第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器 运算放大器运算放大器(operational amplifier)简称为运简称为运放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟计放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟计算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算放大器制成在一个小硅片上，就成为放大器制成在一个小硅片上，就成为集成运算放大集成运算放大器器(integrated operational amplifier)。 由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点得到了广泛长、体积小、重量轻、耗电量少等优点得到了广泛应用。可完成放大、振荡、调制、解调及模拟信号应用。可完成放大、振荡、调制、解调及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。的各种运算和脉冲信号的产生等。 本章将介绍集成运放的基本知识、基本电路及本章将介绍集成运放的基本知识、基本电路及其主要应用。其主要应用。主要内容主要内容第一节第一节 运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识第二节第二节 运算放大器的基本电路运算放大器的基本电路第三节第三节 运算放大器的应用运算放大器的应用第一节第一节 运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识 一一. 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 集成运放通常由集成运放通常由输入放大级输入放大级、中间电压放中间电压放大级大级、输出级输出级以及以及偏置电路偏置电路等四部分组成等四部分组成。 输入级采用差动放大电路，要求输入阻抗输入级采用差动放大电路，要求输入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间级高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益的电压放大；输出级与负载相接，要求输出益的电压放大；输出级与负载相接，要求输出阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流；偏置电路一般由恒流源电路构成，压与电流；偏置电路一般由恒流源电路构成，给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。此外，电路还备有过决定各级的静态工作点。此外，电路还备有过流保护电路。流保护电路。集成运放的基本组成集成运放的基本组成 右图是运算放大器右图是运算放大器的电路符号。它有两个的电路符号。它有两个输入端和一个输出端。输入端和一个输出端。反相输入端标反相输入端标“-”号，号，同相输入端标同相输入端标“+”号。号。输出电压与反相输入电输出电压与反相输入电压相位相反，与同相输压相位相反，与同相输入电压相位相同。入电压相位相同。此外此外还有两个端分别接正、还有两个端分别接正、负电源，有些集成运放负电源，有些集成运放还有调零端和相位补偿还有调零端和相位补偿端。在电路中不画出。端。在电路中不画出。二二. 集成运算放大器的使用集成运算放大器的使用 1. 调零调零 实际运算放大器，当输入为零时输出并不为实际运算放大器，当输入为零时输出并不为零，采用调零技术可使输入为零时输出也为零。零，采用调零技术可使输入为零时输出也为零。 2. 消振消振 集成运放是多级直接耦合的放大器，集成运放是多级直接耦合的放大器，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输因存在着分布电容等分布参数，信号在传输过程中会产生相移。过程中会产生相移。 信号频率变化时，相移也变化。当运信号频率变化时，相移也变化。当运放闭环放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件输出端与输入端经过导线、元器件相连相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。后，会在某些频率上产生自激振荡。为了使放大器工作稳定，通常外接为了使放大器工作稳定，通常外接RC消振消振电路或消振电容，电路或消振电容，用来破坏产生自激振荡的用来破坏产生自激振荡的条件。条件。 3.保护保护 输入端保护是当输入端所加的电压过高时输入端保护是当输入端所加的电压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入两会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下；极管的正向压降以下； 输出端保护是为了防止输出电压过大，可利用稳输出端保护是为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电压压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电压限制在限制在(Uz+UD)的范围内，其中，的范围内，其中，Uz是稳压管的稳是稳压管的稳定电压，定电压，UD是它的正向管压降；是它的正向管压降； 电源保护电源保护 是为了防止正、负电是为了防止正、负电源接反，可用二极管源接反，可用二极管进行保护。进行保护。 三三. 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 1. 输入失调电压输入失调电压Uis： 对于理想集成运放，对于理想集成运放，当输入电压为零时，当输入电压为零时，输出电压应该为零输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压输入失调电压Uis，其值等于输入电压为零时，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。输出的电压折算到输入端的电压值。Uis一般为一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。 2. 输入失调电流输入失调电流Iis： 输输入入失失调调电电流流是是指指输输入入信信号号为为零零时时，两两个个输输入入端端静静态态电电流流I+与与I-之之差差，一一般般为为输输入入静静态态偏偏置置电电流流的的十十分分之之一一左左右右。Iis是是由由差差动动输输入入级级两两个个晶晶体体管管的的 值不一致所引起的。值不一致所引起的。 3. 开环电压增益开环电压增益Kd： 开环电压增益是指集成运放在无开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可用也可用Kd的常用对数表示。一般运放的常用对数表示。一般运放的的电压增益电压增益都很大，为都很大，为60100dB，高，高增益运放可达增益运放可达140dB(即即107)。 (4)输入阻抗输入阻抗ri和输出阻抗和输出阻抗ro： 输输入入阻阻抗抗ri是是指指运运放放开开环环运运用用时时，从从两两个个输输入入端端看看进进去去的的动动态态阻阻抗抗，它它等等于于两两个个输输入入端端之之间间的的电电压压Ui变变化化与与其其引引起起的的输输入入电电流流Ii的的变变化化之之比比，即即ri=Ui/Ii，ri越越大大越越好好。双双极极型型晶晶体体管管输输入入级级的的ri值值为为104-106，单单极极型型场场效效应应管管输输入入级级ri可可达达109以以上上。输输出出阻阻抗抗ro是是指指运运放放开开环环运运用用时时，从从输输出出端端与与地地端端看看进进去去的的动动态态阻阻抗抗。一一般般在几百欧姆之内。在几百欧姆之内。 (5)共模抑制比共模抑制比CMRR： 共共模模抑抑制制比比是是指指集集成成运运放放开开环环运运用用时时，差差模模电电压压放放大大倍倍数数与与共共模模电电压压放放大大倍倍数数之之比比。CMRR值值越越大大，抗抗共共模模干干扰扰能能力力越越强强，一一般般集集成成运运放放的的CMRR都都可可达达到到80dB，高质量的集成运放可达高质量的集成运放可达l00dB以上。以上。 运运放放还还有有很很多多其其他他指指标标：如如转转换换速速率率是是指指放放大大器器在在闭闭环环状状态态下下，输输入入放放大大信信号号时时，放放大大器器输输出出电电压压对对时时间间的的最最大大变变化化速速率率。运运放放的的静静态态功功耗耗是是指指没没有有输输入入信信号号时时的的功功耗耗，通通常常约约为为数数十十毫毫瓦瓦，有有些些低低耗耗运运放放，静静态态功功耗耗可可低低到到0.1mW以以下下，这这个个指指标标对对于于便便携携式式或或植植入入式式医医学学仪仪器器是是很很重重要要的的。运运放放的的最最大大共共模模输输入入电电压压是是指指运运放放共共模模抑抑制制比比明明显显恶恶化化时时的的共共模模输输入入电电压压值值，通通常常约约为为几几伏伏到到十十几几伏伏。运运放放的的电电源源电电压压，一般从几伏到几十伏。一般从几伏到几十伏。 四四.集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型 集成运放理想化的条件是：开环电集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数压放大倍数Kd，输入阻抗输入阻抗ri，输出输出阻抗阻抗ro0，共模抑制比共模抑制比CMRR，输入输入信号为零时，输出电压为信号为零时，输出电压为0，且特性不随，且特性不随温度而变化。温度而变化。 由此理想运放在线性运用时有以下重要结由此理想运放在线性运用时有以下重要结论：论：运放两个输入端的电压近似相等，即运放两个输入端的电压近似相等，即U+U-：因为因为Kd，则，则ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以，所以u+=u-。这样，两个输入端可以认为是虚连接，。这样，两个输入端可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为零电位，称为零电位，称为“虚地虚地”(imaginary ground)。 两个输入端的输入电流近似为零，两个输入端的输入电流近似为零，即即Ii0 因为因为ri，所以，所以Ii=（u+-u-)/ri=0。 上面两个结论，虽然是从理想运放的上面两个结论，虽然是从理想运放的特性得到的，但比较符合实际情况，因特性得到的，但比较符合实际情况，因此，对于各种实际的集成运放电路，可此，对于各种实际的集成运放电路，可以用理想模型进行分析、计算，这样可以用理想模型进行分析、计算，这样可使电路的分析大大地简化，同时也不影使电路的分析大大地简化，同时也不影响结果。响结果。 第二节第二节 运算放大器的基本电路运算放大器的基本电路 一一. 反相放大器反相放大器 输入电压输入电压ui经经电阻电阻R1由反相输入由反相输入端输入，输出端与端输入，输出端与反相端之间接一反反相端之间接一反馈电阻馈电阻RF，同相输，同相输入端与地之间接一入端与地之间接一平衡电阻平衡电阻R2，且，且R2=R1/RF，以保，以保证运放输入端的对证运放输入端的对称。称。因因Ii=0，故，故i1if，因此，因此又因又因u+u-=0，因此，因此 KF为反相放大器的为反相放大器的闭环电压放大倍数，它闭环电压放大倍数，它只与外接电阻只与外接电阻R1、RF有有关，而与集成运放本身关，而与集成运放本身参数无关。只要电阻值参数无关。只要电阻值足够精确，则输出电压足够精确，则输出电压uo与输入电压与输入电压ui可得到可得到高精度的比例关系，负高精度的比例关系，负号表示号表示uo与与ui相位相反，相位相反，所以称反相放大器。所以称反相放大器。 当当RF=R1时，时，uo=-ui，构成反相器。，构成反相器。反相放大器是一种电压并联负反馈电路，反相放大器是一种电压并联负反馈电路，输出阻抗低输出阻抗低。因其反相输入端为虚地，。因其反相输入端为虚地，所以该电路的输入电阻是所以该电路的输入电阻是R1。 对于具有内阻对于具有内阻Rs的信号源，上面公式中的信号源，上面公式中的的R1应当用应当用R1+Rs代替，为了不使电压增益代替，为了不使电压增益受受Rs的太大影响，的太大影响，R1应该取大一些。但为了应该取大一些。但为了保证输入电流远大于偏置电流，保证输入电流远大于偏置电流，R1应远小于应远小于运放的内阻，对于通用型运放，运放的内阻，对于通用型运放，R1不宜超过不宜超过数十千欧，反馈电阻数十千欧，反馈电阻RF越大则电压增益越大，越大则电压增益越大，但要求反馈电流也应远大于偏置电流，所以但要求反馈电流也应远大于偏置电流，所以RF也不能取得过大，通常不宜超过兆欧。因也不能取得过大，通常不宜超过兆欧。因此，当此，当Rs达到数千欧时，这个电路难以获得达到数千欧时，这个电路难以获得高增益。另外，反相放大器是并联负反馈电高增益。另外，反相放大器是并联负反馈电路，该放大器的输入电阻小，故它不能应用路，该放大器的输入电阻小，故它不能应用到高内阻信号源上。到高内阻信号源上。 右图为右图为高增益高增益的的反相放大器，反馈电反相放大器，反馈电压从分压电阻压从分压电阻R3和和R4的连接点引出，这仍的连接点引出，这仍是一个电压并联负反是一个电压并联负反馈电路。馈电路。 由于由于R3/R4可以取可以取很大值，因此这个电很大值，因此这个电路可以获得很高的电路可以获得很高的电压增益。压增益。 二二. 同相放大器同相放大器 将反相放大器将反相放大器中中R1端接地，输入端接地，输入电压电压ui经电阻经电阻R2由由同相输入端输入，同相输入端输入，即可构成同相放大即可构成同相放大器器(noninverting amplifier)，实现，实现输出电压输出电压uo与输入与输入电压电压ui之间的同相之间的同相比例运算。比例运算。 因因Ii=0，故，故i1if，因此，因此又因又因u+u-，因此，因此 uo与与ui之间的比例之间的比例关系也与运放本身关系也与运放本身的参数无关，电路的参数无关，电路精度和稳定度都很精度和稳定度都很高。高。KF为正表示为正表示uo与与ui同相，并且同相，并且KF总是大于或等于总是大于或等于1，这一点与反相放，这一点与反相放大器不同。大器不同。 当当RF=0时时KF=1，电路就变成电压，电路就变成电压跟随器。跟随器。 同相放大器实际上是一个电压串同相放大器实际上是一个电压串联负反馈放大器，因此其输入阻抗高、联负反馈放大器，因此其输入阻抗高、输出阻抗低，而且增益不受信号源内输出阻抗低，而且增益不受信号源内阻的影响。该电路的不足是其共模抑阻的影响。该电路的不足是其共模抑制比制比CMRR不太大。不太大。 解：放大电路由解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其中串行连接而成，其中A1是跟随器，因此是跟随器，因此Uo1=Ui=2V 它又是它又是A2的输入信号电压，的输入信号电压，A2是反相放是反相放大器，因此大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V 三三. 差分放大器差分放大器 右图是基本的差分放大右图是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输器，信号电压同时从双端输入，可实现减法运算。入，可实现减法运算。 根据理想运放条件，得根据理想运放条件，得 当当R1=R2，R3=RF时，时，R1=R2=R3=RF，则，则uo=ui1-ui2。 该电路的反馈对同相输入端是电压串联该电路的反馈对同相输入端是电压串联负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈，负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈，它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放大器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要大器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要随之改变，因此使用很不方便，实际电路要随之改变，因此使用很不方便，实际电路要进行改进，详见后面的并联型差分放大器。进行改进，详见后面的并联型差分放大器。 第三节第三节 运算放大器的应用运算放大器的应用一一. 加法和减法运算电路加法和减法运算电路 对于低内阻信号源，双端都采取并行输入可以对于低内阻信号源，双端都采取并行输入可以同时实现加减法运算，下图是实现加减法运算同时实现加减法运算，下图是实现加减法运算的基本电路。的基本电路。 由由Ii=0，得，得设设即即整理后，得整理后，得若调节若调节R5，使，使R+=R-，则，则 上式表明，输出电压等于各输入电压按不同的上式表明，输出电压等于各输入电压按不同的比例相加或相减。比例相加或相减。u如果如果Rl、R2、R3、R4、RF取不同值，需按权重进取不同值，需按权重进行加减法；行加减法；u如果如果Rl=R2=R3=R4=RF可以实现加减运算，即可以实现加减运算，即 uo=(ui1+ui2)-(ui3+ui4)u如果只从反相端并行输入信号，可以实现反相加法如果只从反相端并行输入信号，可以实现反相加法运算，即运算，即uo=-(ui3+ui4)u如果只从相同端并行输入信号，可以实现同相加法如果只从相同端并行输入信号，可以实现同相加法运算，即运算，即uo= (ui1+ui2)u输入端个数可以根据实际需要适当增减，剩余的输输入端个数可以根据实际需要适当增减，剩余的输入端要接地。入端要接地。 二二. 积分和微分运算电路积分和微分运算电路1.积分运算电路积分运算电路 将反相放大器的反馈将反相放大器的反馈电阻换成电容器电阻换成电容器CF，放大电路如图所示。放大电路如图所示。 假定反馈电容假定反馈电容CF初始电压为初始电压为0，则，则 上式表明，输出电压上式表明，输出电压uo是输入电压是输入电压ui对对时间的积分，时间的积分，R1CF叫做时间常数，负号表示叫做时间常数，负号表示输出电压与输入电压在相位上相反。输出电压与输入电压在相位上相反。 这个电路应用到有直流成分的输入电压这个电路应用到有直流成分的输入电压时，积分时间不能太长，以免输出电压达到时，积分时间不能太长，以免输出电压达到饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。 积分运算电路常用于对呼吸流速等进行积分运算电路常用于对呼吸流速等进行积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生理积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生理参数。参数。 2. 微分运算电路微分运算电路 微分运算是积分运算微分运算是积分运算的逆运算。将积分运的逆运算。将积分运算电路中的反馈电容算电路中的反馈电容CF和输入电阻和输入电阻R1交换交换位置，即构成微分运位置，即构成微分运算放大器。算放大器。由上面两式得，由上面两式得，即输出电压与输入电压的微分成正比。即输出电压与输入电压的微分成正比。 在使用微分电路时，输入电压变化不能在使用微分电路时，输入电压变化不能太大，否则运放将达到饱和，甚至被损坏。太大，否则运放将达到饱和，甚至被损坏。微分电路的主要缺点是干扰较严重，因为干微分电路的主要缺点是干扰较严重，因为干扰电压变化很快，频谱很宽，频率越高的成扰电压变化很快，频谱很宽，频率越高的成分放大越多，形成很多尖峰。分放大越多，形成很多尖峰。 在微分运算前先经过低通滤波可以大改在微分运算前先经过低通滤波可以大改善这个电路的性能。善这个电路的性能。微分运算放大电路可用微分运算放大电路可用来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以求得其变化速率。求得其变化速率。三三. 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路1. 对数运算电路对数运算电路以二极管代替反相放大器中的反馈电以二极管代替反相放大器中的反馈电阻阻RF，即可构成对数运算放大电路。，即可构成对数运算放大电路。二极管二极管PN结的正向电流为：结的正向电流为： UT=26mV，i1=ui/R1，理想运放，理想运放，i1=iD，因此，因此两边取对数，又两边取对数，又uo=-uD，则，则 上式说明，电路的输出电压与输入电压上式说明，电路的输出电压与输入电压的对数成正比关系。的对数成正比关系。 实际电路中，常用三极管的发射结代替实际电路中，常用三极管的发射结代替二极管。该电路只适用于二极管。该电路只适用于ui0的情况，若的情况，若ui0，则需将二极管两极对调连接。，则需将二极管两极对调连接。 这个电路的主要缺点是受温度影响很大，这个电路的主要缺点是受温度影响很大，其次是小电流和大电流时误差较大。对数运其次是小电流和大电流时误差较大。对数运算放大电路在生物医学仪器中应用较多，但算放大电路在生物医学仪器中应用较多，但实际电路较复杂。实际电路较复杂。 2. 反对数运算电路反对数运算电路 反对数运算是对反对数运算是对数运算的逆运算，又数运算的逆运算，又叫指数运算。将对数叫指数运算。将对数运算电路中的二极管运算电路中的二极管与输入电阻交换位置，与输入电阻交换位置，即可构成反对数运算即可构成反对数运算放大电路。放大电路。 因为：因为：所以：所以： 上式表明电路的输出电压与输入电压的上式表明电路的输出电压与输入电压的反对数成正比。反对数成正比。 实际电路中常用三极管代替二极管。当实际电路中常用三极管代替二极管。当ui0时，应使二极管反向连接，三极管用时，应使二极管反向连接，三极管用PNP型。型。 实际电路中，绝对温度实际电路中，绝对温度T、反向饱和电、反向饱和电流流Is都与环境温度有关，是影响输出电压稳都与环境温度有关，是影响输出电压稳定的主要因素。为减小它们对定的主要因素。为减小它们对uo的影响，实的影响，实际设计的电路要比上述电路复杂。际设计的电路要比上述电路复杂。 3. 乘除法运算电路乘除法运算电路 将对数、反对数、加法、减法等运算电路按数将对数、反对数、加法、减法等运算电路按数学规律加以组合，就可以得到信号的乘法、除法、学规律加以组合，就可以得到信号的乘法、除法、乘方等运算电路。乘方等运算电路。 减法运算减法运算指数运算指数运算ui1/ui2In(ui1/ui2)四四. 测量放大器测量放大器 在生物信息检测中，由于生物医学信在生物信息检测中，由于生物医学信号幅度小，生物医学信号源内阻大，环境号幅度小，生物医学信号源内阻大，环境引起的共模干扰大，因此获取信号要求用引起的共模干扰大，因此获取信号要求用输入阻抗高和共模抑制比大的放大器输入阻抗高和共模抑制比大的放大器，这，这种通用放大器就是测量放大器。它的基本种通用放大器就是测量放大器。它的基本作用是把微弱的生物电信号进行放大，使作用是把微弱的生物电信号进行放大，使它可以进一步被处理、记录或显示。它可以进一步被处理、记录或显示。u同相并联型差分放大器同相并联型差分放大器 图图4-19，具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益，具有输入阻抗高、共模抑制比大和增益可调等优点，广泛应用于生物医学信号检测中，可调等优点，广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用这种电路。目前心电图机前置放大器多采用这种电路。 调节调节R1，可调节电，可调节电 路的电压增益。路的电压增益。u同相串联型差分放大器同相串联型差分放大器 图图4-20，为了获得高输入阻抗，并达到少用运放，为了获得高输入阻抗，并达到少用运放器件的目的，可采用同相串联型差分放大器。其器件的目的，可采用同相串联型差分放大器。其输入阻抗通常可高达几十兆欧。输入阻抗通常可高达几十兆欧。 A1、A2组成放大倍数约为组成放大倍数约为27的同相串联型差分放大器，的同相串联型差分放大器，其输出端接有其输出端接有RC高通滤波器。输出级是高通滤波器。输出级是A3组成的放大倍组成的放大倍数为数为33的同相放大器，这个电路的总电压放大倍数为的同相放大器，这个电路的总电压放大倍数为2733=891。同相串联比同相并联电路接成的心电放大器。同相串联比同相并联电路接成的心电放大器省一个运放器件，更为经济合算。省一个运放器件，更为经济合算。五五. 电压比较器电压比较器 用集成运放可构成各种电压比较器用集成运放可构成各种电压比较器(voltage comparator)。可对两个输入信号进行比较，判。可对两个输入信号进行比较，判别输入信号的大小和极性。别输入信号的大小和极性。UR是参考电压，加是参考电压，加在同相输入端，输在同相输入端，输入电压入电压ui加在反相加在反相输入端。输入端。运算放大运算放大器工作于开环状态。器工作于开环状态。 由于开环电压增益很高，由于开环电压增益很高，即为集成运放本身的电压增益，即为集成运放本身的电压增益，所以即使输入端有一个非常微所以即使输入端有一个非常微小的差模信号，也会使电路输小的差模信号，也会使电路输出电压达到饱和电压值，即接出电压达到饱和电压值，即接近集成运放的电源电压。当近集成运放的电源电压。当uiUR时，时，输出负饱和值输出负饱和值-Uom(接近负电接近负电源源-E)，右图是运算放大器工作，右图是运算放大器工作在开环状态时，电压比较器的在开环状态时，电压比较器的传输特性。传输特性。 可见比较器的输入端进行的是模拟信号可见比较器的输入端进行的是模拟信号大小的比较，大小的比较，而在输出端则以高电平或低电而在输出端则以高电平或低电平来反映其比较的结果平来反映其比较的结果。 当参考电压当参考电压UR=0时，即输入电压时，即输入电压 ui与零与零电平比较，称为电平比较，称为过零比较器过零比较器。 比较器是运算放大器的非线性运用，由比较器是运算放大器的非线性运用，由于它的输入为模拟量，输出为数字量，是模于它的输入为模拟量，输出为数字量，是模拟电路与数字电路之间的过渡电路，所以在拟电路与数字电路之间的过渡电路，所以在自动控制、数字仪表、波形变换、模数转换自动控制、数字仪表、波形变换、模数转换等方面都广泛地使用电压比较器，目前国内等方面都广泛地使用电压比较器，目前国内外已有专门的单片集成比较器。外已有专门的单片集成比较器。 六六. 有源滤波器有源滤波器 集成运算放大器和集成运算放大器和RC电路可组成有源滤电路可组成有源滤波电路。波电路。 有源滤波电路能提高滤波性能，还可以有源滤波电路能提高滤波性能，还可以将信号放大，且放大倍数易调节。将信号放大，且放大倍数易调节。 有源滤波器也可以分为低通滤波器、高有源滤波器也可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 右图为右图为低通有源滤波器电路低通有源滤波器电路。对。对于输入信号中的高频成分，电容于输入信号中的高频成分，电容C可近似地看成短路，输出端与可近似地看成短路，输出端与反相输入端虚地连接，所以最终反相输入端虚地连接，所以最终输出电压很小，抑制了高频信号。输出电压很小，抑制了高频信号。对于输入信号中的低频成分，电对于输入信号中的低频成分，电容容C可近似地看成开路，这时的可近似地看成开路，这时的放大倍数为放大倍数为-R2/R1，低频信号顺，低频信号顺利通过。此低通滤波器的上限频利通过。此低通滤波器的上限频率为：率为：1/2R2C。 R2不直接与信号串联在一起，不直接与信号串联在一起，所以可取很大的阻值，因此可以所以可取很大的阻值，因此可以使用较小的电容使用较小的电容C。如。如 R1=30k，R2=560k，C可减少为可减少为 0.002F。 前面讨论的双前面讨论的双 T选频电路选频电路Q值很低，不能满足应用要求。值很低，不能满足应用要求。 如果将它与运放结合起来，可以组成生物信号检测中如果将它与运放结合起来，可以组成生物信号检测中广泛应用的高广泛应用的高Q值的有源陷波器。上图为有源双值的有源陷波器。上图为有源双T带阻滤波带阻滤波放大器电路。放大器电路。 该电路的中心频率该电路的中心频率f0=1/2RC，对于，对于ff0的高频信号，两个串联的电容的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，阻抗很低，信号可经电容直接传输到运放的同相输入端信号可经电容直接传输到运放的同相输入端即即u+=ui；对于；对于ff0的低频信号，电容的低频信号，电容2C的阻的阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻R直接直接传输到运放的同相端即传输到运放的同相端即u+=ui；只有当；只有当f=f0时，时，分别从高通滤波通道分别从高通滤波通道(两个电容两个电容C和一个电阻和一个电阻R/2构成构成)和低通滤波通道和低通滤波通道(两个电阻两个电阻R和一个和一个电容电容2C构成构成)传输到同相输入端的电压正好传输到同相输入端的电压正好大小相等、相位相反，相互抵消，输出电压大小相等、相位相反，相互抵消，输出电压为零。为零。 理论上可以证明，该电路的理论上可以证明，该电路的Q值为值为 如如R2=30，R3=1k，则则Q=8。 如果取如果取R1=10k，信号中陷波带以外的成分，信号中陷波带以外的成分 可放大可放大10倍。倍。Q值不宜过大，通常不超过值不宜过大，通常不超过10，否，否则易产生振荡。则易产生振荡。 如果选取如果选取C=0.1F，R=31.8k ，则陷波频率，则陷波频率f0=50Hz，构成市电，构成市电50Hz陷波器。陷波器。 这个电路的缺点是配置这个电路的缺点是配置适当的电容和电阻麻烦且不适当的电容和电阻麻烦且不易调节，右图所示的电路解易调节，右图所示的电路解决了调节的困难。可以这样决了调节的困难。可以这样理解，理解，R1和和R2分别与相应的分别与相应的电容组成两节高通滤波器，电容组成两节高通滤波器，每一节的输出电压都比输入每一节的输出电压都比输入电压超前一个小于电压超前一个小于/2的相的相位，再经过电容传输，它与位，再经过电容传输，它与上支路经由电阻上支路经由电阻R3传输的电传输的电压合成时，在某一适当频率压合成时，在某一适当频率处正好幅度相等，相位相反，处正好幅度相等，相位相反，使输出电压为零，可见调节使输出电压为零，可见调节图中的电位器，可以改变中图中的电位器，可以改变中心频率，又不影响选频条件。心频率，又不影响选频条件。