武汉大学模电课件第六章

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1、第6章 集成运算放大器的应用,概述,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=0,4、输出电阻 R0=0,5、共模抑制比 KCMR=,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,集成运放的应用,按功能分类,按工作区域分类,线性应用,非线性应用 电压比较器,线性应用的条件,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi ，使Vid Vim，运放工作在线性区。,由于AVO , 为深度负反馈，可用虚短和虚断。,虚断,vP= vN,虚短,增益与负载无关,6.1 集成运算放大器构成的放大电路,一、反相放大器,Rp=Rf/R1

2、,电压并联负反馈,虚短、虚断,(虚地),性能特点,输入电阻小（Ri = R1 ）,运放共模输入电压 0,有虚地 设计简单,平衡电阻 输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入差分级的对称性。,i1,例1,设计要求：,Ri = 1M ，AV = -100,解：,R1 = Ri = 1M,为了用低值电阻实现高电压增益的反相比例运算,R2 = R1 = Ri = 1M,取：,R2 R3 ,R4 (k),R4 = 99k,R3 = 1k,二、同相放大器,电压串联负反馈,虚短、虚断,性能特点,输入电阻大（Ri = ）,运放共模输入电压 vi,对运放KCMR 要求较高,三、电流与电压转换器,电流电压转换器,

3、电压电流转换器,四、差动放大器,输入电阻,虚短,五、仪器放大器,第二级A3差分电路,第一级A1 、A2,6.2 集成运放组成的基本运算电路,反相比例加法,同相比例加法,反相器,一、加减法电路,例,(1) 求vO 表达式,(2) 说明A1 , A2各构成 什么功能电路。,解:,第一级A1反相比例,第二级A2反相加法,利用反相信号求和 以实现减法运算,多级运放结构,例,求vO 表达式,解: 方法一，虚短、虚断,方法二，叠加定理,vS1单独作用， vS2 =0 :,vS2单独作用， vS1 =0 :,反相比例,同相比例,减法电路,(1) 利用反相信号求和,(2)利用差分式电路,分析方法小结：,(1)

4、 基本的虚短、虚断,(2) 分解为基本电路（多个运放）,(3) 叠加原理,特点：,有虚地、结构简单,输入电阻小,特点：,电阻要配对、无虚地、,输入电阻不等,例,求电压增益表达式,解：,A1、A2为电压跟随器， 所以,对A3利用虚短、虚断有,A4为反相比例,解得：,二、积分电路, 特点： 反相比例 Rf C, 输出表达式推导：,根据“虚短、虚断”，得,反相积分运算,方法二： C ZC = 1/sC,例如，设R=10k，C=0.05F。在t=0时VCO=0。而v0经过+6V时，电子开关动作，若vi在t=0时，由0 -3V，,则 解得T=1ms,即延迟时间为1ms,用途,（2）将方波变为三角波,（3

5、）移相900,设输入信号是正弦波，则,vo比vi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。,工作原理,因输入端存在“虚地”，故,而i也流过R，故,电路存在的问题： （1）vo与vi成正比，vo对vi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，可能引起自激振荡。 （3）当vi突变时，vo过大，严重时将使电路不能正常工作。,改进措施：,限流,限制vo,三、微分电路,缺点： （1）因VT和IS是温度的函数，故运算精度受温度的影响。 （2）小信号时 与1相差不多，因而误差大。 （3）大电流时，伏安特性与PN结方程

6、差别大，故上式只在小电流时成立。,1、对数电路,工作原理,设vi0，D导通，则有,四、对数和反对数电路,以三极管代替二极管，以获得较大的工作范围。,时,而,注意：vi必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,改进措施：,2、指数运算电路,五、综合运算电路,6.3 集成电压比较器,一、电压比较器的作用,，,单限电压比较器,分类：,滞回（迟滞）电压比较器,窗口电压比较器,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路,1、单门限电压比较器,特点：开环，,运放工作在非线性状态下,工作原理：,传输特性：,直观,逻辑1（高电平）,逻辑0（低电平）,其他电路：,同相比较,反相比较,同相过零比较器,反相过零比较器

7、,同(c)图（虚断）,分析任务及方法,求传输特性, 方向, 输出电平VOH 、VOL, 门限电压Vth,同相和反相,Vom (运放线性范围=VCC-VCES ),Vom= VCC (忽略饱和压降),Vom= VZ (稳压电路), 输出vO翻转时相应的输入电压,显然当v+ v-时状态翻转，可用虚短、虚断,分析举例1,设运放是理想的， 且VREF= -1V, VZ= 5V，试求门限电压Vth ，画出传输特性,解: 求门限电压Vth,利用虚短、虚断,画传输特性,由稳压管电路，得：VO= VZ= 5V。,vI反相端 反相电压比较器,比较器的应用, 基本应用, 判断电压大小，如安全监控等, 获取周期T

8、过零比较器, 波形整形,单门限比较器的抗干扰能力差,2、滞回电压比较器,特点：正反馈，,显然在非线性状态，输出只有2种状态,工作原理：,vI最大（vI +6V）,vI居中（-6V vI +6V）,vI最小（vI -6V）, vO = -12V, 保持原状态不变, vO = +12V,传输特性右移2V,例1,试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,（2）传输特性,反相迟滞比较器,例2,求门限电压；画出传输特性；画出输入正弦信号时的输出电压波形。（VZ= 9V）,求门限电压:,画出传输特性:,输出电压波形:,解：,同相迟滞比较器,3

9、、窗口电压比较器,用来检测给定范围电压的电路,时,时,时,例,(1) A1 , A2开环单门限比较器,(2) D1 , D2和三极管或非门逻辑电路,则 D1 ,D2和三极管都截止,则 D1 ,D2有1个导通三极管Je正偏,所以,三极管饱和 vO = 0V,画出传输特性,补充：信号产生电路,电路组成,（多谐振荡电路）,反相迟滞比较器,RC低通 积分环节,稳压管双向限幅,能否不串入该电阻？,方波产生电路,工作原理,设vO = +VZ （输出只有2种状态）,vC = 0 （电容初值）,vO = +VZ,当vC vF时,vO = VZ,当vC vF时,周而复始，形成振荡,波形,4. 计算周期,问题：能

10、否调整占空比，产生矩形波？,占空比可变的方波产生电路,问题：能否同时产生方波和三角波？,锯齿波产生电路,方波、三角波产生电路,电路变换,反相积分电路,同相迟滞比较器,例题,求振荡频率；画出vO1、vO的波形。,反相积分电路,同相迟滞比较器,求振荡频率；画出vO1、vO的波形。,6.4 有源滤波电路,一、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 衰减无用频率信号的电子装置。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义,时，有, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应为,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

11、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）,2、分类按幅频特性分类,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。,4、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加串联负反馈，使ri高，ro低。 （3）除了有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。,3、无源滤波电路和有源滤波电路

12、,1、低通滤波器,缺点：带负载的能力差，例如 R=27k，RL=3k，对直流而言，vo只有vi的十分之一，而当RL断开时，vo=vi，,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。,二、一阶RC有源滤波电路,传递函数,特征角频率,幅频相应为,一阶RC有源低通滤波电路,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,2、 高通滤波电路,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/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。,4. 带阻滤波电路,

13、1. 压控电压源低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS）,得滤波电路传递函数,（二阶）,三、二阶有源滤波电路,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,归一化的幅频响应,相频响应,用 代入，可得传递函数的频率响应,归一化的频率响应波特图,直流时的幅频响应,电压增益下降-40db,在Q0.707和= n时，出现-3db的转折点,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,滤波电路才能稳定工作,2. 压控电压源高通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,可由低通和高通串联得到,3. 压控电压源带通滤波电路,传递函数,归一化的幅频响应波特图,双T选频网络,4. 双T带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,小 结,1、理想运放工作时，两输入端之间的电压差为零，输入电流为零；,2、运放有两种工作状态：线性和非线性；,3、运放的两种基本电路为同相放大器和反相放大器；,4、利用运放的两种基本电路可以组成运算电路（加减法、积分、微分、对数、反对数、乘法器等）,5、运放与电阻电容可构成滤波器电路，实现对频率的选择作用。,