集成运放的典型应⽤上⼀贴我们讲了集成运算放⼤器的原理，对集成运放有了⼀个初步的了解，其实在综保插件⾥应⽤的两个集成运放LM339是作为电压⽐较器应⽤的，通过电流互感器传来的电流信号转换成电压信号，与插件内部设定的电压信号进⾏⽐较，当电流互感器传来的信号⼤于插件内部设定的电压信号时，综保插件就会认为照明主回路有短路故障，从⽽驱动执⾏电路切断主回路的交流接触器控制电源。
漏电保护电路也同短路保护电路⼀样，进⾏电压⽐较来判断设备是不是漏电的。
集成运算放⼤器是这样组成⽐较电路：集成运算放⼤器 ,简称为集成运放.它实际上是⼀个⾼增益的多级直接耦合放⼤器 ,最早⽤于模拟计算机 ,并由此⽽得名.随着电⼦技术的⾼速发展 ,集成运放不断升级换代 ,其性能参数和技术指标不断提⾼ ,⽽价格⽇益降低.它的应⽤早已超出运算的范畴之外 ,已成为⼀种通⽤性很强的功能性器件 ,它的应⽤犹如六、七⼗年代⽆线电电路中的三极管⼀样 ,已成为现代电⼦电路中的核⼼器件 ,正如三级管⼀样 ,如略去电源端和调零端以外 ,集成运放的符号也有三个端 ,即反相输⼊端、同相输⼊端和输出端.图1 集成运放符号集成运放的⾼增益 ,其含义是开环电压放⼤倍数趋于⽆穷⼤ ,其次输⼊电阻⾼ ,⼏乎不从信号源索取电流;输出电阻低 ,带负载的能⼒很强.这三点是集成运放多项性能指标中的集中体现.尤其是前两条 ,是分析运放线性应⽤的原始依据 ,即可以演变为所谓 “虚短” 和 “虚断” 的两条重要性质.由于输出和输⼊可写为:U0 = Au (U+ - U- ) ,因为开环电压放⼤倍数Au趋于⽆穷⼤ ,线性应⽤时:U+ = U- ,即 “虚短” .⾮线性应⽤时 ,某时刻两输⼊端谁的电位⾼ ,输出就反映谁的特征 ,即:当U+ > U- ,输出U0 趋于正向饱和;当U+ < U- ,输出U0趋于负向饱和.这是集成运放运⽤于⾮线性状态的本质特征.电压⽐较器就是集成运放在⾮线性状态下的具体应⽤.所谓电压⽐较器 ,就是⼀种⽤来⽐较输⼊信号电压⼤⼩的电⼦电路.它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波.集成运放⼯作在⾮线性区时 ,两个输⼊端谁的电位⾼ ,输出就反映谁的特征 ,这是构成电压⽐较器的理论基础.如下图 2所⽰为最基本的电压⽐较器和其电压传输特性图.其中两个输⼊端中⼀个端⼦为参考端 ,参考电压为UR ,另⼀个端⼦(⽐如反相端)作为信号输⼊端 ,将信号电压与参考电压相⽐较 ,当信号电压⼩于参考电压时 ,输出为⾼电平 ,反之输出为低电平.由此得到如图的电压传输特性曲线.如此简单的电压⽐较器 ,增加限幅保护电路、引⼊正反馈去影响参考电压值等措施就可得到⼏种电压⽐较器的原型电路.⽐如:1.过零⽐较器:参考电压为零 ,输⼊信号每过零时 ,输出发⽣跃变 ,它实际上是⼀个单限⽐较器.最简单的应⽤是可以将正弦波变为⽅波.2.滞回⽐较器:利⽤正反馈来影响原来的参考电压使参考电位与此时的输出状态有关 ,从⽽消除在原来的参考电位附近输⼊信号由于受⼲扰⽽产⽣的空翻现象.3.双限⽐较器:由两个单限⽐较器组成所谓的双限⽐较器(也称为窗⼝⽐较器) ,可以将输⼊信号按需要范围进⾏选取.正是这样简单的电压⽐较器 ,在⾮正弦波产⽣变换电路、延时定时电路、⾃动控制及有关模数接⼝电路中得到了⼴泛的应⽤.如下图3所⽰为⽅波发⽣器的原形电路.它实质上是由⼀个带有正反馈的电压⽐较器和负反馈延时微分电路组成 ,同相端的参考电压由 R1 和 R2 将输出电压分压得到 ,在输出⾼电平或低电平时 ,使之电容充电或放电 ,电容两端得到的电压跟此时的参考电压 U+ 去⽐较 ,从⽽使电路的输出状态来回翻转输出⽅波.在⽅波发⽣器的基础上 ,将电容的充放电回路分开 ,即可得到矩形波发⽣器.在矩形波发⽣器的基础上后⾯加接⼀级积分电路 ,并稍微调整电路结构即可得到三⾓波发⽣器和锯齿波发⽣器.它们是⽰波器中扫描电压信号的基本产⽣电路.555定时器是包含模拟与数字的⼀种综合性中规模集成电路器件.其中模拟部分的核⼼就是由三个5千欧电阻分压器提供参考电压的两个电压⽐较器 ,上⾯的反相⽐较器是以 2P 3UCC作为参考电压 ,下⾯的同相⽐较器是以1P 3UCC作为参考电压.两者的输出分别控制基本 RS触发器的 R端和 S端 ,以触发器的输出作为定时器的输出 ,并以它的反端去控制放电三极管的导通与截⽌.正是这样巧妙地结合,使555定时器加上简单的 RC外围电路 ,便可构成单稳态触发器、施⽶特触发器、多谐⾃激振荡器等应⽤型电路.这⾥⾯ ,两个电压⽐较器将输⼊信号或电容上充放电⽽得的电压值跟参考电压 2P 3UCC和1P 3UCC去⽐较 ,从⽽转换成⾼电平或低电平 ,去控制触发器动作 ,输出所需要的电压波形进⽽控制执⾏机关,从⽽实现了电路的⾃动控制、延时、定时等多项功能 ,⽽电压⽐较器在此发挥出了⾄关重要的作⽤.同上情况相似 ,在并⾏⽐较型AP D转换器中 ,根据量化单位的⼤⼩ ,由 n 个分压电阻组成的分压电路得到(n - 1)个阶梯型电压值作为(n - 1)个电压⽐较器的反相端的参考电压 ,跟加在同相端的采样保持后的模拟信号电压⽐较 ,使每个⽐较器输出⾼电平或低电平 ,并通过其后⾯的缓冲寄存器得到(n - 1)位⼆进制数 ,完成了将模拟信号转换为数字信号的关键的⼀步.综上所述:电压⽐较器是集成运放的⼀种⾮线性应⽤.变化的、随机的输⼊信号跟另⼀个端的参考电压进⾏⽐较 ,使输⼊信号转换成只有⾼电平或低电平的输出信号 ,当输⼊信号电压等于参靠电压(即阈值)时 ,输出状态发⽣翻转.能实现这⼀点的关键就是取决于集成运放优良的性能 ,即开环电压放⼤倍数⽆穷⼤.但是实际运放的开环电压放⼤倍数不可能⽆穷⼤ ,除去运放的响应时间及零点漂移等因素 ,其⽐较误差及上升(下降)沿的陡度决定于运放的开环电压放⼤数 ,其值越⼤ ,产⽣的误差越⼩ ,上升(下降)沿越竖直.假设运放的开环电压放⼤倍数为 10的6次⽅,运放的输出饱和压降为 ±10V ,则产⽣的阈值误差为 ± 10 µV ,可见产⽣的误差是很⼩的.深刻理解电压⽐较器为集成运放在⾮线性应⽤下的本质特征 ,并在教学中将其应⽤实例适时地进⾏归纳、总结、⽐较 ,这对提⾼教学质量 ,丰富学⽣的知识 ,培养学⽣的创新能⼒ ,都有着重要的意义.。
