磁針1507模電12 INA 濾波器 0130

1、主講教師：主講教師：元增民元增民2015級注冊電氣工程師考培級注冊電氣工程師考培電工與模數(shù)電技術(shù)電工與模數(shù)電技術(shù)參考書目參考書目1 1 張炳達，注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試公共張炳達，注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試公共/ /專業(yè)基礎(chǔ)考試專業(yè)基礎(chǔ)考試復習教程，天津大學出版社，復習教程，天津大學出版社，20132013年年2 2 元增民，模擬電子技術(shù)簡明教程，清華大學出版社，元增民，模擬電子技術(shù)簡明教程，清華大學出版社，20142014年年3 3 元增民，電工技術(shù)，國防科大出版社，元增民，電工技術(shù)，國防科大出版社，20112011年年4 4 謝慶等，注冊電氣工程師謝慶等，注冊電氣工程師( (供配電供配電

2、) )執(zhí)業(yè)資格考試基礎(chǔ)考試歷執(zhí)業(yè)資格考試基礎(chǔ)考試歷年真題詳解，人民交通出版社，年真題詳解，人民交通出版社，20142014年年本課件補充的知識點都來自于本課件補充的知識點都來自于參考書參考書2、3，特此一并注明。，特此一并注明。本節(jié)要務(wù)本節(jié)要務(wù) OPA應(yīng)用及濾波器應(yīng)用及濾波器1. 乘除法及乘方開方電路乘除法及乘方開方電路2. 儀表放大器儀表放大器INA3. 比較器比較器4. 濾波器濾波器模擬電子技術(shù)第十二次課模擬電子技術(shù)第十二次課8.2.2 8.2.2 模擬乘法器模擬乘法器1. 1. 模擬乘法器模擬乘法器(a) 模擬乘法電路模擬乘法電路 (b) 乘法電路符號乘法電路符號圖圖8.2.3 模擬乘法

3、電路工作原理模擬乘法電路工作原理cTbeIUr 1 iTccouUIRu e2ie3be2icRuRUuI2 e2icR2uI 2i1 iTecouuUR2Ru 省略省略rbb有有 設(shè)設(shè)2=1=，則圖，則圖8.2.3所示電路輸出電所示電路輸出電壓與輸入電壓關(guān)系壓與輸入電壓關(guān)系1 icTc1 ibecou)I/U(RurRu (8.2.3)將對數(shù)、反對數(shù)及加減電路綜合起來，也能實現(xiàn)乘除法。將對數(shù)、反對數(shù)及加減電路綜合起來，也能實現(xiàn)乘除法。1 i121ou)RR1(u Kuuu2io1o Kuuu)RR1(2io1 i12 2i1 i12ouu)RR1(Ku 2. 2. 模擬除法器及開方器模擬除法

4、器及開方器圖圖8.2.5 模擬開方器電路模擬開方器電路圖圖8.2.4 模擬除法器電路模擬除法器電路1 i12ou)RR1(Ku 1) 1) 模擬除法器模擬除法器從從OPAOPA同相比例電路看同相比例電路看2) 2) 模擬開方器模擬開方器令令u ui2i2=u=uo o，式，式(8.2.4)(8.2.4)變?yōu)樽優(yōu)?8.2.4)(8.2.5)1 i122ou)RR1(Ku 從從OPAOPA乘法電路看乘法電路看3/7/2022198頁題頁題2-22圖圖 仿真題仿真題2-22 如如題題2-22圖所示模擬乘法器和運放器都是理想的，已知圖所示模擬乘法器和運放器都是理想的，已知ui10，電，電路輸出電壓與輸

5、入電壓的關(guān)系應(yīng)為路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系應(yīng)為 。2i1 ioukuu 2i1 ioukuu 1 i2iokuuu 1 i2ioukuu A.B.C.D.解解 uo1=ui2=kuoui1，從中求出，從中求出1 i2iokuuu 為除法運算器，選為除法運算器，選 D圖圖8.3.1 測量放大器原始電路測量放大器原始電路 2. 信號處理特征：信號處理特征：CMRR=1，一放對差模信號，一放對差模信號ud和共模信號和共模信號 uc“一視同仁一視同仁”地加以放大，貌似公允，實質(zhì)上良莠不分，共模抑地加以放大，貌似公允，實質(zhì)上良莠不分，共模抑制任務(wù)完全交給二放。制任務(wù)完全交給二放。8.3 集成運算放大器線

6、性應(yīng)用集成運算放大器線性應(yīng)用(3)-儀表放大器儀表放大器INAINA(8.3.1)13751 i2ioRR)RR1(uuuA 1. 電路結(jié)構(gòu)特征：電路結(jié)構(gòu)特征： 兩個同相比例電路加一個減法器兩個同相比例電路加一個減法器總電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)(Instrument Amplifier)(Instrument Amplifier)圖圖8.3.2 測放原始電路在差模輸入電壓下的表現(xiàn)測放原始電路在差模輸入電壓下的表現(xiàn)接地沒用接地沒用圖圖8.3.3 測放原始電路在共模輸入電壓下的表現(xiàn)測放原始電路在共模輸入電壓下的表現(xiàn)離不開接地離不開接地此接地對差模信號無用，但為共模放大提供方便此接地對差模信號無用

7、，但為共模放大提供方便有害！有害！圖圖8.3.4 測量放大器工作原理測量放大器工作原理 信號處理特征：信號處理特征： 一放對差模信號一放對差模信號ud加以放大，對共模信號加以放大，對共模信號uc，Rg相當斷開，蛻化為電壓跟隨器，減輕了二放的共模抑制任務(wù)。相當斷開，蛻化為電壓跟隨器，減輕了二放的共模抑制任務(wù)。gfdRR21A 一放差模電壓放大倍數(shù)一放差模電壓放大倍數(shù)一放對共模信號相當電壓跟隨器，其共模電壓放大倍數(shù)一放對共模信號相當電壓跟隨器，其共模電壓放大倍數(shù)1Ac 一放共模抑制比一放共模抑制比 gfcdRR21AACMRR (8.3.2)總電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)gf1 i2ioRR21uu

8、uA 圖圖8.3.5 AD623型測量放大器電路基本工作原理型測量放大器電路基本工作原理)Rk1001(Ag 1Ak100Rg AD623電壓放大倍數(shù)為電壓放大倍數(shù)為根據(jù)所需要的電壓放大倍數(shù)根據(jù)所需要的電壓放大倍數(shù)A可計算需要接入的電阻可計算需要接入的電阻2022-3-7濾波器概念、種類和幅頻特性濾波器概念、種類和幅頻特性濾波器：一種根據(jù)頻率選擇信號的電路。濾波器：一種根據(jù)頻率選擇信號的電路。圖圖9.1.1 五種濾波器的理想幅頻特性曲線五種濾波器的理想幅頻特性曲線低通濾波器低通濾波器(LPF)：0fH的低頻信號允許通過，的低頻信號允許通過，ffH的高頻信號被衰減。的高頻信號被衰減。高通濾波器高

9、通濾波器(HPF)：fL的高頻信號允許通過，的高頻信號允許通過，ffL的低頻信號被衰減。的低頻信號被衰減。帶通濾波器帶通濾波器(BPF)：fLfH的中頻信號允許通過，的中頻信號允許通過，ffH的信號被衰減。的信號被衰減。帶阻濾波器帶阻濾波器(BEF)：ffH的信號允許通過，的信號允許通過，fLfH的中頻信號被衰減。的中頻信號被衰減。全通濾波器全通濾波器(APF)：所有頻率的信號都允許通過，指定頻率的信號發(fā)生相移。：所有頻率的信號都允許通過，指定頻率的信號發(fā)生相移。前四種濾波器，看重的是幅頻特性，全通濾波器看重的則是相頻特性。前四種濾波器，看重的是幅頻特性，全通濾波器看重的則是相頻特性。濾波器分

10、濾波器分RC電路組成的無源濾波器和外加電路組成的無源濾波器和外加OPA的有源濾波器兩種。的有源濾波器兩種。9.1 濾波器濾波器9.1 9.1 無源濾波器無源濾波器2Io)RC(11UU)(A 9.1.1 9.1.1 一階一階RCRC低通濾波器及高通濾波器低通濾波器及高通濾波器1. 1. 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器依依RC串聯(lián)分壓，圖串聯(lián)分壓，圖9.1.2所示所示RC電路輸出電壓、幅頻及相頻特性電路輸出電壓、幅頻及相頻特性圖圖9.1.2 一階一階RC低通低通濾波器濾波器(滯后移相器滯后移相器) (9.1.1) (9.1.1a)()=-=-arctan(RC) (9.1.2)頻率越高，頻

11、率越高，A()越小，故為低通濾波。越小，故為低通濾波。i011oU/s11URCj11UCj/1RCj/1U 通常幅頻特性的低頻段需要詳細考究，高頻段只要粗略觀察。通常幅頻特性的低頻段需要詳細考究，高頻段只要粗略觀察。頻率取對數(shù)，能使低頻段展開、高頻段壓縮。放大器、濾波器的幅頻率取對數(shù)，能使低頻段展開、高頻段壓縮。放大器、濾波器的幅頻特性一般是頻率的冪函數(shù)頻特性一般是頻率的冪函數(shù)m。頻率取對數(shù)，則有。頻率取對數(shù)，則有x=lg，幅頻，幅頻特性取對數(shù)，則有特性取對數(shù)，則有L=lg(m)=mlg=mx，就把冪函數(shù)轉(zhuǎn)換為線性，就把冪函數(shù)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)，使幅頻特性具有漸近線而顯得舒展優(yōu)美。頻率取對數(shù)，還

12、能函數(shù)，使幅頻特性具有漸近線而顯得舒展優(yōu)美。頻率取對數(shù)，還能使相頻特性曲線具有點對稱性。如此真是一箭三雕。使相頻特性曲線具有點對稱性。如此真是一箭三雕。 頻率及幅頻特性都取對數(shù)的幅頻特性曲線叫做對數(shù)幅頻特性曲頻率及幅頻特性都取對數(shù)的幅頻特性曲線叫做對數(shù)幅頻特性曲線。頻率橫軸取對數(shù)，縱軸用角度的相頻特性曲線叫做半對數(shù)相頻線。頻率橫軸取對數(shù)，縱軸用角度的相頻特性曲線叫做半對數(shù)相頻特性曲線。對數(shù)幅頻特性曲線與半對數(shù)相頻特性曲線合稱為波德圖。特性曲線。對數(shù)幅頻特性曲線與半對數(shù)相頻特性曲線合稱為波德圖。2Io)RC(11UU)(A 圖圖9.1.2 一階一階RC低通低通濾波器濾波器(滯后移相器滯后移相器)

13、 (9.1.1a)()=-=-arctan(RC) (9.1.2)圖圖9.1.3 一階一階RC低通濾波器的波德圖低通濾波器的波德圖 L(x)=20lg|A()|=-=-10lg(1+102x) (9.1.1b)(x)=-=-arctan10 x (9.1.2a)一階一階RC低通濾波器的對數(shù)幅頻低通濾波器的對數(shù)幅頻特性曲線有漸近線顯得舒展，半特性曲線有漸近線顯得舒展，半對數(shù)相頻特性曲線點對稱。對數(shù)相頻特性曲線點對稱。頻率變化頻率變化10倍，對數(shù)頻率倍，對數(shù)頻率x變化變化1，叫做，叫做10倍頻程倍頻程，用，用dec表示表示設(shè)設(shè)0=1/RC，則，則RC=/0設(shè)設(shè)x=lg(/0)，則有，則有/0=10

14、 x然后就把然后就把A()、()轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為圖圖9.1.3 一階一階RC低通濾波器的波德圖低通濾波器的波德圖對數(shù)幅頻特性中頻段與漸近線交點處的頻率對數(shù)幅頻特性中頻段與漸近線交點處的頻率0=1/RC叫叫轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率。漸近線斜率為漸近線斜率為- -20dB/dec時，時，0處的增益下降處的增益下降3dB。以增益下降。以增益下降3dB作為作為上限頻率條件上限頻率條件，20dB/dec時上限頻率與轉(zhuǎn)折頻率重合時上限頻率與轉(zhuǎn)折頻率重合 H=0=1/RC fH=f0=1/2RC例例 要求一階要求一階RC低通濾波器上限頻率低通濾波器上限頻率fH=15kHz，C=0.1F，則，則 R=1/(2fHC)=1

15、/(6.283150000.1/1000000)=106.1頻率變化頻率變化10倍，對數(shù)頻率倍，對數(shù)頻率x變化變化1，叫做，叫做10倍頻程倍頻程，用，用dec表示表示 (9.1.3)2Io)RC(1RCUU)(A 2. 2. 一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器依依RC串聯(lián)分壓，圖串聯(lián)分壓，圖9.1.4所示所示RC電路輸出電壓、幅頻及相頻特性電路輸出電壓、幅頻及相頻特性圖圖9.1.4 一階一階RC高通濾波器高通濾波器(超前移相器超前移相器) (9.1.4)()=90-=90-arctan(RC) (9.1.5)圖圖9.1.5 一階一階RC高通濾波器的波德圖高通濾波器的波德圖L(x)=20lg|

16、A()|=20 x-=20 x-10lg(1+102x) (9.1.4a)(x)=90-arctan10 x (9.1.5a)對數(shù)幅頻特性漸近線的斜率為對數(shù)幅頻特性漸近線的斜率為20dB/dec，仍以，仍以- -3dB點作為下限頻點作為下限頻率條件率條件 RC=/0 lg(RC)=x，RC=10 xL=0=1/RC fL=f0=1/2RC (9.1.6)i00i1oU/s1/sURCj1RCjUCj/1RRU 低通濾波器的上限頻率和高通濾波器的下限頻率統(tǒng)稱為截止頻率低通濾波器的上限頻率和高通濾波器的下限頻率統(tǒng)稱為截止頻率。電壓下降到原值的。電壓下降到原值的0.707倍時，功率下降一半。故按照電

17、壓下降到倍時，功率下降一半。故按照電壓下降到原值的原值的0.707倍時得到的上、下限頻率也叫做半功率頻率倍時得到的上、下限頻率也叫做半功率頻率(點點)。9.1.2 9.1.2 帯通濾波器帯通濾波器圖圖9.1.6 帶通濾波器幅頻特性曲線帶通濾波器幅頻特性曲線1. 1. 串并聯(lián)型串并聯(lián)型RCRC帶通濾波器帶通濾波器Cj/1/RCj/1RCj/1/RUUFio )RC/1RC( j31F 穩(wěn)態(tài)時分壓比穩(wěn)態(tài)時分壓比諧振頻率諧振頻率諧振頻率下的諧振頻率下的RC串并聯(lián)電路分壓比串并聯(lián)電路分壓比 F0=1/3 圖圖9.1.7 正分壓比正分壓比RC串并聯(lián)帶通濾波器串并聯(lián)帶通濾波器(9.1.7)(9.1.7a)

18、(9.1.8)RC212f00 偏離諧振頻率時分母中的虛部不再為偏離諧振頻率時分母中的虛部不再為0，故分壓比將小于，故分壓比將小于1/3。 RC串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路RC=1諧振時，諧振時，RC串聯(lián)阻抗串聯(lián)阻抗Zrcs、RC并聯(lián)阻抗并聯(lián)阻抗Zrcp及總阻抗及總阻抗Z計算如下計算如下R) j1(R)j11(R)CRj11Cj1RZrcs （R2j-1Rj11RCj1RCj/1RCj/RZrcp 再次說明諧振時再次說明諧振時Zrcp=0.5Zrcs，串聯(lián)分壓比，串聯(lián)分壓比Zrcp/(Zrcp+Zrcs)=0.5Zrcs/(0.5Zrcs+Zrcs)=1/3。等值等值RC串并聯(lián)電路諧振分壓比串并聯(lián)電路

19、諧振分壓比1/3的另一種解釋的另一種解釋 2. 2. 電容三點式電容三點式LCLC負分壓并聯(lián)諧振電路負分壓并聯(lián)諧振電路圖圖9.1.8 并聯(lián)電容型負分壓比并聯(lián)電容型負分壓比LC并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路111211CjCL1Cj1Lj )CCCCL1)(CC(jCL1CCLjCjCjCL1CjCL1Cj1CjCL1Cj1212112211122113211121112211122 電感電感L1與電容與電容C1的串聯(lián)阻抗的串聯(lián)阻抗L1C1串聯(lián)體與電容串聯(lián)體與電容C2的并聯(lián)阻抗的并聯(lián)阻抗11211121ioCL11CjCL1/Cj1UUF 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率穩(wěn)態(tài)時自電容穩(wěn)態(tài)時自電容C1上端引出電

20、壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比上端引出電壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比1222111211210CCCCC11CLCCLCC11F 并聯(lián)諧振頻率下的分壓比并聯(lián)諧振頻率下的分壓比(9.1.9)(9.1.10)2112100pCCLCC212f 3. 3. 電感三點式電感三點式LCLC負分壓并聯(lián)諧振電路負分壓并聯(lián)諧振電路圖圖9.1.9 電感三點式負分壓比電感三點式負分壓比LC并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路111211CjCL1Cj1Lj 121211221112211122C)LL(1)CL1(LjCjCL1LjCjCL1Lj 1CLCLCL1CLLjCj/1LjF112112112112111 212111111

21、21111210LL)LL(LL1CLC)LL(1CLC)LL(1F 電感電感L1與電容與電容C1的串聯(lián)阻抗的串聯(lián)阻抗L1C1串聯(lián)體與電感串聯(lián)體與電感L2的并聯(lián)阻抗的并聯(lián)阻抗并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率以以L1下端為基準，自下端為基準，自L1上端引出電壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比上端引出電壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比(9.1.12)(9.1.11)12100pC)LL(1212f 關(guān)于諧振濾波器特性的總結(jié)關(guān)于諧振濾波器特性的總結(jié)通過對幾種諧振濾波器分壓比的討論可以明確，諧振時濾波器呈通過對幾種諧振濾波器分壓比的討論可以明確，諧振時濾波器呈現(xiàn)電阻性，其分壓比不是正實數(shù)就是負實數(shù)，相位移不是現(xiàn)電阻性，其分壓比

22、不是正實數(shù)就是負實數(shù)，相位移不是0就是就是180。 因此，只要在振蕩電路方案設(shè)計時根據(jù)放大器開環(huán)放大倍數(shù)的符因此，只要在振蕩電路方案設(shè)計時根據(jù)放大器開環(huán)放大倍數(shù)的符號和濾波器諧振分壓比的符號，按照正反饋要求合理選擇反饋信號號和濾波器諧振分壓比的符號，按照正反饋要求合理選擇反饋信號與零輸入信號之間的相加反饋關(guān)系或相減反饋關(guān)系，就可以組合形與零輸入信號之間的相加反饋關(guān)系或相減反饋關(guān)系，就可以組合形成正反饋。只要組合形成正反饋，具體進行電路調(diào)整時只需滿足幅成正反饋。只要組合形成正反饋，具體進行電路調(diào)整時只需滿足幅度條件就可以使電路起振。度條件就可以使電路起振。9.1.3 9.1.3 帯阻濾波器帯阻濾

23、波器略，參見教科書略，參見教科書 8.4.1 8.4.1 單限比較器單限比較器(a) (a) 電路符號電路符號 (b) (b) 芯片引腳芯片引腳圖圖8.4.1 8.4.1 四電壓比較器四電壓比較器LM339LM339四電壓比較器四電壓比較器LM339特性如下。特性如下。1) 集電極開路輸出。集電極開路輸出。2) 低飽和壓降，輸出電流低飽和壓降，輸出電流1mA時飽和壓降僅時飽和壓降僅140mV。3) 電源電壓范圍為電源電壓范圍為+36V或或18V，電源電流，電源電流12mA。4) 輸入共模電壓范圍允許輸入共模電壓范圍允許-3V+36V。LM339配用單配用單+5V電源電源, 其同相端電壓大于反相

24、端時其同相端電壓大于反相端時,比較器正向比較器正向飽和飽和,輸出電壓接近輸出電壓接近+5V,代表高電平代表高電平1；同相端模擬電壓小于反相端；同相端模擬電壓小于反相端時時,比較器負向飽和比較器負向飽和,輸出電壓接近輸出電壓接近0V,代表低電平代表低電平0，見圖，見圖8.5.2(b)。8.4 集成運算放大器非線性應(yīng)用集成運算放大器非線性應(yīng)用(a) 應(yīng)用電路應(yīng)用電路 (b) I/O特性特性圖圖8.4.2 LM339電壓比較器應(yīng)用電路電壓比較器應(yīng)用電路 塑膜透明時，光電三極管受光多，集電極電流大，電阻壓降大，塑膜透明時，光電三極管受光多，集電極電流大，電阻壓降大，運放同相輸入端獲得電壓低。運放同相輸

25、入端獲得電壓低。 設(shè)塑膜透明時，運放同相輸入端獲得電壓為設(shè)塑膜透明時，運放同相輸入端獲得電壓為U1，塑膜有彩膜等，塑膜有彩膜等遮擋透光少時，運放同相輸入端獲得電壓為遮擋透光少時，運放同相輸入端獲得電壓為U2，則，則U1U2 。調(diào)整電。調(diào)整電位器使其電壓為位器使其電壓為 U=0.5(U1+U2) ，就能使，就能使LM339比較器在塑膜透明比較器在塑膜透明時輸出時輸出0，在塑膜有彩膜等遮擋透光少時輸出，在塑膜有彩膜等遮擋透光少時輸出1。就是說，。就是說， LM339比較器輸出比較器輸出0代表走袋快，輸出代表走袋快，輸出1代表走袋慢。代表走袋慢。 8.4.2 8.4.2 滯后比較器滯后比較器圖圖8.4.3 對稱滯后比較器電路對稱滯后比較器電路 圖圖8.4.4 對稱滯后比較器跳變回環(huán)對稱滯后比較器跳變回環(huán)圖圖8.4.5 不對稱滯后比較器電路不對稱滯后比較器電路 圖圖8.4.6 不對稱滯后比較器跳變回環(huán)不對稱滯后比較器跳變回環(huán)4. 給集成運放增加功率放大級給集成運放增加功率放大級5. (15)V到到(420)mA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1f1iouRRRuuA f1Lf1boiRRRRRiiA 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 取取Re=250，則當，則當ui =(15)V時，時，icie= (420)mA。 該電路具有電流電壓轉(zhuǎn)換比不受晶該電路具有電流電壓轉(zhuǎn)換比不受晶體管體管值溫度系數(shù)影響、運放芯