第8章集成运放及应用

第八章波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡电路8.2电压比较器8.3非正弦波发生电路一.产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大电路A反馈电路FiX+–dXoXfX8.1.1概述+如果：,dfXX=则去掉,iX仍有信号输出。基本放大电路A反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大电路的输入信号。基本放大电路A反馈电路FiX++dXoXfX基本放大电路A反馈电路FdXoXfXFA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：1||=AF（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数1..=FAAAAj=||因为：FFFj=||..起振条件和稳幅原理振荡建立与稳定过程图1||FA起振条件：结果：产生增幅振荡（略大于）1、被动：器件非线性2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益稳幅：1.放大电路二.正弦波振荡器的一般组成2.正反馈网络3.选频网络——只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。4.稳幅电路选频网络组成：R、C和L、C正弦波振荡器命名RCLC低频高频（石英晶体）8.1.2RC正弦波振荡电路一.RC串并联网络的选频特性R1C1R2C2OUfU)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R1C1串联阻抗：R2C2并联阻抗：选频特性：)1()1(112211221CRCRjCCRRUUOf-+++=R1C1R2C2OUfU时，相移为0。12211CRCR=当22212ofZZZUUF+==如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：RCfp210=12211CRCR=21211CCRR=01CR=0)1()1(112211221CRCRjCCRRUUof-+++=13=选频特性)1(31CRCRj-+==o时RC串并联网络的频率特性曲线RC桥式振荡器的工作原理：0=Aj在f0处,0=Fj满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=uo_++RfRCRCR1A=3uouo3A=3同相放大器文氏桥选频电路输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？uo_++RfRCRCR1AF=1，31=F11f+=RRAA=3=210=20kRCfp210==1592Hz起振条件：1f2RR=能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时RT2R1,使A3,易起振。当uo幅度自激增长达某一值时，RT=2R1，A=3。当uo进一步增大时，RT2R1,使A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。_++RTRCRCR1Tuo能自动稳幅的振荡电路Rf1+Rf2略大于2R1,随着uo的增加，Rf2逐渐被短接，A自动下降，输出自动被稳定于某一幅值。将Rf分为二个：Rf1和Rf2，Rf2并联二极管_++Rf1RCCR1Rf2D1D2RK：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：RCfp210=电子琴的振荡电路：_++RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112pCRR=0f2121RRF+=12345176功率放大器使R2R121F1fF2RRA+=F1R+2AF1可调A2RF1+RF2RfLC10RCLZ=0LCfp2101.LC并联谐振回路的选频特性CLRuiLici(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。用于选频电路。R为电感线圈中的电阻8.1.3LC正弦波振荡器Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。图中Q1＞Q2。并联谐振阻抗为Z0CLQCQLQRCLZ====000谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线互感线圈的极性判别1234磁棒初级线圈次级线圈同极性端1234+–+–CLRuiLici反馈信号通过互感线圈引出二.变压器反馈式LC振荡电路工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：180=Aj180=Fj360=+AAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210判断是否是正反馈:用瞬时极性法判断VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈++–+正反馈LC正弦波振荡器举例振荡频率:–+UCCCC1LLCfp210uo满足相位平衡条件仍然由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。三.三点式LC振荡电路原理：C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。三.三点式LC振荡器1.电感三点式LC振荡电路振荡频率：CMLLLCf)2(2121210++==pp2.电容三点式LC振荡电路振荡频率：212102121CCCCLLCf+==pp例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。(a)(b)Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.1.4石英晶体振荡电路1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000一.石英晶体2.基本特性1.结构：极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率=固有频率时，振幅最大→压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：LCfp21s=（1）串联谐振频率特性：晶体等效阻抗为纯阻性0p121CCLCf+=p（2）并联谐振通常0CC0s1CCf+=所以很接近与psff实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为s0s121CCCLCf++=p由于s0CCC+s0s1CCCf++=由此看出++=)(21s0ssCCCff；时，0pssffC=sssffC=时，调整之间变化和在可使psssfffC二.石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2.并联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？(a)(b)8.2电压比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：特性：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-则UO=+UOM；若U+＜U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM++uoui1.过零比较器:（门限电平=0）++uouiuoui0+UOM-UOM一.单门限电压比较器++uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。2.单门限比较器（与参考电压比较）++uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom运放处于开环状态++uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom若ui从反相端输入++uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压uoUZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了UD3.限幅电路——使输出电压稳定稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上++uiuoUZR´R_uoui0+UZ-UZR´=R二.迟滞比较器1.迟滞比较器特点:电路中使用正反馈。1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：+om211+UURRRUT=+=3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：-om211+UURRRUT=+-=－++uoRR2R1uiU+－++uoRR2R1uiU+迟滞比较器uoui0+Uom-UomUT+UT-设ui,当ui=UT-,uo从-UOM+UOM这时,uo=-UOM,U+=UT-设初始值:uo=+UOM,U+=UT+设ui,当ui=UT+,uo从+UOM-UOM传输特性uoui0+Uom-UomUT+UT-UT+上门限电压UT-下门限电压UT+-UT-称为回差om211URRR+=+UTom211URRR+=--UTtuiUT+UT-tuoUom-Uom例:设输入为正弦波,画出输出的波形。－++uoRR2R1uiU+REFZURRRURRRU212211T+++=+REFZURRRURRRU212211T+++-=-加上参考电压后的迟滞比较器：上下限：uoui0UT-UT+传输特性+UZ-UZ例题：R1=10k，R2=10k，UZ=6V，UR=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。上下限：V8212211T=+++=+RZURRRURRRUV3212211T=+++-=-RZURRRURRRU3V8Vuiuo+UZ-UZ8.2.4窗口比较器窗口比较器的电路如图14.04所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设R1=R2，则有：DLHDCC212DCCL2=)2(21)2(=VVVVVRRRVVV+-=+-图14.04窗口比较器窗口比较器的电压传输特性如下页图14.05所示。当vI＞VH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平,D4截止，vO=vO1。当vI＜VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO=vO2。当VH＞vI＞VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为低电平。图14.05窗口比较器的传输特性信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。8.2.4比较器的应用比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图14.06所示。(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波图14.06用比较器实现波形变换8.3.1方波发生电路8.3.2三角波发生电路8.3.3锯齿波发生电路8.3非正弦波发生电路1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成的omURRRU211T+=+omURRRU211T+-=-上下限:－++RR1R2Cucuo8.3.1矩形波发生电路2.工作原理：(1)设uo=+UOM,此时，输出给C充电,uc则：u+=UT+－++RR1R2C+ucuo0tuoUOM-UOMucUT+0t一旦ucUT+,就有u-u+,在ucUT+时，u-u+,uo立即由＋UOM变成－UOM,设uC初始值uC(0+)=0方波发生器uo保持+UOM不变UOM此时，C经输出端放电,再反向充电(2)当uo=-UOM时，u+=UT-uc达到UT-时，uo上翻－++RR1R2C