阿源的知识库基本运算放大器电路
本章总结
关键术语
限幅：限制放大器或其他电路输出范围的过程。
比较器：比较两个输入电压的电路，通过两个输入之间是大于还是小于关系产生一个输出电压。
恒流源：当负载电阻发生变化时提供恒定负载电流的电路。
电流-电压转换器：将变化的输入电流转换为与之成正比的输出电压的电路。
微分器：产生大约等于输入函数变化率的反向输出的电路。
滞回：这个特性使得电路在一个电平时，输出可以从一个状态切换为另一个状态。在另一个更低的电平时，电路还原为原来的状态。
积分器：一个产生大约是输入函数曲线下区域面积大小的反向输出的电路。
峰值检测器：用来检测输入电压峰值并将这个峰值存储在电容器上的电路。
施密特触发器：具有滞回的比较器。
求和放大器：基本比较器电路的变化形式，具有两个或多个输入，输出电压与输入电压代数和的幅度成正比。
电压-电流转换器：将变化的输入电压转换为与之成正比的输出电流的电路。
重要公式
8.1 比较器
运算放大器经常用作非线性器件来比较两个电压的幅值。在这种应用中，运算放大器用作开环配置，输入的一端是输入电压，输入的另一端是参考电压。
8.1.1 过零检测
运算放大器的一个应用是用作比较器，用来判断输入电压是否超过某个值。
给出了一个过零检测器。注意，反相(一)输入端接地产生零电平，输入信号电压接到同相(＋)输入端。由于很高的开环电压增益，两个输入端之间非常小的电压差使得放大器饱和，从而使得输出电压达到它的极限。
8.1.2 非过零检测
通过在反相端(一)接入一个固定的参考电压，图8-1所示的过零检测器经过改进后可以用于检测正、负电压，如图8-2a所示。一个更为实际的接法如图8-2b所示，使用分压器来设置参考电压:
8.1.3 输入噪声对比较器工作的影响
在许多应用中，噪声(不期望的起伏不定的电压或电流)可能会出现在输入引线上。噪声电压叠加到输入电压上，如图8-5所示，会使比较器的输出状态无规律地来回切换变化。
为了理解噪声电压的潜在影响，考虑将一个低频正弦电压连接到运放比较器的同相输入端(＋)作为过零检测器，如图8-6a所示。图8-6b给出了叠加噪声的输入正弦波和对应的输出。
你可以看到，当正弦波接近0时，由于噪声引起的电压起伏使得总输入多次大于或小于0，因此会产生不稳定的输出电压。
8.1.4 用滞回减小噪声影响
在输入端有噪声的情况下，比较器的开关输出会在正电平和负电平之间产生不稳定的跳变，这是因为输入端引起正负变化的参考电压值是同一个值。当输入电压在参考电压值附近变化时，输入端任何很小的噪声都会使得比较器不停地改变工作状态，这种不稳定的情况就会发生。
为了使得比较器对噪声不那么敏感，可以使用一种包含正反馈的技术，称为滞回。
本质上，滞回意味着当输入电压从较低向较高变化时的参考电压要高于当输入电压从较高向较低变化时的参考电压。常见的家用恒温调节器是滞回的一个范例，在一个温度上打开，在另一个温度上关闭。
8.1.5 输出限幅
在一些应用中，必须将比较器的输出电压限制在小于运算放大器饱和电压值的范围内。如图8-10所示，齐纳二极管可以在一个方向上将输出电压限制在稳压电压上，在另一个方向上是二极管的正向压降。这个限制输出范围的过程称为限幅。
8.1.6窗口比较器
将两个单独的运算放大比较器按照图8-15所示的方式连接形成窗口比较器( windowcomparator)，它可以检测出输入电压在上下两个限幅值之间(称为“窗口”)的变化。
本节问题
1. 图8-17中每个比较器的参考电压是多少?
(a) V = (10kQ/110kQ) × 5V = 1.36V
(b) V = (22kQ/69kQ)×(—12V) = —3.8V2
2. 比较器中滞回的目的是什么?
滞回使得比较器无噪声。
3. 试定义比较器输出中的限幅。
限幅使得输出电压幅度限制到一个指定值。
4. 在同步(或闪存)A/D转换器中电阻分压串的目的是什么?
分压器对每个比较器设置各自的阈值电压。
8.2 求和放大器
求和放大器是第6章中讨论的反相运算放大器组态的一种变化形式。求和运算放大器有两个或两个以上的输入端，输出电压与输入电压的代数总和的负值成正比。本节学习求和放大器是如何工作的，并了解均值放大器和比例放大器，它们都是基本求和运算放大器的变化形式。
8.2.1 单位增益求和放大器
一个两输入的求和放大器如图8-18所示，实际上任意数量的输入都是可以的。
8.2.2 增益大于单位增益的求和放大器
当Rf大于输人电阻时，放大器的增益为一Rf/R，其中，R是每个输入电阻的电阻值。输出的一般表达式为
8.2.3 均值放大器
求和放大器可以用来对输入电压产生数学平均。只需要把比率Rf/R设置为输入个数的倒数即可，即 Rf/R=1/n。
8.2.4 比例加法器
通过简单地调整输入电阻的电阻值，可以给求和运算放大器的各个输入赋予不同的权重系数。输出电压可以表示为
8.3 积分器和微分器
运算放大积分器模拟数学积分，数学积分本质上是一个求和过程，积分的值是函数曲线下覆盖的总面积。
运算放大微分器模拟数学微分，数学微分是确定函数瞬时变化率的过程。
8.3.1 运算放大器积分器
一个理想积分器如图8-24所示。注意，反馈元件是一个电容器，这个电容器与输入电阻构成RC电路。
8.3.2 运算放大微分器
理想微分器如图8-29所示。注意，电容器和电阻的位置与它们在积分器中的位置不同。现在，电容器是输入元件。微分器产生的输出与输入电压的变化成正比。
尽管通常用小阻值电阻与电容器串联来限制增益，但是这并不影响基本的工作原理，这里的分析不考虑这个问题。
本节问题
1. 运放积分器的反馈元件是什么?
积分器中的反馈元件是电容器。
2. 一个积分器的输入电压是常量，为什么电容器的电压是线性的?
因为电容器电流是恒定的，所以电容器电压是线性的。
3. 运放微分器的反馈元件是什么?
微分器中的反馈元件是电阻。
4. 微分器的输出随着输入是怎么变化的?
微分器的输出与输入变化率成正比。
8.4 转换器和其他运算放大器电路
8.4.1 恒流源
当负载电阻变化时，恒流源提供的负载电流保持恒定。
恒流源通过调节输出电压来确保输出电流保持在设定值。它通常采用反馈控制机制，监测输出电流并进行相应调整。
8.4.2 电流-电压转换器
电流-电压转换器把变化的输入电流变为成正比的输出电压，基本电路如图8-35a所示。因为几乎所有Ⅰi流过反馈路径，所以Rf的电压降为ⅠiRf。
因为Rf的左端虚地(0V)，所以输出电压就等于Rf上的电压,该电压与Ⅰi成正比。
8.4.3 电压-电流转换器
基本电压-电流转换器如图8-36所示。这个电路用于输出(负载)电流需要由输入电压控制的应用中。
忽略输入失调电压，运算放大器的反相和同相输入端的电压都是VIN。因此，R1上的电压等于VIN。因为反相输入端的电流可以忽略，所以R1上的电流与RL上的电流相等。
