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1、第第6章章集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用6.16.1理想运放及运放工作的两个区域理想运放及运放工作的两个区域理想运放及运放工作的两个区域理想运放及运放工作的两个区域6.26.2运放的线性应用电路运放的线性应用电路运放的线性应用电路运放的线性应用电路6.36.3运放的非线性应用电路运放的非线性应用电路运放的非线性应用电路运放的非线性应用电路电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器6.46.4实际应用电路举例实际应用电路举例实际应用电路举例实际应用电路举例6.1理想运放及运放工作的两个区域理想运放及运放工作的两个区域6.1.1理想运算放大器理想运算放大器理理想想运运放放可可以以理理解解为
2、为实实际际运运放放的的理理想想化化模模型型。就就是是将将集集成成运运放放的的各各项项技技术术指指标标理想化，得到一个理想的运算放大器。即：理想化，得到一个理想的运算放大器。即：（1）开）开环环差模差模电压电压放大倍数放大倍数Aod=；（2）差模）差模输输入入电电阻阻rid=；（3）输输出出电电阻阻rod=0；（4）输输入入失失调调电电压压UIO=0，输输入入失失调调电电 流流 IIO=0；输输 入入 失失 调调 电电 压压 的的 温温 漂漂dUIO/dT=0，输输 入入 失失 调调 电电 流流 的的 温温 漂漂dIIO/dT=0；（5）共模抑制比）共模抑制比KCMR=；（6）输输入偏置入偏置电
3、电流流IIB=0；（7）-3dB带宽带宽fh=；（8）无干扰、噪声。）无干扰、噪声。6.1.2集成运放的两个工作区集成运放的两个工作区1运放工作在运放工作在线线性工作区性工作区时时的特点的特点在在集集成成运运放放应应用用电电路路中中，运运放放的的工工作作范范围围有有两两种种情情况况：工工作作在在线线性性区区或或工工作作在在非非线线性区。性区。线线性性工工作作区区是是指指输输出出电电压压uo与与输输入入电电压压ui成成正正比比时时的的输输入入电电压压范范围围。在在线线性性工工作区，集成运放作区，集成运放uo与与ui之之间间关系可表示关系可表示为为：uo=Aodui=Aod(u+-u-)式式中中，
4、Aod为为集集成成运运放放的的开开环环差差模模电电压压放放大大倍倍数数，u+和和u-分分别别为为同同相相输输入入端端和和反反相输入端电压。相输入端电压。对对于于理理想想运运放放，Aod=；而而uo为为有有限限值值，工作在线性区时，有：工作在线性区时，有：u+-u-0，即：，即：u+u-这这一一特特性性称称为为理理想想运运放放输输入入端端的的“虚虚短短”。“虚虚短短”和和“短短路路”是是截截然然不不同同的的两两个个概概念念，“虚虚短短”的的两两点点之之间间，仍仍然然有有电电压压，只只是是电电压压十十分分微微小小；而而“短短路路”的的两两点点之之间间，电压为零。电压为零。由由于于理理想想运运放放的
5、的输输入入电电阻阻rid=ric=，而而加加到到运运放放输输入入端端的的电电压压u+-u-有有限限，所所以以运运放两个放两个输输入端的入端的电电流：流：i+=i-0这一特性称为理想运放输入端的这一特性称为理想运放输入端的“虚断虚断”。2.运放工作在非运放工作在非线线性工作区性工作区时时的特点的特点在在非非线线性性工工作作区区，运运放放的的输输入入信信号号超超出出了了线线性性放放大大的的范范围围，输输出出电电压压不不再再随随输输入入电电压压线线性性变变化化，而而是是达达到到饱饱和和，输输出出电电压压为为正正向向饱饱和和压压降降UOH（正正向向最最大大输输出出电电压压）或或负负向向饱饱和和压压降降
6、UOL（负负向向最最大大输输出出电电压压），如），如图图6.1所示。所示。图图6.1集成运放的集成运放的传输传输特性特性理理 想想 运运 放放 工工 作作 在在 非非 线线 性性 区区 时时，由由 于于rid=ric=，而而输输入入电电压压总总是是有有限限值值，所所以以不不论论输输入入电电压压是是差差模模信信号号还还是是共共模模信信号号，两两个个输输入入端的端的电电流均流均为为无无穷穷小，即仍小，即仍满满足足“虚断虚断”条件：条件：i+=i-0为为使使运运放放工工作作在在非非线线性性区区，一一般般使使运运放放工工作在开环状态，也可外加正反馈。作在开环状态，也可外加正反馈。6.2运放的运放的线线
7、性性应应用用电电路路线线性性应应用用电电路路中中，一一般般都都在在电电路路中中加加入入深深度度负负反反馈馈，使使运运放放工工作作在在线线性性区区，以以实实现现各各种种不不同同功功能能。典典型型线线性性应应用用电电路路包包括各种运算括各种运算电电路及有源路及有源滤滤波波电电路。路。6.2.1信号运算信号运算电电路路1.比例运算比例运算电电路路(1)反相比例运算反相比例运算电电路路反反相相比比例例运运算算电电路路也也称称为为反反相相放放大大器器，电路组成如图电路组成如图6.2所示。所示。图图6.2反相比例运算反相比例运算电电路路(2)同相比例运算同相比例运算电电路路同相比例运算电路又称为同相放大同
8、相比例运算电路又称为同相放大器，其电路如图器，其电路如图6.3所示。输入电压加在所示。输入电压加在同相输入端，为保证运放工作在线性区，同相输入端，为保证运放工作在线性区，在输出端和反相输入端之间接反馈电阻在输出端和反相输入端之间接反馈电阻Rf构成深度电压串联负反馈，构成深度电压串联负反馈，R为平衡为平衡电阻，电阻，R=RfR1。图图6.3同相比例运算同相比例运算电电路路比例系数取决于比例系数取决于电电阻阻Rf与与R1阻阻值值之比。之比。同同相相比比例例运运算算电电路路中中引引入入了了电电压压串串联联负负反反馈馈，故故可可以以进进一一步步提提高高电电路路的的输输入入电电阻，降低阻，降低输输出出电
9、电阻，阻，Ri=，Ro=0。图图6.3中中，若若R1=或或Rf=0，则则uo=ui，此此时电时电路构成路构成电压电压跟随器，如跟随器，如图图6.4所示。所示。图图6.4电压跟随器电压跟随器2.求和运算求和运算电电路路（1）反相求和电路）反相求和电路反相求和电路如图反相求和电路如图6.6所示，图中有两所示，图中有两个输入信号个输入信号ui1、ui2（实际应用中可以根据（实际应用中可以根据需要增减输入信号的数量），分别经电阻需要增减输入信号的数量），分别经电阻R1、R2加在反相输入端；为使运放工作在加在反相输入端；为使运放工作在线性区，线性区，Rf引入深度电压并联负反馈；引入深度电压并联负反馈；R
10、为平衡电阻，为平衡电阻，R=RfR1R2。图6.6 反相求和电路（2）同相求和）同相求和电电路路为为实实现现同同相相求求和和，可可以以将将各各输输入入电电压压加加在在运运放放的的同同相相输输入入端端，为为使使运运放放工工作作在在线线性性状状态态，电电阻阻支支路路Rf引引入入深深度度电电压压串串联联负负反反馈馈，如，如图图6.7所示。所示。图图6.7同相求和同相求和电电路路3.积分和微分电路积分和微分电路（1）积分电路）积分电路积分电路可以完成对输入信号的积分积分电路可以完成对输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。这里介绍常用的反相积分电路，如
11、图比。这里介绍常用的反相积分电路，如图6.8所示。电容所示。电容C引入电压并联负反馈，运引入电压并联负反馈，运放工作在线性区。放工作在线性区。图6.8 反相积分电路基本形式 图6.9 基本积分电路的积分波形（2）微分电路）微分电路微分是积分的逆运算，微分电路的输微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分，电路如图出电压是输入电压的微分，电路如图6.10所示。图中所示。图中R引入电压并联负反馈使运放工引入电压并联负反馈使运放工作在线性区。作在线性区。图6.10 基本微分电路 图6.11 微分电路信号波形 6.2.2有源有源滤滤波波电电路路滤波电路可分为低通滤波、高通滤波、滤波电路可分
12、为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。各种滤波器的特性带通滤波、带阻滤波。各种滤波器的特性如图如图6.12所示，图中同时给出了滤波器的所示，图中同时给出了滤波器的理想特性和实际特性。理想特性和实际特性。图6.12 滤波器的理想特性和实际滤波器特性 1.低通滤波电路低通滤波电路一阶有源低通滤波电路如图一阶有源低通滤波电路如图6.13所示，所示，它由集成运放和一阶它由集成运放和一阶RC无源低通滤波电路无源低通滤波电路组成，组成，Rf引入负反馈使运放工作在线性区。引入负反馈使运放工作在线性区。图6.13 一阶有源低通滤波电路 图6.14 一阶有源低通滤波电路的幅频特性 常常用用的的二二阶阶低低通
13、通滤滤波波器器是是在在一一阶阶低低通通滤滤波波器器基基础础上上改改进进的的，如如图图6.15所所示示，将将RC无无源源滤滤波波网网络络由由一一节节改改为为两两节节，同同时时将将第第一一级级RC电电路路的的电电容容不不直直接接接接地地，而而接接在在运运放放输输出出端端，引引入入反反馈馈以以改改善善截截止止频频率率附附近的幅频特性。近的幅频特性。图图图图6.156.15二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路二阶低通滤波电路2.高通高通滤滤波波电电路路图6.16 一阶高通滤波电路 与与低低通通滤滤波波电电路路类类似似，一一阶阶电电路路在在低低频频处处衰衰减减较较慢慢，为为使使其其幅幅频频特
14、特性性更更接接近近于于理理想想特特性性，可可再再增增加加一一级级RC组组成成二二阶阶滤滤波波电电路如路如图图6.17所示。所示。欲得到更加理想的滤波特性，可将多欲得到更加理想的滤波特性，可将多个一阶或二阶滤波电路串接起来组成高阶个一阶或二阶滤波电路串接起来组成高阶高通滤波器。高通滤波器。图图6.17二二阶阶高通高通滤滤波波电电路路3.带带通和通和带带阻阻滤滤波波电电路路将将截截止止频频率率为为fh的的低低通通滤滤波波电电路路和和截截止止频频率率为为fl的的高高通通滤滤波波电电路路进进行行不不同同的的组组合合，就就可可以以得得到到带带通通滤滤波波电电路路和和带带阻阻滤滤波波电电路路。将将一一个个
15、低低通通滤滤波波电电路路和和一一个个高高通通滤滤波波电电路路串串联联连连接接即即可可组组成成带带通通滤滤波波电电路路，fhfl才才能能组组成成带带通通电电路。路。一一个个低低通通滤滤波波电电路路和和一一个个高高通通滤滤波波电电路路并并联联连连接接组组成成的的带带阻阻滤滤波波电电路路，所所以以fhfl才能才能组组成成带带阻阻电电路。路。图图图图6.186.18带通滤波和带阻滤波电路的组成原理带通滤波和带阻滤波电路的组成原理带通滤波和带阻滤波电路的组成原理带通滤波和带阻滤波电路的组成原理 带带通通滤滤波和波和带带阻阻滤滤波的典型波的典型电电路如路如图图6.19所示。所示。图图图图6.196.19带
16、带带带通通通通滤滤滤滤波和波和波和波和带带带带阻阻阻阻滤滤滤滤波的典型波的典型波的典型波的典型电电电电路路路路4.集成开关集成开关电电容容滤滤波波开关电容滤波器是一种较新的滤波电开关电容滤波器是一种较新的滤波电路，其特点是精度和稳定度均较高；且工路，其特点是精度和稳定度均较高；且工艺简单、尺寸小、功耗低、价格低廉，易艺简单、尺寸小、功耗低、价格低廉，易于制成大规模集成电路。于制成大规模集成电路。（1）基本开关）基本开关电电容容单单元元开开关关电电容容滤滤波波电电路路的的基基本本原原理理是是电电路路两两节节点点间间接接有有带带高高速速开开关关的的电电容容，其其效效果果相当于相当于该该两两节节点点
17、间连间连接一个接一个电电阻。阻。图图6.20所示为基本开关电容单元电路。所示为基本开关电容单元电路。图图6.20基本开关基本开关电电容容单单元元电电路路（2）开关）开关电电容容滤滤波波电电路路图图6-21(a)所示为开关电容低通滤波电所示为开关电容低通滤波电路，图路，图6-21(b)所示为其原型电路。所示为其原型电路。图6.21 fc是是时时钟钟脉脉冲冲频频率率，其其值值相相当当稳稳定定；而而且且C1/C2是是两两个个电电容容的的电电容容量量之之比比，在在集集成成电电路路制制作作时时易易于于做做到到准准确确和和稳稳定定，所所以以开开关关电电容容电电路路容容易易实实现现稳稳定定准准确确的的时时间
18、间常常数数，从从而而使使滤滤波波器器的的截截止止频频率率稳稳定定。图图6-22所所示示为为一一种种实实际际的的开开关关电电容容低低通通滤滤波波电电路路，其其在在滤滤波波环节环节后加一同相比例运算后加一同相比例运算电电路。路。图图图图6.226.22一种实际的开关电容低通滤波电路一种实际的开关电容低通滤波电路一种实际的开关电容低通滤波电路一种实际的开关电容低通滤波电路6.3运放的非运放的非线线性性应应用用电电路路电压电压比比较较器器电电压压比比较较器器是是一一种种常常见见的的模模拟拟信信号号处处理理电电路路，它它将将一一个个模模拟拟输输入入电电压压与与一一个个参参考考电电压压进进行行比比较较，并
19、并将将比比较较的的结结果果输输出出。比比较较器器的的输输出出只只有有两两种种可可能能的的状状态态：高高电电平平或或低低电电平平，为为数数字字量量；而而输输入入信信号号是是连连续续变变化化的的模模拟拟量量，因因此此比比较较器器可可作作为为模模拟拟电路和数字电路的电路和数字电路的“接口接口”。由由于于比比较较器器的的输输出出只只有有高高、低低电电平平两两种种状状态态，故故其其中中的的运运放放常常工工作作在在非非线线性性区区。从从电电路路结结构构来来看看，运运放放常常处处于于开开环环状状态态或或加入正反加入正反馈馈。根据比较器的传输特性不同，可分为根据比较器的传输特性不同，可分为单限比较器、滞回比较
20、器及双限比较器等。单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。6.3.1单单限比限比较较器器单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。图6.23 单限比较器电路和其传输特性 比比较较器器输输出出电电压压由由一一种种状状态态跳跳变变为为另另一一种种状状态态时时，所所对对应应的的输输入入电电压压通通常常称称为为阈阈值值电电压压或或门门限限电电压压，用用UTH表表示示。可可见见，这这种种单单限比限比较较器的器的阈值电压阈值电压UTH=UR。若若UR=0，即即运运放放反反相相输输入入端端接接地地，则则比比较较器器的的阈阈值值电电压压UTH=0。这这种种单单限限比比较较器
21、器也也称称为为过过零零比比较较器器。利利用用过过零零比比较较器器可可以以将将正正弦弦波波变变为为方方波波，输输入入、输输出出波波形形如如图图6.24所示。所示。图图图图6.246.24简单过零比较器电路和输入、输出波形简单过零比较器电路和输入、输出波形简单过零比较器电路和输入、输出波形简单过零比较器电路和输入、输出波形 6.3.2滞回比滞回比较较器（器（迟迟滞比滞比较较器）器）单单限限比比较较器器电电路路简简单单，灵灵敏敏度度高高，但但其其抗抗干干扰扰能能力力差差。如如果果输输入入电电压压受受到到干干扰扰或或噪噪声声的的影影响响，在在门门限限电电平平上上下下波波动动，则则输输出出电电压压将将在
22、在高高、低低两两个个电电平平之之间间反反复复跳跳变变，如如图图6.25所所示示。若若用用此此输输出出电电压压控控制制电电机机等等设设备备，将将出出现现误误操操作作。为为解解决决这这一一问题问题，常常采用滞回，常常采用滞回电压电压比比较较器。器。图6.25 存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形 滞回电压比较器通过引入上、下两个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。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，故传输电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回形状特性呈滞回形状。图6.26 反相滞回电压比较器 滞滞回回电电压压比比较较器器用用于于控
23、控制制系系统统时时主主要要优优点点是是抗抗干干扰扰能能力力强强。当当输输入入信信号号受受干干扰扰或或噪噪声声的的影影响响而而上上下下波波动动时时，只只要要根根据据干干扰扰或或噪噪声声电电平平适适当当调调整整滞滞回回电电压压比比较较器器两两个个门门限限电电平平UTH1和和UTH2的的值值，就就可可以以避避免免比比较较器器的的输输出出电电压压在在高高、低低电电平平之之间间反反复复跳变，如图跳变，如图6.27所示。所示。图图图图6.276.27存在干扰时，存在干扰时，存在干扰时，存在干扰时，滞回比较器的输入、输出波形滞回比较器的输入、输出波形滞回比较器的输入、输出波形滞回比较器的输入、输出波形6.4
24、实际应实际应用用电电路路举举例例6.4.1精密整流精密整流电电路路将将交交流流电电转转换换为为直直流流电电，称称为为整整流流。精精密密整整流流电电路路是是将将微微弱弱的的交交流流电电压压转转换换为为直直流流电电压压。当当输输入入电电压压为为正正弦弦波波时时，半半波波整整流流电电路路的的输输出出电电压压波波形形如如图图6.28中中uo1所所示，示，uo2为为全波整流全波整流电电路的路的输输出出电压电压波形。波形。图图6.28整流电路波形整流电路波形全波整流电路如图全波整流电路如图6.29(a)所示。所示。全波全波整流电路也称为绝对值电路。当输入电压整流电路也称为绝对值电路。当输入电压为正弦波和三
25、角波时，电路输出波形分别为正弦波和三角波时，电路输出波形分别如图如图6.29(b)和和(c)所示。所示。图图图图6.296.29全波精密整流全波精密整流全波精密整流全波精密整流电电电电路及波形路及波形路及波形路及波形6.4.2精密放大器精密放大器精密放大器即集成仪表用放大器，要精密放大器即集成仪表用放大器，要求其具备足够大的增益、高输入电阻以及求其具备足够大的增益、高输入电阻以及高共模抑制比。仪表用放大器的具体电路高共模抑制比。仪表用放大器的具体电路多种多样，但很多电路都是在图多种多样，但很多电路都是在图6.30所示所示电路的基础上演变而来的。电路的基础上演变而来的。图图6.30三运放构成的精密放大器三运放构成的精密放大器