uO为低电平五、集成电压比较器集成电压比较器可以输出高、低电平，但它内部加入了电平移动和数字驱动电路，因此可与数字电路直接相连，作为A/D转换器的一个核心部件。对集成电压比较器的主要要求：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它主要由差动输入级、电平转换级、输出逻辑电平和控制级（具有集电极开路结构的输出级）以及偏置电路几个基本部件组成。其特点是输出的高、低电平分别与数字电路的逻辑“1”和逻辑“0”电平相等，能与TTL、DTL、HTL、CMOS等数字电路的电平兼容，有些比较器输出还可直接驱动继电器帮指示灯等。而且电源的选用范围较大：单电源或双电源；电源电压在几伏至几十伏之间，使用简单方便。集成电压比较器内部电路结构框图集成电压比较器的类型：1、按一个集成组件内包含的比较器数目：单比较器、双比较器、四比较器等2、按信号响应速度：可分为高速、中速、低速电压比较器3、按集成制造工艺：可分为双极性和CMOS型电压比较器4、按性能指标：可分为精密电压比较器、高灵敏度电压比较器和低功耗、低失调电压比较器等模拟开关模拟输入信号1.电路采样保持电路SuC+–ui+–uo+–++–采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/