電壓比較器和濾波器

1、第一部分 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性,兩個(gè)輸入端,,uN：反相輸入端,uP：同相輸入端,一個(gè)輸出端： uo,為了簡(jiǎn)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(hào),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(yùn)放,二、符號(hào),1、條件,Aod ? ? ， rid ? ? ，ro? 0 ， KCMR? ?,三、電壓傳輸特性 uo= f (ui),四、理想運(yùn)放兩個(gè)工作區(qū)域的特點(diǎn),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(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)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(gè)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(dāng)uP> uN 時(shí)， uo = + UOM當(dāng)uP< uN 時(shí)， 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(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路,1、 比例運(yùn)算電路,——運(yùn)放工作在線性區(qū),⑴、反相比例運(yùn)算,由運(yùn)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(shí)uP、 uN對(duì)地電阻相同∴平衡電阻 R' = R//Rf,反相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)：,①比例系數(shù)為 ，負(fù)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(yùn)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(yùn)算電路的特點(diǎn)：,①比例系數(shù)為 ，uO與uI同

6、相，比例系數(shù)≥1 。,當(dāng)R=∞或Rf=0 時(shí)，uo= uI,——電壓跟隨器,,②由于 uP=uN=uI，因而對(duì)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(yùn)算電路,解： uo1= ui =1V,uo1,六、 理

7、想運(yùn)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(zhǔn)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(yùn)放工作于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，因而運(yùn)放工作在非線性區(qū)。,當(dāng)uP> uN 時(shí)， uo = + UoM當(dāng)uP< uN 時(shí)， uo = – UoM,輸出只有兩種可能：+UoM 或–UoM,2、 單限比較器,——運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài),當(dāng)uIUREF時(shí)，uo = –UOM,UREF ：參考電壓,電

8、壓傳輸特性：uo= f (uI),,當(dāng)uI>UREF時(shí)，uo = +UOM 當(dāng)uI <UREF時(shí)，uo = –UOM,⑴簡(jiǎn)單電壓比較器,閾值電壓：輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值，用UT表示。,圖中：UT= UREF,只有一個(gè)閾值電壓的電路稱單限比較器。,當(dāng)UREF = 0時(shí)，稱為過零比較器。,3、一般單限比較器,當(dāng) uN= uP =0時(shí)uo發(fā)生躍變，得閾值電壓為,當(dāng)uIUT時(shí)，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(yùn)放最大輸出電壓決定輸出高低電平 UOH和 UOL ;,(2) 寫出集成運(yùn)放兩輸入端 uN和 uP 的表達(dá)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(dāng) uI>UT時(shí)，uO = UOL ；當(dāng) uIUT時(shí)，uO = UOH ；當(dāng) uI<UT時(shí)，uO = UOL 。,例1：,如圖所示電路， 集成運(yùn)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(shí)電路的電壓傳輸特性；(2) 電位器調(diào)到最小值時(shí)的閾值電壓。,解：(1),當(dāng) uN= uP 時(shí)，解得uI即(UT)為,當(dāng) uI<UT 時(shí)，uO=UOL= -12V,當(dāng) uI>UT 時(shí)，uO=UOH= +12V,(2),4、 滯回比較器,單限電壓比較器的缺點(diǎn)：,若輸入電壓uI在閾值電壓附近波動(dòng),抗干擾能力差。,為此采用滯回比

11、較器：當(dāng)輸入電壓在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，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(dāng) uN= uP 時(shí)，求得閾值電壓為,當(dāng) uo=+UOM時(shí),,當(dāng) uo=-UOM時(shí),,當(dāng)uI<UT2 時(shí)，uN<uP，uo= +UOM， 此時(shí)uP=UT1,繼續(xù)增大uI,(1)當(dāng)uI從小于UT2 逐漸增大時(shí),當(dāng)uI略大于UT1 時(shí)，uN> uP， uo=-UOM

12、 此時(shí)uP=UT2,再增大uI，uN> uP，uo=-UOM保持不變,(2)當(dāng)uI再逐漸減小時(shí),當(dāng)uI略小于UT2 時(shí)，uN<uP，uo= +UOM 此時(shí)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(dāng)UREF=0時(shí)，UT1=UT2,此時(shí)電壓傳輸特性是軸對(duì)稱的。,⑵同相輸入滯回比較器,當(dāng) uN= uP 時(shí)

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

14、和D2均截止，uo= 0,當(dāng) uI> URH 時(shí)，D1導(dǎo)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(dāng) UREF=6V時(shí),第二部分 有源濾波器,一、 濾波電路基本知識(shí),濾波電路：對(duì)信號(hào)頻率具

15、有選擇性的電路。作用：它能選出有用的信號(hào)，而抑制無用的信號(hào)。,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(yùn)算放大器的濾波器。,有源濾波器的集成運(yùn)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(dāng)f =0

16、時(shí)，,當(dāng)f =fp時(shí)，,當(dāng)f →∞時(shí)，,當(dāng)頻率大于fp時(shí)，信號(hào)被很快衰減。 ——具有“低通”特性。,2、高通濾波器,其中：,當(dāng)f =0時(shí)，,當(dāng)f =fp時(shí)，,當(dāng)f →∞時(shí)，,高通濾波器的幅頻特性：,無源濾波器的特點(diǎn)：,(1)電路的增益小，最大僅為1；,(2)帶負(fù)載能力差。,如：低通濾波器接上負(fù)載后,接上負(fù)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(fù)載變化而變化，即帶負(fù)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(duì)數(shù)幅頻特性：,當(dāng)f =0時(shí)，,當(dāng)f =fp時(shí)，,當(dāng)f =10fp時(shí)，,對(duì)數(shù)幅頻特性,當(dāng)f =0時(shí)，,當(dāng)f =fp時(shí)，,當(dāng)f =10fp時(shí)，,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(duì)數(shù)幅頻特性：,當(dāng)f =fp時(shí)，,當(dāng)f =1