集成運(yùn)算放大器

數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)1模擬電子部分2數(shù)字邏輯部分

課程的基本描述課程名稱：數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)Comprehensivedesignofdigitalcircuit課程編號(hào)：040115HI06課程性質(zhì)：學(xué)科、專業(yè)基礎(chǔ)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)參考教材：理論葉挺秀.電工電子學(xué).第四版.北京：高等教育出版社，2014年毛法堯.數(shù)字邏輯（第二版）北京：高等教育出版社，2008年實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)：24學(xué)時(shí)理論學(xué)時(shí)：12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：無(wú)上機(jī)學(xué)時(shí)：無(wú)翻轉(zhuǎn)、案例實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐：12學(xué)時(shí)學(xué)分：2學(xué)分開(kāi)課學(xué)期：第三學(xué)期前導(dǎo)課程：數(shù)字電路及邏輯后續(xù)課程：計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5章集成運(yùn)算放大器5.1集成運(yùn)放的基本組成5.2集成運(yùn)放的基本特性5.3放大電路中的負(fù)反饋5.4集成運(yùn)放在模擬信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用5.5集成運(yùn)放在幅值比較方面的應(yīng)用5.6應(yīng)用舉例5.7常見(jiàn)集成運(yùn)放芯片簡(jiǎn)介5.1集成運(yùn)放的基本組成5.1.1

概述運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)高增益的多級(jí)直接耦合放大器，廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的運(yùn)算、放大、濾波等功能。集成運(yùn)算放大器則是利用集成工藝，將運(yùn)算放大器的所有元件集成制作在同一塊硅片上，然后再封裝在管殼內(nèi)。集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱為集成運(yùn)放，習(xí)稱運(yùn)放。使用集成運(yùn)放，只需另加少數(shù)幾個(gè)外部元件，就可以方便地實(shí)現(xiàn)很多電路功能。可以說(shuō)，集成運(yùn)放已經(jīng)成為模擬電子技術(shù)領(lǐng)域中的核心通用器件之一。集成運(yùn)放基本組成框圖

5.1.2集成運(yùn)放的輸入級(jí)電路-基本差動(dòng)放大電路1由兩個(gè)對(duì)稱的單管共射放大電路組成的

Vl和V2是兩只特性相同的三極管、

RB1=RB2，RCl=RC2

2對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用電路完全對(duì)稱，由此，當(dāng)uI=0時(shí)，uOl=uO2，uO=uOl-uO2=0。如果由于某種原因，使兩管集電極電流發(fā)生變化，那么，它們各自的變化量大小相等，方向相同。即ΔuOl=ΔuO2，則輸出變化量ΔuO=ΔuOl—ΔuO2=0，說(shuō)明抑制了零點(diǎn)漂移。3差模放大倍數(shù)差模信號(hào)：幅度相等極性相反的信號(hào)差模輸入方式：

若令單管電路的電壓放大倍數(shù)均為A1，則有：

差動(dòng)放大電路的輸出uO為：

差模放大倍數(shù)（Ad）為：

Ad=A1

差動(dòng)放大電路的差模電壓放大倍數(shù)與構(gòu)成它的單管電路的電壓放大倍數(shù)相同。可以認(rèn)為差動(dòng)式電路的特點(diǎn)之一是多用一只放大管來(lái)?yè)Q取對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制。

射極耦合差動(dòng)放大電路4．電路分析

（1）靜態(tài)分析假定電路完全對(duì)稱，uI=0時(shí)，則基極電流IBl=IB2=IB，集電極電流ICl=IC2=IC。于是在Vl和V2的基極回路中有如下關(guān)系：IBRB+uBE+IERE=EE。近似條件下：

集電極靜態(tài)電流IC為：

基極靜態(tài)電流IB為：

每管的集-射電壓為：

靜態(tài)時(shí)基極電位UB為：

uCE＝VCC－ICRC≈VCC－

（2）動(dòng)態(tài)分析

按圖5.3所示計(jì)算其交流參數(shù)

差模電壓放大倍數(shù)為：

輸入電阻ri為：

ri=2（Rb+rbe）差模輸出電阻ro為：

ro=2RC

4差動(dòng)放大電路的連接方式可以組合成四種不同的連接方式，即：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出。

詳見(jiàn)表5.1接法電路原理圖差分放大倍數(shù)輸入輸出電阻共模抑制比特點(diǎn)雙端輸入雙端輸出很高①放大倍數(shù)與單管相同②電路對(duì)稱時(shí)共模抑制比→∞③適用于輸入輸出對(duì)稱電路雙端輸入單端輸出較高①放大倍數(shù)為單管的一半②共模抑制比仍然很高③適用于將差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單管信號(hào)的情況單端輸入雙端輸出很高①放大倍數(shù)與單管相同②電路對(duì)稱時(shí)共模抑制比→∞③適用于將單端輸入轉(zhuǎn)為雙端輸出電路單端輸入單端輸出較高①放大倍數(shù)為單管的一半②共模抑制比仍然很高③適用于輸入輸出都要接地的情況。5.1.3集成運(yùn)放的輸出級(jí)電路-互補(bǔ)對(duì)稱電路工作原理：ui為正半周時(shí)，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負(fù)半周時(shí)，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負(fù)。兩管交替工作，在負(fù)載電阻RL上得到完整的正弦波。

輸入輸出波形圖uiuououo′交越失真死區(qū)電壓2.克服交越失真的互補(bǔ)對(duì)電路

靜態(tài)時(shí)，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。電路中增加D1、D2工作原理：5.1.4集成運(yùn)放的圖形符號(hào)集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端國(guó)內(nèi)符號(hào)：國(guó)際符號(hào)：

1.輸入失調(diào)電壓UIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。5.2.1集成運(yùn)放的主要參數(shù)5.2集成運(yùn)放的基本特性

2.輸入失調(diào)電流

IIO

在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。

4.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無(wú)反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

5.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。6.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

7.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)

其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。8.最大輸出電壓Vomax

在額定電源電壓和額定負(fù)載下，不出現(xiàn)明顯非線性失真的最大輸出電壓峰值。如電源電壓為±15V時(shí)，Vomax約為±13V。9.最大輸出電流Iomax

在額定電源電壓下達(dá)到最大輸出電壓時(shí)所能輸出的最大電流。通用一般幾到幾十毫安。

10.輸入電阻ri和輸出電阻ro

集成運(yùn)放輸如電阻ri為雙極型管輸入級(jí)約為105～1011歐，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)1011歐以上。

集成運(yùn)放輸出電阻ro

，是從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，一般為幾十至幾百歐。5.2.2集成運(yùn)放的電壓傳輸特性所謂電壓傳輸特性是指放大電路的輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。即：

uo=Aoui=Ao(u+－u-)當(dāng)ui=u+-u-較小，即在-uik

到+uik

之間變化時(shí)，輸出與輸入之間呈線性關(guān)系，-uik

到+uik

稱為線性區(qū)。①開(kāi)環(huán)電壓增益Aod≈∞。②差模輸入電阻rid≈∞。③輸出電阻rod≈0。④共模抑制比KCMR≈∞，5.2.3集成運(yùn)放的理想特性傳輸特性：稱為理想運(yùn)放輸入端的“虛短”。如果同相輸入端接地時(shí)，反相輸入端稱為虛地

Ｉ+=Ｉ-≈0

稱為虛斷。同樣，“虛斷”與“斷路”不同，“虛斷”是指某一支路的電流十分微小

（1）運(yùn)放工作在線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)集成運(yùn)放工作時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零：由于uo為有限值，理想運(yùn)放Aod=∞，則輸入電為無(wú)窮小ui→0。即

理想運(yùn)放的輸入電流等于零：由于

rid=∞，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即

（2）運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)非線性工作區(qū)是指其輸出電壓uo與輸入電壓uI不成比例時(shí)的輸入電壓取值范圍。在非線性工作區(qū)，運(yùn)放的輸入信號(hào)超出了線性放大的范圍，輸出電壓不再隨輸入電壓線性變化，而是達(dá)到飽和，輸出電壓為正向飽和壓降UOH(正向最大輸出電壓)或負(fù)向飽和壓降UOL(負(fù)向最大輸出電壓)。集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的條件：集成運(yùn)放一般是開(kāi)環(huán)運(yùn)用或加正反饋。

輸出電壓有兩種形態(tài)：

（1）當(dāng)時(shí)，（2）當(dāng)時(shí)，。5.3放大器中的負(fù)反饋5.3.1反饋的基本概念

在電子設(shè)備中經(jīng)常采用反饋的方法來(lái)改善電路的性能，以達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)。將放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定的方式引回到輸入回路來(lái)影響輸入量（電壓或電流）的連接方式。主要功能分兩部分：基本放大電路—放大信號(hào)反饋網(wǎng)絡(luò)—傳輸反饋信號(hào)基本放大電路的輸入信號(hào)為凈輸入量，由輸入信號(hào)（輸入量）和反饋信號(hào)（反饋量）共同決定。反饋信號(hào)中只含有交流分量的稱為交流反饋?；蛘哒f(shuō)存在于交流通路中的反饋網(wǎng)絡(luò)引入交流反饋。交流反饋影響電路的交流性能。本章主要是研究交流負(fù)反饋。1.直流反饋與交流反饋在放大電路中既含有直流分量，又含有交流分量，因而，必然有直流反饋與交流反饋之分。反饋信號(hào)中只含有直流分量的稱為直流反饋。或者說(shuō)存在于放大電路的直流通路中的反饋網(wǎng)絡(luò)引入直流反饋。直流反饋影響電路的直流性能，如靜態(tài)工作點(diǎn)。另一種是使凈輸入信號(hào)Xid比沒(méi)有引入反饋時(shí)增加了，有

Xid=Xi+Xf，稱這種反饋為正反饋。2.負(fù)反饋與正反饋反饋信號(hào)Xf送回到輸入回路與原輸入信號(hào)Xi共同作用后，對(duì)凈輸入信號(hào)Xid的影響有兩種結(jié)果：一種是使凈輸入信號(hào)Xid比沒(méi)有引入反饋時(shí)減小了，有Xid=Xi-Xf，稱這種反饋為負(fù)反饋；放大電路中一般引入負(fù)反饋。3.電壓反饋與電流反饋

在反饋放大電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出電量（輸出電壓或輸出電流）的一部分或全部取出來(lái)送回到輸入回路，因此，在放大電路輸出端的取樣方式有兩種：

一種是電壓取樣，這時(shí)反饋信號(hào)是輸出電壓的一部分或全部，即反饋信號(hào)與輸出電壓成正比（xf=Fuo），稱為電壓反饋。

另一種是電流取樣，這時(shí)反饋信號(hào)是輸出電流的一部分或全部，即反饋信號(hào)與輸出電流成正比（xf=Fio），稱為電流反饋。

4.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋

根據(jù)反饋信號(hào)XF與輸入信號(hào)XI在放大電路輸入端的求和方式可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：以電壓方式求和的稱為串聯(lián)反饋。以電流方式求和的稱為并聯(lián)反饋。5.3.2反饋的判斷主要看反饋通路是否真正從輸出端引回到輸入端并對(duì)凈輸入產(chǎn)生影響。+

—(a)uiuo+

—(c)uiuoui+

—(b)uo1、如何判斷反饋存在無(wú)反饋有反饋無(wú)反饋本級(jí)反饋：存在于本級(jí)基本放大電路中的反饋。級(jí)間反饋：存在于后級(jí)與前級(jí)放大電路間的反饋。2.是正反饋還是負(fù)反饋的判斷瞬時(shí)極性法規(guī)定輸入信號(hào)在某一時(shí)刻對(duì)地的極性，并以此為依據(jù)，逐級(jí)判斷電路中各相關(guān)點(diǎn)電流的流向和電位的極性，從而得到輸出信號(hào)的極性；根據(jù)輸出信號(hào)的極性判斷出反饋信號(hào)的極性；若反饋信號(hào)使基本放大電路的凈輸入信號(hào)增強(qiáng)，則說(shuō)明引入正反饋；若反饋信號(hào)使基本放大電路的凈輸入信號(hào)削弱，則說(shuō)明引入了負(fù)反饋。＋－uDuPuN＋＋－uF＋－uDuPuN－＋－uF運(yùn)放的同相端與反相端與輸出端信號(hào)之間的相位關(guān)系：同相端的輸入信號(hào)與輸出端信號(hào)之間同相反相端的輸入信號(hào)與輸出端信號(hào)之間反相負(fù)反饋正反饋正反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)，不能用作線性放大，一般用于振蕩電路。

對(duì)分離元件的分析中三極管的集電極與基極電壓相位相反。反饋分析的是交流信號(hào)變化，不要與直流信號(hào)混淆。分析中用到的電壓、電流要在電路中標(biāo)出。并且注意符號(hào)的使用規(guī)則。如果反饋對(duì)交直流均起作用，可以用全量。當(dāng)為交流反饋時(shí)，瞬時(shí)極性法所判斷的是相位的關(guān)系。電路中兩個(gè)信號(hào)的相位不是同相就是反相。3.直流反饋、交流反饋的判斷看反饋通路傳送的是交流信號(hào)還是直流信號(hào)，或者兩者都有。存在于直流通路中的反饋為直流反饋。存在于交流通路中的反饋為交流反饋。直流通路、交流通路中均存在的反饋為交直流反饋。4.電壓反饋、電流反饋的判斷從輸出端看，假設(shè)負(fù)載短路（RL=0），使輸出電壓uo=0，看反饋信號(hào)是否還存在：輸出短路法：若反饋信號(hào)不存在了，則說(shuō)明反饋信號(hào)與輸出電壓成比例，是電壓反饋；若反饋信號(hào)存在，則說(shuō)明反饋信號(hào)不是與輸出電壓成比例，而是和輸出電流成比例，是電流反饋。RLuoRLuo電壓反饋采樣的兩種形式：采樣電阻很大電流反饋采樣的兩種形式：RLioiERLioiERf采樣電阻很小5．串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判斷

從輸入端看，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的求和方式是電壓求和還是電流求和：若輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的求和方式是電壓求和則為串聯(lián)反饋；若輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的求和方式是電流求和則為并聯(lián)反饋。iifibib=i-if并聯(lián)反饋ufuiubeube=ui-uf串聯(lián)反饋判斷反饋電路的一般步驟：根據(jù)輸出輸入之間有無(wú)實(shí)質(zhì)性的連接判斷電路有無(wú)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)存在于直流通路則為直流反饋；存在于交流通路則反饋為交流反饋；交流、直流通路均存在的反饋為交直流反饋用輸出短路法判斷是電壓反饋還是電流反饋根據(jù)輸入求和方式判斷是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋用瞬時(shí)極性法判斷是正反饋還是負(fù)反饋5.4.1比例運(yùn)算

5.4.2加法與減法運(yùn)算

5.4.3積分與微分運(yùn)算5.4集成運(yùn)放在模擬信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用5.4.1

比例運(yùn)算一、反相比例運(yùn)算運(yùn)算放大器在線性應(yīng)用時(shí)同時(shí)存在虛短和虛斷虛斷虛地若Rf

=R1Auf=-1稱為反相器

(1)同相輸入端通常通過(guò)電阻R2接地,R2是一靜態(tài)平衡電阻，即在靜態(tài)時(shí)（輸入信號(hào)ui＝0）,兩個(gè)輸入端對(duì)地的等效電阻要相等，達(dá)到平衡狀態(tài)。其作用是消除靜態(tài)基極電流對(duì)輸出電壓的影響。因此：R2＝R1//Rf。

(2)設(shè)ui為正，則uo為負(fù)，此時(shí)反相輸入端的電位高于輸出端的電位，輸入電流i1和反饋電流if的實(shí)際方向即如圖中所示，差值電流i-＝i1－if，即if削弱了凈輸入電流(差值電流)，故為負(fù)反饋。反饋電流if取自輸出電壓uo，并與之成正比，故為電壓反饋。反饋信號(hào)在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的，它與輸入信號(hào)并聯(lián)，故為并聯(lián)反饋。因此，反相比例運(yùn)算電路是一個(gè)并聯(lián)電壓負(fù)反饋電路。結(jié)論：解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–因虛斷，所以u(píng)+=ui

因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–二、同相比例運(yùn)算

(5)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：

(1)Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i

加在同相輸入端。

(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。

(3)Auf≥1，不能小于1。

(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當(dāng)R1=且RF

=0時(shí)，uoRFuiR2R1++––++–由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。例：uo=ui

電壓跟隨器5.4.2

加法與減法運(yùn)算一、加法運(yùn)算1.反相加法運(yùn)算R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf

=R1=R2

則uO

=(uI1+uI2)

R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO

=uI1+uI2

Rf

=2R1

2.同相加法運(yùn)算法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R1；Rf

=RfuO

=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf

/R1(uI2

uI1)減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路二、減法運(yùn)算U=10Vα=4×10-3(℃)-1Rt(0℃)=51ΩRt(25℃)=56.1ΩUa=[R2/(R1+R2)]U=5VUb=[R3/(R3+Rt)]U=4.762VU0=(R6/R4)(Ua-Ub)=2.38V例：利用差分放大電路和電橋測(cè)量溫度電橋一、積分運(yùn)算=當(dāng)uI

=UI時(shí)，設(shè)uC(0)=0

時(shí)間常數(shù)

=

R1Cf積分電路輸出電壓：tuOO5.4.3積分與微分運(yùn)算R2=Rf虛地虛斷RfC1=—

時(shí)間常數(shù)微分電路輸出電壓:二、微分運(yùn)算uItOuOtO5.5

集成運(yùn)放在幅值比較方面的應(yīng)用5.5.1開(kāi)環(huán)工作的比較器5.5.2滯回比較器

5.5.1開(kāi)環(huán)工作的比較器uoui0+Uom-UomUR傳輸特性UR：參考電壓ui

：被比較信號(hào)

++uouiUR–特點(diǎn)：運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-Uom

一、若ui從同相端輸入

++uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-Uom

二、若ui從反相端輸入

uoui0+UOM-UOM++uoui三、過(guò)零比較器:(UR=0時(shí))++uouiuoui0+UOM-UOM

++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom

分析1.因?yàn)橛姓答仯暂敵鲲柡汀?.當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)U+3.當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=–UOM)－++uoRR2R1ui參考電壓由輸出電壓決定5.5.2滯回比較器特點(diǎn)：電路中使用正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。1.沒(méi)加參考電壓的下行遲滯比較器

分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差或門限寬度。當(dāng)ui

增加到UH時(shí)，輸出由Uom跳變到-Uom；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui

減小到UL時(shí)，輸出由-Uom跳變到Uom

。傳輸特性：UHULuoui0Uom-Uom

tuiUom-UomtuiUHUL例：下行遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui

2.加上參考電壓后的下行遲滯比較器加上參考電壓后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL

例：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui

為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiUR5V10Vuit0

門限電壓：+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖uiuott10V5V002V

－++uoRR2R1ui－++uoRR2R1ui3、上行遲滯比較器沒(méi)加參考電壓的上行遲滯比較器加上參考電壓后的上行遲滯比較器UR5.7常見(jiàn)集成運(yùn)放芯片簡(jiǎn)介（1）LM324

：集成了4個(gè)通用運(yùn)算放大器，適合需要使用多個(gè)運(yùn)放放大器且輸入電壓范圍相同的運(yùn)算電路。

（2）LM358：LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。

正弦波和非正弦波常常作為信號(hào)源，被廣泛地應(yīng)用于無(wú)線電通信、自動(dòng)測(cè)量及自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中使用的低頻信號(hào)發(fā)生器就是一種正弦波振蕩電路，大功率的正弦波振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源。

6.1正弦波振蕩電路

6.2多諧振蕩器

6.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器第6章波形的產(chǎn)生與變換電路6.1.1正弦波振蕩器的基本原理一、自激振蕩的條件1SA2F開(kāi)關(guān)合在“1”：開(kāi)關(guān)合在“2”：正弦波振蕩電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波信號(hào)的電路，電路中只有直流源而沒(méi)有外接信號(hào)源。其頻率范圍很廣，可以從零點(diǎn)幾Hz到幾百M(fèi)Hz以上，其輸出功率可以從幾mW到幾十mW。6.1正弦波振蕩電路由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：——幅度平衡條件——相位平衡條件二、正弦波振蕩器的起振過(guò)程起振條件：合閘后：信號(hào)小大平衡三、正弦波振蕩電路的組成與分類①放大電路②選頻網(wǎng)絡(luò)③正反饋網(wǎng)絡(luò)④穩(wěn)幅環(huán)節(jié)確定

f0合二為一使輸出幅值穩(wěn)定使1、正弦波振蕩電路的組成根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類：RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路f0<1MHzf0>1MHzf0很穩(wěn)定2、正弦波振蕩電路的分類三、正弦波振蕩電路的組成與分類四、正弦波振蕩電路的分析步驟1.檢查電路的結(jié)構(gòu)和組成：（2）檢查放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大電路正常工作；（1）檢查電路是否包含四個(gè)組成部分，即放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)；（3）檢查電路中的反饋信號(hào)取自什么地方，加在什么位置以及反饋信號(hào)的極性。四、正弦波振蕩電路的分析步驟2.判斷電路是否滿足自激振蕩的條件：（2）幅值條件（1）相位條件瞬時(shí)極性法：斷開(kāi)反饋，加頻率為f0的信號(hào)，判斷與的極性，若相同，則滿足相位條件。

⊕四、正弦波振蕩電路的分析步驟3.振蕩頻率的估算計(jì)算時(shí)的頻率，即為振蕩頻率f0。振蕩頻率由相位平衡條件決定。寫出AF

表達(dá)式；..1、文氏電橋（RC串并聯(lián)）振蕩器1）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性6.1.2RC正弦波振蕩電路幅頻特性：相頻特性：當(dāng)ω=ωo時(shí)，電路達(dá)到諧振，電路呈“電阻性”，此時(shí)幅值最大2、文氏電橋振蕩器的分析1）組成同相比例放大電路RC選頻網(wǎng)絡(luò)，兼正反饋網(wǎng)絡(luò)Z1、Z2、R3

與R4形成四個(gè)橋臂2）起振條件及振蕩頻率

RC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)滿足自激振蕩的相位平衡條件。振蕩頻率：由同相放大電路：由幅度起振條件：由選頻網(wǎng)絡(luò)可知，諧振時(shí)：或結(jié)論：RC正弦波振蕩器只能用作低頻振蕩器。振蕩頻率的范圍：1Hz~1MHz例如，橋式振蕩器。選R=1kΩ，C=200pF，則fo=796HzRC正弦波振蕩器的振蕩頻率取決于R、C的數(shù)值。若提高振蕩頻率fo

，必須選擇較小的R和C值。foR基本放大電路的負(fù)載加重；C受到管子結(jié)電容和分布電容的限制。當(dāng)振蕩頻率高于1MHz時(shí)，采用LC正弦波振蕩器。振蕩頻率的調(diào)整++∞RFR

CC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1改變開(kāi)關(guān)S的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。在起振時(shí)，由于uO

很小，流過(guò)RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uO增大，流過(guò)RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于AuF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。半導(dǎo)體熱敏電阻

R++∞RFR1

C

RC–uO

–+穩(wěn)幅過(guò)程：思考：若熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，應(yīng)接在何處？uotRFAu帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)IDUD振蕩幅度較小時(shí)正向電阻大振蕩幅度較大時(shí)正向電阻小利用二極管的正向伏安特性的非線性自動(dòng)穩(wěn)幅。

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1穩(wěn)幅環(huán)節(jié)帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路（2）

R++∞RF2R1

C

RC–uO

–+D1D2RF1

圖示電路中，RF分為兩部分。在RF1上正反并聯(lián)兩個(gè)二極管，它們?cè)谳敵鲭妷簎O的正負(fù)半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于uo

幅值很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開(kāi)路此時(shí)，RF>2R1。而后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定?？偨Y(jié)：（1）RC振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，經(jīng)濟(jì)可靠。（2）RC振蕩電路的振蕩頻率較低，最高不會(huì)超過(guò)200kHz。（3）RC振蕩電路的RC選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻特性較差，因而應(yīng)盡量使放大器件工作在線性區(qū)，故多采用負(fù)反饋的方法穩(wěn)幅和改善輸出波形。6.1.3LC正弦波振蕩電路

LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩(幾百千赫以上)。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。常見(jiàn)三點(diǎn)式和變壓器反饋式兩類。這里介紹三點(diǎn)式LC振蕩電路。1.電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)－－振蕩頻率

通常再與線圈串聯(lián)一個(gè)較小的可變電容來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振蕩頻率可達(dá)100MHz以上。選頻電路LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L+uce-+ube

-(1)直流等效電路(2)交流等效電路五、改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對(duì)振蕩頻率的影響，適用于產(chǎn)生高頻振蕩，且頻率穩(wěn)定度高。2.電感三點(diǎn)式振蕩電路正反饋放大電路選頻電路反饋網(wǎng)絡(luò)+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－振蕩頻率

通常改變電容C來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自L2振蕩頻率一般在幾十MHz以下。例：圖示電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩,如果不能振蕩，加以改正。L+UCCC1RB1RB2RECEC2解：直流電路合理。

旁路電容CE將反饋信號(hào)旁路，即電路中不存在反饋，所以電路不能振蕩。將CE開(kāi)路，則電路可能產(chǎn)生振蕩。反饋電壓取自C1－－－正反饋例：金屬探測(cè)電路（半導(dǎo)體接近開(kāi)關(guān)）開(kāi)關(guān)電路金屬探測(cè)器是一種專門用來(lái)探測(cè)金屬的儀器，也可以作為半導(dǎo)體接近開(kāi)關(guān)，具有反映速度快、定位準(zhǔn)確、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它在行程控制、定位控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)以及金屬探測(cè)報(bào)警電路中得到了廣泛應(yīng)用。在這個(gè)電路中三極管VT1與外圍的電感器和電容器構(gòu)成了一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器。它的交流等效電路（不考慮RP和R2的作用如圖所示，當(dāng)圖中三極管基極有一正信號(hào)時(shí)，由于三極管的反向作用使它的集電極信號(hào)為負(fù)。兩個(gè)電容器兩端的信號(hào)極性如圖所示，通過(guò)電容器的反饋，三極管基極上的信號(hào)與原來(lái)同相，由于這是正反饋，所以電路可以產(chǎn)生振蕩，RP和R1的存在，消弱了電路中的正反饋信號(hào)，使電路處于剛剛起振的狀態(tài)下。例：金屬探測(cè)電路（半導(dǎo)體接近開(kāi)關(guān)）金屬探測(cè)器的振蕩頻率約為40KHz，主要由電感L、電容器C1、C2決定。調(diào)節(jié)電位器RP減小反饋信號(hào)，使電路處在剛剛起振的狀態(tài)。電阻器R2是三極管VT1的基極偏置電阻。微弱的振蕩信號(hào)通過(guò)電容器C4、電阻器送到由三極管VT2、電阻器R4、R5及電容器C5等組成的電壓放大器進(jìn)行放大。然后由二極管VD1和VD2進(jìn)行整流，電容器C6進(jìn)行濾波。整流濾波后的直流電壓使三極管VT3導(dǎo)通，它的集電極為低電平，發(fā)光二極管VD3亮。在金屬探測(cè)器的電感探頭L接近金屬物體時(shí)，振蕩電路停振，沒(méi)有信號(hào)通過(guò)電容器C4，三極管VT3的基極得不到正電壓，所以三極管VT3截止，發(fā)光二極管熄滅。電路工作原理多諧振蕩器電路是一種矩形波產(chǎn)生電路.這種電路不需要外加觸發(fā)信號(hào),便能連續(xù)地,周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖.該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成,因此稱為多諧振蕩器電路.本節(jié)介紹用集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器。

6.2多諧振蕩器比較器的輸出電壓經(jīng)一定延時(shí)，饋送作為比較器的輸入電壓，使比較器自行翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形波輸出。1、電路組成RC積分電路延時(shí)兼反饋遲滯比較器開(kāi)關(guān)電路限流電阻6.2.1用集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器2、工作原理電路的正反饋系數(shù)比較電壓設(shè)t=0時(shí)，uC=0，uo=+Uz則輸出電壓uo通過(guò)R向C充電，uC呈指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)t=t1，uC≥u'+時(shí)，uo跳變?yōu)閁z。此時(shí)uo=Uz此時(shí)C通過(guò)R放電，uC呈指數(shù)規(guī)律減小。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，輸出矩形波。當(dāng)t=t2，uC≤u+時(shí)，uo跳變?yōu)?Uz。電容又被充電。3、振蕩周期t1~t2，電容放電。放電時(shí)間常數(shù)：1=RC當(dāng)t=T1=T/2時(shí)，，代入上式，得振蕩頻率：4、占空比可調(diào)的矩形波產(chǎn)生電路占空比：矩形波中高電平的持續(xù)時(shí)間與振蕩周期的比值。方波的占空比為50%。為改變輸出方波的占空比，可改變電容C的充、放電時(shí)間常數(shù)。占空比：其中rd是二極管D的導(dǎo)通電阻。改變Rw

的中點(diǎn)位置，占空比就可改變。石英晶體振蕩器最突出的特點(diǎn)就是振蕩頻率穩(wěn)定性好。一、石英晶體的特性1、基本特征壓電效應(yīng)：在石英晶片的兩極加一電場(chǎng)，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形；反之若在晶片上施加機(jī)械壓力，在晶片相應(yīng)的方向上會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)。壓電諧振：固有頻率與晶片的切割方式、幾何形狀及尺寸有關(guān)。6.2.2用石英晶體構(gòu)成的多諧振蕩器2、石英晶體的等效電路符號(hào)：（1）晶體不振動(dòng)時(shí)，等效為平板電容器C0

，稱為靜電電容，一般為幾到幾十皮法。（2）晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性用電感L(10-3～102H)等效，晶片的彈性用電容C(10-2～10-1PF)等效，晶片振動(dòng)時(shí)的損耗用電阻R(102Ω)等效。3、石英晶體的諧振頻率串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率此時(shí)串聯(lián)支路呈現(xiàn)為很小的純電阻R，C0容抗遠(yuǎn)大于R，視為開(kāi)路。當(dāng)工作頻率大于fs

時(shí)，串聯(lián)支路呈感性，與C0并聯(lián)形成LC回路。電抗頻率特性O(shè)fXfsfp容性容性感性純阻性

二、石英晶體振蕩電路1、串聯(lián)型石英晶體多諧振蕩電路

二、石英晶體振蕩電路2、并聯(lián)型石英晶體多諧振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，常用于電子鐘表，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘電路。常用的晶振有32768Hz8Mhz16Mhz6.2.3用555集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器１、555集成定時(shí)器

555定時(shí)器（時(shí)基電路）是一種用途廣泛的模擬數(shù)字混合集成電路。設(shè)計(jì)新穎、構(gòu)思奇巧，備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和電子愛(ài)好者青睞；它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和壓控振蕩器等多種應(yīng)用電路。典型封裝雙列直插型貼片型

555定時(shí)器主要由比較器、觸發(fā)器、輸出級(jí)、放電開(kāi)關(guān)和由三個(gè)5k電阻組成的分壓器等部分構(gòu)成，電路如圖所示。電阻分壓器比較器觸發(fā)器輸出級(jí)555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖放電開(kāi)關(guān)真值表的第一行00110導(dǎo)通清零0保持保持0010110真值表的第二行從第二行到第三行導(dǎo)通0真值表的第四行10010101截止從第四行返回第三行00保持保持1截止回差現(xiàn)象THTLRdOUTDISCC32V>CC31V>CC31V>CC32V<CC32V<CC31V<LL通HHH斷

555定時(shí)器功能表通LH保持保持

從555定時(shí)器的功能表可以看出：555定時(shí)器有兩個(gè)閾yu值（Threshold）電平，分別是1/3VCC和2/3VCC；2.輸出端為低電平時(shí)三極管TD導(dǎo)通，7腳輸出低電平；輸出端為高電平時(shí)三極管TD截止，如果7腳接一個(gè)上拉電阻，7腳輸出為高電平。所以當(dāng)7腳接一個(gè)上拉電阻時(shí)，輸出狀態(tài)與3腳相同。

便于記憶：2腳--（低電平置位）；6腳—R（高電平復(fù)位）；◆555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4-9所示。它是將兩個(gè)觸發(fā)端2腳和6腳合并在一起，放電端7腳接于兩電阻之間。多諧振蕩器的波形

多諧振蕩器電路圖

tuctuoOO

多諧振蕩器參數(shù)的計(jì)算tuctuoOOtw1tw2輸出波形的振蕩周期可用過(guò)渡過(guò)程公式計(jì)算：

tw1：uC(0)=VCC/3V、

uC(∞)=VCC、1=(RA+RB)C、

當(dāng)t=tw1時(shí)，uC(tw1)=2VCC/3代入三要素方程。于是可解出

tw2：uC(0)=2VCC/3V、uC(∞)=0V、

1=RBC、當(dāng)t=tw2時(shí)，uC(tw2)=VCC/3代入公式。于是可解出占空比（DurationRatio）

對(duì)于圖5-2-9所示的多諧振蕩器，因tw1

＞tw2

，它的占空比大于50%，占空比不可調(diào)節(jié)。圖4-12是一種占空比可調(diào)的電路，該電路因加入了二極管，使電容器的充電和放電回路不同，可以調(diào)節(jié)電位器使充、放電時(shí)間常數(shù)相同。如果RA=RB，調(diào)節(jié)電位器可以獲得50%的占空比。

占空比可調(diào)的多諧振蕩器C=充RtA振蕩周期:6.3

555定時(shí)器的典型應(yīng)用電路6.3.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（MonostableTrigger）

圖4-4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖

圖4-5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的波形圖

這里要注意R的取值不能太小。（為什么？）若R太小，當(dāng)放電管導(dǎo)通時(shí)，灌入放電管的電流太大，會(huì)損壞放電管。為此需要確定三要素：

uC(0)=0V、

uC(∞)=VCC、=RC，當(dāng)t=tw時(shí)，uC(tw)=2VCC/3代入公式。于是可解出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)uC的波形，由過(guò)渡過(guò)程公式即可計(jì)算出暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間tw

，tw電容C從0V充電到2VCC/3的時(shí)間，根據(jù)三要素方程：

暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間由RC確定?。。?/p>

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用★可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：VCCCC123567555R485該電路有何作用？失落脈沖報(bào)警！！PNP管★脈沖的定時(shí)

ABuuio單穩(wěn)態(tài)電路&只有在tw時(shí)間內(nèi),與門才開(kāi)門,信號(hào)A才能通過(guò)與門

★脈沖的延時(shí)uo的下降沿比輸入觸發(fā)信號(hào)ui的下降沿延遲了tw。因此，利用