6.4集成電壓比較器6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理

第六章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路6.4集成電壓比較器6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理第16.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，運(yùn)放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。線性應(yīng)用電路-+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。Z1或Zf采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信號工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。

6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所2非線性應(yīng)用電路-+AvovIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。

由于開環(huán)工作時(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運(yùn)放輸出進(jìn)入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。6.1.1集成運(yùn)放理想化條件下兩條重要法則理想運(yùn)放

失調(diào)和漂移0

推論因則因則非線性應(yīng)用電路-AvovIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作3說明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是(v–-v+)的值小到了可以忽略不計(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放正是利用這個(gè)極其微小的差值進(jìn)行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計(jì)的程度。相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路”。實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部電路。說明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸4集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋

因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負(fù)反饋，集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路反相放大器-AR1Rf+-vsv5同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋

因則注：同相放大器不存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負(fù)反饋，因則同相放大器-AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)6同相跟隨器-+A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。歸納與推廣當(dāng)R1

、Rf為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：反相放大器同相放大器拉氏反變換

得注：拉氏反變換時(shí)

同相跟隨器-A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性7加、減運(yùn)算電路反相加法器6.1.2運(yùn)算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因則即整理得說明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采用疊加原理進(jìn)行分析。

令vs2=0則令vs1=0則例如加、減運(yùn)算電路反相加法器6.1.2運(yùn)算電路-AR28同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則減法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，則令vs1=0，同相加法器-AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利9積分和微分電路有源積分器-+ARC+-vsvo方法一：利用運(yùn)算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得積分和微分電路有源積分器-ARC+-vsvo方法一：10有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo波形變換tvs0輸入方波積分輸出三角波vot0微分輸出尖脈沖tvo0有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-ARC+-vsvo11對數(shù)、反對數(shù)變換器對數(shù)變換器-+AR+-vsvo利用運(yùn)算法得：由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。vs必須大于0。對數(shù)、反對數(shù)變換器對數(shù)變換器-AR+-vsvo利用運(yùn)12反對數(shù)變換器利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響大。vs必須小于0。-+AR+-vsvoT反對數(shù)變換器利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響136.1.3儀器放大器儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。

特點(diǎn)：KCMR很高、Ri很大，Av

在很大范圍內(nèi)可調(diào)。三運(yùn)放儀器放大器由得由得由減法器A3得：若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo26.1.3儀器放大器儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高146.1.3精密整流電路精密半波整流電路利用集成運(yùn)放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦裕瑯?gòu)成對微小幅值電壓進(jìn)行整流的電路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2vI=0時(shí)vO

=0D1、D2vO=0vI>0時(shí)vO

<0D1、D2vO=0vI<0時(shí)vO

>0D1、D2vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波6.1.3精密整流電路精密半波整流電路利用集15精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路

當(dāng)v->0，即vI>-(R3/R1)VR時(shí)：當(dāng)v-<0，即vI<-(R3/R1)VR時(shí)：vo-+AVRR1voR2RL+-D1D2R3vI由圖

vO

>0D1、D2傳輸特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO

<0D1、D2

vO=0則則精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路當(dāng)v->0，即vI>-(R3166.4集成電壓比較器電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。電壓比較器的特點(diǎn)輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。6.4.1電壓比較器的作用電壓比較器工作原理只要開環(huán)Avd很大，則v+、v-間的微小差值，即可使運(yùn)放輸出工作在飽和狀態(tài)。

由可知v+

>v-

時(shí)，vo=Vomax（正飽和值）

v+

<v-

時(shí)，vo=Vomin（負(fù)飽和值）

v+

=v-

時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

因此6.4集成電壓比較器電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小17理想比較特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI<VREF時(shí)，vo=VomaxvI>VREF時(shí)，vo=VominvI=VREF時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

理想特性vIvoVREFVomaxVomin0實(shí)際比較特性實(shí)際特性vI<VREF-Vomax/Avd時(shí)，vo=VomaxvI>VREF-Vomin/Avd時(shí)，vo=Vomin注：Avd越大，比較特性越接近理想特性，VREF作為門限值的比較精度越高。理想比較特性-AvovIVREFvIvoVREFVomax186.4.1具有不同比較特性的電壓比較器單限電壓比較器特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。過零比較器-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvoVOHVOL0比較特性tvO0tvI06.4.1具有不同比較特性的電壓比較器單限電壓比較器特19單限比較器-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的輸入電壓vI即門限電平。2）分別分析vI大于門限、小于門限時(shí)的輸出vO電平。令得門限電平即v+<v-若則vO=VOL即v+>v-若則vO=VOH比較特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-單限比較器-AvovI+R3D1D2R1//R2VREF20單限比較器優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，可不計(jì)有限KCMR的影響。單限比較器缺點(diǎn)：電路抗干擾能力差。例如：過零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時(shí)，輸出會出現(xiàn)誤操作。

tvO0vIt0單限比較器優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，可不計(jì)有限KCMR的影響。21遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2特點(diǎn)正反饋電路。具有雙門限。令得門限電平：反相輸入遲滯比較器遲滯寬度：

vIvoVOH0比較特性VOLVILVIH遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）-AvovI+R3D1D2R22-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2令得門限電平：同相輸入遲滯比較器遲滯寬度：

vIvoVOH0比較特性VOLVILVIH將反相遲滯比較器中的vI與VREF交換，即得同相輸入遲滯比較器。-AvovI+R3D1D2RVREFR1R2令得門限電平：23遲滯比較器優(yōu)點(diǎn)：電路抗干擾能力強(qiáng)。例：反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已知輸入信號時(shí)，試畫輸出信號波形。vI(V)vo(V)0比較特性7-7-66vI(V)t010-106-6tvO(V)07-7遲滯比較器優(yōu)點(diǎn)：電路抗干擾能力強(qiáng)。例：反相輸入遲滯比24遲滯比較器應(yīng)用——方波發(fā)生器-+Avo+-R3D1D2RR1R2C門限電平設(shè)t=0時(shí)，vO=VOH，初始vC=0則VOH經(jīng)R向C充電vC按指數(shù)規(guī)律當(dāng)vC

VIH時(shí)vO跳變?yōu)閂OL此時(shí)C經(jīng)R放電vC按指數(shù)規(guī)律當(dāng)vC

VIL時(shí)vO又上跳到VOH可證振蕩周期：tvO0vCt0VIHVILVOHVOL遲滯比較器應(yīng)用——方波發(fā)生器-Avo+R3D1D2RR125有源濾波電路有源濾波器：由有源器件（三極管、場效應(yīng)管、集成運(yùn)放）構(gòu)成的濾波器。例：求圖示有源RC低通濾波器在帶載和不帶載的情況下放大倍數(shù)的頻率特性表達(dá)式。解：帶載或不帶載時(shí)都有：2.一階有源低通濾波器有源濾波電路有源濾波器：由有源器件（三極管、場效應(yīng)管、集成運(yùn)266.4集成電壓比較器6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理

第六章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路6.4集成電壓比較器6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理第276.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，運(yùn)放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。線性應(yīng)用電路-+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。Z1或Zf采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。因負(fù)反饋?zhàn)饔茫惯\(yùn)放小信號工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。

6.1集成運(yùn)放應(yīng)用電路的組成原理根據(jù)集成運(yùn)放自身所28非線性應(yīng)用電路-+AvovIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。

由于開環(huán)工作時(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運(yùn)放輸出進(jìn)入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。6.1.1集成運(yùn)放理想化條件下兩條重要法則理想運(yùn)放

失調(diào)和漂移0

推論因則因則非線性應(yīng)用電路-AvovIVREF組成特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作29說明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是(v–-v+)的值小到了可以忽略不計(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放正是利用這個(gè)極其微小的差值進(jìn)行電壓放大的。同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計(jì)的程度。相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路”。實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部電路。說明：相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。虛短路不能理解為兩輸30集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋

因則反相輸入端“虛地”。因則由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因因深度電壓負(fù)反饋，集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路反相放大器-AR1Rf+-vsv31同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋

因則注：同相放大器不存在“虛地”。因由圖輸出電壓表達(dá)式：輸入電阻輸出電阻因深度電壓負(fù)反饋，因則同相放大器-AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓串聯(lián)32同相跟隨器-+A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。歸納與推廣當(dāng)R1

、Rf為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)：反相放大器同相放大器拉氏反變換

得注：拉氏反變換時(shí)

同相跟隨器-A+-vsvo由圖得因由于所以，同相跟隨器性33加、減運(yùn)算電路反相加法器6.1.2運(yùn)算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因則即整理得說明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采用疊加原理進(jìn)行分析。

令vs2=0則令vs1=0則例如加、減運(yùn)算電路反相加法器6.1.2運(yùn)算電路-AR234同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則減法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，則令vs1=0，同相加法器-AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利35積分和微分電路有源積分器-+ARC+-vsvo方法一：利用運(yùn)算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得積分和微分電路有源積分器-ARC+-vsvo方法一：36有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo波形變換tvs0輸入方波積分輸出三角波vot0微分輸出尖脈沖tvo0有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-ARC+-vsvo37對數(shù)、反對數(shù)變換器對數(shù)變換器-+AR+-vsvo利用運(yùn)算法得：由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。vs必須大于0。對數(shù)、反對數(shù)變換器對數(shù)變換器-AR+-vsvo利用運(yùn)38反對數(shù)變換器利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響大。vs必須小于0。-+AR+-vsvoT反對數(shù)變換器利用運(yùn)算法則得由于整理得缺點(diǎn)：vo受溫度影響396.1.3儀器放大器儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。

特點(diǎn)：KCMR很高、Ri很大，Av

在很大范圍內(nèi)可調(diào)。三運(yùn)放儀器放大器由得由得由減法器A3得：若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo26.1.3儀器放大器儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高406.1.3精密整流電路精密半波整流電路利用集成運(yùn)放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，?gòu)成對微小幅值電壓進(jìn)行整流的電路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2vI=0時(shí)vO

=0D1、D2vO=0vI>0時(shí)vO

<0D1、D2vO=0vI<0時(shí)vO

>0D1、D2vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波6.1.3精密整流電路精密半波整流電路利用集41精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路

當(dāng)v->0，即vI>-(R3/R1)VR時(shí)：當(dāng)v-<0，即vI<-(R3/R1)VR時(shí)：vo-+AVRR1voR2RL+-D1D2R3vI由圖

vO

>0D1、D2傳輸特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO

<0D1、D2

vO=0則則精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路當(dāng)v->0，即vI>-(R3426.4集成電壓比較器電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。電壓比較器的特點(diǎn)輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。6.4.1電壓比較器的作用電壓比較器工作原理只要開環(huán)Avd很大，則v+、v-間的微小差值，即可使運(yùn)放輸出工作在飽和狀態(tài)。

由可知v+

>v-

時(shí)，vo=Vomax（正飽和值）

v+

<v-

時(shí)，vo=Vomin（負(fù)飽和值）

v+

=v-

時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

因此6.4集成電壓比較器電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小43理想比較特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI<VREF時(shí)，vo=VomaxvI>VREF時(shí)，vo=VominvI=VREF時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

理想特性vIvoVREFVomaxVomin0實(shí)際比較特性實(shí)際特性vI<VREF-Vomax/Avd時(shí)，vo=VomaxvI>VREF-Vomin/Avd時(shí)，vo=Vomin注：Avd越大，比較特性越接近理想特性，VREF作為門限值的比較精度越高。理想比較特性-AvovIVREFvIvoVREFVomax446.4.1具有不同比較特性的電壓比較器單限電壓比較器特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)工作。過零比較器-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvoVOHVOL0比較特性tvO0tvI06.4.1具有不同比較特性的電壓比較器單限電壓比較器特45單限比較器-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的輸入電壓vI即門限電平。2）分別分析vI大于門限、小于門限時(shí)的輸出vO電平。令得門限電平即v+<v-若則vO=VOL即v+>v-若則vO=VOH比較特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-單限比較器-AvovI+R3D1D2R1//R2VREF46單限比較器優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，可不計(jì)有限KCMR的影響。單限比較器缺點(diǎn)：電路