集成運放的綜合應(yīng)用研究

集成運算放大器在電子電路中應(yīng)用日益廣泛，在線性區(qū)工作時可以構(gòu)成多種類型的信號放大、信號運算、濾波等電路；在非線性區(qū)工作時可以構(gòu)成多種類型的電壓比較器。本文研究基于集成運放構(gòu)成的窗口電壓比較器和滯回電壓比較器。

一，窗口電壓比較器

1.具有內(nèi)窗口傳輸特性的電壓比較器

電路圖如圖1.1-1所示。

圖1.1-1

可以用Multisim14 軟件進(jìn)行仿真測試。本例中，為了方便觀察輸入和輸出波形之間是否滿足預(yù)定的傳輸特性，比較器的輸入測試信號ui 由函數(shù)發(fā)生器提供，設(shè)置為100Hz、5Vp 的三角波。為了方便區(qū)分輸入和輸出波形，ui 用紅色線條顯示，而uo 用藍(lán)色線條顯示。圖3（a）為具有內(nèi)窗口特性的電壓比較器的仿真電路。啟動仿真后，雙擊示波器圖標(biāo)打開波形測試窗，將示波器設(shè)置為 “Y/T”模式，可以觀察窗口比較器的輸入輸出波形。移動光標(biāo)T1 和T2 到如圖3（b）中的位置，可以測試窗口比較器的輸出幅度，如圖1.1-2所示。

圖1.1-2

Channel B 在T1 時刻的讀數(shù)-5.507V即低電平值UOL；在T2 時刻的讀數(shù)5.505V 即為高電平值UOH。觀察UOL 和UOH 的大小，若UOL 的絕對值略大，則稍微減小R4 的阻值使輸出電壓向正的方向增大一些；反之，若UOL 的絕對值略小，則稍微增大R4 的阻值使輸出電壓向負(fù)的方向增大一些，最終使得UOH = ∣ UOL ∣。觀察仿真結(jié)果可以看到，輸出幅度與理論指標(biāo)之間有0.007V 的誤差。主要原因是實際的電阻元件阻值存在一定的誤差。

將示波器設(shè)置為 “B/A”模式可以觀察窗口比較器的傳輸特性。移動光標(biāo)T1 和T2 到如圖1.1-3中的位置。

圖1.1-3

Channel B 在T1 時刻讀數(shù)-2.000V 為閾值UTL 的設(shè)定值；在T2 時刻讀數(shù)2.000V 為閾值UTH 的設(shè)定值。可見，仿真測試的UTL 在-2V 附近變化，而UTH 在+2V 附近變化。與下圖圖像相符合。

圖1.1-4

2.具有外窗口傳輸特性的電壓比較器

電路如圖1.2-1所示。

圖1.2-1

在示波器的波形顯示窗口，將示波器設(shè)置為 “Y/T”模式可以觀察窗口比較器的輸入輸出波形。移動光標(biāo)T1 和T2到如圖1.2-2中的位置，可以測試窗口比較器的輸出幅度：Channel B 在T1 時刻讀數(shù)5.507V 為高電平值UOH；在T2時刻讀數(shù)-5.505V 為低電平值UOL。觀察UOL 和UOH 的大小，若UOH 略大，則稍微減少R4 的阻值使輸出電壓向負(fù)的方向增大一些；反之，若UOH 略小，則稍微增大R4 的阻值使輸出電壓向正的方向增大一些，最終使得UOH = ∣ UOL ∣。

圖1.2-2

將示波器設(shè)置為 “B/A”模式，示波器顯示的是窗口比較器的傳輸特性。移動光標(biāo)T1 和T2 到如圖1.2-3中的位置，Channel B 在T1 時刻的讀數(shù)-2.000V 為小閾值UTL 的設(shè)定值；在T2 時刻的讀數(shù)2.000V 為大閾值UTH 的設(shè)定值。可見，仿真測試的UTL 在-2V 附近變化，而UTH 在+2V 附近變化。如圖2.1-3所示。

圖1.2-3

與圖1.2-4相比吻合。

圖2.1-4

綜上，利用Multisim14 仿真測試，可以直接獲得仿真電路的時域波形圖和傳輸特性，準(zhǔn)確測量電壓比較器傳輸特性的兩個要素輸出幅度和閾值，并且直接觀察出另一個要素輸出電壓在閾值處的躍變情況。而且將元件的連接稍加改變，就可以獲得內(nèi)窗口和外窗口兩種不同傳輸特性的電壓比較器。

二，滯回電壓比較器

1.集成運算放大器電壓傳輸特性測試

電路如圖2.1-1所示。

圖2.1-1

用DC sweep測得的輸入輸出特性如圖2.1-2所示。

圖2.1-2

測試結(jié)果說明，運放的線性區(qū)只在輸入信號為0 附近時才存在，所以當(dāng)運放構(gòu)成開環(huán)或者正反饋電路時，輸出只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)：正限幅值（UOH）或者負(fù)限幅值（UOL），當(dāng)輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)時經(jīng)過原點。

2.反相輸入型滯回電壓比較器

電路如圖2.2-1所示。

圖2.2-1

將示波器的信號測試方式設(shè)置為Y/T（雙通道時域波形觀察），調(diào)節(jié)R4，將示波器光標(biāo)T1 移動到如圖2.1-2所示輸入和輸出波形的交點UTH 處，使Channel A 的值為3.090；若繼續(xù)移動T1 到相鄰的交點UTL 處可以讀出-3.087V。再將光標(biāo)T2 移動到圖2.1-2所示的正限幅位置，從Channel B 可以讀出正限幅值UOH=5.202V；繼續(xù)移動T2 到負(fù)限幅位置可以讀出UOL =-5.202V。

圖2.2-2

將示波器的信號測試方式設(shè)置為B/A，可以直接測試滯回比較器的電壓傳輸特性如圖2.1-3所示，可以讀出Channel B 在T1 時刻的值-3.065V（即UTL），Channel A在T2 時刻的值-5.202V（即UOL）。將示波器的時間Range設(shè)置為100ms 時可以觀察到：當(dāng)輸入由小增大經(jīng)過UTH 時輸出發(fā)生負(fù)躍變；當(dāng)輸入由大減小經(jīng)過UTL 時輸出發(fā)生正躍變。

圖2.2-3

3.同相輸入型滯回電壓比較器

電路圖如圖2.3-1所示。

圖2.3-1

將示波器的信號測試方式設(shè)置為Y/T（雙通道時域波形觀察），調(diào)節(jié)R4，將示波器光標(biāo)T1 移動到如圖2.3-2所示輸入和輸出波形的交點（即UTH）處，使Channel A 的值為3.355V；若如果繼續(xù)移動T1 到相鄰的交點（即UTL）處可以讀出-3.513V。再將光標(biāo)T2 移動到圖2.3-2所示的正限幅UOH 位置，從Channel B可以讀出正限幅值5.604V；繼續(xù)移動T2 到負(fù)限幅UOL 位置可以讀出-5.604V。

圖2.3-2

將示波器的信號測試方式設(shè)置為B/A，可以直接測試比較器的電壓傳輸特性如圖2.3-3所示，可以讀出Channel B在T1 時刻的值-3.513V（即UTL 值），Channel A 在T2 時刻的值-5.602V（即UOL）。將示波器的時間Range 設(shè)置為1S 時可以觀察到：當(dāng)輸入由小增大經(jīng)過UTH 時輸出發(fā)生正躍變；當(dāng)輸入由大減小經(jīng)過UTL 時輸出發(fā)生負(fù)躍變。

圖2.3-3

4.矩形波－鋸齒波發(fā)生電路設(shè)計

電路如圖2.4-1所示。

圖2.4-1

計算電路特性公式有：

取R1=5kΩ，R2=7kΩ，R4=16kΩ，C1 ＝ 16.8nF，在中間值附近調(diào)節(jié)各電位器，觀察示波器波形，如圖2.4-2所示。移動光標(biāo)T1測試分別正限幅值5.963V（即UOH）和負(fù)限幅值-5.965V（即UOL）；再移動光標(biāo)T2 測量鋸齒波的正向峰值4.148（即UTH）和負(fù)向峰值-4.240（即UTL）。

圖2.4-2

與計算值:輸出信號頻率1kHz，占空比約0.5，矩形波的輸出幅度±5.8V，鋸齒波的輸出幅度±4V在誤差范圍內(nèi)相等。