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1、第第3章章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用本章主要内容本章主要内容(1)(1)集成运算放大器的特点及参数集成运算放大器的特点及参数(2)(2)放大器中的负反馈放大器中的负反馈(3)(3)集成运放的线性应用集成运放的线性应用(4)(4)集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用5.1 集成运算放大器集成运算放大器n集集成成运运算算放放大大器器是是一一种种高高电电压压放放大大倍倍数数、高高输输入入电电阻阻和和低低输输出出电电阻阻的的多多级级直直接接耦耦合合放放大大电电路路。由由于于早早期期它它主主要要用用于于模拟量的某些数学运算，故名模拟量的某些数学运算，故名运算放大器运算放大器，简称
2、，简称集成运放集成运放。3.1 集成运算放大器集成运算放大器3.1.1 集成运放的特点集成运放的特点 所所有有元元器器件件处处于于同同一一晶晶片片上上，由由同同一一工工艺艺做做成成，易易做做到到电电气气特特性性对对称称，温温度度特特性性一一致致，适适于于制制造造对对称称性性高高的的电电路。因此路。因此 ，容易制成温度漂移很小的运算放大器。容易制成温度漂移很小的运算放大器。 在在集集成成运运放放中中常常用用晶晶体体管管恒恒流流源源代代替替电电阻阻。必必须须用用的的高高阻值电阻，常采用外接方式。阻值电阻，常采用外接方式。 集集成成运运放放各各级级之之间间的的连连接接多多采采用用直直接接耦耦合合方方
3、式式，基基本本上上不不采采用用电电容容元元件件。必必须须使使用用电电容容器器的的场场合合，也也常常采采用用外外接接方方式。式。 集集成成电电路路中中制制作作晶晶体体管管容容易易，二二极极管管通通常常是是用用晶晶体体管管的的基基极与集电极短接后的发射结来代替。极与集电极短接后的发射结来代替。3.1.2 集成运放的组成及主要参数集成运放的组成及主要参数1. 集成运放的组成集成运放的组成n集集成成运运放放通通常常由由4部部分分组组成成，即即输输入入级级、中中间间级级、输输出出级级及偏置电路，如图及偏置电路，如图3.1所示。所示。 图图3.1 集成运放组成框图集成运放组成框图（1）输输入入级级。输输入
4、入级级是是构构成成高高质质量量集集成成运运放放的的关关键键部部分分，通通常常由由具具有有恒恒流流源源的的双双端端输输入入、单单端端输输出出的的差差分分放放大大电电路路构构成成，其其目目的的是是为为了了抑抑制制放放大大电电路路的的零零点点漂漂移移，提提高高输输入入电阻。电阻。（2）中中间间级级。中中间间级级的的主主要要作作用用是是进进行行电电压压放放大大，通通常常采采用用共共射射（或或共共源源）放放大大电电路路，其其电电压压放放大大倍倍数数可可达达千千倍倍以以上。上。（3）输输出出级级。输输出出级级一一般般采采用用互互补补对对称称功功率率放放大大电电路路，要要求求其其输输出出电电阻阻小小，带带负
5、负载载能能力力强强。此此外外，输输出出级级还还带带有有保保护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。（4）偏偏置置电电路路。偏偏置置电电路路的的作作用用是是为为集集成成运运放放中中各各级级电电路路提提供供稳稳定定、合合适适的的偏偏置置电电流流，确确立立各各级级的的静静态态工工作作点点，一一般由各种恒流源电路构成。般由各种恒流源电路构成。n从从外外部部作作为为一一个个整整体体来来看看，集集成成运运放放是是一一个个双双端端输输入入、单单端端输输出出、具具有有高高输输入入电电阻阻、低低输输出出电电阻阻、高高差差模模放放大大倍倍数数和高共模抑制比的差分放大电路
6、，其电路符号如图和高共模抑制比的差分放大电路，其电路符号如图3.2所示。所示。 图图3.2 集成运放的电路符号集成运放的电路符号n其中其中u+端的输入电压与输出电压端的输入电压与输出电压uo同相，称为同相，称为同相输入端同相输入端；u-端的输入电压与输出电压端的输入电压与输出电压uo反相，称为反相输入端。反相，称为反相输入端。nAod是集成运放无外接反馈回路时的差模电压放大倍数，称是集成运放无外接反馈回路时的差模电压放大倍数，称为为开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数或或开环差模电压增益开环差模电压增益。2. 集成运放的主要参数集成运放的主要参数（1） 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大
7、倍数AodnAod是是指指集集成成运运放放在在没没有有外外接接反反馈馈回回路路时时的的差差模模电电压压放放大大倍数，即倍数，即Aod=uo/(u+-u-)。n它它体体现现了了集集成成运运放放的的电电压压放放大大能能力力，常常用用分分贝贝（dB）表表示示，Aod（dB）=20lg|Aod|。nAod值值越越大大越越稳稳定定，相相应应的的运运算算电电路路的的运运算算精精度度越越高高。所所以以，它它是是决决定定运运算算精精度度的的主主要要因因素素。理理想想条条件件下下，可可以以认认为为Aod。（2） 输入失调电压输入失调电压UIOn在在理理想想的的集集成成运运放放中中，当当输输入入电电压压ui=0时
8、时，输输出出电电压压uo应应为为零零。但但在在实实际际电电路路中中，ui=0时时，输输出出uo并并不不为为零零。如如果果要要使使uo=0，必必须须在在输输入入端端加加入入一一个个很很小小的的电电压压来来补补偿偿。这这个电压就是输入失调电压，用个电压就是输入失调电压，用UIO表示。表示。（3） 输入失调电流输入失调电流IIOn静静态态时时，流流入入集集成成运运放放两两个个输输入入端端的的电电流流之之差差称称为为输输入入失失调调电电流流，用用IIO表表示示。它它反反映映了了集集成成运运放放两两个个静静态态输输入入电电流流的的不不对对称称性性。IIO的的存存在在会会产产生生输输出出失失调调，因因而而
9、IIO的的值值越越小小越好。理想条件下，可以认为越好。理想条件下，可以认为IIO0。（4） 共模抑制比共模抑制比KCMRn共共模模抑抑制制比比KCMR等等于于差差模模放放大大倍倍数数与与共共模模放放大大倍倍数数之之比比的的绝绝对对值值，即即KCMR=Aod/Aoc，也也常常用用分分贝贝（dB）表表示示，其其数数值值为为20lgKCMR。KCMR值值越越大大，集集成成运运放放抑抑制制共共模模信信号号的的能能力力越越强强。它它一一般般应应大大于于80dB，理理想想条条件件下下，可可以以认认为为KCMR。（5） 差模输入电阻差模输入电阻ridn差差模模输输入入电电阻阻rid是是指指集集成成运运放放在
10、在输输入入差差模模信信号号时时的的输输入入电电阻阻。rid值值越越大大，集集成成运运放放向向信信号号源源取取的的电电流流越越小小。Rid一一般般应大于应大于2M，理想条件下，可以认为理想条件下，可以认为rid。（6） 最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmaxn集集成成运运放放对对共共模模信信号号有有抑抑制制能能力力，但但当当共共模模输输入入电电压压超超过过一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。n共共模模输输入入电电压压的的这这一一极极限限数数值值就就是是集集成成运运放放的的最最大大共共模模输输入入Uicmax。3.1.3 集成运放的理想模型
11、集成运放的理想模型n在在分分析析和和计计算算集集成成运运放放的的实实际际电电路路时时，为为了了使使问问题题的的分分析析简简化化，常常将将集集成成运运放放看看作作一一个个理理想想的的运运放放，即即把把运运放放的的各各项参数都理想化。项参数都理想化。n由由于于实实际际集集成成运运放放的的性性能能参参数数与与理理想想运运放放十十分分接接近近，所所以以在在分分析析计计算算时时用用理理想想运运放放代代替替实实际际运运放放所所引引起起的的误误差差并并不不大大，在在工工程程计计算算中中是是允允许许的的，并并且且可可以以使使问问题题的的分分析析和和计计算大为简化。算大为简化。集成运放的理想参数主要有：集成运放
12、的理想参数主要有： 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod=； 差模输入电阻差模输入电阻rid=； 输出电阻输出电阻ro=0； 共模抑制比共模抑制比KCMR=。n集集成成运运放放的的电电压压传传输输特特性性如如图图3.3所所示示，它它描描述述了了输输出出电电压压与输入电压之间的关系。与输入电压之间的关系。n该该传传输输特特性性分分为为线线性性区区和和非非线线性性区区（饱饱和和区区）。当当集集成成运运放放工工作作在在线线性性区区时时，输输出出电电压压uo与与输输入入电电压压ui(=u+-u-)是是一种线性关系，即一种线性关系，即uo=Aodui=Aod(u+ - u-) 图图3.3 集成
13、运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性n对对于于理理想想集集成成运运放放，由由于于Aod=，而而uo为为有有限限值值，所所以以当当两两个个输输入入端端之之间间加加无无穷穷小小的的电电压压时时，则则输输出出电电压压就就会会超超出出线线性性范范围围，即即uo不不是是正正向向最最大大电电压压+UOM，就就是是负负向向最最大大电压电压-UOM，而与输入电压而与输入电压ui的大小无关。的大小无关。n可近似认为：可近似认为： 当当ui0时，时，uo=+UOM；当当ui0时，时，uo=-UOM。n为了让集成运放能在线性区稳定工作，应在它的输出端与为了让集成运放能在线性区稳定工作，应在它的输出端与反相输入端
14、之间加接反馈网络来构成闭环工作状态，即通反相输入端之间加接反馈网络来构成闭环工作状态，即通过引入深度电压负反馈来限制其电压放大倍数，过引入深度电压负反馈来限制其电压放大倍数，如图如图3.4所所示。示。 图图3.4 集成运放引入负反馈集成运放引入负反馈n对对于于工工作作在在线线性性区区的的理理想想运运放放，利利用用其其理理想想参参数数可可以以引引出出以下以下两个重要概念两个重要概念： 因因rid=，故故有有i+=i-=0，即即理理想想运运放放的的两两个个输输入入端端的的输输入入电电流流为为零零。由由于于两两个个输输入入端端并并非非开开路路而而电电流流为为零零，这这就就是是两个输入端之间的两个输入
15、端之间的“虚断虚断”概念。概念。n 因因Aod=，而而uo为为有有限限值值，故故有有u+-u-=0，即即u+=u-，即即理理想想运运放放的的两两个个输输入入端端的的电电位位相相等等，但但又又不不是是短短路路，故故称为称为“虚短虚短”。n以以上上“虚虚断断”和和“虚虚短短”的的两两个个概概念念，看看上上去去似似乎乎是是矛矛盾盾的的，其其实实不不然然，“虚虚断断”是是对对理理想想运运放放的的输输入入电电阻阻无无限限大大而而言言，而而“虚短虚短”是对理想运放的开环电压增益无限大来说的。是对理想运放的开环电压增益无限大来说的。n此此外外，对对于于理理想想运运放放，如如果果信信号号从从反反相相输输入入端
16、端输输入入，而而同同相相输输入入端端接接地地，即即u+=0，基基于于“虚虚短短”的的概概念念，必必有有u-=0，即反相输入端的电位为即反相输入端的电位为“地地”电位，通常称之为电位，通常称之为“虚地虚地”。n以上概念是分析理想运放线性应用时的基本依据。以上概念是分析理想运放线性应用时的基本依据。例例3.1 集成运放集成运放CF741的开环差模电压放大倍数的开环差模电压放大倍数Aod=105，即即Aod=100dB，差差模模输输入入电电阻阻ri=2M，当当工工作作在在线线性性区区时时，若若输输出出电电压压uo=10V，求求输输入入端端应应加加的的差差模模信信号号电电压压的大小和输入电流。的大小和
17、输入电流。解解 (1) 输入电压输入电压ui=u+-u-=uo/Aod=0.1mV （2） 输入电流输入电流ii=ui/rid=0.05nAn可可见见，实实际际集集成成运运放放的的u+与与u-十十分分接接近近（本本例例仅仅为为0.1mV），输输入入电电流流ii极极小小（本本例例仅仅为为0.05nA），这这与与上上述述“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念是一致的。的概念是一致的。3.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈3.2.1反馈的基本概念反馈的基本概念1. 负反馈放大器框图负反馈放大器框图n把把放放大大电电路路的的输输出出信信号号（电电压压或或电电流流）的的一一部部分分或或大大部部分分，通
18、通过过某某种种电电路路（称称为为反反馈馈电电路路）送送回回输输入入端端，从从而而影影响响输输入入信信号号的的过过程程称称为为反反馈馈。反反馈馈到到输输入入端端的的信信号号称称为为反反馈馈信信号。号。n根根据据反反馈馈信信号号是是增增强强还还是是减减弱弱输输入入信信号号，反反馈馈又又分分为为正正反反馈馈和和负负反反馈馈两两大大类类。具具体体而而言言，如如果果反反馈馈信信号号对对输输入入信信号号起起增增强强作作用用，则则称称为为正正反反馈馈；如如果果反反馈馈信信号号对对输输入入信信号号起起消弱作用，则称为负反馈。消弱作用，则称为负反馈。n正正反反馈馈的的结结果果，导导致致输输入入信信号号增增强强，
19、输输出出信信号号相相应应增增大大，亦亦即使放大器的放大倍数增大。即使放大器的放大倍数增大。n正正反反馈馈常常用用在在振振荡荡电电路路中中。但但正正反反馈馈常常使使电电路路工工作作不不稳稳定定，使放大器的性能变差。使放大器的性能变差。n负负反反馈馈的的结结果果，使使放放大大器器的的放放大大倍倍数数减减小小，可可以以改改善善放放大大器器的性能，因此在放大电路中几乎都采用负反馈。的性能，因此在放大电路中几乎都采用负反馈。n如图如图3.5所示是负反馈放大电路的组成框图。所示是负反馈放大电路的组成框图。 图图3.5负反馈放大电路框图负反馈放大电路框图n由图可见，它由由图可见，它由基本放大电路、反馈网络和
20、比较环节基本放大电路、反馈网络和比较环节3部部分组成。分组成。n基本放大电路基本放大电路可以是单级或多级放大电路，实现信号从输可以是单级或多级放大电路，实现信号从输入端到输出端的正向传输，入端到输出端的正向传输，A是开环放大倍数；是开环放大倍数；n反馈网络反馈网络联系放大电路的输出和输入，一般由电阻元件组联系放大电路的输出和输入，一般由电阻元件组成，实现信号从输出端到输入端的反向传输，成，实现信号从输出端到输入端的反向传输，F是反馈网是反馈网络的反馈系数。络的反馈系数。nxi、xo、xf和和xd分别表示放大电路的外部输入信号、输出分别表示放大电路的外部输入信号、输出信号、反馈信号和基本放大电路
21、的净输入信号。它们既可信号、反馈信号和基本放大电路的净输入信号。它们既可以是电压信号，也可以是电流信号。信号的传递方向如图以是电压信号，也可以是电流信号。信号的传递方向如图中箭头所示。中箭头所示。n比较环节比较环节实现外部输入信号与反馈信号的叠加，以得到净实现外部输入信号与反馈信号的叠加，以得到净输入信号输入信号xd。2. 反馈基本关系式反馈基本关系式n在图在图3.5中，基本放大电路的净输入为中，基本放大电路的净输入为xd=xi-xfn反馈系数反馈系数F为反馈信号为反馈信号xf与输出信号与输出信号xo的比值，即的比值，即F=xf/xon无无反反馈馈的的开开环环放放大大倍倍数数或或开开环环增增益
22、益A是是输输出出信信号号xo与与净净输输入信号入信号xd的比值，即的比值，即A=xo/xdn有有反反馈馈的的放放大大倍倍数数Af称称为为闭闭环环放放大大倍倍数数或或闭闭环环增增益益，它它是是输出信号输出信号xo与输入信号与输入信号xi之比，即之比，即Af=xo/xin这这样样，可可以以得得出出反反馈馈放放大大电电路路中中的的闭闭环环放放大大倍倍数数Af与与开开环环放大倍数放大倍数A、反馈系数反馈系数F之间的基本关系式为之间的基本关系式为 Af=xo/xi=xo/(xd+xf)=xo/(xd+Fxo) =(xo/xd)/(1+Fxo/xd)=A/(1+FA) （3-1) 1+FA|称为反馈深度。
23、称为反馈深度。n从上式可以看到，若从上式可以看到，若|1+FA|1，则有则有|Af|A|，说明引入说明引入反馈后，由于净输入信号的减小，使放大倍数降低了，引反馈后，由于净输入信号的减小，使放大倍数降低了，引入的是负反馈，且反馈深度的值越大，负反馈的作用越强；入的是负反馈，且反馈深度的值越大，负反馈的作用越强；n若若|1+FA|1，则有则有|Af|A|，说明引入反馈后，由于净输说明引入反馈后，由于净输入信号的增强，使放大倍数增大了，引入的是正反馈。入信号的增强，使放大倍数增大了，引入的是正反馈。 3. 反馈极性判别法反馈极性判别法n反反馈馈的的正正、负负极极性性（正正反反馈馈、负负反反馈馈）通通
24、常常可可采采用用瞬瞬时时极极性法性法来判别。来判别。n采采用用这这种种方方法法判判别别反反馈馈的的正正、负负极极性性时时，可可先先任任意意设设定定输输入入信信号号的的极极性性为为正正或或为为负负，并并以以+或或-来来标标记记，然然后后沿沿反反馈馈环环路路逐逐步步确确定定反反馈馈信信号号的的瞬瞬时时极极性性，最最后后根根据据对对输输入入信信号号的作用是增强还是消弱，即可确定反馈极性。的作用是增强还是消弱，即可确定反馈极性。n例例如如，对对于于图图3.6（a）所所示示的的集集成成运运放放，设设输输入入信信号号ui为为正正（标标以以+），则则输输出出信信号号uo的的瞬瞬时时极极性性为为负负（标标以以
25、-），经经电电阻阻Rf返返送送到到同同相相输输入入端端，反反馈馈信信号号uf的的瞬瞬时时极极性性为为负负（标以（标以-）。）。n这这样样，净净输输入入信信号号ud=ui-uf与与没没有有反反馈馈时时相相比比增增大大了了，即即反馈信号增强了输入信号的作用，所以可确定为正反馈。反馈信号增强了输入信号的作用，所以可确定为正反馈。n用用同同样样方方法法可可判判断断图图3.6（b）所所示示集集成成运运放放引引入入的的是是负负反反馈。馈。图图3.6 反馈极性判别举例反馈极性判别举例3.2.2 负反馈的基本类型及其判别负反馈的基本类型及其判别n按按反反馈馈电电路路与与放放大大电电路路输输出出端端连连接接方方
26、式式的的不不同同，即即根根据据反反馈馈信信号号是是取取自自输输出出电电压压还还是是取取自自输输出出电电流流，可可将将反反馈馈分分为为电压反馈电压反馈和和电流反馈电流反馈。n电压反馈的反馈信号电压反馈的反馈信号xf取自输出电压取自输出电压uo,xf与与uo成正比；成正比；n电流反馈的反馈信号电流反馈的反馈信号xf取自输出电流取自输出电流io，xf与与io成正比。成正比。n按按反反馈馈电电路路与与放放大大电电路路输输入入端端连连接接方方式式的的不不同同，可可将将反反馈馈分为分为串联反馈串联反馈和和并联反馈并联反馈。n串串联联反反馈馈的的反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号以以电电压压串串联联方方式
27、式叠叠加加，即即ud=ui-uf，以得到放大电路的净输入电压以得到放大电路的净输入电压ud。n并并联联反反馈馈的的反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号以以电电流流并并联联方方式式叠叠加加，即即id=ii-if，以得到放大电路的净输入电流以得到放大电路的净输入电流id。n根根据据以以上上分分析析，有有4种种类类型型的的负负反反馈馈，即即电电压压串串联联负负反反馈馈、电压并联负反馈电压并联负反馈、电流串联负反馈电流串联负反馈、电流并联负反馈电流并联负反馈。n由由集集成成运运放放构构成成的的4种种不不同同类类型型的的负负反反馈馈放放大大电电路路如如图图3.7所示。所示。图图3.7 4种负反馈放大电路
28、种负反馈放大电路n电电压压反反馈馈和和电电流流反反馈馈的的判判别别，可可假假想想将将放放大大电电路路的的输输出出端端交交流流短短路路，即即令令uo=0，若若反反馈馈信信号号不不复复存存在在，则则为为电电压压反反馈，否则为电流反馈。馈，否则为电流反馈。n例例如如，在在图图3.7（a）所所示示的的集集成成运运放放中中，当当输输出出端端交交流流短短路路时时，反反馈馈电电阻阻Rf一一端端直直接接接接地地，反反馈馈电电压压uf=0，即即反反馈馈信信号号消消失失，所所以以为为电电压压反反馈馈；而而在在图图3.7（c）所所示示的的电电路路中中，当当将将其其输输出出端端交交流流短短路路时时，虽虽然然uo=0，
29、但但输输出出电电流流io仍仍随随输输入入信信号号而而改改变变，在在电电阻阻R上上仍仍会会产产生生反反馈馈电电压压uf，所以可判定该电路引入的是电流反馈。所以可判定该电路引入的是电流反馈。n用用同同样样方方法法可可判判定定图图3.7（b）所所示示电电路路引引入入的的是是电电压压反反馈馈，而图而图3.7（d）所示电路引入的是电流反馈。所示电路引入的是电流反馈。n串串联联反反馈馈和和并并联联反反馈馈可可以以根根据据电电路路结结构构进进行行判判别别，即即当当反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号接接在在放放大大电电路路的的同同一一个个输输入入端端（另另一一个个输输入入端端往往往往是是接接地地点点）时时，
30、通通常常可可判判定定为为并并联联反反馈馈；而而当当反反馈馈信信号号和和输输入入信信号号接接在在放放大大电电路路的的不不同同输输入入端端时时，一一般般可判定为可判定为串联反馈串联反馈。n例如，在例如，在图图3.7（a）和图和图3.7（c）所示的集成运放中，输所示的集成运放中，输入信号入信号ui加在同相输入端，而反馈信号加在同相输入端，而反馈信号uf却加在反相输入却加在反相输入端，不在同一输入端，故为端，不在同一输入端，故为串联反馈串联反馈；而对于；而对于图图3.7（b）和图和图3.7（d）所示的集成运放，输入信号所示的集成运放，输入信号ui加在了反相输加在了反相输入端，而输出信号经电阻入端，而输
31、出信号经电阻Rf也反馈到反相输入端，在同一也反馈到反相输入端，在同一个输入端，所以为个输入端，所以为并联反馈。并联反馈。 3.2.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响1. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性n晶晶体体管管和和电电路路其其他他元元件件参参数数的的变变化化以以及及环环境境温温度度的的影影响响等等因因素素，都都会会引引起起放放大大电电路路放放大大倍倍数数的的变变化化，但但如如果果这这种种变变化的相对值较小，则说明其稳定性较高。化的相对值较小，则说明其稳定性较高。n设设放放大大电电路路无无反反馈馈（开开环环）时时的的放放大大倍倍数数为为A，由由于于外外界界因素
32、变化引起放大倍数的变化为因素变化引起放大倍数的变化为dA，其相对变化为其相对变化为dA/A。n引引入入负负反反馈馈后后（闭闭环环）的的放放大大倍倍数数为为Af，则则放放大大倍倍数数的的相相对变化为对变化为dAf/Af。n前面已推出反馈放大电路中的基本关系式为前面已推出反馈放大电路中的基本关系式为 Af=A/(1+AF) （3-2）n式（式（3-2）对）对A求导，得求导，得dAf/dA=(1+AF)-AF/(1+AF)2 =1/(1+AF)2=Af/A1/(1+AF)n或或 dAf/Af=1/(1+AF)dA/A （3-3）n上上述述结结果果表表明明，在在引引入入负负反反馈馈后后，虽虽然然放放大
33、大倍倍数数从从A减减小小到到Af，降降低低了了（1+AF）倍倍，但但当当外外界界有有相相同同的的变变化化时时，放放大大倍倍数数的的相相对对变变化化dAf/Af却却只只有有无无负负反反馈馈时时1/（1+AF），可见负反馈放大电路的放大倍数稳定性提高了。可见负反馈放大电路的放大倍数稳定性提高了。n负负反反馈馈越越深深，放放大大倍倍数数越越稳稳定定。在在深深度度负负反反馈馈条条件件下下，即即1+AF1时，有时，有 Af=A/(1+AF)1/F （3-4）n式（式（3-4）表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反）表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数馈系数F，而与开环放大倍数而与开环放大倍数
34、A无关。无关。 例例3.2 已已知知一一个个负负反反馈馈放放大大器器的的开开环环放放大大倍倍数数A=100，反反馈馈系系数数F=0.05，如如果果A产产生生30%的的变变化化（即即A可可能能低低到到70，高高到到130），那么闭环放大倍数），那么闭环放大倍数Af的相对变化量是多少？的相对变化量是多少？解解 Af的的相相对对变变化化量量为为dAf/Af=1/(1+AF)dA/A=5%，即即在在开开环环放放大大倍倍数数A变变化化30%的的情情况况下下，闭闭环环放放大大倍倍数数Af只只变变化化了了5%，说说明明引引入入负负反反馈馈后后使使放放大大器器的的放放大大倍倍数数稳稳定定性得到很大程度的改善。
35、性得到很大程度的改善。2. 减小非线性失真减小非线性失真n由由于于放放大大电电路路中中存存在在晶晶体体管管、场场效效应应管管等等非非线线性性元元件件，所所以以对对于于一一个个无无负负反反馈馈的的放放大大电电路路来来说说，即即使使设设置置了了合合适适的的静静态态工工作作点点，也也会会产产生生非非线线性性失失真真。当当输输入入信信号号为为正正弦弦波波时时，输输出出信信号号很很可可能能不不是是正正弦弦波波，比比如如产产生生了了正正半半周周大大而而负半周小的失真信号，如图负半周小的失真信号，如图3.8所示。所示。n引引入入负负反反馈馈可可以以使使非非线线性性失失真真减减小小。因因为为引引入入负负反反馈
36、馈后后，这这种种失失真真了了的的输输出出信信号号经经反反馈馈网网络络又又送送回回到到输输入入端端，与与输输入入信信号号反反相相叠叠加加，得得到到了了正正半半周周小小而而负负半半周周大大的的净净输输入入信信号号，这这样样正正好好弥弥补补了了放放大大电电路路的的失失真真，使使输输出出信信号号比比较较接接近于正弦波，如图近于正弦波，如图3.8（b）所示。所示。 图图3.8 负反馈减小非线性失真示意图负反馈减小非线性失真示意图3. 扩展通频带扩展通频带n频频带带宽宽度度是是放放大大电电路路的的技技术术指指标标之之一一。在在某某些些场场合合下下，往往往往要要求求放放大大电电路路要要有有较较宽宽的的频频带
37、带，引引入入负负反反馈馈是是展展宽宽频频带带的一项有效措施。的一项有效措施。n由由于于在在深深度度负负反反馈馈时时，Af=1/(1+AF)1/F，此此时时放放大大器器的的闭闭环环放放大大倍倍数数只只与与反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数有有关关。如如果果反反馈馈网网络络里里不不含含有有L、C等等电电抗抗元元件件，而而仅仅由由若若干干电电阻阻构构成成，则则可可近近似似地地认认为为反反馈馈放放大大器器的的放放大大倍倍数数为为一一常常数数，即即可可使使放放大器的频带增宽。大器的频带增宽。4. 负反馈对输入电阻和输出电阻的影响负反馈对输入电阻和输出电阻的影响n负负反反馈馈对对放放大大电电路路输输入入
38、电电阻阻和和输输出出电电阻阻的的影影响响因因反反馈馈方方式式而异，下面分别予以说明。而异，下面分别予以说明。（1） 电压负反馈降低输出电阻电压负反馈降低输出电阻n电电压压负负反反馈馈能能稳稳定定输输出出电电压压，说说明明电电压压负负反反馈馈放放大大电电路路能能在在负负载载变变动动时时使使输输出出电电压压基基本本不不变变，具具有有恒恒压压输输出出特特性性。而而输输出出电电压压恒恒定定与与输输出出电电阻阻低低是是密密切切相相关关的的。显显然然，这这时时的的输输出出电电阻阻比比无无反反馈馈时时的的输输出出电电阻阻要要小小。反反馈馈越越深深，输输出出电阻减小越明显。电阻减小越明显。（2） 电流负反馈提
39、高输出电阻电流负反馈提高输出电阻n电电流流负负反反馈馈能能稳稳定定输输出出电电流流，说说明明电电流流负负反反馈馈放放大大电电路路能能在在负负载载变变动动时时使使输输出出电电流流基基本本不不变变，具具有有恒恒流流输输出出的的特特性性。这这点点只只有有在在放放大大电电路路的的输输出出电电阻阻比比无无电电流流负负反反馈馈时时的的输输出出电阻大很多时才能成交。反馈越深，输出电阻增高越多。电阻大很多时才能成交。反馈越深，输出电阻增高越多。（3） 串联负反馈提高输入电阻串联负反馈提高输入电阻n在在串串联联负负反反馈馈的的情情况况下下，由由于于反反馈馈网网络络和和输输入入回回路路串串联联，总总输输入入电电阻
40、阻为为基基本本放放大大电电路路本本身身的的输输入入电电阻阻和和反反馈馈网网络络的的等等效效电电阻阻两两部部分分串串联联相相加加，所所以以可可以以使使放放大大电电路路的的输输入入电电阻增大。阻增大。（4） 并联负反馈降低输入电阻并联负反馈降低输入电阻n在在并并联联负负反反馈馈的的情情况况下下，由由于于反反馈馈网网络络和和输输入入回回路路并并联联，总总输输入入电电阻阻为为基基本本放放大大电电路路本本身身的的输输入入电电阻阻和和反反馈馈网网络络的的等等效效电电阻阻两两部部分分并并联联，所所以以可可以以使使放放大大电电路路的的输输入入电电阻阻减减小。小。n在在实实际际电电路路设设计计中中，可可根根据据
41、对对输输入入电电阻阻和和输输出出电电阻阻的的具具体体要要求求，引引入入适适当当的的负负反反馈馈。例例如如，若若希希望望减减小小放放大大电电路路的的输输出出电电阻阻，可可引引入入电电压压负负反反馈馈；若若希希望望提提高高输输入入电电阻阻，可可引入串联负反馈等。引入串联负反馈等。3.3 集成运放的线性应用集成运放的线性应用3.3.1 比例运算电路比例运算电路1. 反相比例运算电路反相比例运算电路n反反相相比比例例运运算算电电路路如如图图3.9所所示示，输输入入信信号号ui经经电电阻阻R1送送到到反反相相输输入入端端，而而同同相相输输入入端端通通过过电电阻阻R2接接地地，反反馈馈电电阻阻Rf跨跨接接
42、在在输输出出端端和和反反相相输输入入端端之之间间，形形成成深深度度电电压压并并联联负负反馈。反馈。 图图3.9 反相比例运算电路反相比例运算电路n根根据据前前面面介介绍绍的的分分析析理理想想运运放放工工作作在在线线性性区区的的两两个个重重要要概概念，可知念，可知因为因为 i+=i-=0 （“虚断虚断”概念）概念）所以所以 i1=if以及以及 u+=u-=0 （“虚地虚地”概念）概念）n由图由图3.9可得可得 i1=(ui-u-)/R1=ui/R1 （3-5） if=u-uo/Rf=-uo/Rf （3-6）n所以闭环电压放大倍数为所以闭环电压放大倍数为 Af=uo/ui=-Rf/R1 （3-7）
43、n式式（3-7）表表明明，输输出出电电压压与与输输入入电电压压是是一一种种比比例例运运算算关关系，或者说是比例放大的关系。系，或者说是比例放大的关系。n比比例例系系数数只只取取决决于于电电阻阻Rf与与R1的的比比值值，而而与与集集成成运运放放本本身身的的参参数数无无关关。选选用用不不同同的的Rf与与R1的的电电阻阻比比值值，即即可可得得到到数数值不同的闭环电压放大倍数。值不同的闭环电压放大倍数。n由由于于电电阻阻的的精精度度和和稳稳定定性性可可以以做做得得很很高高，所所以以闭闭环环电电压压放放大倍数的精度和稳定性也是很高的。大倍数的精度和稳定性也是很高的。n式式（3-7）中中的的负负号号表表示
44、示uo与与ui反反相相，所所以以这这种种电电路路称称为为反反相比例运算电路相比例运算电路。nR2是是平平衡衡电电阻阻，其其作作用用是是保保证证运运算算放放大大器器差差动动输输入入级级输输入入端端静静态态电电路路的的平平衡衡。为为了了保保持持运运算算放放大大器器输输入入电电路路的的对对称称结结构构，由由反反相相输输入入端端向向左左（向向外外）看看去去的的等等效效电电阻阻（R1Rf）应应等等于于由由同同相相输输入入端端向向左左看看去去的的等等效效电电阻阻R2，即应即应R2=R1Rf。n在如图在如图3.9所示的电路中，若所示的电路中，若Rf=R1，则有则有Af=uo/ui=-Rf/R1=-1 这种运
45、算放大电路这种运算放大电路称为反相器，也称反号器称为反相器，也称反号器。 例例 3.3在在 图图 3.9所所 示示 的的 反反 相相 比比 例例 运运 算算 电电 路路 中中 ， 设设R1=10k,Rf=30k，求求Af;如果如果ui=-1V，则则uo为多大？为多大？解解 Af=-Rf/R1=-30/10=-3 uo=Afui=(-3)(-1)=3(V)2. 同相比例运算电路同相比例运算电路n同同相相比比例例运运算算电电路路如如图图3.10所所示示，输输入入信信号号ui经经电电阻阻R2送送到到同同相相输输入入端端，而而反反相相输输入入端端经经电电阻阻R1接接地地，反反馈馈电电阻阻Rf跨接在输出
46、端和反相输入端之间。跨接在输出端和反相输入端之间。n根据分析理想运放工作在线性区的两个重要概念，可知：根据分析理想运放工作在线性区的两个重要概念，可知： i+=i-=0 (“虚断虚断”概念概念)n所以所以 i1=ifn又因为又因为i+=0，故电阻故电阻R2上无电压降，所以：上无电压降，所以： u-=u+=ui图图3.10 同相比例运算电路同相比例运算电路n由图由图3.10可列出：可列出： i1=(0-u-)/R1=-ui/R1 （3-8） if=(u- -uo)/Rf=(ui-uo)/Rf（3-9）n由此可得由此可得 uo=(1+Rf/R1)ui （3-10）n所以闭环电压放大倍数为所以闭环电
47、压放大倍数为 Af=uo/ui=1+Rf/R1 （3-11）n在在式式（3-11）中中，Af为为正正值值，表表示示uo与与ui同同相相，并并且且Af总总是是大大于于或或等等于于1，不不会会小小于于1，这这点点和和反反相相比比例例运运算算电电路路不不同。同。nR2为为平平衡衡电电阻阻。与与反反相相比比例例运运算算电电路路一一样样，为为了了提提高高输输入入级差动电路的对称性，应使级差动电路的对称性，应使R2=R1Rf。n另另外外，在在图图3.10中中，如如果果将将反反相相输输入入端端的的外外接接电电阻阻R1去去掉掉（使使R1=），并并且且再再将将Rf和和R2分分别别短短路路（使使R2=Rf=0），
48、那么将得到如图那么将得到如图3.11所示的电路，其中：所示的电路，其中： uo=uiAf=uo/u1=1 图图3.11 电压跟随器电压跟随器n图图3.11所示电路的输出电压与输入电压大小相等，相位相所示电路的输出电压与输入电压大小相等，相位相同，故称同，故称电压跟随器电压跟随器。它是同相比例运算电路的一个特例，。它是同相比例运算电路的一个特例，常用作缓冲器。常用作缓冲器。例例3.4 在在如如图图3.12所所示示的的同同相相比比例例运运算算电电路路中中，已已知知R1=200k，Rf=200k，ui=1V，求求开开环环电电压压放放大大倍倍数数Af和输出电压和输出电压uo，该电路的该电路的R2阻值应
49、选多大？阻值应选多大？图图3.12 例例3.4的电路的电路解解 n开环电压放大倍数为开环电压放大倍数为Af=1+Rf/R1=1+200/200=2n输出电压输出电压uo为为uo=Afui=21V=2VnR2的阻值应选为的阻值应选为R2=R1Rf=200200=100(k)3.3.2 加法和减法运算电路加法和减法运算电路1. 加法运算电路加法运算电路n如如果果在在如如图图3.9所所示示的的反反相相比比例例运运算算电电路路的的基基础础上上，在在其其反反相相输输入入端端增增加加若若干干输输入入电电路路，则则可可构构成成反反相相加加法法运运算算电电路路，能能够够实实现现对对多多个个输输入入信信号号的的
50、按按比比例例加加法法运运算算，具具体体电电路路如如图图3.13所示。所示。n在在图图3.13中中，由由于于反反相相输输入入端端为为“虚虚地地”（即即u-=u+=0），所以有所以有i11=ui1/R11 i12=ui2/R12i13=ui3/R13n根据根据“虚断虚断”的概念（的概念（i+=i-=0），），得节点得节点N的电流方程为的电流方程为 if=(0-uo)/Rf=i11+i12+i13 图图3.13 加法运算电路加法运算电路n由上列各式可得由上列各式可得uo=-(Rf/R11)ui1+(Rf/R12)ui2+(Rf/R13)ui3 （3-12）n当当R11=R12=R13=R1时，则式（
51、时，则式（3-12）为）为 uo=-(Rf/R1)(ui1+ui2+ui3) （3-13）n当当R1=Rf时，则时，则 uo=-(ui1+ui2+ui3) (3-14）n可可见见输输出出电电压压与与三三个个输输入入电电压压之之间间是是一一种种按按比比例例加加法法运运算算关关系系。同同前前述述比比例例运运算算电电路路一一样样， uo与与ui之之间间的的运运算算关关系系也也与与运运算算放放大大器器本本身身的的参参数数无无关关，只只要要电电阻阻阻阻值值足足够够精精确确，就可保证加法运算的精度和稳定性。就可保证加法运算的精度和稳定性。nR2为平衡电阻。在图为平衡电阻。在图3.13中，中，R2=R11R
52、12R13Rf 。例例3.5 已知反相加法运算电路的运算关系为已知反相加法运算电路的运算关系为 uo=-(4ui1+2ui2+ui3)并并已已知知Rf=100k，试试选选择择各各输输入入电电路路的的电电阻阻及及平平衡衡电电阻阻R2的阻值。的阻值。解解 由反相加法运算电路的输入输出关系式：由反相加法运算电路的输入输出关系式： uo=-Rf/R11ui1+Rf/R12ui2+Rf/R13ui3n可得可得 R11=Rf/4=25k R12=Rf/2=50k R13=Rf/1=100k R2=R11R12R13Rf=12.5k 2. 减法运算电路减法运算电路n减减法法运运算算电电路路也也称称差差分分输
53、输入入运运算算电电路路，在在测测量量和和控控制制系系统统中中应应用用很很广广泛泛，它它的的两两个个输输入入端端都都有有信信号号输输入入，其其运运算算电电路路如如图图3.14所所示示。由由于于该该电电路路为为线线性性应应用用电电路路，所所以以可可以以应用叠加原理来分析。应用叠加原理来分析。n当当ui1单单独独作作用用于于集集成成运运放放时时，该该电电路路就就是是一一个个反反相相比比例例运算电路，所以运算电路，所以uo1为为uo1=-（Rf/R1）ui1 （3-15）当当ui2单单独独作作用用于于集集成成运运放放时时，则则该该电电路路可可以以看看作作由由R2、R3构成的电阻分压器和同相比例运算电路
54、两部分组成。构成的电阻分压器和同相比例运算电路两部分组成。 图图3.14 减法运算电路减法运算电路所以所以 ，uo2=（1+Rf/R1）R3/（R2+R3）ui2 （3-16）n当当ui1和和ui2同同时时作作用用于于集集成成运运放放时时，其其输输出出电电压压uo为为uo1和和uo2两者叠加，即两者叠加，即 uo=uo1+uo2=(1+Rf/R1)R3/(R2+R3)ui2-(Rf/R1)ui1 （3-17）n当当R1=R2和和Rf=R3时，则式（时，则式（3-17）为）为 uo=（Rf/R1)(ui2-ui1) （3-18）n当当R1=Rf时，则时，则为为uo=ui2-ui1 （3-19）n
55、由（由（3-18）和（）和（3-19）两式可见，该电路）两式可见，该电路可作为减法器使可作为减法器使用。用。 3.3.3 积分和微分运算电路积分和微分运算电路1. 积分运算电路积分运算电路n将将如如图图3.9所所示示的的反反相相比比例例运运算算电电路路的的反反馈馈电电阻阻Rf换换成成电电容容Cf作为反馈元件，就成为积分运算电路，如图作为反馈元件，就成为积分运算电路，如图3.15所示。所示。图图3.15 积分运算电路积分运算电路n根据分析理想运放工作在线性区的两个重要概念，可知：根据分析理想运放工作在线性区的两个重要概念，可知： u-=u+=0 （“虚地虚地”概念）概念）i-=i+=0 （“虚断
56、虚断”概念）概念）n所以：所以： if=i1=ui/R1 （3-20） uo=-uC=-1/Cfifdt=-1/(R1Cf)uidt （3-21）n上上式式表表明明输输出出电电压压uo与与输输入入电电压压ui之之间间为为积积分分运运算算关关系系。式中式中R1Cf为积分时间常数为积分时间常数。n当输入为如图当输入为如图3.16（a）所示的阶跃电压（所示的阶跃电压（ui=Ui）时，则时，则 uo=-Ui/(R1Cf)t （3-22）n输输出出电电压压uo是是时时间间t的的一一次次函函数数。随随着着时时间间的的增增长长，uo最最后后将达到负向饱和值将达到负向饱和值-UOM，如图如图3.16（b）所示
57、。所示。图图3.16 输入为阶跃信号时的输出电压波形输入为阶跃信号时的输出电压波形例例3.6 在在某某积积分分运运算算电电路路中中，已已知知反反馈馈电电容容Cf=10F，请请根根据据输输出出与与输输入入电电压压关关系系式式uo=-10uidt确确定定该该积积分分运运算算电电路路中中输入电阻输入电阻R1和和R2的阻值。的阻值。解解n由由 1/(R1Cf)=10，可得可得 R1=(1/10)Cf=1/(101010-6 ) =10k R2=R1=10k2. 微分运算电路微分运算电路n将将积积分分运运算算电电路路的的反反相相输输入入端端电电阻阻和和反反馈馈电电容容调调换换位位置置，并并相相应应地地改
58、改变变电电阻阻值值和和电电容容值值，就就可可以以成成为为微微分分运运算算电电路路，如如图图3.17所所示示。在在图图3.17所所示示的的微微分分运运算算电电路路中中，由由于于反反相相输输入入端端虚虚地地（u-=u+=0）且且i+=i-=0（虚虚断断），所所以以可可列列出：出： i1=C(duC/dt)=C(dui/dt) (因为因为u-=0) uo=-ifRf =-i1Rf （因为因为i-=0）n由此可得由此可得uo=-RfC(dui/dt) （3-23）n即即输输出出电电压压uo与与输输入入电电压压对对时时间间的的微微分分成成正正比比。式式中中RfC为微分时间常数为微分时间常数。n当当输输入
59、入ui为为阶阶跃跃电电压压信信号号时时，输输出出uo为为尖尖峰峰电电压压，如如图图3.18所示。所示。 图图3.17 微分运算电路微分运算电路 图图3.18 输入为阶跃信号时的输出响应波形输入为阶跃信号时的输出响应波形 3.4 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用n集集成成运运放放工工作作在在开开环环或或正正反反馈馈状状态态下下或或有有外外接接非非线线性性元元件件时时的的应应用用，即即为为集集成成运运放放的的非非线线性性应应用用，此此时时运运放放的的传传输输特性呈现非线性。特性呈现非线性。n由由于于集集成成运运放放的的开开环环电电压压放放大大倍倍数数A很很高高，所所以以若若不不加加负负反反
60、馈馈电电路路，按按照照uo=Aui=A(u+-u-)的的关关系系，只只要要同同相相输输入入端端的的电电位位u+稍稍微微高高于于反反相相输输入入端端的的电电位位u-，就就会会超超出出线线性性工工作作范范围围，输输出出电电压压uo立立即即达达到到正正饱饱和和值值+UOM；反反之之，只要只要u+稍微低于稍微低于u-，uo立即达到负饱和值立即达到负饱和值-UOM。3.4.1 零电压比较器零电压比较器n一一个个反反相相输输入入的的零零电电压压比比较较器器如如图图3.19（a）所所示示。由由图图可可见见，它它是是一一个个工工作作在在开开环环状状态态下下的的运运算算放放大大器器，输输入入信信号号ui接接在在
61、反反相相输输入入端端，基基准准电电压压UR接接在在同同相相输输入入端端，零零电电压压比较器的基准电压比较器的基准电压UR=0。图图3.19 零电压比较器的电路及传输特性零电压比较器的电路及传输特性n当当ui稍稍低低于于基基准准电电压压零零时时，由由于于运运算算放放大大器器处处于于开开环环状状态态，其其电电压压放放大大倍倍数数很很高高，输输出出电电压压将将达达到到最最大大正正值值+UOM；当当ui稍稍高高于于零零时时，输输出出电电压压即即转转变变为为最最大大负负值值-UOM。只只有有当当ui近似等于零时，运算放大器才处于放大状态。近似等于零时，运算放大器才处于放大状态。n描描述述输输出出电电压压
62、与与输输入入电电压压之之间间关关系系的的电电压压传传输输特特性性如如图图3.19（b）所所示示。根根据据零零电电压压比比较较器器输输出出电电压压的的极极性性，可可以以判判断断输输入入信信号号是是大大于于零零还还是是小小于于零零，所所以以常常用用作作信信号号电电压过零检测器。压过零检测器。n当当ui为为正正弦弦波波电电压压时时，输输出出电电压压为为方方波波，如如图图3.20所所示示。方方波波频频率率由由输输入入正正弦弦波波电电压压的的频频率率决决定定，幅幅度度由由运运算算放放大大器的供电电源决定。器的供电电源决定。图图3.20 正弦波转换为方波电压正弦波转换为方波电压n同同相相输输入入的的零零电
63、电压压比比较较器器，是是将将同同相相输输入入端端接接输输入入信信号号ui，反反相相输输入入端端接接地地（基基准准电电压压UR=0），其其电电路路图图及及电电压压传传输特性输特性如图如图3.21所示所示。图图3.21 同相输入零电压比较器同相输入零电压比较器3.4.2 任意电压比较器任意电压比较器n 若若电电压压比比较较器器的的基基准准电电压压不不为为零零，而而是是某某一一数数值值UREF，则则构构成成如如图图3.22（a）所所示示的的任任意意电电压压比比较较器器，也也称称单单限限电电压压比比较较器器。如如果果将将基基准准电电压压接接在在反反相相输输入入端端，输输入入信信号号接接在在同同相相输输
64、入入端端，当当输输入入信信号号uiUREF时时，则则uo=+UOM；当当输入信号输入信号uiUREF时，则时，则uo=-UOM。n 在在电电压压比比较较器器中中，使使输输出出电电压压uo从从高高电电平平跃跃变变为为低低电电平平或或从从低低电电平平跃跃变变为为高高电电平平的的输输入入电电压压称称为为阈阈值值电电平平，或或门门限限电压电压，记作，记作UT。n例例如如,图图3.22（a）所所示示电电压压比比较较器器的的阈阈值值电电压压为为UT=UREF。这这种种电电压压比比较较器器的的特特点点是是，输输入入信信号号每每次次经经过过基基准准电电压压UREF时输出都要跳变，其电压传输特性如图时输出都要跳
65、变，其电压传输特性如图3.22（b）所示。所示。图图3.22 任意电压比较器的电路图及电压传输特性任意电压比较器的电路图及电压传输特性n另另外外，在在实实际际应应用用中中，为为了了便便于于与与运运放放的的输输出出端端所所接接负负载载的的电电平平相相匹匹配配，常常在在电电压压比比较较器器的的输输出出端端接接入入双双向向限限幅幅电电路，以限定运放输出电压的幅值，路，以限定运放输出电压的幅值，如图如图3.23（a）所示所示。n 图图中中DZ为为起起限限幅幅作作用用的的双双向向稳稳压压管管，UZ为为其其单单向向稳稳定定电电压压值值，R是是限限幅幅电电阻阻。在在限限幅幅电电路路的的作作用用下下，当当输输
66、入入信信号号uiUREF时时，则则uo=+UZ；当当输输入入信信号号uiUREF时时，则则uo=-UZ。其电压传输特性其电压传输特性如图如图3.23（b）所示所示。图图3.23 具有输出限幅功能的电压比较器具有输出限幅功能的电压比较器3.4.3 滞回比较器滞回比较器n零零电电压压比比较较器器及及任任意意电电压压比比较较器器均均属属简简单单电电压压比比较较器器，它它们们的的特特点点是是电电路路简简单单、灵灵敏敏度度高高，但但这这类类电电路路的的缺缺点点是是抗抗干干扰扰能能力力差差，当当输输入入电电压压信信号号接接近近阈阈值值电电压压时时，很很容容易易因因微小的干扰信号而发生输出电压的误跳变。微小
67、的干扰信号而发生输出电压的误跳变。n为为了了克克服服这这一一缺缺点点，应应使使电电路路具具有有滞滞回回的的输输出出特特性性，提提高高抗抗干干扰扰能能力力，如如图图3.24（a）所所示示是是一一个个滞滞回回比比较较器器电电路路，输输入入电电压压ui通通过过电电阻阻R1从从反反相相输输入入端端输输入入，同同相相输输入入端端通通过过电电阻阻R2接接地地，反反馈馈电电阻阻Rf跨跨接接在在同同相相输输入入端端与与输输出出端端之之间间，根根据据瞬瞬时时极极性性法法可可知知该该电电路路引引入入了了正正反反馈馈。输输出出端端所所接双向稳压管接双向稳压管DZ实现对输出电压的双向限幅。实现对输出电压的双向限幅。n
68、图图3.24（b）是是该该电电路路的的电电压压传传输输特特性性。滞滞回回比比较较器器又又称称为为施密特（施密特（Schmitt）触发器。触发器。图图3.24 滞回比较器及其电压传输特性滞回比较器及其电压传输特性n设设滞滞回回比比较较器器初初始始状状态态uo=+UZ，此此时时同同相相输输入入端端的的电电压压为为UT1=R2/(R2+Rf)uo=R2/(R2+Rf)UZ （3-24）n当当输输入入电电压压ui由由低低向向高高变变化化至至uiUT1时时，滞滞回回比比较较器器的的输输出出电电压压uo由由+UZ跳跳变变至至-UZ，其其转转换换过过程程如如图图3.24（b）中中传输特性的传输特性的abc连
69、线所示，此时同相输入端的电压变为连线所示，此时同相输入端的电压变为UT2=R2/R2+Rfuo=-R2/(R2+Rf)UZ （3-25）n当当输输入入电电压压ui由由高高向向低低变变化化至至uiUT2时时，滞滞回回比比较较器器的的输输出出电电压压uo由由-UZ跳跳变变至至+UZ，其其转转换换过过程程如如图图3.24（b）中中传传输输特特性性的的cda连连线线所所示示，此此时时同同相相输输入入端端的的电电压压又又变变为为UT1。nUT1称称为为上上门门限限电电压压，UT2称称为为下下门门限限电电压压，两两者者的的差差值值称称为回差电压，用为回差电压，用UT 表示，即表示，即UT=UT1-UT2=
70、2R2/(/(R2+Rf)UZ （3-26）n由由此此可可见见，由由于于有有两两个个门门限限电电压压，即即存存在在回回差差电电压压，所所以以滞滞回回比比较较器器的的输输入入信信号号必必须须反反向向变变化化并并的的确确有有回回差差电电压压这这个变化量时，比较器输出才能发生翻转。个变化量时，比较器输出才能发生翻转。n与与单单限限比比较较器器相相比比，这这种种电电压压比比较较器器具具有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力。力。3.4.4 窗口比较器窗口比较器n单单限限电电压压比比较较器器和和滞滞回回电电压压比比较较器器只只能能检检测测出出输输入入电电压压ui与与一一个个基基准准电电压压（也也称称参参考考
71、电电压压）值值的的大大小小关关系系。如如果果要要判断判断ui是否在两个给定的电压之间，就要采用窗口比较器。是否在两个给定的电压之间，就要采用窗口比较器。n如如图图3.25所所示示即即是是一一种种窗窗口口比比较较器器，其其外外加加参参考考电电压压URHURL，R1、R2和和稳稳压压管管DZ构构成成限限幅幅电电路路，DZ的的稳稳定定电电压压值为值为UZ。图图3.25 窗口比较器的电路图及电压传输特性窗口比较器的电路图及电压传输特性窗口比较器的基本工作原理如下：窗口比较器的基本工作原理如下：n当当输输入入电电压压uiURH时时，uo1=+UOM,uo2=-UOM，因因而而二二极极管管D1导通，导通，
72、D2截止，所以窗口比较器的输出电压截止，所以窗口比较器的输出电压uo=UZ。n当当输输入入电电压压uiURL时时，uo1=-UOM,uo2=+UOM，因因而而二二极极管管D1截止，截止，D2导通，所以窗口比较器的输出电压导通，所以窗口比较器的输出电压uo=UZ。n当当输输入入电电压压URLuiURH时时，uo1=-UOM,uo2=-UOM，因因而而二极管二极管D1、D2截止，所以窗口比较器的输出电压截止，所以窗口比较器的输出电压uo=0。n窗窗口口比比较较器器的的电电压压传传输输特特性性如如图图3.25（b）所所示示。该该传传输输特特性性清清楚楚地地表表明明，若若窗窗口口比比较较器器的的输输出出电电压压uo为为0，则则被被测测电压电压ui一定在两个给定电压一定在两个给定电压URL和和URH之间。之间。第第3章章 作业作业P933.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.8 3.9 3.10 3.16 3.17
