运算放大器在数字电路中的应用

开并功能是数字电路的一个重要标志，而模拟电路却不同，其典型特征是放大功能，运算放大器属于此种，但是运算放大器也在数字技术领域获得了应用。运算放大器在触发电路和阈值开关中得到采用。运算放大器是一个由外部接线决定其功能的器件。

图9-89所示的有一个运算放大器的无稳态触发电路是由运算放大器、3个电阻和一个电容器组成的。运算放大器用电阻R₁和R₂构成一个比较器。在比较器的反相输入端施一个图9-90所示的三角形电压，则在R₂上的电压降为U_R2=（U₂R₂）/（R₁+R₂）。此电压影响到不反相的输入。自t₁起U₁大于+U_R2max，因U_R2而较小，U₂为负值，直至U_R2接受值-U_R2max。U₁自t₂起为负值，U2再次翻转。

图9-89 无稳态触发电路

若在反相输入和不反相输上的电压差为零值时，则无稳态触发电路要接电容器。如图9-89所示，电容器C放电，电压U₂最大。然后，电容器C经电阻R₃放电。电容器电压U₁达到U_R值，如图9-91所示，电路翻转。过程一再重复，在输出端形成一个矩形电压。

图9-90 比较器的电压曲线

图9-91 无稳态多谐振荡器的电压曲线

无稳态触发电路用于弛张振荡电路或用于产生矩形电压。

如图9-92所示，具有一个运算放大器的单稳态触发电路与无稳态触发电路基本线路相似。单稳态触发电路中有限制电容器C₁正电压的二极管R₆。多谐振荡器经过C₂、R₄和R₅在不反相的输入端受到控制。

当为正输出电压U₂（U₂＞0.7V）时，电路处于稳定状态。在不反相输入的电压由于R₂比通过二极管K_b的反相输入电压高0.7V。

用一个使运算放大器的不反相输入低于0.7V的线路输入上的负电压边沿U₁使电路翻转，此时，输出电压U₂达到最大的负值。

电容器C₁经过R₃放电并在负电压时充电。电容器仅在U₂为正输出电压时接通，电容器C₁再充电到0.7V（此充电时间称为恢复时间）。然后，单稳态触发电路重新在U₁处以一个负脉冲时启动。单稳态触发电路也可以用于积分电路，如图9-93所示。

图9-92 单稳态触发电路

图9-93 有复位的两个可再触发的单稳态器件，如SN74123

单稳态触发电路是用于脉冲发送器和脉冲形成器。

图9-94所示为一个有运算放大器的施密特触器（阈值开关）。施密特触发器结构上如同一个反相电容器。输入电压U₁超过规定值时，输出电压U₂就快速翻转，即以大的边沿陡度从一个最大值翻转成相反的最大值。如在反相输入的运算放大器以负电压U₁控制时，如图9-95所示，则输出电压U₂就翻转为-U_2max。

图9-94 施密特触发器

图9-95 与输入电压有关的输出电压的电压曲线

反相施密特触发器。假定输出电压为+U_2max，则U₂为正。当输入电压U₁小于U_R2时，则对输出没有影响。然而，当U₁等于U_R2时，则电路翻转。如图9-96所示，在输出端以大的边缘陡度出现极性转换。阈电压（操作电压）U₁按下面公式计算：

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图9-96 给定输入电压时输出电压的电压波形图

施密特触发器可用于晨昏开关或温度监控器。

计算例题1：

如图9-94所示，作为阈值开关的运算放大器有U_2max=15V。输出电压U₂为正，R₁=4kΩ，R₂=1kΩ。在输入电压U₁为多大时施密特触发器翻转为-U_2max的输出电压？

解：

当U₁=+3V时，施密特触发器翻转为-U_2max。

在例题1中，当U₁=-3V时，输出电压反翻转回U_2max=+15V。电压U₁与电阻R₁和R₂有关。如图9-95所示，当输入电压U₁为1/3的输出电压时翻转过程被触发。

计算例题2：

对于一个，50Hz的正弦输入电压。确定符合图9-94所示的施密特触发器输出电压值，条件见例题1。

解：

如图9-97所示。

要想在正的输入电压U₁控制时得到一个同样为正的输出电压U₂，则如图9-98所示，应在不反相输入端控制运算放大器。

图9-97 例题2的解

1图9-98 同相的施密特触发器

复习题

1.举出运算放大器的典型特征值。

2.举出了运算放大器的基本电路。

3.举出实现有运算放大器的无稳态触发电路的元器件。

4.如何把一个无稳态触发电路补充成一个单稳态触发电路？

5.在一个施密特触发器输出端始终存在怎样的电压形状？

6.举出有关无稳态触发电路和施密特触发器的两处用途。