模擬電子技術(shù)章五

第5章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用5.1集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路5.2集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)處理電路 運(yùn)算放大器最早應(yīng)用于模擬信號(hào)的運(yùn)算，故此得名。本章首先介紹由集成運(yùn)算放構(gòu)成的運(yùn)算電路，包括比例電路、求和電路和積分、微分電路，然后介紹兩種常用的模擬信號(hào)處理電路：有源濾波器和電壓比較器。5.1集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路 集成運(yùn)放外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、乘法、除法、積分、微分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)等運(yùn)算。此時(shí)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。比例運(yùn)算電路 將輸入信號(hào)按比例放大的電路，稱為比例運(yùn)算電路。比例運(yùn)算電路是集成運(yùn)算放大電路的主要放大形式之一。1.反相比例運(yùn)算電路 反相比例運(yùn)算電路又叫反相放大器，其電路如圖5.1所示。圖5.1反相比例運(yùn)算電路2.同相比例運(yùn)算電路 同相比例運(yùn)算電路又叫同相放大器。如圖5.2所示，R1與Rf引入深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，所以運(yùn)放工作在線性區(qū)。圖5.2同相比例運(yùn)算電路3.差分比例運(yùn)算電路 圖5.3中,Rf引入強(qiáng)電壓負(fù)反饋，相對(duì)于uI1而言，是并聯(lián)電壓負(fù)反饋，相對(duì)于uI2而言是串聯(lián)電壓負(fù)反饋。圖5.3差分比例運(yùn)算電路求和電路1.反相求和電路 反相求和電路如圖5.4所示，以3個(gè)輸入端為例，實(shí)際中可根據(jù)需要增減輸入端的數(shù)量。圖5.4反相求和電路 反相求和電路的優(yōu)點(diǎn)是，便于調(diào)整，可以十分方便地調(diào)整某一路的輸入電阻，改變?cè)撀返谋壤禂?shù)，而不影響其他路的比例系數(shù)，因此，反相求和電路用得較為廣泛。2.同相求和運(yùn)算 圖5.5所示為同相求和運(yùn)算電路。它是同相輸入端有兩個(gè)輸入信號(hào)的求和運(yùn)算電路。與同相比例運(yùn)算電路相比，這個(gè)同相求和電路只是增加了一個(gè)輸入回路。圖5.5同相加法運(yùn)算電路積分電路和微分電路1.積分電路 積分電路的輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系，積分電路可以實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。它在模擬計(jì)算機(jī)、積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)生矩陣波、三角波等電路中均有廣泛應(yīng)用。 根據(jù)輸入電壓加到集成運(yùn)放的反相輸入端，有反相積分電路和同相積分電路兩種基本形式。積分電路在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要注意如下兩點(diǎn)。①因?yàn)榧蛇\(yùn)放和積分電容器并非理想器件，會(huì)產(chǎn)生積分誤差，情況嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。因此，應(yīng)選擇輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂小的集成運(yùn)放；選用泄漏電阻大的電容器以及吸附效應(yīng)小的電容器。 ②應(yīng)用積分電路時(shí)，動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍也要考慮。集成運(yùn)放的輸出電壓和輸出電流不允許超過(guò)它的額定值UOM和UOM。因而對(duì)輸入信號(hào)的大小或積分時(shí)間應(yīng)有一定的限制。2.微分電路（1）基本微分電路 微分是積分的逆運(yùn)算，即輸出電壓與輸入電壓成微分關(guān)系，用來(lái)確定改變著的信號(hào)的變化速率。只要將反相積分中的R和C位置互換，就可構(gòu)成基本的微分電路，如圖5.11所示。圖5.11微分運(yùn)算電路（2）實(shí)用微分電路 當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變時(shí)，有可能超過(guò)集成運(yùn)放的最大輸出電壓，嚴(yán)重時(shí)將使微分電路不能正常工作。在R兩端并聯(lián)穩(wěn)壓管，限制輸出幅度，加一個(gè)小電阻R1和C串聯(lián)，以限制噪聲和突變的輸入電壓。改進(jìn)后的微分電路如圖5.13所示。圖5.蒼13實(shí)用微姜分電路5.茄2集成賄運(yùn)算單放大騾器構(gòu)君成的勺信號(hào)娛處理著電路集成運(yùn)途放最早林用于模落擬電子嚇計(jì)算機(jī)雷中，完絞成對(duì)信涉號(hào)的數(shù)浪學(xué)運(yùn)算薦。隨著窄近代集演成運(yùn)放齡的發(fā)展因，使用季范圍超蒼出運(yùn)算皮范圍，正滲透到帝電子技戲術(shù)的各覽個(gè)領(lǐng)域匪，在各妹種模擬勤信號(hào)和井脈沖信西號(hào)的測(cè)于量、處班理、產(chǎn)魯生、變統(tǒng)換等方廟面也都烈獲得了正廣泛的尸應(yīng)用。偵下面介押紹其在躺信號(hào)處勞理方面洪的應(yīng)用街。有源腥濾波摧器濾波沃器是波一種替能使沿部分凡頻率弱的信威號(hào)順眠利通矩過(guò)而油其他時(shí)頻率仆的信圣號(hào)受犬到很火大衰串減的弱裝置陜，在酬信息座處理辮、數(shù)膛據(jù)傳蒙送和裹抑制握干擾宗等方飛面經(jīng)滲常使暴用。躬早期戀的濾襖波電葉路多吐由電襲阻、淺電容避、電淘感組涌成，彎為無(wú)薪源濾泛波器卷。由敘于其跪低頻甚下工果作時(shí)看所用煌電感的較大構(gòu)且品顫質(zhì)因誦數(shù)較袋低，怨因而者影響屋濾波港效果皺。近些晨年來(lái)牲，產(chǎn)泄生了辦由集巨成運(yùn)徒放組鄙成的愧有源繡濾波釣電路曉，它點(diǎn)體積暗小，潑選擇跑性好純，還御可使息所處賓理信例號(hào)放銷大。炮不足毫之處盲是集恭成運(yùn)醋放需緊要電哈源，毀且工斤作電攻流過(guò)查大時(shí)躁運(yùn)放桌會(huì)飽閣和，啦在高兼頻下懼運(yùn)放彩的增振益會(huì)譽(yù)下降皆，故擺在高緒頻下你運(yùn)用頓受限眼。1.低通系濾波被器低通搶濾波掘器是覺指低嚇頻信鄉(xiāng)豐號(hào)能跑通過(guò)困而高既頻信震號(hào)不腔能通胡過(guò)的岸濾波刃器。低通旋濾波補(bǔ)電路宴如圖5.魂15所示掌，在灑圖5.偉15嗚(a誰(shuí))中無(wú)始源濾弟波網(wǎng)晶絡(luò)RC接至集誰(shuí)成運(yùn)放醒的同相晌輸入端域，在圖5.堆15鍛(b幟)中RfC接至反句相輸入拌端。下森面以圖5.禾15完(a野)為例僵進(jìn)行江講解放。圖5.1蛛5低通囑濾波丙電路一階濾容波電路被的缺點(diǎn)世是，當(dāng)ω≥彎ω0時(shí)，索幅頻條特性濫衰減奪太慢成，以-2頭0d妙B／10倍頻程嘩的速率矩下降，尋與理想徑的幅頻揭特性相融比相差炮甚遠(yuǎn)，酸如圖5.1鐵6所示。送為此可速在一階攏濾波電嬸路的基墨礎(chǔ)上，陽(yáng)再增加鼓一級(jí)RC，組繩成二撞階濾膨波電睬路。輔它的崇幅頻鋪特性案在ω≥ω0時(shí)，提以-4鎮(zhèn)0d奸B／10倍頻輸程的怎速率共下降閣，衰盯減速丘度快烏，其咱幅頻般特性瞞更接坦近于委理想桂特性只。為朋進(jìn)一皇步改辮善濾燒波波脅形,常將第腔一級(jí)的呆電容C接到輸幅出端，限引入一虜個(gè)反饋照。這種賄電路又騙稱為賽康倫-凱電路席，實(shí)際逼工作中東更為常機(jī)用。圖5.演16二階低突通有源踢濾波電和路2.高通或?yàn)V波硬器高通濾飛波器是悉指高頻負(fù)信號(hào)能飾通過(guò)而緊低頻信今號(hào)不能釋通過(guò)的再濾波器級(jí)，將低幅通濾波呼器中起熄濾波作使用的電巡壽阻、電規(guī)容互換日，即成忌為高通藏有源濾咽波器。高通濾崗波電路觸如圖5.薪17所示。粱圖5.遲17郊(a傘)為同相魔輸入,圖5.勸17球(b藝)為反相蠅輸入。圖5.1螺7高通濾啄波電路3.帶通有山源濾波就電路（BPF）（1）BPF的構(gòu)成割方法BPF構(gòu)成的五總則是LP槍F與HP慣F相串聯(lián)福。LP篩F與HP旅F串聯(lián)有抹如下兩互種情況址。①將有驢源LPF與有源HPF兩級(jí)倚直接少串聯(lián)乞。用傅這種杏方法器構(gòu)成遺的BPF通帶寬笨，而且籃通帶截秧止頻率騙易調(diào)整屆，但所區(qū)用元器食件多。②將兩油節(jié)電修路直泛接相接聯(lián)，虜其優(yōu)輩點(diǎn)是蘭電路禿簡(jiǎn)單帖。（2）二濁階壓控夠電壓源BPF二階壓淹控電壓它源BP負(fù)F電路象性能必分析課如下選。①傳遞厲函數(shù)②中心頻惱率和通繼帶電壓耀放大倍慕數(shù)③通帶截幅止頻率④通帶寬幕度⑤Q值⑥頻率愚特性4.帶阻拳有源春濾波痕電路扁（BE酸F）BEF構(gòu)成很的總?cè)赵瓌t文是LP鑰F與HP私F相并靜聯(lián)，BE箏F構(gòu)成紀(jì)的原抬理框庫(kù)圖如刷圖5.最22所示合。LPF與HP廢F并聯(lián)有蒸如下兩地種情形女。圖5.茶22噴BE窮F組成原躲理框圖①將有源LP黎F與有源HPF直接并撥聯(lián)，這種種方法裳實(shí)現(xiàn)較腳困難，軟且電路眼元器件趁用的多暑，不宜說(shuō)采用。②用兩毫節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)賊（即既一個(gè)煩無(wú)源LPF和一個(gè)侵無(wú)源HPF）相表并聯(lián)愧，構(gòu)嗓成無(wú)鳳源BE相F，再光將它沿與同拼相比冶例電灣路直鳳接相零聯(lián)。躬這種元方法危應(yīng)用儀廣泛射。電壓終比較脹器電壓比田較器簡(jiǎn)造稱比較灰器，其斷基本功乒能是對(duì)讓兩個(gè)輸棄入電壓絞進(jìn)行比膜較，并見根據(jù)比梯較結(jié)果凡輸出高猴電平或錫低電平子，據(jù)此腹來(lái)判斷熱輸入信皇號(hào)的大石小和極愛性。電民壓比較艘器常用戲于自動(dòng)憐控制、蛛波形產(chǎn)吧生與變認(rèn)換，模炭擬轉(zhuǎn)換鑄以及越煩限報(bào)警烈等許多服場(chǎng)合。電壓甲比較拼器通價(jià)常由砌集成騙運(yùn)放買構(gòu)成視，與蟻前面銜章節(jié)描不同箏的是惕，比獲較器邪中的奴集成錦運(yùn)放謎大多尸處于扣開環(huán)販或正咸反饋蜜狀態(tài)貧。只訪要在護(hù)兩個(gè)辟輸入溪端加焰一個(gè)驕很小拉的信壞號(hào)，漫運(yùn)放航就會(huì)路進(jìn)入肌非線溪性區(qū)起，屬海于集綁成運(yùn)瘋放的閥非線始性應(yīng)撥用范糾圍。演在分爛析比獻(xiàn)較器朵時(shí)，持虛斷取路原針則仍壺成立貌，虛障短及陪虛地夾等概雙念僅毅在判吳斷臨翠界情改況時(shí)格才適榜應(yīng)。比較愁器可總以利會(huì)用通攻用集需成運(yùn)狠放組描成，涉也可給以采獄用專乏用的催集成蒸比較笨器組烤件。深對(duì)它釋的要鴨求是銳電壓異幅度躁鑒別害的準(zhǔn)鄰確性蒜、穩(wěn)忍定性欄、輸這出電縮慧壓反仿應(yīng)的扣快速渣性以旬及抗叛干擾伴能力門等。仍下面云分別是介紹河幾種拌比較湯器。1.電平近比較保器（淘過(guò)零某比較柱器）通常歸用閾叛值電罰壓和鄉(xiāng)豐傳輸膜特性彎來(lái)描焰述比愛較器慕的工番作特勺性。有時(shí)賽，為劃了和出后面已的電鍛路相葡連接蟻以適筋應(yīng)某豪種需艙要，哨常常膽希望努減小刷比較怠器輸站出幅精度，參為此本采用忘穩(wěn)壓抹管限掏幅。廢為了駐使比轟較器挑輸出墻的正縮慧向幅占度和咬負(fù)向懷幅度?；攫I相等標(biāo)，可去將雙濤向擊此穿穩(wěn)貨壓二貍極管如接在漸電路間的輸遷出端卷或接喊在反把饋回揉路中則，如亮圖5.2特6所示悉。圖5.2攜6限幅電康路及過(guò)揪壓保護(hù)淹電路為了松防止志輸出記信號(hào)扇過(guò)大站，損溪壞集嫂成運(yùn)出放，貴除了財(cái)在比租較器展的輸絹出回懇路中拾串聯(lián)邪接入逆電阻煤外，策還可納以在揉集成節(jié)運(yùn)放嚇的兩汪個(gè)輸斜入端違之間紗并聯(lián)州兩個(gè)古相互末反接柳的二湖極管倦，如梳圖5.2棉7所示互。圖5.倒27限幅詞電路民及過(guò)偉壓保冒護(hù)電耗路2.任意電稼平比較肯器（非羽過(guò)零比便較器）將零電恭平比較較器中的烘接地端湯改為一叔個(gè)參考摩電壓UR（高為玻直流電叮壓），傳由于UR的大火小和奮極性銀均可汽調(diào)整啦，電碼路成龜為任予意電面平比賀較器陸或稱椒非過(guò)喊零比鍵較器濁。電平乖電壓味比較通器結(jié)猾構(gòu)簡(jiǎn)攔單，抬靈敏蠻度高格，但魔它的虎抗干銷擾能胡力差緒。也竟就是油說(shuō)，鄉(xiāng)豐如果鮮輸入閱信號(hào)山因干朋擾在跨閾值蓋附近所變化寒時(shí)，藥輸出戴電壓或?qū)⒃谡ǜ摺⒕拥碗娀势街铋g反丹復(fù)地芬跳變仔，可篩能使誦輸出冊(cè)狀態(tài)訴產(chǎn)生佩誤動(dòng)爬作。左為了呀提高喚電壓惱比較性器的賀抗干毯擾能芬力，隙下面易介紹荒有兩他個(gè)不春同閾斗值的雄滯回愛電壓蹄比較濕器。3.滯回既電壓互比較塘器滯回?fù)想妷喊岜容^茶器又碑稱施怨密特竹觸發(fā)壁器。潤(rùn)這種厭比較餃器的飲特點(diǎn)博是當(dāng)振輸入常信號(hào)ui逐漸何增大補(bǔ)或逐身漸減來(lái)小時(shí)繁，它攤有兩亞個(gè)閾補(bǔ)值，盯且不否相等洪，其還傳輸向特性志具有誤“滯毫回”拾曲線蒼的形將狀。滯回比桂較器也圈有反相漿輸入和判同相輸仰入兩種烏方式。精它們的素電路及帥傳輸特唐性如圖5.3沉1所示貓。圖5.3毯1滯回比鹿較器及揉傳輸特煮性集成運(yùn)適放輸出窗端至反森相輸入科端為開億環(huán)。輸臟出端至墾同相輸糊入端引甜入正反怎饋，目品的是加汗速輸入恢狀態(tài)的鍵躍變，府使運(yùn)放抹經(jīng)過(guò)線臟性區(qū)過(guò)叨渡的時(shí)永間縮短燭。UR是某一捧個(gè)固定題電壓，及改變UR值能寇改變晚閾值彼及回毀差大勝小。（1）構(gòu)正向括過(guò)程（2）負(fù)躺向過(guò)程4.窗口電鬼壓比較粉器電平且比較凈器和裳滯回貸比較產(chǎn)器有扶一個(gè)蛾共同揚(yáng)特點(diǎn)惑，即uI單方則向變買化（龜正向移過(guò)程池或負(fù)貍向過(guò)途程）儀時(shí)，uO只跳為別一次。結(jié)只能檢賢測(cè)到一磚個(gè)輸入覺信號(hào)的格電平，省這種比怠較器稱粉為單限乒比較器誤。雙限層比較鼠器又罪稱為刃窗口撐比較處器。兆它的卷特點(diǎn)藏是輸?shù)救胄懦钐?hào)單街方向找變化羽，可藏使輸匯出電悄壓uO跳變兩酬次，其均傳輸特率性如圖5.胖34（b）所示樹，它形救似窗口窯，稱為桃窗口比區(qū)較器。最窗口比瞇較器提看供了兩雖個(gè)閾值子和兩種盼輸出穩(wěn)昂定狀態(tài)塊可用來(lái)途判斷uI是否在炸某兩個(gè)爭(zhēng)電平之店間。比貓如，從泡檢查產(chǎn)華品的角浙度看，藏可區(qū)分拴參數(shù)值易在一定除范圍之鉤內(nèi)和之外外的產(chǎn)值品。窗口跪比較數(shù)器可騙用兩艙個(gè)閾足值不毅同的喊電平解比較賞器組越成。縣閾值司小的趙電平雙比較淘器采駝?dòng)梅炊枷噍敼虢铀苑?，蒜閾值咬大的殖電平益比較苦器采切用同咐相輸胡入接炎法。埋再用開兩只籍二極撲管將襖兩個(gè)偶簡(jiǎn)單突比較烈器的富輸出逗端引土到同癥一點(diǎn)庭作為刃輸出吃端，警具體翅電路狹如圖5.偵34（a）所示圈。圖5.越34窗口比尖較器及世傳輸特護(hù)性窗口比脫較器有刮兩個(gè)閾陷值，它堪們是URH和URL,有兩袍個(gè)穩(wěn)嘉定狀德態(tài)。漲其傳渡輸特荷性如叮圖5.撞34（b）所兼示。電壓懸比較息器是漲模擬鄙電路思與數(shù)移字電玻路之南間的鞠過(guò)渡謊電路浴。但下通用纖型集冒成運(yùn)畝放構(gòu)驚成的群電壓仿編輯略部順披的高池、低千電平診與數(shù)膽字電患路TTL器件已的高劣、低醫(yī)電平店的數(shù)詠值相趨差很誤大，鎖一般龍需要冊(cè)加限脖幅電灶路才恨能驅(qū)徹動(dòng)TTL器件借，給報(bào)使用季帶來(lái)弄不便辣，而冶且響竹應(yīng)速濾度低予。采草用集橫成電總壓比為較器乞可以席克服季這些事缺點(diǎn)攔。5.集成蜂電壓漢比較仁器（1）集響成電壓善比較器路簡(jiǎn)介與前面宰所介紹尸的由運(yùn)出放組成諷的比較斃器相比鑼，集成線電壓比警較器也寫可以輸構(gòu)出高、膚低電平角，但加舉入了電腥平移動(dòng)嚇和數(shù)字府驅(qū)動(dòng)電染路，因按此可與剩數(shù)字電促路直接志相連，滲作為A/D轉(zhuǎn)換器姓的一個(gè)摔核心部膜件。集成電址壓比較無(wú)器的電伏路結(jié)構(gòu)帶框圖如贊圖5.擠35所肢示。它籃主要由冊(cè)差動(dòng)輸疏入級(jí)、脅電平轉(zhuǎn)椅換級(jí)、黎輸出邏慘輯電平兵和控制掀級(jí)（具庭有集電圣極開路雖結(jié)構(gòu)的蘆輸出級(jí)趨）以及虧偏置電牧路幾個(gè)五基本部仍件組成脊。其特德點(diǎn)是輸吐出的高說(shuō)、低電松平分別粗與數(shù)字勤電路的醒邏輯“彎1”和迫邏輯“天0”電仁平相等笛，能與惹TTL宿、DT幣L、H歉TL、港CMO伐S等數(shù)躺字電路肌的電平辰兼容，板有些比幫較器輸覺出還可匠直接驅(qū)券動(dòng)繼電發(fā)器幫指流示燈等撓。而且批電源的