全面分析运算放大器和电压比较器的区别
全面分析运算放大器和电压比较器的区别
作者：Mymusics@快修网https://www.docsj.com/doc/5d9368183.html,
运算放大器和比较器无论外观或图纸符号都差不多，那么它们究竟有什么区别，在实际维修中如何区分？今天我来图文全面分析一下，夯实大家的基础，让维修更上一层楼。
先看一下它们的内部区别图:
从内部图可以看出运算放大器和比较器的差别在于输出电路。运算放大器采用双晶体管推挽输出，而比较器只用一只晶体管，集电极连到输出端，发射极接地。
比较器需要外接一个从正电源端到输出端的上拉电阻，该上拉电阻相当于晶体管的集电极电阻。
运算放大器可用于线性放大电路（负反馈），也可用于非线性信号电压比较（开环或正反馈）。
电压比较器只能用于信号电压比较，不能用于线性放大电路（比较器没有频率补偿）。
两者都可以用于做信号电压比较，但比较器被设计为高速开关，它有比运算放大器更快的转换速率和更短的延时。
运算放大器：做为线性放大电路，我这里就不多说了（以后有需要单独讨论放大器），这个在主板电路图很常见，一般用于稳压电路，使用负反馈电路它与晶体管配合相当于一个三端稳压器，但使用起来更灵活。如下图：
在许多情况下，需要知道两个信号中哪个比较大，或一个信号何时超出预设的电压（用作电压比较）。用运算放大器便可很容易搭建一个简单电路实现该功能。当V+电压大于V-电压时，输出高电平。当V+电压小于V-电压时，输出低电平。如下图：
分析一下电路，2.5v经电阻分压得到1V输入到V-端，当总线电压正常产生1.2v 时，输入到V+，此时V+电压比V-电压高，输出一个高电平到CPU电源管理芯片的EN开启脚。如果总线电压没输出或不正常少于1v，此时V+电压比V-电压低，输出低电平。
电压比较器：当比较器的同相端电压（V+）低于反相端电压（V-）时，输出晶体管导通，输出接地低电平；当同相端电压高于反相端时，输出晶体管截止，通过上拉电阻的电源输出高电平。如下图：
分析一下该电路，上面的比较器U8A当有VCC输出时经过分压电阻分压后，输入到同相端（V+)，其电压大于5VSB经分压后输入到反相端（V-)的电压，内部晶体管截止，输出经上拉电阻的电源12v（同时下面的比较器U8B同相端电压也大于反相端，内部晶体管也是截止），N沟道场管Q37导通，输出VCC5V。同时P 沟道场管Q293截止。反之，当反相端电压大于同相端电压时，内部晶体管导通，
上拉电源12V被拉低为低电平，N沟道场管Q37截止，同时P沟道场管Q293导通，输出5VSB。这个就是5VDUAL产生电路。
实际维修中，电路中有上拉电源的是电压比较器，没有的就是运算放大器。运算放大器有LM324,LM224,LM124之类，电压比较器有LM339,LM393之类的。因比较器需上拉电源，维修中要注意检查上拉电源是否正常。正反相电压相比较时高低平是否输出正常。
电压比较器原理介绍
一、电压比较器原理 电压比较器是集成运放非线性应用电路，常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？ 它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。 图1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。 图1电压比较器原理图(a)及传输特性(b) (a)电路图 (b)传输特性当ui＜U R时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压U Z，即 u O＝U Z 当ui＞U R时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降U D，即 uo＝－U D 因此，以U R为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。 表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。图1(b)为(a)图比较器的传输特性。 常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。 二、集成电压比较器简介 作用：可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。应用：作为模拟电路和数字电路的接口电路。 特点：比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯（例如LM311）。 三、电压比较器的应用 电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压V A，反相端输入V B。V A和V B的变化如图1(b)所示。
运算放大器构造及原理
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运算放大器的工作原理 放大器的作用： 1、能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。原理:高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，运算放大器原理 运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等
电压比较器原理分析(学年论文)
电压比较器原理分析 目录 第一章绪论 (2) 第二章电压比较器原理图 (2) 第三章电压比较器工作原理及应用 (3) 3.1 什么是电压比较器 (3) 3.2 电压比较器的工作原理 (5) 3.3 比较器与运放的差别 (5) 第四章比较器典型应用电路分析 (6) 4.1 散热风扇自动控制电路 (6) 4.2窗口比较器 (9) 参考文献 (11)
第一章绪论 电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本文主要讲述各种电压比较器及其对应的应用电路，讲述各种电压比较器的特点及其电压传输特性，同时阐述电压比较器的组成特点和分析方法。 电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。 图1 图1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压UI加在反相的输入端。 第二章电压比较器原理图 电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此，可用电压比较器作为模拟电路和数字电路的接口电路。集成电压比较器虽然比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小，但其响应速度快，传输延迟时间短，而且一般不需要加限幅电路就可以直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力强，还可以直接驱动继电器和指示灯。 按一个器件上所含有电压比较器的个数，可分为单、双和四电压比较器；按功能，可分为通用性高速型低功耗型低电压型和高精度型电压比较器；按输出方式，可分为普通集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种情况。集电极（或漏极）开路输出电压必须在输出端接一个电阻至电源，若一个为高电平，则另一个必为低电平。 此外，还有的集成电压比较器带有选通断，用来控制电路是处于工作状态，还是处于禁止状态。所谓工作状态，是指点乱编电压传输特性工作；所谓禁止状态，是指电路不按电压传输特性工作，从输出端看进去相当于开路，即处于高阻状态。 下面是对具体电压比较器的功能电路分析：(A)电路图1传输特性当UI＜UR时，运放输出高电平，稳压管DZ反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即UO＝UZ
运算放大器的典型应用
Op Amp Circuit Collection AN-31
Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14
Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20
电压比较器实验报告
85 专业：电气工程卓越 人才 姓名：卢倚平 学号： ________ 验 … 一 二、实验内容 五、思考题及实验心得 一、实验目的 了解电压比较器与运算放大器的性能区别: 二、实验数据记录、处理与分析 ①【过零电压比较器电路】 过零电压比较器是电压比较电路的基本结构，它可将交流信号转化为同频率 的双极性矩形波。常用于测量正弦波的频率相位等。当输入电压in< 输出out = 0L ；反之，当输入电压in N out 时，输出out = OH 。 实验仿真: 课程名称: 电路打电r 技术实於 指导老师: 周箭 成绩: 实验名称: 电压比较器及其应用 实验类型: 电子电路实验同组 学生姓名: 邓江毅 三、主要仪器设备 四、实验数据记录、处理与分析 一、实验目的 2. 举握电压比较器的结构及特点; 3. 掌握电压比较器电圧传输特性的测试方法: 4. 学习比较器在电路设计中的应用。
不疲器?5（￡C1I JS J 时同270.001ms 270.001 ms 0.000s JIf 「反向—] 通道 上 ?4.998 V -4.998 V 0.000 V 通道丿 -17.847V -17.847 V 0.000 V H as 12^1 时基_ 标度：10 msX）iv X轴位移（格）：0 通ilA 刻度： 20 VQ2 Y轴位移 （格）：0 通ilB ____ 刻度：5 VQiv Y轴位移 （榆：0 L保Q外触发 触发 边沿：SB 0回国] 水 平：0 ~ 实测实验记录: 由于时间不足，没有做过零比较器的相关实测 ②【基本单门限比较器电路】 单门限比较器的输入信号Vin接比较器的同相输入端，反相输入端接参考电 压Vref （门限电平）。当输入电压Vin>Vref 输出为高电平VOH:当输入电压Vin 电压比较器工作原理及应用实例 时间：2011-11-24来源：作者：方佩敏 来源：https://www.docsj.com/doc/5d9368183.html, 本文主要介绍电压比较器基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。 电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。 什么是电压比较器 简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端)及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0～t1时，VA>VB；在t1～t2时，VB>VA；在t2～t3时，VA>VB。在这种情况下，Vout 的输出如图1(c)所示：VA>VB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VB>VA时，Vout 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。 如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示，则Vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。 图2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。如果它的VA、VB输入电压如图 1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。VB>VA时，Vout输出饱和负电压。 如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图3(a)所示。此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平)，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。 比较器的工作原理 比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为： Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则 Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图4(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。 电路结构建议采用典型电路形式和厂商提供的电路，许多电路结构都是经过很多工程师们反复实验和验证过的。采用OP构成的放大器电路的精度主要与外部元器件参数有关，例如放大倍数与外接的电阻有关。 解决放大器的稳定性就比较复杂了，涉及到放大器的电路结构、PCB布局、电源供给、以及放大器所在的系统环境等等、等等。 一些建议如下： 与分立器件相比，现代集成运算放大器（op amp）和仪表放大器（in-amp）为设计工程师带来了许多好处。虽然提供了许多巧妙、有用并且吸引人的电路。往往都是这样，由于仓促地组装电路而会忽视了一些非常基本的问题，从而导致电路不能实现预期功能——或者可能根本不工作放大器电路设计：如何避免常见问题。 （1）最常遇到的一个应用问题是在交流（AC）耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流（DC）回路。在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压（VIN）的DC分量的简单方法。这在高增益应用中尤其有用，在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围，甚至导致输出饱和。然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。 图1 运算放大器AC耦合输入错误的连接形式 （2）在仪表放大器的输出端和ADC的输入端之间通常接一个简单的RC低通抗混叠滤波器以减少带外噪声。RC低通滤波器的典型值：R = 50Ω~ 200Ω，C = 1/(2πR F)，按电路的-3 dB带宽设置C的取值。 （3）当从电源电压利用分压器为放大器提供参考电压时应保证PSR性能 一个经常忽视的问题是电源电压VS的任何噪声、瞬变或漂移都会通过参考输入按照分压比经过衰减后直接加在输出端。实际的解决方案包括旁路滤波以及甚至使用精密参考电压IC 产生的参考电压，例如ADR121，代替Vs分压。 四电压比较器LM339的8个典型应用例子 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。 LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 单限比较器电路 图2a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。图2b为其传输特性。 运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所收获。 遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出 Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人！其它专业毕业的更是可想而知了。 今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。 虚短和虚断的概念 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。 实验十电压比较器的安装与测试 一．实验目的 1．了解电压比较器的工作原理。 2．安装和测试四种典型的比较器电路：过零比较器、电平检测器、滞回比较器和窗口比较器。 二．预习要求 1．预习过零比较器、电平检测器、滞回比较器和窗口比较器的工作原理。 2．预习使用示波器测量信号波形和电压传输特性的方法。 三．实验原理 电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较，判断出其中那一个比较大。比较的结果用输出电压的高和低来表示。电压比较器可以采用专用的集成比较器，也可以采用运算放大器组成。由集成运算放大器组成的比较器，其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动，当要和数字电路相连接时，必须增添附加电路，对它的输出电压采取箝位措施，使它的高低输出电平，满足数字电路逻辑电平的要求。 下面讨论几种常见的比较器电路。 基本过零比较器（零电平比较器） 过零比较器主要用来将输入信号与零电位进行比较，+15V 以决定输出电压的极性。电路如图1所示：u i 2 7 放大器接成开环形式，信号u i从反向端输入，同μA7416u o 相端接地。当输入信号u i< 0时，输出电压u o为正极限34 值U OM；由于理想运放的电压增益A u→∞，故当输-15V 入信号由小到大，达到u i = 0 时，即u -= u + 的时刻， 输出电压u o 由正极限值U OM 翻转到负极限值-U OM。图 1 反向输入过零比较器 当u i >0时输出u o为负极限值-U OM。因此，输出翻转的临界条件是u + = u - = 0。 即：+U OM u i< 0 u o = （1） -U OM u i >0 其传输特性如图2（a）所示。所以通过该电路输出的电压值，就可以鉴别输入信号电压u i是大于零还是小于零，即可用做信号电压过零的检测器。 运算放大器 绪论 运算放大器是电压控制型电压源模型，其增益（放大倍数）非常大。运算放大器有5个端子、4个端口的有源器件。其符号和内部结构如图1所示： 图1 运算放大器模型和内部结构图 图中电压VCC和VEE是由外部电源提供，通常决定运算放大器的输出电压等级。符号“＋”和“—”分别表示同相和反相。输入电压Vp和Vn以及输出电压Vo都是对地电压。 运算放大器的五个接线端构成了一个广义节点，如果电流按照图1所示定义，根据KCL （基尔霍夫电流定律）有如下公式： 因此，为了保持电流平衡，我们必须将所有电流都包括进来，这是根据有源器件的定义得出的。如果我们仅仅考虑输入和输出电流来列出KCL，则等式不成立，即： 运算放大器的等效电路模型如图2所示。电压Vi是输入电压Vp和Vn的差值即Vi＝Vp －Vn。Ri是放大器的输入电阻，Ro是输出电阻。放大参数A称为开环增益。 运算放大器的开环结构定义为：运算放大器的结构中不包括将输入和输出端连接起来的回路。 图2 运算放大器的等效电路模型 如果输出端不接任何负载，输出电压为： 该公式说明，输出电压Vo是与输入电压Vp和Vn之差的函数。因此可以说该运算放大器是差值放大器。 大多数实际的运算放大器的开环放大倍数是非常大的。例如，比较常用的741型运算放大器，它的放大倍数为200000Vo/Vi，甚至一些运算放大器的放大倍数达到108 Vo/Vi。 反映输入电压和输出电压关系的曲线称为电压传输特性，而且该曲线是放大器电路设计和分析的基础。运算放大器的电压传输曲线如图3所示： 图3 电压传输特性曲线 注意：该曲线有2个变化区域，一个为在Vi＝0V附近时，输出电压和输入电压成正比例放大，称之为线性区域；另一个为Vo随Vi改变而不变的区域，称之为饱和区（或非线性区）。 可以通过设计让运算放大电路工作在上述的2个区域。在线性区域Vo和Vi直线的斜率是非常大的，实际上，它与开环放大倍数A相等。例如，741运算放大器正负电源电压为VCC=+10V，VEE=－10V，Vo的饱和值（最大输出电压）一般在±10 V，而当A＝200000 Vo/Vi 时，可以算出输入的电压非常小：10/200,000 = 50μV。 运算放大器稳定性 第 6 部分（共 15 部分）电容性负载稳定性：R ISO 、高增益及 CF 、噪声增益 作者：Tim Green ，德州仪器 本系列的第六部分是新《电气工程》杂志 (Electrical Engineering ) 中“保持容性负载稳定的六种方法”栏目的开篇。这六种方法是 R ISO 、高增益及 CF 、噪声增益、噪声增益及 CF 、输出引脚补偿 (Output Pin Compensation )，以及具有双通道反馈的 R ISO 。本部分将侧重于讨论保持运算放大器输出端容性负载稳定性的前三种方法。第 7 和第 8 部分将详细探讨其余三种方法。我们将采用稳定性分析工具套件中大家都非常熟悉的工具来分析每种方法，并使用一阶分析法来进行描述。该描述方法是：通过 Tina SPICE 环路稳定仿真进行相关确认；通过 Tina SPICE 中的 V OUT ／V IN AC 传递函数分析来进行检验；最后采用 Tina SPICE 进行全面的实际瞬态稳定性测试 (Transient Real World Stability Test)。在过去长达 23 年中，我们在真实环境以及实际电路情况下进行了大量测算，充分验证了这些方法的有效性。然而，由于资源的限制，本文所述电路并未进行实际制作，在此仅供读者练习或在自己的特定应用（如分析、合成、仿真、制作以及测试等）中使用。 运算放大器示例与 R O 计算 在本部分中，用于稳定性示例的器件将是一种高达 +/40V 的高电压运算放大器 OPA452。这种“功能强大的运算放大器”通常用于驱动压电致动器 (piezo actuator)，正如您可能已经猜到的那样，该致动器大多为纯容性的。该放大器的主要参数如图 6.1 所示。图中未包含小信号 AC 开环输出阻抗 R O 这一关键参数，在驱动容性负载时，该参数对于简化稳定性分析极其重要。由于参数表中不含该参数，因而我们需要通过测量得出 R O 。由于 Analog & RF Models 公司 (https://www.docsj.com/doc/5d9368183.html,/%7Ewksands/) 的 W. K. Sands 为该放大器构建了 SPICE 模型，因而我们可用 Tina SPICE 来测量 R O 。对于数据表参数而言，W. K. Sands SPICE 模型已经过长期而反复的考证具有极高的精确性，更重要的是，它是真正的硅芯片部件！ 运算放大器稳定性 OPA452 Supply: +/-10V to +/-40V Slew Rate: +7.2V/us, -10V/us Vout Saturation: Io=50mA, (V-)+5V, (V+)-5.5V Io=10mA, (V-)+2V, (V+)-2V 图 6.1：OPA542 重要参数 为了测试 R O ，我们在图 6.2 的开环增益和相位与OPA452 频率关系图上标注“工作点 (operating point )”。通过测试此“工作点”（无环路增益的频率与增益点）的 R OUT ，R OUT = R O （如欲了解R O 及 R OUT 的详细探讨，敬请参见本系列的第 3 部分）。 R O Test Point 运算放大器分类总结 一、通用型运算放大器通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。下面就实验室里也常用的LM358来做一下介绍: LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。： 外观管脚图 它的特点如下： ·内部频率补偿 ·直流电压增益高(约100dB) ·单位增益频带宽(约1MHz) ·电源电压范围宽：单电源(3—30V)双电源(±1.5 一±15V) ·低功耗电流，适合于电池供电 ·低输入偏流 ·低输入失调电压和失调电流 ·共模输入电压范围宽，包括接地 ·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 ·输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 大信号频率响应大信号电压开环增益 电压跟随器对小信号脉冲的响应 电压跟随器对小信号脉冲的响应 常用电路： （1）、正向放大器 根据虚短路，虚开路，易知： （2）、高阻抗差分放大器 电路左半部分可以看作两个同向放大器，分别对e1，e2放大（a+b+1)倍，右半部分为一个差分放大器放大系数为C，因此得到结果： 0 (21)(1) eCeea b （3）、迟滞比较器 将输入电平与参考电平作比较，根据虚短路，虚开路有： 将输入电平与参考电平作比较，根据虚短路，虚开路有： 二、高精度运算放大器 所谓高精度运放是一类受温度影响小，即温漂小，噪声低，灵敏度高，适合微小信号放大用的运算放大器。 高精度运算放大器的运用范畴很广，在产业领域中可用于量测仪器、控 电压比较器 实验十集成运放基本应用之三——电压比较电路 姓名：班级：学号：实验时间： 一、实验目的 1、掌握比较器的电路构成及特点 2、学会测试比较器的方法 二、实验原理 1、图1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，输入电压Ui加在反相输入端。图1（b）为（a）图比较器的传输特性。 (a) 图1 电压比较器 (b) 当Ui (a) 图2 过零比较器 (b) (2)、图3为滞回比较器。 过零比较器在实际工作时，如果Ui恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，Uo将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的。为此就需要输出特性具有滞回现象。如图3所示： (a) (b) 图3 滞回比较器 从输出端引入一个电阻分压支路到同相输入端，若Uo 改变状态，U∑ 点也随着改变点位，使过零点离开原来位置。当Uo 为正（记作U D ）U∑=[ R2/（ R2+ R f ）]* U D ，则当UD> U∑后,Uo 再度回升到UD，于是出现图（b）中所示的滞回特性。- U∑ 与U∑ 的差别称为回差。改变R2 的数值可以改变回差的大小。 三、实验设备与器件 1、±12V直流电源 2、直流电压表 3、函数信号发生器 4、交流毫伏表 5、双踪示波器 6、运算放大器μA741×2 7、稳压管2CW231×1 8、二极管4148×2 9、电阻器等 ●Hello,and welcome to the TI Precision Lab supplement for op amp stability. ●This lab will walk through detailed calculations,SPICE simulations,and real-world measurements that greatly help to reinforce the concepts established in the stability video series. ●你好，欢迎来到TI Precision Labs（德州仪器高精度实验室）的运放稳定 性环节。 ●这个实验会包括计算，SPICE仿真和实际测试。这些环节帮助大家对视频中 的概念加深理解。 ●The detailed calculation portion of this lab can be done by hand,but calculation tools such as MathCAD or Excel can help greatly. ●The simulation exercises can be performed in any SPICE simulator,since Texas Instruments provides generic SPICE models of the op amps used in this lab. However,the simulations are most conveniently done in TINA-TI,which is a free SPICE simulator available from the Texas Instruments website.TINA simulation schematics are embedded in the presentation. ●Finally,the real-world measurements are made using a printed circuit board,or PCB,provided by Texas Instruments.If you have access to standard lab equipment,you can make the necessary measurements with any oscilloscope, function generator,Bode plotter,and±15V power supply.However,we highly recommend the VirtualBench from National Instruments.The VirtualBench is an all-in-one test equipment solution which connects to a computer over USB or Wi-Fi and provides power supply rails,analog signal generator and oscilloscope channels,and a5?digit multimeter for convenient and accurate measurements. This lab is optimized for use with the VirtualBench. ●本实验的计算可以通过實際計算，如果使用Mathcad或者Excel这样工具会 更好。 常见电压比较器分析比较 电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。 一、零电平比较器(过零比较器) 电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。 参考电压为零的比较器称为零电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图1(a)、(b)所示 图1 过零比较器 (a)反相输入；(b)同相输入 通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。 阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。 估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即U+=U–。对于图1(a)电路，U–=Ui, U+=0, UTH=0。 传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。 画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器的具体电路，分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)和输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下，输出电压的变化规律，然后画出传输特性。 二、任意电平比较器(俘零比较器) 将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设为直流电压)，由于UR的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。 图2 任意电平比较器及传输特性 (a)任意电平比较器；(b)传输特性 图3 电平检测比较器信传输特性 (a)电平检测比较器；(b)传输特性 电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较器。 三、滞回电压比较器 滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两 运算放大器技术合集：运放工作原理、基础及经典电路分析 一、入门篇：运算放大器的工作原理、基础 *运算放大器的工作原理 运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图1-1所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端)，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。 运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图1-2所示。运算放大器有一些非常有意思的特性，灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途，总的来说，这些特性可以综合为两条： 1、运算放大器的放大倍数为无穷大。 2、运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。 现在我们来简单地看看由于上面的两个特性可以得到一些什么样的结论。 首先，运算放大器的放大倍数为无穷大，所以只要它的输入端的输入电压不为零，输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制。准确地说，如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之，如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高，运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源，则输出电压为零)。 其次，由于放大倍数为无穷大，所以不能将运算放大器直接用来做放大器用，必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。如图1-3中左图所示，R1的 电压比较器电路。 电压比较器是比较两个电压和开关输出或高或低的状态，取决于电压较高的电路。一个基于运放电压比较器上显示。图1显示了一个电压比较器的反相模式图显示了在非反相模式下的电压比较。 电压比较器 非反相比较 在非反相比较器的参考电压施加到反相输入电压进行比较适用于非反相输入。每当进行比较的电压(Vin)以上的参考电压进入运放的输出摆幅积极饱和度(V+)，和副反之亦然。实际上发生了什么是VIN和Vref(VIN-VREF)之间的差异，将是一个积极的价值和由运放放大到无穷大。由于没有反馈电阻Rf，运放是在开环模式，所以电压增益(AV)将接近无穷。+所以最大的可能值，即输出电压摆幅，V。请记住公式AV=1+(Rf/R1)。当VIN低于VREF，反向发生。 反相比较 在相比较的情况下，参考电压施加到非反相输入和电压进行比较适用于反相输入。每当输入电压(Vin)高于VREF，运放的输出摆幅负饱和。倒在这里，两个电压(VIN-VREF)之间的差异和由运放放大到无穷大。记住公式AV=-Rf/R1。在反相模式下的电压增益的计算公式是AV=-Rf/R1.Since没有反馈电阻，增益将接近无穷，输出电压将尽可能即负，V-。 实际电压比较器电路 一种实用的非基于UA741运放的反相比较器如下所示。这里使用R1和R2组成的分压器网络设置参考电压。该方程是VREF=(五+/(R1+R2)的)×R2的。代入这个方程电路图值，VREF=6V。当VIN高于6V，输出摆幅?+12V直流，反之亦然。从A+/-12V 直流双电源供电电路。 电压比较器的使用741 一些其他的运放，你可能会感兴趣的相关电路 1求和放大器：总结放大器可以用来找到一个信号给定数量的代数和。 2。集成使用运放：对于一个集成的电路，输出信号将输入信号的积分。例如，一个集成的正弦波使余弦波，方波一体化为三角波等。 3。反相放大器：在一个反相放大器，输出信号将输入信号的倒版，是由某些因素放大。 4，仪表放大器：这是一个类型的差分放大器输入额外的缓冲阶段。输入阻抗高，易于匹配结果。仪表放大器具有更好的稳定性，高共模抑制比(CMRR)，低失调电压和高增益。 运算放大器的稳定性 第4部分（共15部分）：环路稳定性主要技巧与经验 作者：Tim Green，TI公司 本系列的第4部分着重讨论了环路稳定性的主要技巧与经验。首先，我们将讨论45度相位及环路增益带宽准则，考察了在Aol 曲线与1/β曲线以及环路增益曲线Aolβ中的极点与零点之间的互相转化关系。我们还将讨论用于环路增益稳定性分析的频率“十倍频程准则”。这些十倍频程准则将被用于1/β、Aol及Aolβ曲线。我们将给出运放输入网络ZI与反馈网络ZF的幅度“十倍频程准则”。我们将开发一种用于在1/β曲线上绘制双反馈路径的技术，并将解释为何在使用双反馈路径时应该避免出现“BIG NOT”这种特殊情况。最后，我们将给出一种便于使用的实际稳定性测试方法。在本系列的第5部分中，这些关键工具的综合使用使我们能够系统而方便地稳定一个带有复杂反馈电路的实际运放应用。 环路增益带宽准则 已确立的环路稳定性标准要求在fcl处相移必须小于180度，fcl是环路增益降为零时的频率。在fcl处的相移与整个180度相移之间的差定义为相位余量。图4.0详细给出了建议用于实际电路的经验，亦即在整个环路增益带宽（f≤fcl）中设计得到135度的相移（对应于45度的相位余量）。这是考虑到，在实际电路中存在着功率上升、下降及瞬态情况，在这些情况下，运放在Aol曲线上的改变可能会导致瞬态振荡。而这种情况在功率运放电路中是特别不希望看到的。由于存在寄生电容与印制板布局寄生效应，因此这种经验还考虑在环路增益带宽中用额外的相位余量来考虑实际电路中的附加相移的。此外，当环路增益带宽中相位余量小于45度时，即可能在闭环传输函数中导致不必要的尖峰。相位余量越低及越靠近fcl，则闭环尖峰就会越明显。 180 135 45 Frequency (Hz) 90 θ -45 -135o Design for: < Loop Stability Criteria:<-180 degree phase shift at fcl -135 degree phase shift at all frequencies 电压比较器工作原理及应用实例
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