集成运放电路及振荡电路

1集成运算放大器基础1.1集成运算放大器的组成输入级中间级输出级偏置电路通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。A－+Δ+同相输入端反相输入端uou－u+集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“－”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。（双电源供电）集成运放的理想化参数：Ado=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等uou－u+∞－+Δ+实际特性理想运放符号运放电压传输特性理想特性uou+－u－－UOMUOM0非线性区（饱和区）非线性区分析依据：当ｕi0，即ｕ＋ｕ－时，ｕo＝＋ｕOM当ｕi0，即ｕ＋ｕ－时，ｕo＝－ｕOM1.2集成运算放大器的理想模型uou－u+∞－+Δ+实际特性理想运放符号运放电压传输特性理想特性uou+－u－－UOMUOM0线性区（放大区）线性区分析依据：（1）虚断：由rid=∞，得i＋＝i－＝0，即理想运放两个输入端的输入电流为零。（2）虚短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想运放两个输入端的电位相等。若信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，则u－＝u＋=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。I+I-IfIi1.3.1反相输入比例运算电路Rp∞－+Δ+uouiRFR1i1if闭环电压放大倍数为：1FoRRuuAiuf根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：f1ii，0uu而FoFof111RuRuuiRuRuuiii由此可得：iuRRu1Fo式中的负号表示输出电压与输入电压的相位相反。图中电阻Rp称为平衡电阻，通常取，以保证其输入端的电阻平衡，从而提高差动电路的对称性。F1p//RRR1.3模拟运算电路闭环电压放大倍数为：Rpui∞－+Δ+uoRFR1i1if1.3.2同相输入比例运算电路根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：f1ii，iuuu而FoFof1110RuuRuuiRuRuiii由此可得：iuRRu1Fo1输出电压与输入电压的相位相同。1Fo1RRuuAiuf为了提高差动电路的对称性，平衡电阻。F1p//RRR1.3.3电压跟随器ui∞－+Δ+uo在上式，当Rf＝0时，Uo＝Ui输出电压与输入电压相同Ri＝∞，Ro＝0（阻抗变换）Rpui∞－+Δ+uoRFR1i1ifiuRRu1Fo1同相放大器电压跟随器1.4.1加法运算电路i2ui2Rp∞－+Δ+uoui1RFifR1i1R2根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：21fiii111Ruii，222Ruii，FofRui由此可得：)(22F11FoiiuRRuRRu若F21RRR，则：)(21oiiuuu可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻F21p////RRRR。1.4加法和减法运算电路R2∞－+Δ+uoRFR1ui1ui2R31.4.2减法运算电路由叠加定理：ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：11FoiuRRuui2单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：23231Fo1iuRRRRRuui1和ui2共同作用时，输出电压为：23231F11Fooo1iiuRRRRRuRRuuuR2∞－+Δ+uoRFR1ui1ui2R3若3R（断开），则：21F11Fo1iiuRRuRRu若21RR，且F3RR，则：)(121FoiiuuRRu若F321RRRR，则：12oiiuuu由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。R3∞－+Δ+uoui1R4∞+－Δ+uo1R3ui2∞－+Δ+R1R2R2R4uo2A1A2A3思考1：计算下图的电压放大倍数。A1=1+2R2/R1A2=R4/R3A=A1×A2IA1=1+2R5/R4=7.667A2=1+49.4k/51k=1.969A=15.093比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。即用来比较两个电压的大小，以输出电压的高电平或低电平表示两个输入电压的大小关系。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。阈值电压：将比较器的输出电压从一个电平翻转到另一个电平时的输入电压值。又称门限电压。1.5比较器(1)过零比较器和电压幅度比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图14.01所示。(a)(b)图14.01过零电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线1.5.1固定幅度比较器将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF上,就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图14.02所示。图14.02固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线(2)比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。输入不存在虚短的概念om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1T'VRRRRRVRV从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图14.03(a)所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且:时，，称为上限阈值(触发)电平。TIVv≤omOVvTV当输入电压时，,此时触发电平变为，称为下限阈值(触发)电平。TIVv≥omOVvT'VT'V图14.03(a)滞回比较器电路图1.5.2滞回比较器当逐渐减小，且以前，始终等于，因此出现如图14.03(b)所示的滞回特性曲线。IvTI'VvOvomV回差电压：Vomom212TT'VVRRRVVV图14.03滞回比较电路的传输特性比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图14.06所示。(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波图14.06用比较器实现波形变换1.5.3比较器的应用方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图14.07所示。(1)工作原理电源刚接通时,设21Z2PZOC,,0RRVRVVvv所以电容C充电，升高。参阅图14.08。Cv图14.07方波发生器1.5.4方波发生电路当时，，所以电容C放电，下降。PNCVVvZOVv21Z2PRRVRVCv当，时，返回初态。PNCVVvZOVv方波周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出)21ln(212fRRCRT图14.08方波发生器波形图图14.07方波发生器2振荡电路该电路是量热仪水位检测电路。由方波发生器、耦合电路、F/V转换电路、比较电路、稳压电路和整形电路组成。当比较器输入端信号变负时，单稳电路被触发，控制1mA的恒流源以给定的时间周期接到积分器的输入端。输入频率越高，注入到积分器电容上的电荷就越多，输出电压就越高。当积分器的输入端电流等于流过电阻R1和R3的电流时，输出便稳了下来，从而使输出电压正比于输入频率。F/V转换器AD650该电路是水位检测电路。由波形发生器、耦合电路、电压跟随器、电平转换电路和整形电路组成。