第6章電子線路課件

1、6.1 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路6.2 有源濾波電路有源濾波電路6.4 集成運(yùn)放的使用注意事項(xiàng)集成運(yùn)放的使用注意事項(xiàng)6.3 電壓比較器和矩形波發(fā)生器電壓比較器和矩形波發(fā)生器本章小結(jié)本章小結(jié) 6.1 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算的電路，通常接成利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算的電路，通常接成負(fù)反饋。負(fù)反饋。 6.1.1 比例運(yùn)算放大器比例運(yùn)算放大器 1.反相輸入比例運(yùn)算電路 電路如圖6.1所示:圖6.1 反相輸入比例運(yùn)算電路 由分析可知，圖6.1就是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器， 由第5章得： 1fufRRAi1fouRRu（6.1） （6.1）式表明：輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位

2、相反。由于輸入信號(hào)是從集成運(yùn)放反相輸入端輸入的，故稱之為反相輸入比例運(yùn)算電路。 當(dāng)R1=Rf 時(shí), 輸出電壓與輸入電壓大小相等,相位相反,故稱為反相器。iifouuRRu1 2. 同相輸入比例運(yùn)算電路 電路如圖6.2（a）所示 圖6.2（a）同相輸入比例運(yùn)算電路 經(jīng)分析知 ：該電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，由第5章得： （6.2）式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位相同。由于輸入信號(hào)是從同相端輸入的，故稱且相位相同。由于輸入信號(hào)是從同相端輸入的，故稱為同相輸入比例運(yùn)算電路。為同相輸入比例運(yùn)算電路。 若令 =0, R1，電路如圖6.2 (b) 所示 ifou

3、RRu)1 (1 (6.2)fR 在圖6.2 (b) 中由于u+=u-，u- u+=ui，u-=uo因而電壓放大倍數(shù)Auf1，表明uo跟隨跟隨ui而變化，故有電壓而變化，故有電壓跟隨器之稱。跟隨器之稱。 圖6.2（b）電壓跟隨器 6.1.2加法運(yùn)算加法運(yùn)算 如圖6.3所示。圖6.3 加法運(yùn)算電路 根據(jù)“虛斷”的概念可得： ，其中 再根據(jù)“虛短”的概念可得 則 (6.3 ) 實(shí)現(xiàn)了各信號(hào)按比例進(jìn)行加法運(yùn)算。 如取如取R1=R2=Rn=Rf 則則 u0= -( ui1+ui2+ uin) ，實(shí)現(xiàn)了各輸入信號(hào)的反，實(shí)現(xiàn)了各輸入信號(hào)的反相相加。相相加。ifii ninniiRUiRUiRUi,2221

4、11,21niiiiininiifffORURURURiRU22116.1.3減法運(yùn)算減法運(yùn)算 1. 反相輸入求和式減法器 電路如圖6.4所示。圖6.4 反相輸入求和式減法器 圖中，第一級(jí)為反相輸入比例器，若 =R1，則第一級(jí)為反相器，u01= -ui1；第二級(jí)為反相輸入加法器。令R2=R3，于是有fRou =)()(212220122iififuuRRuuRR (6.4) 若R2R3,可實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)各自乘以比例系數(shù)后再相減，即 ou=222132ififuRRuRR (6.5) 2.差動(dòng)式減法器差動(dòng)式減法器 電路如圖6.5所示。圖6.5 差動(dòng)式減法器首先，令1 iu 單獨(dú)作用時(shí)，電路成為反相比

5、例運(yùn)算電路。如圖6.6（a）所示=0，當(dāng) 2iu 其輸出電壓為212ifouRRu 再令2iu=0, 當(dāng)1 iu 單獨(dú)作用時(shí)，電路變成為同相輸入比例運(yùn)算電路。如圖6.6（b）所示。 圖6.6（b）ui1單獨(dú)作用時(shí) 這樣 o2o1ouuu 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R3=Rf =R時(shí)時(shí),uo=ui1-ui2,該電路該電路成為減法器。成為減法器。 (6.6)21132311ififuRRuRRRRR）（同相端電壓為：iuRRRu323其輸出電壓為：132311)1 (ifOuRRRRRu6.1.4 微積分運(yùn)算微積分運(yùn)算1. 積分運(yùn)算電路如圖6.7所示。圖6.7 積分運(yùn)算電路 Ruiic 進(jìn)行充電。假設(shè)電容C

6、的初始電壓為零，那么 0u=dtuRCdtRuCdtiCiic111 (6.8) 上式表明，輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，上式表明，輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分， 且相位相反。且相位相反。 積分電路的波形變換作用如圖6.7（b）所示，它 可將矩形波變成三角波形可將矩形波變成三角波形。 在圖6.7中，根據(jù)“虛短”的概念， 0,再根據(jù)“虛斷”的概念， 0，則 ，即：電容C 以 AuicRii2.微分運(yùn)算微分運(yùn)算 電路如圖6.8所示。圖6.8 微分電路 在這個(gè)電路中，A點(diǎn)同樣為“虛地”，即 ,再根據(jù)“虛斷”的概念， ，假設(shè)電容C的初始電壓為零，那么 則輸出電壓 (6.9) 上式表明，輸出電壓為輸

7、入電壓對(duì)時(shí)間的微分，且上式表明，輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分，且相位相反。相位相反。 微分電路的波形變換作用如圖6.8（b）所示，可將可將矩形波變成尖脈沖輸出。矩形波變成尖脈沖輸出。0uAi0，則cRii。 dtduCiic dtduRCRiuiRo6.1 思考題思考題u 實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué) 運(yùn)算的電路均為反饋電路，它們是正反饋還是負(fù)反饋？你會(huì)用什么方法來(lái)分析基本運(yùn)算電路？u 在圖6.1中同相輸入端所接電阻 R2 起什么作用？u 比較利用反相輸入求和實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算及差動(dòng)輸入減法電路的優(yōu)缺點(diǎn)。返回 6.2 有源濾波電路有源濾波電路 6.2.1 6.2.1 基本概念基本概念 濾波器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)選頻的電路，

8、濾波器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)選頻的電路，通常把不受衰減或衰減很小的頻率范圍，叫做“通帶通帶”；受很大衰減的頻率范圍，叫做“阻帶阻帶”?！巴◣А焙汀白鑾А钡慕缦揞l率，叫做截止頻率截止頻率。按照“通帶”和“阻帶”相互位置的不同，濾波器分為：(1) 低通濾波器(2) 高通濾波器(3) 帶通濾波器(4) 帶阻濾波器濾波電路的幅頻特性如圖6.9所示。圖6.9 濾波電路的幅頻特性 6.2.2 有源濾波器有源濾波器 1.有源低通濾波器 (1) 電路組成 圖6.10為有源低通濾波器。 圖6.10 有源低通濾波器 RCjRRuuuuuuAfioiou11)1 (1 電壓放大倍數(shù)Au的模值為：21)(11RCRRAfu

9、(6.10)11RRAAfumu(2) 傳輸特性當(dāng)=0時(shí)， 根據(jù)截止頻率的定義，當(dāng)2umuAA時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率，記為H由（6.10）式可以看出，當(dāng)RCH1時(shí)，正好滿足要求。 電路的截止頻率 。其幅頻特性如圖6.11所示。 RCfH21 圖6.11 有源低通濾波器的幅頻特性 在實(shí)際電路中，低通濾波器用來(lái)除掉電子機(jī)器和電機(jī)等產(chǎn)生的噪聲（高頻干擾信號(hào)）。如圖6.12所示： 圖6.12 低通濾波器消除噪聲 2. 有源高通濾波器 若把圖6.10中的R和C的位置調(diào)換，就成為有源高通 濾波器，如圖6.13所示。圖6.13 有源高通濾波器HfLfLHffBHfLf3. 帶通和帶阻濾波器 根據(jù)低通、高通

10、、帶通和帶阻濾波器的理想幅頻特性曲線可知，只要低通電路的上限截止頻率 大于高通濾波器的下限截止頻率 ，則低通電路與高低通電路與高通電路串聯(lián)，就可構(gòu)成帶通濾波器通電路串聯(lián)，就可構(gòu)成帶通濾波器，其通常也就是二者覆蓋部分，即 。若是低通濾波器的上限截止頻率 小于高通濾波器的下限截止頻率 ，則將低通濾波器與高通濾波器低通濾波器與高通濾波器并聯(lián)可構(gòu)成帶并聯(lián)可構(gòu)成帶阻濾波器阻濾波器，其構(gòu)成原理框圖及幅頻特性如圖6.14所示。圖6.14 構(gòu)成帶通和帶阻濾波器的框圖及幅頻特性u(píng) 什么是無(wú)源濾波器電路，什么是有源濾波器電 路？u 按濾波電路選出信號(hào)頻率的不同，濾波器可分為哪幾種？u 畫(huà)出高通RC有源濾波電路和幅

11、頻特性，并與低通濾波器加以比較。返回6.2 思考題思考題 6.3 6.3 電壓比較器和矩形波發(fā)生器電壓比較器和矩形波發(fā)生器 6.3.1 6.3.1 電壓比較器電壓比較器 電壓比較器的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬量電壓比較器的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬量 的的大小，并由輸出端的高、低電平來(lái)表示比較的結(jié)果。大小，并由輸出端的高、低電平來(lái)表示比較的結(jié)果。 電壓比較器中的集成運(yùn)放，通常是電壓比較器中的集成運(yùn)放，通常是“開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)”或接成或接成 “正反饋正反饋”。因而工作于非線性狀態(tài)。因而工作于非線性狀態(tài)。 1. 單門限電壓比較器 電路如圖6.15 所示 圖6.15 同相輸入單門限電壓比較器比較器 圖中

12、的運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)，具有很高的開(kāi)環(huán)差模電壓增益，所以： 當(dāng) 時(shí)，輸出電壓為負(fù)飽和值 ； 當(dāng) 時(shí)，輸出電壓為正飽和值 ； 當(dāng) ，電路翻轉(zhuǎn)。 將比較器的輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓 的值稱為門限電平UTH，顯然，該電路有一個(gè)門限電平，所以稱為單門限電壓比較器。其傳輸特性見(jiàn)圖6.15（b）所示，波形見(jiàn)圖6.15(c)所示。 REFiUu REFiUu REFiUu omUomUiu 由分析可知，使用比較電路時(shí)，可根據(jù)輸出電使用比較電路時(shí)，可根據(jù)輸出電 壓的極性判別信號(hào)電壓的大小。壓的極性判別信號(hào)電壓的大小。 當(dāng)參考電壓當(dāng)參考電壓UREF=0時(shí)，則輸入信號(hào)電壓每次過(guò)零，時(shí)

13、，則輸入信號(hào)電壓每次過(guò)零，其輸出電壓都會(huì)發(fā)生跳變，這種比較器稱為過(guò)其輸出電壓都會(huì)發(fā)生跳變，這種比較器稱為過(guò) 零比較器。零比較器。 單門限電壓比較器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，靈敏度高，但其抗干擾能力差。 提高抗干擾能力的一種方案是采用遲滯比較器遲滯比較器。 2. 遲滯比較器 （1）電路組成圖16.16 (a) 反相輸入滯回電壓比較器電路圖 （2）門限電平的計(jì)算 當(dāng)輸出為正向飽和電壓 時(shí)，將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為上門限電平，用 表示，則有 當(dāng)輸出為負(fù)向飽和電壓 時(shí)，將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為下門限電平，用 表示，則有 foffREFRRRuRRRUu222omU1THUfomffREFTHRRRURRR

14、UuU2221omU2THUfomffREFTHRRRURRRUuU2222 （3）傳輸特性和回差電壓UTH 滯回比較器的傳輸特性如圖6.16 (b) 所示 由以上分析可以看出，該比較器具有“滯回”特性。 我們把上門限電壓把上門限電壓U UTH1TH1與下門限電壓與下門限電壓U UTH2TH2之差值稱之差值稱 為為“回差電壓回差電壓”，用，用U UTHTH表示，表示， “回差電壓”的存在，大大提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號(hào)的值小于“回差電壓”，比較器就不會(huì)因?yàn)楦蓴_而誤動(dòng)作。 遲滯比較電路可用于波形整形、波形變換（將正弦波和三角波變成方波）、波形產(chǎn)生等場(chǎng)合。fomTHTHTHRRRUUUU

15、22212 6.3.2 6.3.2 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器 1.電路組成圖6.17 (a)矩形波發(fā)生器電路圖 2.工作原理 在接通電源的瞬間，假設(shè)此時(shí)輸出電壓為正飽和電壓+，則同相端的電壓為 電容在輸出電壓+的作用下開(kāi)始充電。 當(dāng)充電電壓 升至 值時(shí),電路翻轉(zhuǎn)，輸出電壓由+值翻至-。ZTHURRRUu2121cuZcURRRu212 同相端電壓變?yōu)?電容開(kāi)始放電，uc開(kāi)始下降，當(dāng)電容電壓uc降至 值時(shí)，輸出電壓又翻轉(zhuǎn)到 值。如此周而復(fù)始，在集成運(yùn)放的輸出端得到了如圖6.17(b)所示的電壓波形。ZTHURRRUu2122ZcURRRu212ZoUu 3. 輸出信號(hào)頻率 電路輸出的矩形波電壓的

16、周期，取決于充、放電的R時(shí)間常數(shù)?？梢宰C明其周期為： 則輸出信號(hào)頻率為 (6.14) 改變RC值就可以調(diào)節(jié)矩形波的頻率。RCT2 . 2RCf2 . 21 u 怎樣分析電壓比較器。u 在圖6.16所示的滯回比較器的輸入端加以正弦信號(hào)，試畫(huà)出其輸出電壓波形。u 在圖6.17所示的矩形波發(fā)生電路中，能否得到一個(gè)三角波。 6.3 思考題思考題返回 6.4 集成運(yùn)放的使用注意事項(xiàng)集成運(yùn)放的使用注意事項(xiàng) 1. 1. 集成運(yùn)放的輸出調(diào)零集成運(yùn)放的輸出調(diào)零 集成運(yùn)放的內(nèi)調(diào)零,如圖6.18所示 輔助調(diào)零電路如圖6.19所示。 2. 單電源供電時(shí)的偏置問(wèn)題 雙電源集成運(yùn)放單電源供電時(shí)，該集成運(yùn)放內(nèi)部各點(diǎn)對(duì)地的電

17、位都將相應(yīng)提高，因而輸入為零時(shí)，輸出不再為零，這是通過(guò)調(diào)零電路無(wú)法解決的。為了使雙電源集成運(yùn)放在單電源供電下能正常工作，必須將輸入端的電位提升，如圖6.20、6.21所示，其中圖6.20所示電路適用于反相輸入交流放大。圖6.21所示電路適用于同相輸入交流放大。 3. 集成運(yùn)放的保護(hù) （1） 輸入端保護(hù) 當(dāng)輸入端所加的電壓過(guò)高時(shí)會(huì)損壞集成運(yùn)放， 為此，可在輸入端加入兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管，如 6.22所示，將輸入電壓限制在二極管的正向?qū)?壓降以內(nèi)。 (2) 輸出端保護(hù) 為了防止輸出電壓過(guò)大，可利用穩(wěn)壓管來(lái)保護(hù)，如圖6.23所示，將兩個(gè)穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就 可將輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ的范圍內(nèi)。 (3)電源保護(hù) 電路如圖6.24所示。 4. 相位補(bǔ)償 6.4思考題思考題u雙電源集成運(yùn)放如何在單電源電路中使用？u集成運(yùn)放產(chǎn)生自激怎么辦？u對(duì)集成運(yùn)放應(yīng)采取什么保護(hù)措施？返回本章小結(jié)本章小結(jié) 1. 基本運(yùn)算電路和有源濾波電路中的集成運(yùn)放均接成負(fù)反饋，工作在線性區(qū)，“虛短”和“虛斷”的概念是分析這類電路的有力工具。 2. 集成運(yùn)放在組成運(yùn)算電路時(shí)，可實(shí)現(xiàn)比例，加法、減法、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算。要求掌握這些電路的組成及其分析方法。 3. 有源濾波電路是由無(wú)源濾波器和集成運(yùn)放構(gòu)成的電路，根據(jù)選頻