2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 1
第 7章 模拟集成电路系统
Chapter Seven
Analog Integrated Circuit System
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 2
第 7章 模拟集成电路系统
7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用一、理想运算放大器概念二、理想运算放大器特性
1.理想运放工作在线性状态时的特性
2.理想运放工作在非线性状态时的特性
7—1—1 相加器一、反相相加器二、同相相加器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 3
7—1—2相减器 (差动放大器 )
7—1—3 积分器
7—1—4 微分器
7—1—5
一、对数运算器二,反对数 （ 指数 ） 运算器三,乘法器和除法器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 4
三,迟滞比较器 ——施密特触发器
7—4—3 窗口比较器
7—4 电压比较器及弛张振荡器
7—4—1电压比较器一,电压比较器的基本特性 及其参数二,电压比较器的开环应用 ——简单比较器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 5
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 6
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如放大器、加法器、减法器、积分器、微分器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 7
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如限幅器、高频检波器、有源滤波器、电流／电压转换器、频率／电压转换器、数／模转换器、
比较器、电压跟随器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 8
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如正弦波振荡器、多谐振荡器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 9
输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
集成运放由哪些单元电路构成？传输特性如何？
集成运放知识回顾
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 10
uid
uo
UOH
UOL
_
+
A
u
u
id
=u
-
-u
+
U
CC
-U
EE
u
o
线性区
Aud越大，运放的线性范围越小。
集成运放知识回顾若 UOH = -UOL=12V,Aud=105,uid在什么范围内，运放工作在线性区间?
答,|ui|< 0.12mV时，运放处于线性区。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 11
通常为了保证 运放 工作在线性区间，引入深度 负反馈 。
为保证运放工作在非线性区，运放 开环工作 或引入正反馈 ！
uid
uo
UOH
UOL
线性区集成运放的工作区域运放工作在不同的区间，有不同的特点，因此分析集成运放首先应判断其工作区间。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 12
一、理想运算放大器概念由于运放具有开环放大倍数很大，输入电阻高，
输出电阻小等特性，在分析时常将其理想化，称为 理想运放 。
差模电压增益 Aud=∞ 输入偏置电流 IIB=0
差模输入电阻 Rid= ∞ 失调电流 IIO=0
共模抑制比 KCMR= ∞ 失调电压 UIO=0
频带宽度 BW-3dB= ∞ 失调电流温漂 dIIO/dT=0
输出电阻 Ro=0 失调电压温漂 dUIO/dT=0
如何理解参数为 ∞或 0？
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 13
二、理想运算放大器特性
(1)“虚短”特性 (virtual short circuit)
1.理想运放工作在 线性 (linear)状态 时的特性
0?
所以
uu
(2)“虚断”特性 (virtual open circuit)
id
id
R
uii
由于所以 0
ii
＋
－u-
u+
uo由于
i
i
u-
u+
uo
集成运放理想模型零子 任意子集成运放符号
d
o
id
uA
uuuu
0?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 14
2.理想运放工作在非 线性 (nonlinear)状态 时的特性
(2)“虚断”特性
(1)“离散”特性
uid
uo
UOH
UOL
非线性区 非线性区
uo=UOH或 UOL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 15
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
图 7—1反相相加器
7—1—1 相加器 (Adder)
一、反相相加器 (Reversed Phase Adder)
2.分析方法
(1)运用深度负反馈分析
(2)运用虚短、虚断特性分析
(3)以反相比例放大器为基础分析
1.电路结构
7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用
3.优点 各信号源支路相互独立 ; 无共模信号输入
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 16
例 1 试设计一个相加器,完成 uo= -(2ui1+3ui2)
的运算,并要求对 ui1,ui2的输入电阻均 ≥100kΩ。
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
如何满足输入电阻阻值要求？
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 17
2,3
12
RRRR ff
所以选 Rf=300kΩ,R2=100kΩ,R1=150kΩ。
实际电路中,为了消除输入偏流 IIB产生的误差,在同相输 入端和地之间 接入一 直流平 衡电阻 Rp,并令
Rp=R1‖ R2‖ Rf=50kΩ,如图 7—2所示 。
解 为满足输入电阻均 ≥100kΩ，选 R2=100kΩ,针对
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 18
－
＋
R
f
u
i1
u
i2
u
o
R
1
R
2
R
p
1 5 0 k
1 0 0 k
5 0 k
3 0 0 k
图 7—2 满足例 1要求的反相相加器电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 19
R
f
－
＋u
i1
u
o
u
i2
R
R
1
R
2
R
3
二、同相相加器 (In-Phase Adder)
图 7—3 同相相加器电路
i2
132
13
i1
231
23
//
//
//
// u
RRR
RRu
RRR
RRu
fo
f
uuRR Ru
)////////)(1( i2
132
13
i1
231
23f
o uRRR
RRu
RRR
RR
R
Ru
))(////)(1( i2i1
132
13f
o uuRRR
RR
R
Ru?
当 R1=R2时各信号源支路互不独立 ; 有共模信号输入
1.电路结构及分析方法
2.电路缺点
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 20
7—1—2相减器 (差动放大器 Differential Amplifier)
－
＋
R3
ui2
uou
i1
R1
R2 R
4
－
＋
R3u
i2
uo2
R1
R2 R4
－
＋
R3
ui1 uo1
R1
R4
R2
(分 解 )
图 7—4 相减器电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 21
－
＋
R3
ui1 uo1
R1
R4
R2 i1
42
4
1
3
1
3
o1
))(1(
)1(
u
RR
R
R
R
u
R
R
u
－
＋
R3u
i2
uo2
R1
R2 R4
i2
1
3
o2 uR
Ru
o2o1o uuu
i2
1
3
i1
42
4
1
3 ))(1( u
R
Ru
RR
R
R
R?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 22
则若,,4321 RRRR
)( i2i1
1
3
o uuR
R
u
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 23
例 2 利用相减电路可构成,称重放大器,。 图
7—5给出称重放大器的示意图 。 图中压力传感器是由应变片构成的惠斯顿电桥,当压力 (重量 )为零时,Rx=R,电桥处于平衡状态,ui1=ui2,相减器输出为零 。 而当有重量时,压敏电阻 Rx随着压力变化而变化,从此电桥失去平衡,ui1 ≠ ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式 。 试问,输出电压 uo与重量 (体现在 Rx变化上 )有何关系 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 24
_
+
R
2
u
o
R
2
R
1
R
1
R
x
R
R R
E
r
激 励 源 压 力 传 感 器 相 减 放 大 器压 敏 电 阻图 7—5 称重放大器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 25
_
+
R
2
u
i 2
u
o
u
i 1
R
1
R
1
R
2
R '
x
R '
_
+
R
2
u
o
R
2
R
1
R
1
R
x
R
R R
E
r
激 励 源 压 力 传 感 器 相 减 放 大 器压 敏 电 阻
2
r
i1
Eu?
r
x
x
i2 ERR
Ru
2
RR xx // RRR
i1
x1
2
12
2
i2
x1
2
o )1( uRR
R
RRR
Ru
RR
Ru
若保证 则,,x11 RRRR
)( i2i1
1
2
o uuR
Ru
r
x
x
1
2
x
x
r
1
2 )(
2)2
1( E
RR
RR
R
R
RR
RE
R
R
点击此处放大
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 26
补充例 1 A/D变换器要求其输入电压的幅度为 0 ~ +5V，
现有信号变化范围为 -5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为 0~+5V。
+5V
-5V
+5V
+2.5V
电平抬高电路 A/D 计算机uI
uO
uO = 0.5uI+2.5V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 27
uO =0.5uI +2.5V
=0.5 (uI +5)V
_
+
10k?20k?
+5V
5k?
uI
20k?
uO1
)5(5.0)5(2010 II1O uuu )5(5.02020 IO1O uuu
uO_
+
20k?
20k?
10k?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 28
设电容电压的初始值 uC(0)=0,则输出电压 uo(t)为
t ttuRCtu 0 io d)(1)(
,所以
R
tui
C
)(i?
C
tti
tu
t?
0 Co
d)(
)(
_
+
u
i
u
o
R
C
图 7—7 积分器电路
7—1—3 积分器 (Integrator)
在时域推导过程而
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 29
RCU
UA
j
1
)j(
)j()j(
i
o
－
＋
u
i
u
o
R
C
图 7—7 积分器电路
)j(
j
1
)j(
j/1
)j(
i
io
u
RC
u
R
C
u
传输函数为：
o90)j(模 附加相移
RCA
1)j(?
在频域推导过程
t ttuRCtu 0 io d)(1)(
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 30
0 ω
－ 20dB/10倍频程
1/RC
0 ω
90°
图 7—8 理想积分器的频率响应
RCA
1)j(?
o90)j(
dB/)j(?A
)j(
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 31
t tuuRCtu 0 i2i1o d)(1)(
_
+
u
i 2
u
o
u
i 1
R
R
C
C
图 7—9 差动积分器
tt
t
tuu
RC
tuu
RC
utuu
RC
tu
0 i10 i2
0 i2o
d)(
1
d)(
1
d)(
1
)(?
在时域推导过程
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
t tuuRC 0 i2i1 d)(1
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 32
)( i2i1
1
3
o uuR
Ru ))j()j((j1)j(
i2i1o
uu
R
cu
))j()j((j 1 i2i1 uucR
t tuuRCtu 0 i2i1o d)(1)(
在频域推导过程
－
＋
u
i2
u
o
u
i1
R
R
C
C
－
＋
R 3
u i2
u ou
i1
R 1
R 2 R
4
例 3积分器应用
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 33
7—1—4 微分器 (Differentiator)
－
＋
u
i
u
o
R
C
图 7—12微分器
t
tu
C
t
tu
Ci
Ritu
d
)(d
d
)(d
)(
iC
f
fo
t
tuRCtu
d
)(d)( i
o
在时域推导过程
在频域推导过程
RCUUA j)j( )j()j(
i
o t
tuRCtu
d
)(d)( i
o
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 34
0 ω
1/RC
0 ω
-90°
图 7—13理想微分器的频率响应
RCA)j(dB/)j(?A
o90)j(
)j(
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 35
7—1—5
一、对数运算器 (Logarithmic Operational Amplifier)
S
C
BEo ln I
iUuu
T
R
uii i
iC
RI
uUu
T
S
i
o ln
－
＋
ui
uo
iC
V
i i
R
图 7—14 对数放大器
TT U
u
U
u
IIi e)1e( SS
具有温度补偿的对数运算器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 36
二,反对数 （ 指数 ） 运算器
(Antilogarithm Operational Amplifier)
TU
u
IR
iRiRu
BE
eSf
Cfffo
图 7—16 反对数（指数）运算器
－
＋
ui
uo
i f
Rf
iC
RpiBE uu?
TU
u
RIu
i
efSo
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 37
图 7—17乘法器和除法器 (a)乘法器； (b)除法器三,乘法器和除法器 (multiplier&Divider)
_
+
A
1
u
i 1
,对 数,
,对 数,,相 加 器,,反 对 数,
( a )
u
i 2
_
+
A
2
_
+
A
3
_
+
A
4
R
R
R
R
R
RI
uU
RI
uUu
TT
S
i2
S
i1
o3 lnln
i2i1i2i12
S
f
S
i2
S
i1
fSfSo
o3
e uKuuuRI RRI uRI uRIRIu TU
u
o3u
ou
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 38
_
+
A
1
u
i 1
,对 数,
,对 数,,相 减 器,,反 对 数,
( b )
u
i 2
_
+
A
2
_
+
A
3
_
+
A
4
R
R
R
R
RI
uU
RI
uUu
TT
S
i2
S
i1
o3 lnln
i2
i1
i2
i1
fSfSo
o3
e
u
uK
u
uRIRIu
TU
u
o3u ou
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 39
1.理想运放工作在线性 (linear)状态时的特性 ;
本节内容小节
2.加法器、减法器的结构、工作原理和分析方法；
(1)反相相加器 (Reversed Phase Adder);
(2)同相相加器 (In-Phase Adder);
(3)相减器 (差动放大器 Differential Amplifier);
3,积分器 (Integrator)和微分器 (Differentiator);
4.
(Logarithmic/ Antilogarithm Operational Amplifier)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 40
作 业
7-1 7-2 7-6
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 41
1.理想运放工作在线性 (linear)状态时的特性 ;
上节内容回顾
2.理想运放工作在非线性 (nonlinear)状态时的特性 ;
(1)“虚短”特性 (virtual short circuit)
(2)“虚断”特性 (virtual open circuit)
uu
0 ii
(1)“离散”特性
(2)“虚断”特性 uid
uo U
OH
UOL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 42
7—4 电压比较器及弛张振荡器
7—4—1电压比较器 (Voltage Comparator)
一,电压比较器的基本特性及其参数
1.基本特性电压比较器可由 通用运放 构成，也可用 专用芯片（即电压比较器芯片） 实现。
（ 1）工作在开环或正反馈状态（增益高）
（ 2）工作在非线性状态（即输出、输入不呈线性关系）
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 43
图 7—48 电压比较器的符号及传输特性
uu
当 时，输出 UOH时，输出 UOL； 当
uu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
( a ) ( b )
鉴别不灵敏区
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 44
（ 1） 高电平 (UoH)和低电平 (UoL)
（ 2） 鉴别灵敏度
（ 3） 转换速度
2.参数
（不加限幅电路）；,EECC UU
（电压比较器芯片）；,VUVU 4.04.3 OLOH
Aud 越大,不灵敏区越小,鉴别灵敏度越高 。
高电平、低电平间转换所需时间。
通用运放外加限幅电路决定；
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 45
二,电压比较器的开环应用 ——简单比较器
1.过零比较器 (Zero-Crossing Comparator)
2,脉宽调制器 (Pulse Width Modulator)
练习：画出下面电路的传输特性
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 46
三、迟滞比较器 (Hysteresis Comparator)——
施密特触发器 (Schmitt Trigger)
1.简单比较器应用中存在的问题
2.迟滞比较器电路及传输特性
1)反向输入迟滞比较器
2)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 47
7—4—3 窗口比较器 (Window Comparator)
图 7—61窗口比较器
_
+
C
1
_
+
C
2
U
R 2
u
i
U
R 1
U
o 1
U
o 2
V
1
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
( a ) 电 路
( b ) 传 输 特 性
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 48
_
+
C
1
U
R 2
u
i
V
1
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 2
R
U
o 1
_
+
C
2
U
R 1
u
i
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
R
U
o 2
Uo1 Uo2 uo
L L
L H
H L
H H
_
+
C
1
_
+
C
2
U
R 2
u
i
U
R 1
U
o 1
U
o 2
V
1
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
( a ) 电 路
( b ) 传 输 特 性
R
L
H
H
H
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 49
图 7—62 双向过压检测电路
－
＋
C
1
－
＋
C
2
u
i
U
o1
U
o2
V
1
V
2
＋ 5V
－ 5V
R
2
R
1
V
3
R
3
R
4
V
U
a
U
Z
＝ 6V
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 50
1.电压比较器的基本特性及其参数 ;
本节内容小节
(1)工作在开环或正反馈状态（增益高） ;
(2)工作在非线性状态 ;
2.电压比较器的开环应用 —简单比较器 ;
3.迟滞比较器 (施密特触发器 );
4.窗口比较器的工作原理 ;
(3)高电平 (UoH)和低电平 (UoL)的确定 ;
(2)上,下门限电压的求法及如何画电路传输特性 ;
(1)反相输入,同相输入两种结构 ;
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 51
作 业
7-24 7-26
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 52
U CC
RC
UC2
RC
UC1
－ UEE
V1 V2
I
ui1
ui2
ui3
R1
R2
R3
uo Rf
Rp =R1// R2 // R3 // Rf
反相端同相端接直流平衡电阻 Rp使输入级的电路结构对称当输入全部为 0时，确保输出也为 0。
－
＋
R f ＝R 1 ＝R 2 ＝R 3
R f
u
i1
u i2
u
i3 u
o
R
1
R 2
R 3
i
1
i 2
i 3
i
f
∑
i
i′
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 53
1
i1
1 R
uui
又因为 if=i1+i2+i3，则
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
)( i3i2i1fo uuuRRu
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
2
i2
2
i2
2 R
u
R
uui
3
i3
3
i3
3 R
u
R
uui
1
i1
R
u?
(1)运用深度负反馈分析方法当 R1=R2=R3=R时
)( i3
3
f
2
f
i1
1
f u
R
Ru
R
Ru
R
R
uΣ=?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 54
1
i1
1 R
uui
又因为 if=i1+i2+i3，则
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
2
i2
2
i2
2 R
u
R
uui
3
i3
3
i3
3 R
u
R
uui
1
i1
R
u?
(2)运用虚短、虚断特性分析
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 55
又因为 uo=uo1+uo2+uo3，则
i1
1
f
o1 uR
Ru
(3)以反相比例放大器为基础进行分析
_
+
R
f
u
i 1
u
o 1
R
1
R
2
R
3
i
1
i
f
_
+
R
f
u
i 1
u
i 2
u
i 3
u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
i '
i
_
+
R
f
u
i 1
u
o 1
R
1
i
1
i
f
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
o uR
Ru
R
Ru
R
Ru
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 56
－
＋
R
2
u
i2
u
ou
i1
R
1
R
1
R
2
R
x
′
R ′
图 7—6 称重放大器的简化图
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 57
例 3 电路如图 7—10所示,R=100kΩ,C=10μF。当
t=0~t1(1s)时，开关 S接 a点；当 t=t1(1s)~t2(3s)时，开关 S接 b点；而当 t＞ t2(3s)后，开关 S接 c点。已知运算放大器电源电压 UCC=|-UEE|=15V，初始电压
uC(0)=0,试画出输出电压 uO(t)的波形图。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 58
R
－
＋
－ 1 5 V
＋ 1 5 V
C 1 0 μ
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2V
E
2
3V
图 7—10 例 3电路图
t=0~t1(1s) t=t1(1s)~t2(3s)
t >t2(3s)
S接 a点 S接 b点
S接 c点 uC(0)=0
画出输出电压 uO(t)的波形图
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 59
解 (1) 因为初始电压为零 (uC(0)=0),在 t=0~1s间,开关 S
接地,所以 uo=0。
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 60
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V m Α02.0k100
V21
C R
Ei
输出电压从零开始线性下降 。 当 t=3s时,
V4s2
F101010
V2
)(d
1
)(
65
12
1
1o
2
1
ttRC
E
tE
RC
tu
t
t
(2)在 t=1~3s间，开关 S接 b点，
电容 C充电,充电电流
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 61
(3)在 t＞ 3s后,S接 c点,电容 C放电后被反充电,uo从 -4V
开始线性上升,一直升至电源电压 UCC就不再上升了 。 那么升到电源电压 (+15V)所对应的时间 tx是多少?
s33.9328xt
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V
V15)( xotu
)(d1 2o2x
2
tutERC tt
V4)(101010 V3 2x65 tt
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 62
+ 1 5
- 4
1
2
3
4
5 6 7 8 9
0
u
o
( t ) / V
t / s
图 7—11 例 3电路的输出波形 u o(t)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 63
图 7—15具有温度补偿的对数运算器
ui
R1
Rp
－
＋
A1 －
＋
A2
uo
V1 V2
i1
IR R
＋ UCC
R3R2
θ
对管
RT
A
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 64
A
2
3
o )1( uRR
Ru
T?
C1
R
C1
C2
A lnln i
IU
i
iUu
TT
2
1
1
2ln
S
S
C
C
T I
I
i
iU?
S1
C1
S2
C2
BE1BE2A lnln I
iU
I
iUuuu
TT
R
U
R
uuUiI
R
ui CCBE1BE2CC
C2R
1
i
C1
)(,
)l n (k)1()1( 1
i
CC
2
3
A
2
3
o R
R
u
U
q
T
RR
Ru
RR
Ru
TT?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 65
u
o
R
V Z
1
U
C C
C
- U
E E
V Z
2
)(,)a( V Z 2VD1OLVD2V Z 1OH UUUUUU
图 7—49 输出限幅电路
)( VDVZO UUU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 66
u
o
R
V D
1
U
C C
C
- U
E E
V Z
V D
3
V D
2
V D
4
,)b( V D 2VZV D 1OH UUUU )( VD3VZVD4OL UUUU
图 7—49 输出限幅电路
)2( VDVZO UUU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 67
图 7—50过零比较器及脉宽调制器输出波形
(a)过零比较器整形波形
0ri uuuu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 68
图 7—50过零比较器及脉宽调制器输出波形
(b)脉宽调制器输出波形
ri uuuu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 69
补充例 2 画出下面电路的传输特性。
R2u
r
R1
ui u
o
Rp
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 70
分析方法：运放比较的是 U-和 U+。
21
2
21
1
RR
Ru
RR
Ruu
ir
0u
uu
当时，输出 UOH
时，输出 UOL
当
uu
也就是说，当 uu 0
21
2
21
1?
RR
Ru
RR
Ru
ir
即时，输出发生转折。
R2
ur
R1
ui
uo
Rp
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 71
所以，输入 ui比较的门限电压为：
r
2
1
T uR
RU
uo
ui
UOH
UOL
UT
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 72
图 7-51 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况
(a)输出波形边缘不陡峭 (b)受干扰情况受转换速度的限制受鉴别灵敏度的影响
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 73
( a ) 电 路
u
o
R
R
1
u
i
R
2
( b ) 传 输 特 性
u
i
u
o
C
_
+
R?
1VZ 2VZ
U
f
图 7—52迟滞比较器电路及传输特性鉴别不灵敏区引入正反馈，
边沿变陡。
UTL UTHΔU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 74
21
1
o
f
RR
R
U
UF
正
)( VD2V Z 1
21
1
OH
21
1
OHf1r1 UURR
RU
RR
RUFUU?
正
THU
)( VD2VD1
21
1
OL
21
1
OLf2r2 UURR
RU
RR
RUFUU?
正正反馈系数参考电压 /门限电压 (Reference/Threshold Voltage)
上门限电压
TLU
)(2 VDVZ
21
1
TLTH UURR
RUUU?
下门限电压回差 (Hysteresis Voltage)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 75
比较器输出,输入量关系分析的关键比较器的输出从一种电平跳到另一种电平的临界条件 （ u+=u-） 所对应的输入电压 （ 即阈值电压 ） 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 76
UTL UTH
ΔU
u
i
u
o
UTH
UTL
Ur
u
i
u
o
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 77
图 7—53迟滞比较器输出波形
UTL UTHΔU
u
i
u
o
UTH
UTL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 78
( a ) 电路
u
o
R
R
1
u
i
R
2
±( U
VZ
＋ U
VD
)
( b ) 传输特性
u
i
u
o
U
oH
U
TL
U
oL
U
TH
－
＋
C
图 7—54同相输入迟滞比较器及其传输特性
)( VDVZ
2
1
TH UUR
RU )(
VDVZ
2
1
TL UUR
RU
0
21
1
o
21
2
i RR
Ru
RR
Ru
o
2
1
i uR
Ru
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 79
电压比较器中的正反馈思考
1.只在输出状态发生 翻转 时存在正反馈现象。在其它情况下，输出端的电压保持不变（ UOH或 UOL）。
2.发生正反馈时，由于环路增益 |AF|>1,输出很快达到限幅值（ UOH或 UOL） 。因没有选频网络，故不会发生振荡现象。因输出不能在运放线性状态下达到平衡，故此时的闭环增益不是一个常数，不能用一个类似负反馈的基本关系式描述。
1.电压比较器中是否一直存在正反馈现象?
2.电压比较器中存在正反馈,是否会出现振荡现象?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 80
例（ 1）分析图中各电路的功能；
（ 2）分别画出图中各电路的传输特性；
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 81
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 82
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 83
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 84
（ a）反相比例放大器
（ b）同相比例放大器
（ c）过零电压比例器
（ d）迟滞电压比例器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 85
(4) 了解典型电压比较器的电路组成、工作原理和性能特点。
(1) 掌握理想集成运放概念；
(2) 掌握基本应用电路（反 /同相放大器）的分析方法；
(3) 掌握加法器、减法器的结构、工作原理和分析方法；
本章教学基本要求
第 7章 模拟集成电路系统
Chapter Seven
Analog Integrated Circuit System
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 2
第 7章 模拟集成电路系统
7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用一、理想运算放大器概念二、理想运算放大器特性
1.理想运放工作在线性状态时的特性
2.理想运放工作在非线性状态时的特性
7—1—1 相加器一、反相相加器二、同相相加器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 3
7—1—2相减器 (差动放大器 )
7—1—3 积分器
7—1—4 微分器
7—1—5
一、对数运算器二,反对数 （ 指数 ） 运算器三,乘法器和除法器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 4
三,迟滞比较器 ——施密特触发器
7—4—3 窗口比较器
7—4 电压比较器及弛张振荡器
7—4—1电压比较器一,电压比较器的基本特性 及其参数二,电压比较器的开环应用 ——简单比较器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 5
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 6
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如放大器、加法器、减法器、积分器、微分器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 7
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如限幅器、高频检波器、有源滤波器、电流／电压转换器、频率／电压转换器、数／模转换器、
比较器、电压跟随器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 8
第 7章 模拟集成电路系统
(Analog Integrated Circuit System)
集成运放 (Integrated Operational Amplifier)在信号的 运算,
处理 和 产生 等方面得到广泛的应用。
如正弦波振荡器、多谐振荡器等
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 9
输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
集成运放由哪些单元电路构成？传输特性如何？
集成运放知识回顾
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 10
uid
uo
UOH
UOL
_
+
A
u
u
id
=u
-
-u
+
U
CC
-U
EE
u
o
线性区
Aud越大，运放的线性范围越小。
集成运放知识回顾若 UOH = -UOL=12V,Aud=105,uid在什么范围内，运放工作在线性区间?
答,|ui|< 0.12mV时，运放处于线性区。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 11
通常为了保证 运放 工作在线性区间，引入深度 负反馈 。
为保证运放工作在非线性区，运放 开环工作 或引入正反馈 ！
uid
uo
UOH
UOL
线性区集成运放的工作区域运放工作在不同的区间，有不同的特点，因此分析集成运放首先应判断其工作区间。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 12
一、理想运算放大器概念由于运放具有开环放大倍数很大，输入电阻高，
输出电阻小等特性，在分析时常将其理想化，称为 理想运放 。
差模电压增益 Aud=∞ 输入偏置电流 IIB=0
差模输入电阻 Rid= ∞ 失调电流 IIO=0
共模抑制比 KCMR= ∞ 失调电压 UIO=0
频带宽度 BW-3dB= ∞ 失调电流温漂 dIIO/dT=0
输出电阻 Ro=0 失调电压温漂 dUIO/dT=0
如何理解参数为 ∞或 0？
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 13
二、理想运算放大器特性
(1)“虚短”特性 (virtual short circuit)
1.理想运放工作在 线性 (linear)状态 时的特性
0?
所以
uu
(2)“虚断”特性 (virtual open circuit)
id
id
R
uii
由于所以 0
ii
＋
－u-
u+
uo由于
i
i
u-
u+
uo
集成运放理想模型零子 任意子集成运放符号
d
o
id
uA
uuuu
0?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 14
2.理想运放工作在非 线性 (nonlinear)状态 时的特性
(2)“虚断”特性
(1)“离散”特性
uid
uo
UOH
UOL
非线性区 非线性区
uo=UOH或 UOL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 15
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
图 7—1反相相加器
7—1—1 相加器 (Adder)
一、反相相加器 (Reversed Phase Adder)
2.分析方法
(1)运用深度负反馈分析
(2)运用虚短、虚断特性分析
(3)以反相比例放大器为基础分析
1.电路结构
7—1 集成运算放大器在基本运算中的应用
3.优点 各信号源支路相互独立 ; 无共模信号输入
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 16
例 1 试设计一个相加器,完成 uo= -(2ui1+3ui2)
的运算,并要求对 ui1,ui2的输入电阻均 ≥100kΩ。
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
如何满足输入电阻阻值要求？
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 17
2,3
12
RRRR ff
所以选 Rf=300kΩ,R2=100kΩ,R1=150kΩ。
实际电路中,为了消除输入偏流 IIB产生的误差,在同相输 入端和地之间 接入一 直流平 衡电阻 Rp,并令
Rp=R1‖ R2‖ Rf=50kΩ,如图 7—2所示 。
解 为满足输入电阻均 ≥100kΩ，选 R2=100kΩ,针对
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 18
－
＋
R
f
u
i1
u
i2
u
o
R
1
R
2
R
p
1 5 0 k
1 0 0 k
5 0 k
3 0 0 k
图 7—2 满足例 1要求的反相相加器电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 19
R
f
－
＋u
i1
u
o
u
i2
R
R
1
R
2
R
3
二、同相相加器 (In-Phase Adder)
图 7—3 同相相加器电路
i2
132
13
i1
231
23
//
//
//
// u
RRR
RRu
RRR
RRu
fo
f
uuRR Ru
)////////)(1( i2
132
13
i1
231
23f
o uRRR
RRu
RRR
RR
R
Ru
))(////)(1( i2i1
132
13f
o uuRRR
RR
R
Ru?
当 R1=R2时各信号源支路互不独立 ; 有共模信号输入
1.电路结构及分析方法
2.电路缺点
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 20
7—1—2相减器 (差动放大器 Differential Amplifier)
－
＋
R3
ui2
uou
i1
R1
R2 R
4
－
＋
R3u
i2
uo2
R1
R2 R4
－
＋
R3
ui1 uo1
R1
R4
R2
(分 解 )
图 7—4 相减器电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 21
－
＋
R3
ui1 uo1
R1
R4
R2 i1
42
4
1
3
1
3
o1
))(1(
)1(
u
RR
R
R
R
u
R
R
u
－
＋
R3u
i2
uo2
R1
R2 R4
i2
1
3
o2 uR
Ru
o2o1o uuu
i2
1
3
i1
42
4
1
3 ))(1( u
R
Ru
RR
R
R
R?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 22
则若,,4321 RRRR
)( i2i1
1
3
o uuR
R
u
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 23
例 2 利用相减电路可构成,称重放大器,。 图
7—5给出称重放大器的示意图 。 图中压力传感器是由应变片构成的惠斯顿电桥,当压力 (重量 )为零时,Rx=R,电桥处于平衡状态,ui1=ui2,相减器输出为零 。 而当有重量时,压敏电阻 Rx随着压力变化而变化,从此电桥失去平衡,ui1 ≠ ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式 。 试问,输出电压 uo与重量 (体现在 Rx变化上 )有何关系 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 24
_
+
R
2
u
o
R
2
R
1
R
1
R
x
R
R R
E
r
激 励 源 压 力 传 感 器 相 减 放 大 器压 敏 电 阻图 7—5 称重放大器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 25
_
+
R
2
u
i 2
u
o
u
i 1
R
1
R
1
R
2
R '
x
R '
_
+
R
2
u
o
R
2
R
1
R
1
R
x
R
R R
E
r
激 励 源 压 力 传 感 器 相 减 放 大 器压 敏 电 阻
2
r
i1
Eu?
r
x
x
i2 ERR
Ru
2
RR xx // RRR
i1
x1
2
12
2
i2
x1
2
o )1( uRR
R
RRR
Ru
RR
Ru
若保证 则,,x11 RRRR
)( i2i1
1
2
o uuR
Ru
r
x
x
1
2
x
x
r
1
2 )(
2)2
1( E
RR
RR
R
R
RR
RE
R
R
点击此处放大
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 26
补充例 1 A/D变换器要求其输入电压的幅度为 0 ~ +5V，
现有信号变化范围为 -5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为 0~+5V。
+5V
-5V
+5V
+2.5V
电平抬高电路 A/D 计算机uI
uO
uO = 0.5uI+2.5V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 27
uO =0.5uI +2.5V
=0.5 (uI +5)V
_
+
10k?20k?
+5V
5k?
uI
20k?
uO1
)5(5.0)5(2010 II1O uuu )5(5.02020 IO1O uuu
uO_
+
20k?
20k?
10k?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 28
设电容电压的初始值 uC(0)=0,则输出电压 uo(t)为
t ttuRCtu 0 io d)(1)(
,所以
R
tui
C
)(i?
C
tti
tu
t?
0 Co
d)(
)(
_
+
u
i
u
o
R
C
图 7—7 积分器电路
7—1—3 积分器 (Integrator)
在时域推导过程而
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 29
RCU
UA
j
1
)j(
)j()j(
i
o
－
＋
u
i
u
o
R
C
图 7—7 积分器电路
)j(
j
1
)j(
j/1
)j(
i
io
u
RC
u
R
C
u
传输函数为：
o90)j(模 附加相移
RCA
1)j(?
在频域推导过程
t ttuRCtu 0 io d)(1)(
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 30
0 ω
－ 20dB/10倍频程
1/RC
0 ω
90°
图 7—8 理想积分器的频率响应
RCA
1)j(?
o90)j(
dB/)j(?A
)j(
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 31
t tuuRCtu 0 i2i1o d)(1)(
_
+
u
i 2
u
o
u
i 1
R
R
C
C
图 7—9 差动积分器
tt
t
tuu
RC
tuu
RC
utuu
RC
tu
0 i10 i2
0 i2o
d)(
1
d)(
1
d)(
1
)(?
在时域推导过程
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
t tuuRC 0 i2i1 d)(1
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 32
)( i2i1
1
3
o uuR
Ru ))j()j((j1)j(
i2i1o
uu
R
cu
))j()j((j 1 i2i1 uucR
t tuuRCtu 0 i2i1o d)(1)(
在频域推导过程
－
＋
u
i2
u
o
u
i1
R
R
C
C
－
＋
R 3
u i2
u ou
i1
R 1
R 2 R
4
例 3积分器应用
(设电容电压的初始值 uC(0)=0)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 33
7—1—4 微分器 (Differentiator)
－
＋
u
i
u
o
R
C
图 7—12微分器
t
tu
C
t
tu
Ci
Ritu
d
)(d
d
)(d
)(
iC
f
fo
t
tuRCtu
d
)(d)( i
o
在时域推导过程
在频域推导过程
RCUUA j)j( )j()j(
i
o t
tuRCtu
d
)(d)( i
o
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 34
0 ω
1/RC
0 ω
-90°
图 7—13理想微分器的频率响应
RCA)j(dB/)j(?A
o90)j(
)j(
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 35
7—1—5
一、对数运算器 (Logarithmic Operational Amplifier)
S
C
BEo ln I
iUuu
T
R
uii i
iC
RI
uUu
T
S
i
o ln
－
＋
ui
uo
iC
V
i i
R
图 7—14 对数放大器
TT U
u
U
u
IIi e)1e( SS
具有温度补偿的对数运算器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 36
二,反对数 （ 指数 ） 运算器
(Antilogarithm Operational Amplifier)
TU
u
IR
iRiRu
BE
eSf
Cfffo
图 7—16 反对数（指数）运算器
－
＋
ui
uo
i f
Rf
iC
RpiBE uu?
TU
u
RIu
i
efSo
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 37
图 7—17乘法器和除法器 (a)乘法器； (b)除法器三,乘法器和除法器 (multiplier&Divider)
_
+
A
1
u
i 1
,对 数,
,对 数,,相 加 器,,反 对 数,
( a )
u
i 2
_
+
A
2
_
+
A
3
_
+
A
4
R
R
R
R
R
RI
uU
RI
uUu
TT
S
i2
S
i1
o3 lnln
i2i1i2i12
S
f
S
i2
S
i1
fSfSo
o3
e uKuuuRI RRI uRI uRIRIu TU
u
o3u
ou
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 38
_
+
A
1
u
i 1
,对 数,
,对 数,,相 减 器,,反 对 数,
( b )
u
i 2
_
+
A
2
_
+
A
3
_
+
A
4
R
R
R
R
RI
uU
RI
uUu
TT
S
i2
S
i1
o3 lnln
i2
i1
i2
i1
fSfSo
o3
e
u
uK
u
uRIRIu
TU
u
o3u ou
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 39
1.理想运放工作在线性 (linear)状态时的特性 ;
本节内容小节
2.加法器、减法器的结构、工作原理和分析方法；
(1)反相相加器 (Reversed Phase Adder);
(2)同相相加器 (In-Phase Adder);
(3)相减器 (差动放大器 Differential Amplifier);
3,积分器 (Integrator)和微分器 (Differentiator);
4.
(Logarithmic/ Antilogarithm Operational Amplifier)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 40
作 业
7-1 7-2 7-6
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 41
1.理想运放工作在线性 (linear)状态时的特性 ;
上节内容回顾
2.理想运放工作在非线性 (nonlinear)状态时的特性 ;
(1)“虚短”特性 (virtual short circuit)
(2)“虚断”特性 (virtual open circuit)
uu
0 ii
(1)“离散”特性
(2)“虚断”特性 uid
uo U
OH
UOL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 42
7—4 电压比较器及弛张振荡器
7—4—1电压比较器 (Voltage Comparator)
一,电压比较器的基本特性及其参数
1.基本特性电压比较器可由 通用运放 构成，也可用 专用芯片（即电压比较器芯片） 实现。
（ 1）工作在开环或正反馈状态（增益高）
（ 2）工作在非线性状态（即输出、输入不呈线性关系）
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 43
图 7—48 电压比较器的符号及传输特性
uu
当 时，输出 UOH时，输出 UOL； 当
uu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
( a ) ( b )
鉴别不灵敏区
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 44
（ 1） 高电平 (UoH)和低电平 (UoL)
（ 2） 鉴别灵敏度
（ 3） 转换速度
2.参数
（不加限幅电路）；,EECC UU
（电压比较器芯片）；,VUVU 4.04.3 OLOH
Aud 越大,不灵敏区越小,鉴别灵敏度越高 。
高电平、低电平间转换所需时间。
通用运放外加限幅电路决定；
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 45
二,电压比较器的开环应用 ——简单比较器
1.过零比较器 (Zero-Crossing Comparator)
2,脉宽调制器 (Pulse Width Modulator)
练习：画出下面电路的传输特性
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 46
三、迟滞比较器 (Hysteresis Comparator)——
施密特触发器 (Schmitt Trigger)
1.简单比较器应用中存在的问题
2.迟滞比较器电路及传输特性
1)反向输入迟滞比较器
2)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 47
7—4—3 窗口比较器 (Window Comparator)
图 7—61窗口比较器
_
+
C
1
_
+
C
2
U
R 2
u
i
U
R 1
U
o 1
U
o 2
V
1
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
( a ) 电 路
( b ) 传 输 特 性
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 48
_
+
C
1
U
R 2
u
i
V
1
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 2
R
U
o 1
_
+
C
2
U
R 1
u
i
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
R
U
o 2
Uo1 Uo2 uo
L L
L H
H L
H H
_
+
C
1
_
+
C
2
U
R 2
u
i
U
R 1
U
o 1
U
o 2
V
1
V
2
u
o
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
( a ) 电 路
( b ) 传 输 特 性
R
L
H
H
H
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 49
图 7—62 双向过压检测电路
－
＋
C
1
－
＋
C
2
u
i
U
o1
U
o2
V
1
V
2
＋ 5V
－ 5V
R
2
R
1
V
3
R
3
R
4
V
U
a
U
Z
＝ 6V
u
o
u
i
0
U
o H
U
R 1
U
R 2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 50
1.电压比较器的基本特性及其参数 ;
本节内容小节
(1)工作在开环或正反馈状态（增益高） ;
(2)工作在非线性状态 ;
2.电压比较器的开环应用 —简单比较器 ;
3.迟滞比较器 (施密特触发器 );
4.窗口比较器的工作原理 ;
(3)高电平 (UoH)和低电平 (UoL)的确定 ;
(2)上,下门限电压的求法及如何画电路传输特性 ;
(1)反相输入,同相输入两种结构 ;
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 51
作 业
7-24 7-26
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 52
U CC
RC
UC2
RC
UC1
－ UEE
V1 V2
I
ui1
ui2
ui3
R1
R2
R3
uo Rf
Rp =R1// R2 // R3 // Rf
反相端同相端接直流平衡电阻 Rp使输入级的电路结构对称当输入全部为 0时，确保输出也为 0。
－
＋
R f ＝R 1 ＝R 2 ＝R 3
R f
u
i1
u i2
u
i3 u
o
R
1
R 2
R 3
i
1
i 2
i 3
i
f
∑
i
i′
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 53
1
i1
1 R
uui
又因为 if=i1+i2+i3，则
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
)( i3i2i1fo uuuRRu
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
2
i2
2
i2
2 R
u
R
uui
3
i3
3
i3
3 R
u
R
uui
1
i1
R
u?
(1)运用深度负反馈分析方法当 R1=R2=R3=R时
)( i3
3
f
2
f
i1
1
f u
R
Ru
R
Ru
R
R
uΣ=?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 54
1
i1
1 R
uui
又因为 if=i1+i2+i3，则
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
ffo uR
Ru
R
Ru
R
RRiu
－
＋
R
f ＝
R
1 ＝
R
2 ＝
R
3
R
f
u
i1
u
i2
u
i3 u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
∑
i
i
′
2
i2
2
i2
2 R
u
R
uui
3
i3
3
i3
3 R
u
R
uui
1
i1
R
u?
(2)运用虚短、虚断特性分析
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 55
又因为 uo=uo1+uo2+uo3，则
i1
1
f
o1 uR
Ru
(3)以反相比例放大器为基础进行分析
_
+
R
f
u
i 1
u
o 1
R
1
R
2
R
3
i
1
i
f
_
+
R
f
u
i 1
u
i 2
u
i 3
u
o
R
1
R
2
R
3
i
1
i
2
i
3
i
f
i '
i
_
+
R
f
u
i 1
u
o 1
R
1
i
1
i
f
i3
3
f
i2
2
f
i1
1
f
o uR
Ru
R
Ru
R
Ru
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 56
－
＋
R
2
u
i2
u
ou
i1
R
1
R
1
R
2
R
x
′
R ′
图 7—6 称重放大器的简化图
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 57
例 3 电路如图 7—10所示,R=100kΩ,C=10μF。当
t=0~t1(1s)时，开关 S接 a点；当 t=t1(1s)~t2(3s)时，开关 S接 b点；而当 t＞ t2(3s)后，开关 S接 c点。已知运算放大器电源电压 UCC=|-UEE|=15V，初始电压
uC(0)=0,试画出输出电压 uO(t)的波形图。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 58
R
－
＋
－ 1 5 V
＋ 1 5 V
C 1 0 μ
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2V
E
2
3V
图 7—10 例 3电路图
t=0~t1(1s) t=t1(1s)~t2(3s)
t >t2(3s)
S接 a点 S接 b点
S接 c点 uC(0)=0
画出输出电压 uO(t)的波形图
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 59
解 (1) 因为初始电压为零 (uC(0)=0),在 t=0~1s间,开关 S
接地,所以 uo=0。
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 60
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V m Α02.0k100
V21
C R
Ei
输出电压从零开始线性下降 。 当 t=3s时,
V4s2
F101010
V2
)(d
1
)(
65
12
1
1o
2
1
ttRC
E
tE
RC
tu
t
t
(2)在 t=1~3s间，开关 S接 b点，
电容 C充电,充电电流
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 61
(3)在 t＞ 3s后,S接 c点,电容 C放电后被反充电,uo从 -4V
开始线性上升,一直升至电源电压 UCC就不再上升了 。 那么升到电源电压 (+15V)所对应的时间 tx是多少?
s33.9328xt
R
_
+
- 1 5 V
+ 1 5 V
C 1 0 μ F
1 0 0 k
u
o
S
a
b
c
E
1
2 V
E
2
3 V
V15)( xotu
)(d1 2o2x
2
tutERC tt
V4)(101010 V3 2x65 tt
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 62
+ 1 5
- 4
1
2
3
4
5 6 7 8 9
0
u
o
( t ) / V
t / s
图 7—11 例 3电路的输出波形 u o(t)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 63
图 7—15具有温度补偿的对数运算器
ui
R1
Rp
－
＋
A1 －
＋
A2
uo
V1 V2
i1
IR R
＋ UCC
R3R2
θ
对管
RT
A
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 64
A
2
3
o )1( uRR
Ru
T?
C1
R
C1
C2
A lnln i
IU
i
iUu
TT
2
1
1
2ln
S
S
C
C
T I
I
i
iU?
S1
C1
S2
C2
BE1BE2A lnln I
iU
I
iUuuu
TT
R
U
R
uuUiI
R
ui CCBE1BE2CC
C2R
1
i
C1
)(,
)l n (k)1()1( 1
i
CC
2
3
A
2
3
o R
R
u
U
q
T
RR
Ru
RR
Ru
TT?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 65
u
o
R
V Z
1
U
C C
C
- U
E E
V Z
2
)(,)a( V Z 2VD1OLVD2V Z 1OH UUUUUU
图 7—49 输出限幅电路
)( VDVZO UUU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 66
u
o
R
V D
1
U
C C
C
- U
E E
V Z
V D
3
V D
2
V D
4
,)b( V D 2VZV D 1OH UUUU )( VD3VZVD4OL UUUU
图 7—49 输出限幅电路
)2( VDVZO UUU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 67
图 7—50过零比较器及脉宽调制器输出波形
(a)过零比较器整形波形
0ri uuuu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 68
图 7—50过零比较器及脉宽调制器输出波形
(b)脉宽调制器输出波形
ri uuuu
u
i
u
r
_
+
C
U
C C
- U
E E
u
o
0 u
i
u
o
u
r
U
O H
U
O L
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 69
补充例 2 画出下面电路的传输特性。
R2u
r
R1
ui u
o
Rp
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 70
分析方法：运放比较的是 U-和 U+。
21
2
21
1
RR
Ru
RR
Ruu
ir
0u
uu
当时，输出 UOH
时，输出 UOL
当
uu
也就是说，当 uu 0
21
2
21
1?
RR
Ru
RR
Ru
ir
即时，输出发生转折。
R2
ur
R1
ui
uo
Rp
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 71
所以，输入 ui比较的门限电压为：
r
2
1
T uR
RU
uo
ui
UOH
UOL
UT
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 72
图 7-51 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况
(a)输出波形边缘不陡峭 (b)受干扰情况受转换速度的限制受鉴别灵敏度的影响
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 73
( a ) 电 路
u
o
R
R
1
u
i
R
2
( b ) 传 输 特 性
u
i
u
o
C
_
+
R?
1VZ 2VZ
U
f
图 7—52迟滞比较器电路及传输特性鉴别不灵敏区引入正反馈，
边沿变陡。
UTL UTHΔU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 74
21
1
o
f
RR
R
U
UF
正
)( VD2V Z 1
21
1
OH
21
1
OHf1r1 UURR
RU
RR
RUFUU?
正
THU
)( VD2VD1
21
1
OL
21
1
OLf2r2 UURR
RU
RR
RUFUU?
正正反馈系数参考电压 /门限电压 (Reference/Threshold Voltage)
上门限电压
TLU
)(2 VDVZ
21
1
TLTH UURR
RUUU?
下门限电压回差 (Hysteresis Voltage)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 75
比较器输出,输入量关系分析的关键比较器的输出从一种电平跳到另一种电平的临界条件 （ u+=u-） 所对应的输入电压 （ 即阈值电压 ） 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 76
UTL UTH
ΔU
u
i
u
o
UTH
UTL
Ur
u
i
u
o
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 77
图 7—53迟滞比较器输出波形
UTL UTHΔU
u
i
u
o
UTH
UTL
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 78
( a ) 电路
u
o
R
R
1
u
i
R
2
±( U
VZ
＋ U
VD
)
( b ) 传输特性
u
i
u
o
U
oH
U
TL
U
oL
U
TH
－
＋
C
图 7—54同相输入迟滞比较器及其传输特性
)( VDVZ
2
1
TH UUR
RU )(
VDVZ
2
1
TL UUR
RU
0
21
1
o
21
2
i RR
Ru
RR
Ru
o
2
1
i uR
Ru
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 79
电压比较器中的正反馈思考
1.只在输出状态发生 翻转 时存在正反馈现象。在其它情况下，输出端的电压保持不变（ UOH或 UOL）。
2.发生正反馈时，由于环路增益 |AF|>1,输出很快达到限幅值（ UOH或 UOL） 。因没有选频网络，故不会发生振荡现象。因输出不能在运放线性状态下达到平衡，故此时的闭环增益不是一个常数，不能用一个类似负反馈的基本关系式描述。
1.电压比较器中是否一直存在正反馈现象?
2.电压比较器中存在正反馈,是否会出现振荡现象?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 80
例（ 1）分析图中各电路的功能；
（ 2）分别画出图中各电路的传输特性；
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 81
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 82
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 83
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 84
（ a）反相比例放大器
（ b）同相比例放大器
（ c）过零电压比例器
（ d）迟滞电压比例器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 (analog electronic technology) 85
(4) 了解典型电压比较器的电路组成、工作原理和性能特点。
(1) 掌握理想集成运放概念；
(2) 掌握基本应用电路（反 /同相放大器）的分析方法；
(3) 掌握加法器、减法器的结构、工作原理和分析方法；
本章教学基本要求
