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1、第七章第七章第七章第七章集成运算放大器的集成运算放大器的集成运算放大器的集成运算放大器的运用运用运用运用模拟电子电路模拟电子电路 第七章第七章 集成运算放大器的运用集成运算放大器的运用7.1 集成运放运用根底集成运放运用根底7.2 运算运算电路路7.3 有源有源滤波波电路路7.4 电压比比较器器uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必需在输出与输入之间加负反响才干使其扩越大，运放的线性范围越小，必需在输出与输入之间加负反响才干使其扩展输入信号的线性范围。展输入信号的线性范围。例：假例：假设UOM=12V，Ao=106， 那么那么|ui|12V时，运放，运放 处于于线性区。性区。
2、线性放大区线性放大区7.1 集成运放运用根底集成运放运用根底*复习复习要集成运放任务在线性区要集成运放任务在线性区,必需在集成运放外部电路引入负反响必需在集成运放外部电路引入负反响uiuo_+Aou-u+理想运放的条件理想运放的条件虚短路虚短路放大倍数与放大倍数与负载无关。分析多无关。分析多个运放个运放级联组合的合的线性性电路路时可以分可以分别对每个运放每个运放进展。展。虚开路虚开路运放任运放任务在在线性区的特点性区的特点一、理想运放的条件及其任务在线性区的特点一、理想运放的条件及其任务在线性区的特点二、分析运放组成的线性电路的出发点二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚短路虚开路虚开路放
3、大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关， 可以分开分析。可以分开分析。U-uo_+U+Ii信号的放大、运算信号的放大、运算有源滤波电路有源滤波电路运放线运放线性运用性运用7.2.1 比例运算电路比例运算电路作用：将信号按比例放大。作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负反响。这样输出电压与运放的开环放反响。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反响系数大倍数无关，与输入电压和反响系数有关。有关。7.2 信号的运算信号的运算电路路i1= i2uo_+ +
4、R2R1RPuii1i21. 放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路构造特点：构造特点：负反响引到反相反响引到反相输入端，信号从反相端入端，信号从反相端输入。入。虚开路虚开路假设R2=R1，那么Au=-1 UO = Ui，称为反相器2. 电路的路的输入入电阻阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2为保保证一定的一定的输入入电阻，当放大倍数阻，当放大倍数大大时，需增大，需增大R2，而大而大电阻的精
5、度差，阻的精度差，因此，在放大倍数因此，在放大倍数较大大时，该电路构路构造不再适用。造不再适用。4. 共模共模电压电位为电位为0 0，虚地，虚地输入入电阻小、共模阻小、共模电压为 0 0 以及以及“虚地是反虚地是反相相输入的特点。入的特点。_+ + R2R1RPuii1i23. 反响方式反响方式电压并并联负反响反响输出出电阻很小！阻很小！反相比例电路的特点：反相比例电路的特点：1. 共模共模输入入电压为0，因此，因此对运放的共模抑制比运放的共模抑制比要求低。要求低。2. 由于由于电压负反响的作用，反响的作用，输出出电阻小，可以阻小，可以为是是0，因此，因此带负载才干才干强。3. 由于并由于并联
6、负反响的作用，反响的作用，输入入电阻小，因此阻小，因此对输入入电流有一定的要求。流有一定的要求。4. U-=U+=0，反相比例运算，反相比例运算电路存在虚地。路存在虚地。二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui反响方式：反响方式：电压串串联负反响。反响。输入入电阻高。阻高。虚短路虚短路虚开路虚开路构造特点：构造特点：负反响引到反反响引到反相相输入端，信号从同相端入端，信号从同相端输入。入。虚开路虚开路同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：3. 共模共模输入入电压为ui，因此，因此对运放的共模抑制比运放的共模抑制比要求高。要求高。1. 由于由于
7、电压负反响的作用，反响的作用，输出出电阻小，可以阻小，可以为是是0，因此，因此带负载才干才干强。2. 由于串由于串联负反响的作用，反响的作用，输入入电阻大。阻大。讨论题1：把同相比例运算电路当作第一级，把反相比例运算电路作为第二级，组成两级放大电路，试分析uo与ui的关系。_+ + uiuo此此电路是路是电压串串联负反响，反响，输入入电阻大，阻大，输出出电阻小，在阻小，在电路路中作用与分立元件的射极中作用与分立元件的射极输出器一出器一样，但是，但是电压跟随性能好。跟随性能好。三、电压跟随器三、电压跟随器构造特点：构造特点：输出出电压全全部引到反相部引到反相输入端，信入端，信号从同相端号从同相端
8、输入。入。电压跟随器是同相比例运算跟随器是同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。讨论题2：假假设同相比例运算同相比例运算电路中的路中的R1= ， R2= RP 0，试分析分析其其Uo与与Ui的关系。的关系。7.2.2 加减运算电路加减运算电路作用：将假设干个输入信号之和或之差按作用：将假设干个输入信号之和或之差按比例放大。比例放大。类型：同相求和和反相求和。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负反响。这样输出电压与运放的开环放反响。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反响系数大倍数无关，与输入电压和反响系数有关
9、。有关。一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+ R2R11ui2uoRPui1实践运用践运用时可适当添加或减少可适当添加或减少输入端的个数，入端的个数，以以顺应不同的需求。不同的需求。i12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1调理反相求和理反相求和电路的某一路信号的路的某一路信号的输入入电阻，不影阻，不影响响输入入电压和和输出出电压的比例关系，的比例关系，调理方便。理方便。二、同相求和运算二、同相求和运算实践运用践运用时可适当添加或减少可适当添加或减少输入端的个数，入端的个数，以以顺应不同的需求。不同的需求。-R1RF+ui1uoR21R22ui2此此电路假路假设以以 u+
10、 u+ 为输入入 ，那么，那么输出出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+ 与与 ui1 和和 ui2 的关系如的关系如何？何？留意：同相求和留意：同相求和电路的各路的各输入信号的放大倍数相互影响，不能入信号的放大倍数相互影响，不能单独独调整。整。流入运放流入运放输入端的入端的电流流为0虚开路虚开路-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左左图也是同相求和运算也是同相求和运算电路，如何求同相路，如何求同相输入入端的端的电位？位？提示：提示：1. 虚开路：流入同相端的虚开路：流入同相端的电流流为0。2. 节点点电位法求位法求u+。三、单运放的加减运算电路三、单运放的加减运算电路实践运
11、用践运用时可适当添加或减少可适当添加或减少输入端的个数，入端的个数，以以顺应不同的需求。不同的需求。R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器单运放的加减运算电路的特例：差动放大器_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1差差动放大器放大了两个信号的差，但是它的放大器放大了两个信号的差，但是它的输入入电阻不高阻不高=2R1=2R1, , 这是由于反相是由于反相输入入呵斥的。呵斥的。例：设计一个加
12、减运算电路，例：设计一个加减运算电路， RF=240k，使，使uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3解解:(1) 画画电路。路。系数系数为负的信的信号从反相端号从反相端输入，系数入，系数为正正的信号从同相的信号从同相端端输入。入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(2) 求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3优点：元件少，本点：元件少，本钱低。低。缺陷：要求缺陷：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻。阻值的的调整整计算不方便。算不方便。单运放的加减运算电路单运放
13、的加减运算电路改良：采用双运放改良：采用双运放电路。路。四、双运放的加减运算电路四、双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6例：例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现，现有信号变化范围为有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo = 0.5ui+2.5 Vuo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+ + 10k20k+5V5
14、kui20kuo1uo_+ + 20k20k10k 五、三运放电路五、三运放电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：三运放三运放电路是差路是差动放大器，放大放大器，放大倍数可倍数可变。由于由于输入均在同入均在同相端，此相端，此电路的路的输入入电阻高。阻高。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+例：由三运放放大器组成的温度丈量电路。例：由三运放放大器组成的温度丈量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt ：热敏敏电阻阻集成化集成化:仪表放大
15、器表放大器Rt=f (TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui1. 它它们都引入都引入电压负反响，因此反响，因此输出出电阻都比阻都比较小小 。2. 关于关于输入入电阻：反相阻：反相输入的入的输入入电阻小，同阻小，同相相输入的入的输入入电阻高。阻高。3. 同相同相输入的共模入的共模电压高，反相高，反相输入的共模入的共模电压小。小。比例运算电路与加减运算电路小结比例运算电路与加减运算电路小结7.2.3 微分运算电路与积分运算电路微分运算电路与积分运算电路u= u+= 0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC假设输入：假设输入：那么：那么：一、微分运算一
16、、微分运算i1iFtui0tuo0输入方波，入方波，输出是三角波。出是三角波。ui-+RR2Cuo二、积分运算二、积分运算运用举例运用举例1 1：tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限运用举例运用举例2：假设积分器从某一时辰输入不断流电压，：假设积分器从某一时辰输入不断流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。饱和。思索：假设输入是正弦波，输出波形怎样，请思索：假设输入是正弦波，输出波形怎样，请本人计算。运放实验中请本人验证。本人计算。运放实验中请本人验证。其他一些运算其他一些运算电路：路：对数与指数运算数与指数运算电路、乘法路、乘法与除法运
17、算与除法运算电路等，由于路等，由于课时的限制，不作的限制，不作为讲授内容。授内容。积分电路的主要用途：积分电路的主要用途：1. 在在电子开关中用于延子开关中用于延迟。2. 波形波形变换。例：将方波。例：将方波变为三角波。三角波。3. A/D转换中，将中，将电压量量变为时间量。量。4. 移相。移相。运算电路要求运算电路要求1. 熟熟记各种各种单运放运放组成的根本运算成的根本运算电路的路的电路路图及放大倍数公式。及放大倍数公式。2. 掌握以上根本运算掌握以上根本运算电路的路的级联组合的合的计算。算。3. 会用会用 “虚开路虚开路(ii=0)和和“虚短路虚短路(u+=u) 分析分析给定运算定运算电路
18、的路的 放大倍数。放大倍数。滤波波电路的分路的分类1. 按信号性按信号性质分分类3. 按按电路功能分路功能分类: 低通低通滤波器；高通波器；高通滤波器；波器；带通通滤波器；波器；带阻阻滤波器波器2. 按所用元件分按所用元件分类模模拟滤波器和数字波器和数字滤波器波器无源无源滤波器和有源波器和有源滤波器波器4. 按按阶数分数分类: 一一阶，二，二阶 高高阶7.3 有源有源滤波器波器传送函数：送函数：幅幅频特性特性相相频特性特性滤滤波波器器传送函数的定义传送函数的定义低通低通高通高通带通通带阻阻四种典型的频率特性四种典型的频率特性无源滤波器的缺陷以一阶滤波器为例无源滤波器的缺陷以一阶滤波器为例传送函
19、数：送函数：RCR1. 带负载才干差。才干差。2. 无放大作用。无放大作用。3. 特性不理想，特性不理想，边沿不陡。沿不陡。截止截止频率率处：01 0.707o截止频率截止频率此此电路的缺陷：路的缺陷：将两级一阶低通滤波器串接将两级一阶低通滤波器串接？各各级相互影响！相互影响！RCRCR有源滤波器的优点：有源滤波器的优点：1. 不运用不运用电感元件，体感元件，体积小分量小分量轻。2. 有源有源滤波波电路中可加路中可加电压串串联负反响，使反响，使输入入电阻高、阻高、输出出电阻低，阻低，输入入输出之出之间具有良好具有良好的隔离。只需把几个低的隔离。只需把几个低阶滤波波电路串起来就可路串起来就可构成
20、高构成高阶滤波波电路，无需思索路，无需思索级间影响。影响。3. 除除滤波外，波外，还可放大信号，放大倍数容易可放大信号，放大倍数容易调理。理。有源滤波器的缺陷：有源滤波器的缺陷：1. 不宜用于高不宜用于高频。2. 不宜在高不宜在高电压、大、大电流情况下运用。流情况下运用。3. 可靠性可靠性较差。差。4. 运用运用时需外接直流需外接直流电源。源。一、一阶有源低通滤波器一、一阶有源低通滤波器传送函数中出送函数中出现 的一次的一次项，故称，故称为一一阶滤波器。波器。RR1RFC+-+幅频特性：幅频特性：相相频特性：特性：有放大作用有放大作用3. 运放运放输出，出，带负载才干才干强。幅幅频特性与一特性
21、与一阶无源低通无源低通滤波器波器类似似电路的特点：路的特点：2. = o 时1. =0 时解出：解出：其中：其中：RR1RFC+-+CRP二、二阶有源低通滤波器二、二阶有源低通滤波器传送函数中出送函数中出现 的二次的二次项，故称，故称为二二阶滤波器。波器。03dBR1= 时：时：AF=1 = o时：RC+-+CRPRR1RFC+-+RR1RFC+-+由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器例：两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。例：两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。分分析析简简单单一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区
22、别：-3dBAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通二阶低通二阶低通阶数越高，幅数越高，幅频特性曲特性曲线越接近理想越接近理想滤波器。波器。0如何组成高通滤波器？将低通将低通滤波器中的波器中的R、C 对调，低通，低通滤波器就波器就变成了高通成了高通滤波器。波器。RCR1RF+-+低通滤波器低通滤波器R1RF+-+高通滤波器高通滤波器R三、一阶有源高通滤波器三、一阶有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器高通滤波器R幅幅频特性：特性：0 o电压源的要求：源的要求：输出出电阻小。阻小。所以，要有所以，要有电压负反响。反响。电路路组成：比例放大器。成：比例放大器。一、电压源一、电压源_+ + R2R1RP
23、UoUs反向比例放大器组成的电压源反向比例放大器组成的电压源7.4 电压源、源、电流源与流源与电压、电流、流、电阻的丈量阻的丈量电路特点电路特点: :1. 输出电压的大小调理方便。输出电压的大小调理方便。2. 同相比例放大器组成的电压源的输出同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。大于输入。3. 反相比例放大器组成的电压源输出可反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。以小于输入。4. 同相比例放大器的输入电阻大，从信同相比例放大器的输入电阻大，从信号源获得的电流小。号源获得的电流小。要求：要求：输出出电阻大。所以，要有阻大。所以，要有电流流负反响。反响。_+ + R2R1RPUsRFRL
24、FIL负载负载悬地！悬地！二、电流源二、电流源I1I2R1R1+AR2R2uoUsRLIL负载接地的电流源负载接地的电流源本人推本人推导指指针式万用表的缺陷：式万用表的缺陷：1不能丈量微小不能丈量微小电压和微小和微小电流；流；2万用表的内阻不是万用表的内阻不是0或或，因此引起，因此引起误差；差；3作交流丈量作交流丈量时，表，表盘刻度是非刻度是非线性的，影性的，影响精度。响精度。三、电压、电流与电阻的丈量三、电压、电流与电阻的丈量把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。_+ + RFRGF输入电阻大，输入电阻大，相当于电压表相当于电压表的内阻是
25、的内阻是 。IG正比于正比于UX假假设：RF=10 ，表，表头的的满偏偏电流流IGmax=100A，那么：那么：满偏偏电压 Uxmax= IGmaxRF=1mV1. 电压表电压表UxIG虚短路虚短路虚开路虚开路此电路的优点：此电路的优点：(1) 量程由表量程由表头的的满偏偏电流流 IG 和和电阻阻 RF 决决议。 RF选用小用小电阻，能丈量阻，能丈量较小的小的电压；(2) 输入入电阻高，阻高，对被被测电路影响小；路影响小；(3) 丈量丈量值与表与表头内阻内阻RG无关，表无关，表头的的互互换性好；性好；(4) RF小，可以做得小，可以做得较精精细。因此能。因此能较准准确地丈量小确地丈量小电压。UX= UF=RF IG电压表扩展量程电压表扩展量程_+ + RFRGFIG1mV表头表头分分压电阻的阻的计算算取取R1=100kR2=900k, R3=1MR1R2R31mV10mV100mV_+ + RFRGF1mV表头表头100 10A10 100A1 1mA表表头的的满偏偏电压UG= IGRF=1mV2. 电流表电流表+ RU = UF= IGRF ， U =U+ = IX RIGIX_+ + RFRGF3. 电阻表电阻表IGRUsRXUX1mV表头表头第七章第七章第七章第七章 终终了了了了模拟电子电路模拟电子电路
