電壓比較器和濾波器

1、第一部分 集成運放的電壓傳輸特性,兩個輸入端,,uN：反相輸入端,uP：同相輸入端,一個輸出端： uo,為了簡化起見，常將接地端省去。,Aod：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù),一、符號,二、電壓傳輸特性,——指輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系曲線。,線性區(qū)(放大區(qū))：uo = Aod(uP– uN),非線性區(qū)(飽和區(qū))：uo = ±UoM,線性區(qū),uo= f (ui) = f (uP– uN),由于Aod非常高，因而線性區(qū)非

2、常窄。,三、 理想集成運放,二、符號,1、條件,Aod ? ? ， rid ? ? ，ro? 0 ， KCMR? ?,三、電壓傳輸特性 uo= f (ui),四、理想運放兩個工作區(qū)域的特點,1、工作在線性區(qū)的分析依據(jù),(1) Aod ? ?，uo =Aod (uP– uN ) uo為一有限值,∴ uP= uN，稱“虛短”,∴ iP= iN ? 0 ，稱“虛斷”,Aod越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于

3、線性區(qū)。,若uP或 uN接地，則稱“虛地”。,(2) rid ? ? ，兩個輸入端電流為零。,2、工作在飽和區(qū)的分析依據(jù),(一般工作于開環(huán)或正反饋狀態(tài)),(1) 輸出只有兩種可能： +UOM 或–UOM,當uP> uN 時， uo = + UOM當uP< uN 時， uo = – UOM 不存在 “虛短”現(xiàn)象,(2) iP= iN ? 0，仍存在“虛 斷”現(xiàn)象,五、理

4、想運放組成的基本運算電路,1、 比例運算電路,——運放工作在線性區(qū),⑴、反相比例運算,由運放工作于線性區(qū)的兩條分析依據(jù)： iP= iN = 0，uP=uN= 0,有： iR ? iF,∵要求靜態(tài)時uP、 uN對地電阻相同∴平衡電阻 R' = R//Rf,反相比例運算電路的特點：,①比例系數(shù)為 ，負值表示 uO與uI反相，比例系數(shù)可能大于1，小于1或等于1 。,③輸入電阻低，Ri=R,②由于 uP=uN=

5、0，存在虛地，共模輸入電壓為零。,例1：,電路如圖所示，若要求輸入電阻 Ri=50k?，比例系數(shù)為-10，則 R、Rf 、 R'為多少？,解：,R = Ri = 50k?,R'= R // Rf=45.5k?,⑵、同相比例運算,由虛斷 iN= iP = 0,有： iR ? iF,由虛短 uN= uP= uI,平衡電阻 R' = R//Rf,同相比例運算電路的特點：,①比例系數(shù)為 ，uO與uI同

6、相，比例系數(shù)≥1 。,當R=∞或Rf=0 時，uo= uI,——電壓跟隨器,,②由于 uP=uN=uI，因而對共模抑制比要求高。,③由于輸入電流為零，因而輸入電阻為無窮大。,例2：,電路如圖所示， 求uo的大小。,解： uo=7.5V,電壓跟隨器起隔離作用。,例3：,電路如圖所示，已知 R1=50k?，RF =100k?。若輸入電壓ui=1V，求uo的大小。,,電壓跟隨器,反相比例運算電路,解： uo1= ui =1V,uo1,六、 理

7、想運放組成的電壓比較器,1、電壓比較器概述,功能：用來比較輸入電壓和基準電壓(稱為閾值電壓)的大小，輸出的高電平或低電平表明比較結(jié)果。,運放工作于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，因而運放工作在非線性區(qū)。,當uP> uN 時， uo = + UoM當uP< uN 時， uo = – UoM,輸出只有兩種可能：+UoM 或–UoM,2、 單限比較器,——運放處于開環(huán)狀態(tài),當uIUREF時，uo = –UOM,UREF ：參考電壓,電

8、壓傳輸特性：uo= f (uI),,當uI>UREF時，uo = +UOM 當uI <UREF時，uo = –UOM,⑴簡單電壓比較器,閾值電壓：輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平所對應(yīng)的輸入電壓值，用UT表示。,圖中：UT= UREF,只有一個閾值電壓的電路稱單限比較器。,當UREF = 0時，稱為過零比較器。,3、一般單限比較器,當 uN= uP =0時uo發(fā)生躍變，得閾值電壓為,當uIUT時，uo = –UOM,電壓

9、傳輸特性：,電壓傳輸特性的三要素求解法：,(1) 由集成運放最大輸出電壓決定輸出高低電平 UOH和 UOL ;,(2) 寫出集成運放兩輸入端 uN和 uP 的表達式，令uN= uP ，求出輸入電壓uI，即為閾值電壓UT ；,(3) 若輸入電壓uI從反相輸入端(或通過電阻)輸入，則當 uI>UT時，uO = UOL ；當 uIUT時，uO = UOH ；當 uI<UT時，uO = UOL 。,例1：,如圖所示電路， 集成運放的

10、最大輸出電壓±UOM= ±12V，R1=R2 。試求：(1) 電位器調(diào)到最大值時電路的電壓傳輸特性；(2) 電位器調(diào)到最小值時的閾值電壓。,解：(1),當 uN= uP 時，解得uI即(UT)為,當 uI<UT 時，uO=UOL= -12V,當 uI>UT 時，uO=UOH= +12V,(2),4、 滯回比較器,單限電壓比較器的缺點：,若輸入電壓uI在閾值電壓附近波動,抗干擾能力差。,為此采用滯回比

11、較器：當輸入電壓在一定的范圍內(nèi)變化時，輸出電壓保持不變。,⑴反相輸入滯回比較器,電路引入了正反饋,當 uN= uP 時，求得閾值電壓為,當 uo=+UOM時,,當 uo=-UOM時,,當uI<UT2 時，uN<uP，uo= +UOM， 此時uP=UT1,繼續(xù)增大uI,(1)當uI從小于UT2 逐漸增大時,當uI略大于UT1 時，uN> uP， uo=-UOM

12、 此時uP=UT2,再增大uI，uN> uP，uo=-UOM保持不變,(2)當uI再逐漸減小時,當uI略小于UT2 時，uN<uP，uo= +UOM 此時uP=UT1,繼續(xù)減小uI，uo= +UOM,回差電壓(或門限寬度、滯遲寬度)：,ΔU=|UT1-UT2|,當UREF=0時，UT1=UT2,此時電壓傳輸特性是軸對稱的。,⑵同相輸入滯回比較器,當 uN= uP 時

13、，求得閾值電壓為,當uI>-UT 時，uo= +UOM,繼續(xù)減小uI,(1)當uI從大于-UT 逐漸減小時,當uI<-UT 時，uo= -UOM,(2)當uI從小于+UT 逐漸增大時,當uI<+UT 時，uo=-UOM,繼續(xù)增大uI,當uI>+UT 時，uo=+UOM,5、窗口比較器(P59),當 uI< URL 時，D1截止，D2導通，uo= UZ,,,當 URL < uI< URH 時，D1

14、和D2均截止，uo= 0,當 uI> URH 時，D1導通，D2截止，uo= UZ,又稱雙限比較器,例2：,如圖所示電路，±UOM=±12V，R1=10k?，R2=50k?。求下列兩種情況下電路的閾值電壓并畫出電壓傳輸特性。(1) UREF=0V； (2) UREF=6V,解：(1),該電路是反相輸入滯回比較器。,(2)當 UREF=6V時,第二部分 有源濾波器,一、 濾波電路基本知識,濾波電路：對信號頻率具

15、有選擇性的電路。作用：它能選出有用的信號，而抑制無用的信號。,無源濾波器,有源濾波器,按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。,,——由電阻、電容等無源元件組成。,——含有運算放大器的濾波器。,有源濾波器的集成運放工作在線性區(qū)。,四種濾波器理想的幅頻特性,二、 無源濾波器,1、低通濾波器,——模與頻率的關(guān)系,令：,——通帶截止頻率,幅頻特性,相頻特性,,頻率特性,——幅角與頻率的關(guān)系,低通濾波器的幅頻特性：,當f =0

16、時，,當f =fp時，,當f →∞時，,當頻率大于fp時，信號被很快衰減。 ——具有“低通”特性。,2、高通濾波器,其中：,當f =0時，,當f =fp時，,當f →∞時，,高通濾波器的幅頻特性：,無源濾波器的特點：,(1)電路的增益小，最大僅為1；,(2)帶負載能力差。,如：低通濾波器接上負載后,接上負載后,其中：,——通帶電壓放大倍數(shù),——通帶截止頻率,可見：通帶放大倍數(shù)和通帶截止頻率均隨負載變化而變化，即帶負載能力差。,三

17、、有源濾波器,1、一階有源低通濾波器,其中：,——通帶電壓放大倍數(shù),——通帶截止頻率,對數(shù)幅頻特性：,當f =0時，,當f =fp時，,當f =10fp時，,對數(shù)幅頻特性,當f =0時，,當f =fp時，,當f =10fp時，,為了改善濾波效果，常采用二階有源低通濾波器。,二階有源低通濾波器,常用的二階有源低通濾波器,2. 一階有源高通濾波器,其中：,——通帶電壓放大倍數(shù),——通帶截止頻率,對數(shù)幅頻特性：,當f =fp時，,當f =1