《运放滤波器》ppt课件-2

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1、第八章 运算放大器应用,运算电路 比例运算电路 加、减运算电路 积分、微分运算电路 对数、指数运算电路 乘、除运算电路 电流电压变换电路 滤波电路 有源低通滤波电路 有源高通滤波电路 有源带通滤波电路 有源带阻滤波电路 例题、习题,8.1 比例运算电路,8.1.1 反相比例电路,电压并联负反馈 输入端虚短、虚断,Ri = R1,1. 基本电路,特点： 反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低 输出电阻小，带负载能力强 要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M,电路中Ri 称为平衡 电阻R = R1 / Rf,2. T

2、型反馈网络,虚短、虚断,如果要求放大倍数100，R1=R2=R4=100K，R3=1.01K,8.1.2 同相比例电路,电压串联负反馈 输入端虚短、虚断,Ri = ,平衡电阻 R = R1 / Rf,特点： 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强 V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模 抑制比要求高,1. 基本电路,2. 电压跟随器,输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小,8.2 加减运算电路,8.1.1 求和电路,虚短、虚断,特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出 的比例关系； 没有共模输入,1. 反相求和电路,R =R1 / R2

3、/R3 / Rf,2. 同相求和电路,虚短、虚断,8.1.2 单运放和差电路,Vi3=Vi4=0 时：,根据叠加原理得：,8.1.2 双运放和差电路,例1:设计一加减运算电路,设计一加减运算电路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3,解：用双运放实现,如果选Rf1= Rf2 =100K，且R4= 100K,则：R1= 50K R2= 20K R5= 10K,平衡电阻 R3= R1/ R2/ Rf1= 12.5K,R6= R4/ R5/ Rf2= 8.3K,例2： 如图电路，求Avf，Ri,解：,例3：求电路的电压放大倍数Avf,例4:求vo与(vs1-vs2)的关系,由于第一级差放电路上下

4、对称，R1的中点可视为接地点，所以：,例4应用实例,应用实例,例5：精密整流电路,Vi,Vo,Vi0时，D2截止，D1导通， Vo1 =- Vi ， Vo =- Vi-2 Vo1= Vi Vi0时，D1截止，D2导通， Vo1 =0 ， Vo =- Vi Vo =Vi,Vo1,精密整流电路仿真结果,8.3 积分电路和微分电路,8.3.1 积分电路,电容两端电压与电流的关系：,+ vc -,积分实验电路,积分电路的用途,将方波变为三角波（vi：方波，频率500Hz，幅度1V）,积分电路的用途,将三角波变为正弦波（vi：三角波，频率500Hz，幅度1V）,积分电路的用途,（vi：正弦波，频率500

5、Hz，幅度1V）,思考： 输入信号与输出信号间的相位关系？,积分电路的用途,（vi：正弦波，频率200Hz，幅度1V）,思考： 输入信号频率对输出信号幅度的影响？,积分电路的用途,去除高频干扰 将方波变为三角波 移相 在模数转换中将电压量变为时间量,8.3.2 微分电路,+ vc -,微分实验电路,10K,把三角波变为方波,（vi：三角波，频率1KHz，幅度0.2V）,输入正弦波,（vi：正弦波，频率1KHz，幅度0.2V）,思考： 输入信号与输出信号间的相位关系？,输入正弦波,（vi：正弦波，频率500Hz，幅度1V）,思考： 输入信号频率对输出信号幅度的影响？,8.4 对数和指数运算电路,

6、8.4.1 对数电路,对数电路改进,基本对数电路缺点： 运算精度受温度影响大 小信号时exp(vD/vT)与1差不多大，所以误差很大 二极管在电流较大时伏安特性与PN结伏安特性差别较大，所以运算只在较小的电流范围内误差较小。,改进电路1：用三极管代替二极管,改进电路2,电路在理想情况下可完全消除温度的影响,Rf,改进电路3：实用对数电路,如果忽略T2基极电流， 则M点电位：,8.4.2 指数电路,1. 基本指数电路,2. 反函数型指数电路,电路必须是负反馈才能正常工作，所以：,虚短、 虚断： vM= -vI,8.5 乘除运算电路,8.5.1 基本乘除运算电路,1. 乘法电路,乘法电路,乘法器符

7、号,2. 除法电路,8.5.2. 乘法器应用,1. 平方运算和正弦波倍频,如果输入信号是正弦波：,只要在电路输出端加一隔直电容， 便可得到倍频输出信号,2. 除法运算电路,注意：只有在vX20时电路才是负反馈,负反馈时，根据虚短、虚断概念：,3. 开方运算电路,输入电压必须小于0，否则电路将变为正反馈。,两种可使输入信号大于0的方案：,3. 调制（调幅）,4. 压控增益,乘法器的一个输入端接直流电压（控制信号），另一个接输入信号，则输出信号与输入信号之比（电压增益）成正比。 vO=KVXvY, 8.6 电流-电压和电压-电流变换电路,输出端的负载电流：,电流-电压变换电路,1.电流电压变换电路

8、：,2. 电压-电流变换电路,由负载不接地电路图可知：,所以输出电流与输入电压成比例。,负载不接地,2. 电压-电流变换电路,对负载接地电路图电路， R1和R2构成电流并联负反馈； R3 、R4和RL构成构成电压串联正反馈。,电压-电流变换电路,讨论： 1. 当分母为零时， iO ，电路自激。 2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则： 说明iO与vS成正比 , 实现了线性变换。,电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。,滤波电路基础知识 低通滤波电路（LPF） 高通滤波电路 ( HPF ) 带通滤波器(BPF) 带阻滤波器(BEF) 开关电容滤

9、波器,8.7 有源滤波电路,8.7.1 滤波电路基础知识,一. 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 , C , L ) 组成,有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放 和RC网络 组成，实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,有源滤波电路的优点, 缺点: 请看书,滤波电路基础知识,1. 按所处理的信号可分为 模拟 的和 数字 的两种,2. 按所采用的元器件可分为有源和无源,3. 按通过信号的频段可分为以下五种:,a. 低通滤波器( LPF ),二. 滤波电路的分类和主要参数,Avp: 通带电压放大倍数,fp: 通带截至频率,过渡带: 越窄表明选频性能越好,理想滤波器

10、没有过渡带,滤波电路基础知识,b. 高通滤波器( HPF ),c. 带通滤波器( BPF ),滤波电路基础知识,d. 带阻滤波器( BEF ),e. 全通滤波器( APF ),4. 按频率特性在截止频率fp附近形状的不同可分为 Butterworth , Chebyshev 和 Bessel等,滤波电路基础知识,理想有源滤波器的频响：,滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。,8.7.2 低通滤波电路 ( LPF ),一阶低通滤波电路 ( LPF ) 简单二阶 LPF 二阶压控电压源 LPF 无限增益多

11、路反馈有源滤波器,滤波器的主要技术指标,（1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器 在通频带内的电压放大 倍数，如图所示。性能 良好的LPF通带内的幅 频特性曲线是平坦的， 阻带内的电压放大倍数 基本为零。 （2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上、下限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。,8.7.2.1 一阶低通滤波电路 ( LPF ),组成：简单RC滤波器同相放大器 特点：Avp 0，带负载能力强 缺点：阻带衰减太慢，选择性较差,一. 电路构成,一阶低通滤波电路 ( LPF ),有源滤波电路的分析方法:,1.电路图 电路的传递函数Av(s) 频率特

12、性Av(j),2. 根据定义求出主要参数,3. 画出电路的幅频特性,二. 性能分析,一阶低通滤波电路 ( LPF ), 通带截止频率, 通带电压放大倍数, 传递函数,一阶LPF的幅频特性:,一阶低通滤波电路 ( LPF ),过渡带缓慢,选频性能差,8.7.2.2 简单二阶 LPF,1. 传递函数:,一. 电路构成,组成: 二阶RC网络 同相放大器,二. 主要性能,M,通带增益：,简单二阶 LPF,2.通带截止频率:,3.幅频特性:,特点：在 f f0 后幅频特性以-40dB/dec 的速度下降； 缺点：f=f0 时，放大倍数的模只有通 带放大倍数模的三分之一,8.7.2.3 二阶压控电压源 L

13、PF,二阶压控电压源一般形式,二阶压控电压源LPF,二阶压控电压源 LPF,Avp同前,分析：,上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。,联立求解以上三式，可得LPF的传递函数：,对节点 N , 可以列出下列方程：,二阶压控电压源 LPF,频率特性:,当Q=0.707 时，fp=f0,当Avp=3时，Q =， 有源滤波器自激。,二阶压控电压源 LPF,二阶压控电压源LPF的幅频特性,巴特沃思（压控）LPF,Vo,仿真结果,Q=0.707 fp=f0=100Hz,8.7.2.4 无限增益多路反馈滤波器,无限增益多路反馈LPF,要求集成运放的开环增益远大于60DB,无限增益多路

14、反馈有源滤波器一般形式,无限增益多路反馈有源滤波器,由图可知：,对节点N , 列出下列方程：,无限增益多路反馈有源滤波器,频率响应为：,通带电压放大倍数,巴特沃思（无限增益）LPF,仿真结果,Q=0.707 fp=f0=1000Hz,8.7.3 高通滤波电路 ( HPF ),HPF与LPF的对偶关系,二阶压控电压源HPF,无限增益多路反馈HPF,8.7.3.1 HPF与LPF的对偶关系,1. 电路结构对偶,HPF与LPF的对偶关系,2. 传递函数对偶,低通滤波器传递函数,高通滤波器传递函数,HPF与LPF的对偶关系,3. 幅频特性对偶(相频特性不对偶),8.7.3.2 二阶压控电压源HPF,电

15、路形式相互对偶,二阶压控电压源LPF,二阶压控电压源HPF,二阶压控电压源HPF,传递函数:,高通:,低通:,二阶压控电压源HPF,二阶压控电压源HPF幅频特性,8.7.3.3 无限增益多路反馈HPF,无限增益多路反馈LPF,8.7.4 带通滤波器(BPF),BPF的一般构成方法：,优点:通带较宽,通带截 至频率容易调整 缺点:电路元件较多,一般带通滤波电路,BPF,LPF,HPF,仿真结果,二阶压控电压源BPF,二阶压控电压源一般形式,二阶压控电压源BPF,传递函数:,二阶压控电压源BPF,二阶压控电压源BPF,截止频率:,二阶压控电压源BPF仿真电路,仿真结果,8.7.5 带阻滤波器(BE

16、F),BEF的一般形式,缺点:电路元件较多 且HPF与LPF相并 比较困难,基本BEF电路,双T带阻网络,双T带阻网络频率特性,二阶压控电压源BEF电路,正反馈,只在f0附近起作用,传递函数,传递函数:,阻带宽度:,二阶压控电压源BEF仿真电路,仿真结果,例题6,要求二阶压控型LPF的 f0=400Hz , Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。,解：根据f 0 ，选取C再求R。 1. C的容量不易超过 。 因大容量的电容器体积大， 价格高，应尽量避免使用。 取,计算出 ，取,例题6,2根据值求 和 ，因为 时 ， ，根据 与 、 的关系，集成运放两输 入端外接电阻的对称条件,解得：,例题6仿真结果,例7,LPF,例7仿真结果,例8,HPF,例8仿真结果,例9,例9仿真结果,vo1 :红色 vo :蓝色,8.8 开关电容滤波器,开关电容滤波器,开关