[工学]模电课件8

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1、 集成运放的基本应用电路,从功能来看,有信号的运算、处理和产生电路等。这里所讨论的是模拟信号运算电路,包括加法、减法、微分、积分、对数、反对数(指数)运算电路以及乘法和除法运算电路等。信号处理电路的内容也较广泛,包括有源滤波、精密二极管整流电路、电压比较器和取样-保持电路等。8.1 基本运算电路8.2 实际运放电路的误差分析8.3 对数和反对数运算电路*8.4 模拟乘法器8.5 有源滤波电路*8.6 开关电容滤波器主要内容: 8.1 加、减、积分和微分电路 8.2 实际运算放大器运算电路的误差分析 8.3 滤波电路的基本概念，一阶、二阶有源滤波电路 基本要求: 8.1 抓住深度负反馈条件下的“

2、虚短”和“虚断”的概念，讨 论基本运算电路 8.2 了解实际运放组成的运算电路的误差 8.3 了解有源滤波电路的分类及一阶、二阶滤波电路的 频率特性 教学要点： 建立运算放大器“虚短”和“虚断”的概念，重点介绍由运算 放大器组成的加法、减法、积分和微分电路的组成和工 作原理概述 一、理想运放的特性1、开环电压增益 Aod=2、差模输入电阻 rid=3、输入偏置电流 IB1=IB2=04、输出电阻 r0=05、共模抑制比 CMRR=6、频带宽度 BW=7、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零+一、理想运放的特性二、两条重要的法则1、 理想运放的两输入端之间的电压差为零两输入端短路概述2

3、、 理想运放的两输入端不取电流两输入端之间开路Ui=0， 而 ri= 即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过。+概述1、 线性区在线性区，它的输出信号和输入信号满足如下的关系Uo=Aod（U+-U-）通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引 入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线 性范围。特点:（1）运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，即U+=U-。（2）理想运放的输入电流等于零。三、集成运放的工作区分为线性 区和非线性区+概述2、 非线性区输出电压与输入电压之间 UoAod（U+-U-）特点 （1） 输出电压只有两种可能的状态：U+或U-，而U+不

4、一定等于U-。当 U+U- 时 Uo=U+U+U- 时 Uo=U+（2） 运放的输入电流等于零。三、集成运放的工作区分为线性 区和非线性区8.1 基本运算电路 加法电路 微分电路 积分电路 减法电路说明：1、 对模拟量进行运算时，要求输出信号反映输入信号 的某种运算结果。2、集成运放必须工作在线性区。 一、 反相输入求和电路二、 同相输入求和电路三、 双端输入求和电路四、加减法运算器 加减法电路一、 反相输入求和电路在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图 12.01。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。图12.01

5、反相求和运算电路二、 同相输入求和电路在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电 路，如图12.02所示。图12.02 同相求和运算电路 因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位可用叠加原理求 得:RRR RRRvRR RR RRRvRR RRRRR RRRvRR RRRvRRv+ +=+ +=f12i212221i1211f12i2121i12 o) /( ) /() /( ) /() /( ) /() /( ) /(Rv RvRRRRR RRRvRRvRRv+=+=2i21i1 f npfff i2 2p i1 1p o)()(由此可得出/ / fn21p R

6、RRRRRR=式中+-= vv+=RRRvRR RRRvRRv) /( ) /() /( ) /(12i2121i12-+=vRRRvo f而, i2i1of21npvvvRRRRR+=时当，三、 双端输入求和电路双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图12.03所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。图12.03双端输入求和运算电路当vi1=vi2 =0时，用叠加原理分别求出vi3=0和vi4 =0时的输出电压vop。当vi3 = vi4 =0时，分别求出vi1=0 ，和vi2 =0时的von。先求式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf 再求于是四、加减法

7、运算器 工作原理：特点：它由差动输入放大 器演变而来。 U+U-I1IfI2I3UoUi4Ui3Ui2Ui1RRRRRRI4若有更多的相加量或相减量，可以增加或减少电路的相应的输入 端。 由I0，有I1+I2=IfI3+I4=Ip由一、 积分运算电路二、 微分运算电路 积分和微分运算电路一、积分电路 uouiRPRCiiC 工作原理其中UCO是电容两端电压的初始值用途（1） 延迟：若将积分电路的输出作为 电子开关的输入。例如，设R=100，C=0.05F。在t=0时 UCO=0。而u0经过+6V时，电子开关动作 ，若ui在t=0时，由0 -3V，则 解得T=1ms即延迟时间为1msui t-3

8、VtuoT+6VuouiRPRCiiC工作原理其中UCO是电容两端电压的初始值用途（2）将方波变为三角波 uituotuouiRPRCiiC用途（3）移相900设输入信号是正弦波，则uo比ui超前900，且这个相位差与频率无关，但输出电压的幅 度随频率升高而下降。（3）在模数转换器中将电压量转换为时间量二、微分电路 iiR工作原理因输入端存在“虚地”，故 而i为也流过R，故 电路存在的问题：（1）由于uo与ui成正比，uo对ui的变化非常敏感，故抗干扰能力 差。（2）RC环节对于反馈信号具有滞后作用，它和运放电路的滞后 作用合在一起，可能引起自激发振荡。（3）当ui发生突变时，uo过大，严重时

9、将使电路不能正常工作。uouiRPR C改进措施：限流限 制 uo相 位 补 偿8.2 实际运放电路的误差分析 共模抑制比KCMR为有限值的情况 输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况一. 共模抑制比KCMR为有限值的情况同相比例运算电路闭环电压增益理想情况越大，误差越小。二、 VIO、IIO不为零时的情况输入为零时的等效电路VN Vo R2R1/Rf(IIB-IIO/2)R2VPVIO(IIB-IIO/2)(R2/Rf)解得误差电压当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时当电路为积分运算时，即 换成电容C，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在二、 V

10、IO、IIO不为零时的情况减小误差的方法 输入端加补偿电路 利用运放自带的调零电路二、 VIO、IIO不为零时的情况8.3 对数和反对数运算电路1. 对数运算电路2. 反对数运算电路1. 对数运算电路图 12.08 对数运算电路对数运算电路见图12.08。由图可知 2. 反对数运算电路指数运算电路如图12.09所示。指数运算电路相当于反对数运算电路。图 12.09 指数运算电路综合运算电路 加减法 运算器反对数 运算器uo对数 运算器ui3lnui3对数 运算器ui2lnui2对数 运算器ui1lnui1同相 运算器mlnui1反相 运算器-nlnui28.5 有源滤波电路一、基本概念及初步定

11、义二、一阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 基本概念 分类三、 二阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 带通滤波 带阻滤波 带阻滤波 带通滤波一、基本概念及初步定义1. 基本概念滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号得电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路滤波电路传递函数定义时，有其中 模，幅频响应 相位角，相频响应时延响应为2. 分类按幅频特性分 低通（LPF）用于工作信号为低频（或直 流），并且需要削弱高次谐波或频率较高 的干扰和噪声等场合整流后滤波。 高通（HPF）用于信号处于高频，并且 需要削弱低频的场合阻容放大器的 耦合。 带通（BPF）用于突出

12、有用频段的信号 ，削弱其它频段的信号或干扰和噪声 载波通信。 带阻（BEF）用于抑制干扰。 全通（APF）一、基本概念及初步定义通阻通Au阻通Au通阻Au阻阻 通Au3、无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。 一、基本概念及初步定义RuiRLCuouiRLCLuo4、由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波 电路的优点： （1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。（2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。（3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易 调节。 1、一阶RC有源滤

13、波电路二、低通滤波器 RuiCuo最简单的滤波电路缺点：带负载的能力差，例如 R=27k，RL=3k，对于直流而言 ，uo只有ui的使分之一，而当RL断开时，uo=ui，其中当为了提高带负载的能力，可以减小R，提高C，但这不现实， 此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。传递函数其中特征角频率故，幅频相应为1、一阶RC有源滤波电路二、低通滤波器 8.5.2 一阶有源滤波电路2. 高通滤波电路可由低通和 高通串联得到必须满足3. 带通滤波电路低通特征角频率高通特征角频率8.5.2 一阶有源滤波电路4. 带阻滤波电路可由低通和高通并 联得到必须满足一阶有源滤波电路通带外衰减 速率慢（-20dB/

14、十倍频程），与理 想情况相差较远。一般用在对滤波 要求不高的场合。8.5.3 二阶有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源电路（VCVS）对于滤波电路，有得滤波电路传递函数（二阶）8.5.3 二阶有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路令称为通带增益称为特征角频率称为等效品质因数则滤波电路才能稳定工作注意：用 代入，可得传递函数的频率响应：8.5.3 二阶有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应相频响应8.5.3 二阶有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应波特图8.5.3 二阶有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路将低通电路中的电容和电 阻对换，便

15、成为高通电路。传递函数归一化的幅频响应滤波电路才能稳 定工作8.5.3 二阶有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路归一化的幅频响应波特图8.5.3 二阶有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路可由低通和高通串联得到8.5.3 二阶有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路令传递函数得8.5.3 二阶有源滤波电路归一化的幅频响应波特图3. 压控电压源带通滤波电路8.5.3 二阶有源滤波电路4. 双T带阻滤波电路双T选频网络8.5.3 二阶有源滤波电路4. 双T带阻滤波电路频率响应8.5.3 二阶有源滤波电路4. 双T带阻滤波电路双T带阻滤波电路本 章 小 结 实际集成运放电路的开环电压增益、差模输入电阻、输出电阻、共模 抑制比、开环带宽、失调和零飘等指标达不到理想集成运放的极端条件 ，但是用理想条件代替实际运放电路去估算和分析电路，相对误差是很 小的。 理想集成运放电路在线性区工作导出的虚短和虚断的特征，特别是反 相端输入时还具有虚地的特征。视实际运放为理想运放，应用理想运放 的这些条件，将大大简化电路的分析和计算。 反相输入和同相输入的比例运放电路是两种最基本的集成运算电路， 分别为电压并联负反馈和电压串联负反馈。它们是构成集成运算、处理 电路最基本的电路，在此基础上搭