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比较器、运算放大器的应用实例

文章发布时间:2011-02-28 10:13来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

1.方波发生器
  
  方波发生器属于自激多谐振荡器中的一种特殊振荡器类型。由于它可以在没有任何输入信号的情况下,其输出端的电压不断地改变状态(高电平和低电平),因此,它也称为自激多谐振荡器。如图1(a)所示,一个基本的方波发生器电路有两条反馈回路:一条从输出端返回到运算放大器的反相端,该路包含一个反馈电阻Rl和一个由反相端连接到地的电容C,方波振荡器的工作频率就取决于这个RC的组合;另一条是从输出端返回到运算放大器的同相端,它包含电阻R2和R3。一般情况下,这个回路的振荡频率与Rl、R2、R3及电容C这四个元件参数有关。若恰当地选择电阻R2和R3的阻值,使得R3的阻值等于R2的86%,则这个方波发生器的工作频率的近似值可按下式来计算:

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  由电阻吨和R3组成的电阻分压器在运算放大器的同相端提供一个基准电压,这样的方波发生器电路的功能就像一个电平检测比较器。
  
  当电路刚加上电源时,由于电容C两端的电压不能突变,因此,运算放大器的反相输入端被置于"0"电位。这时,在运算放大器的同相端即使只有很小的正电位产生,都会导致运算放大器的输出端产生正饱和电压+U饱和。这个饱和电压将通过电阻分压器中的R2和R3在运算放大器的同相输入端建立起正参考电压UREF,即振荡器的正阈值电压UT。同时,这个正饱和电压U饱和还将通过电阻Rl向电容充电。当电容两端的电压UC增大到略高于+UT时,运算放大器的输出端的电压将从正饱和电压转变为负饱和电压。这时,同相输入端的参考电压UREF也将同时从原来的正UREF变成负UREF,即负阂值电压-UT。这时,电容C的充电电流也要改变方向,开始向负饱和电压-U饱和方向充电,一旦电容两端的电压下降到比-UT略低时,运算放大器的输出端电压就会重新回到它的初始状态正饱和电压+U饱和。如此循环下去,就可在运算放大器的输出端产生一串方波输出,其波形如图1(b)所示。

 

 

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图1   基本方波发生器


  
  方波发生器的阈值电压+UT和-UT分别由电阻R2和R3组成的电阻分压器来确定,它可分别表示为:

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  如果需要一个50kHz的方波发生器,可选择如下参数:Rl=10kΩ,C=lpF,R2=100kΩ,R3=86kΩ。

 

 
  2.三角波发生器
  
  如图2(a)所示,在基本的RC无源积分电路中,它的电压输出取自电容C的两端。当在输入端加上一个宽度为td的方波电压时,输入电压Ui将通过电阻R向电容C充电。这时,电容两端的电压将逐渐上升,输出电压U。的上升速度与RC网络的时间常数密切相关。对于简单无源RC积分电路来说,随着充电时间的增长,流向电容C的充电电流将按指数曲线下降,因而输出电压U。将按指数曲线形式上升。输入电压Ui下降到零时,电容两端的电压将按指数曲线形式下降。由于输入电压被电阻和电容分压,所以这种线路的电压输出幅度总是小于输入电压的幅度,带来一定的信号幅度损失。使积分电路的电压输出波形的上升沿和下降沿尽可能地近似于直线的办法之一是,将输入信号的频率提高。如图2(b)所示,随着输入信号的频率逐渐提高,特别是在输入脉冲的宽度比RC网络的时间常数小很多时,电容两端的电压U。的输出波形非常近似于三角波形。然而,这时对于无源RC积分器而言,它的电压输出幅度将会随时输入信号频率的增高而越来越低。解决这一矛盾的办法是,采用由运算放大器组成的有源RC积分器。

 

 

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图2   基本运算放大积分器

 
  
  如图3所示,当运算放大器用于积分器时,电容C就成为反馈元件。当输入一个矩形脉冲时,在运算放大器的反相端将会存在输入端电流Ii。在脉冲持续期间Td之内,Ii是一个恒定不变的电流,这是由于运算放大器的输入阻抗极高和反相端电位约等于零(虚地),所以反馈电流If必然等于输入电流Ii,即运算放大器向电容C提供一个恒定的充电电流。因此,在运算放大器的输出端将会产生一个线性下降的电压输出。反之,当输入脉冲回到0V时,运算放大器的输出端将得到一个线性上升的电压输出。

 

 

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图3   简单的三角波发生器


  
  当在运算放大器的输入端输入一串矩形脉冲时,可在运算放大器的输出端得到一串相当理想的三角波电压输出。由于这里采用的是反相输入,故这一电路输出的三角波是一串倒相的三角波形。
  
  反馈电阻Rf是为了防止输入电压为0V时,仅因运算放大器本身的偏流使电容充电,当电容器被连续充电至其电压输出饱和值时,这个电路便失去正常工作。反馈电阻Rf的接入,使得三角波发生器在输入电压为零时,其输出电压也为零。
  
  实用的三角波发生器通常至少需要两个运算放大器,将一个作为方波发生器与一个积分器相连接,如图3所示。
 

 

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