現(xiàn)代電子線路05集成運算的運用課件

第五章：集成運放的應用

本章內(nèi)容：§5.1運算放大器的線性運用§5.2運算放大器的非線性運用2023/6/61SchoolofPhysics,§5.1運算放大器的線性運用一、比例運算電路u-u+uo－＋電路均滿足深度負反饋條件。虛短：，即正反向輸入端可看作短路。（virtualshortcircuit）虛斷：理想運放輸入偏置電流為零，即，輸入端沒有電流流入，相當于斷路（虛斷virtualopencircuit）。1、理想運放的特性2023/6/62SchoolofPhysics,2、反相比例運算電路虛斷條件：虛短條件：以滿足差動輸入級的對稱性若，則，相當于反相器。失真問題：無法討論，一般要求電源電壓是uo的三倍，避免飽和失真。此時稱a點為虛地(virtualground)點。uo－＋AuiR1RfRpiii-ifi+a補償電阻2023/6/63SchoolofPhysics,輸出電阻：屬于電壓負反饋，Ro→0，輸出特性類似于恒壓源。輸入電阻：屬于并聯(lián)負反饋，Ri≈R1，電路輸入電阻由R1決定。電路外圍電阻一般不超過兆歐量級，否則不滿足運放理想化條件，在要求大輸入電阻和高增益時，可采用如下電路：uo－＋AuiR1Rf2RpRf1Rf3u2023/6/64SchoolofPhysics,uo－＋AuiR1RfRpi1i-ifi+虛斷條件：虛短條件：若，則，相當于電壓跟隨器。－＋Auiuo輸入電阻：輸出電阻：3、同相比例運算電路2023/6/65SchoolofPhysics,uo－＋Aui2R1RfR1ui1Rf整理，得：4、差分比例運算電路若，則，電路實現(xiàn)減法運算。2023/6/66SchoolofPhysics,1、反相輸入加法電路uo－＋Aui1R1RfRpii1ifaui2R2ii2ui3R3ii3a為虛地點。二、加減運算電路(scalingcircuit)(invertinginputsummingcircuit)2023/6/67SchoolofPhysics,2、同相輸入加法電路uo－＋Aui1R1RfR4ii1i4ui2R2ii2ui3R3ii3R式中即整理，得(noninvertinginputsummingcircuit)2023/6/68SchoolofPhysics,又因為化簡，得：2023/6/69SchoolofPhysics,3、差分輸入加減電路uo－＋Aui1R1RfR5ui2R2ui3R3ui4R4ui1、ui2為反相輸入求和，輸出為uo1，ui3、ui4為同相輸入求和，輸出為uo2，疊加，得(differentialinput)2023/6/610SchoolofPhysics,同相級聯(lián)減法電路uo1－＋Aui1R1Rf1R2uo－＋Aui2R3Rf2R4優(yōu)點：輸入電阻高。同相串聯(lián)減法電路若則，2023/6/611SchoolofPhysics,三、積分、微分運算電路1、積分運算電路uo－＋AuiRCRpiC令，則可見，輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。tui(t)0tuo(t)0矩形波→三角波(integrationcircuit)2023/6/612SchoolofPhysics,2、微分運算電路uo－＋AuiRCRpiC可見，輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。tui(t)0tuo(t)0矩形波→尖脈沖其它運算：對數(shù)、指數(shù)、乘法、除法(differentialcircuit)2023/6/613SchoolofPhysics,濾波電路：對信號的頻率具有選擇性，可使特定頻率范圍的信號順利通過，阻止其它頻率的信號通過。在通信、自動測量及控制等系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等。四、RC有源濾波電路1、概述無源濾波器：由無源元件R、L和C構(gòu)成，如LC濾波電路（體積大，不易集成）、RC濾波電路（信號衰減）；有源濾波器：由集成運放和RC電路構(gòu)成，性能好、有隔離作用，高頻性能差，一般不高于10kHz。（高頻可用LC無源濾波器，對于帶通濾波，可用陶瓷濾波器或聲表面波濾波器。）filter（LPF）2023/6/614SchoolofPhysics,理想低通濾波器（LPF）理想高通濾波器（HPF）理想帶通濾波器（BPF）理想帶阻濾波器（BEF）根據(jù)電路的通帶、阻帶在幅頻特性中的位置不同，濾波電路可以分為四大類：通帶阻帶|Au|AUMffH阻帶通帶|Au|AUMffL阻帶通帶阻帶|Au|AUMffHfL通帶阻帶通帶|Au|AUMffHfL(lowpassfilter)(highpassfilter)(bandpassfilter)(bandeliminationfilter)2023/6/615SchoolofPhysics,實際濾波器在通帶與阻帶之間存在過渡帶（以低通濾器為例）。通帶截止頻率fH

：當|Au|=0.707AUM時的頻率；通帶：從0到fH的頻段；過渡帶：從fH到|Au|接近0的頻段；阻帶：|Au|接近0的頻段；通帶放大倍數(shù)：通帶中輸出電壓與輸入電壓之比AUM。（對低通濾波器即為頻率等于0時的輸出電壓與輸入電壓之比。）

濾波電路的重要特性指標：通帶放大倍數(shù)（AUM）、通帶截止頻率（fH、fL）、過渡帶的衰減斜率。目標：通帶內(nèi)|Au|平坦，過渡帶衰減斜率大。實際低通濾波器幅頻特性通帶過渡帶阻帶f

|Au|AUM0.707AUMfH實際濾波器2023/6/616SchoolofPhysics,CRuIuO20lg|Au|-20dB/十倍頻0.1fH3dBffH10fH

20lg|AuM|其中：2、低通濾波器（LPF）⑴、一階無源RC低通濾波器2023/6/617SchoolofPhysics,帶負載RL情況：其中：無源濾波器電壓放大倍數(shù)低，帶負載能力差；其通帶放大倍數(shù)和截止頻率都受負載影響，不便于多級級連。CRuIuORL20lg|Au|-20dB/十倍頻3dBffHf’H

20lg|AuM|2023/6/618SchoolofPhysics,在無源濾波電路和負載之間加入隔離電路（電壓跟隨器）即構(gòu)成了有源濾波器，克服無源濾波器帶負載能力差的缺點。⑵、一階有源RC低通濾波器uIuoRCRL若采用同相運算電路，則濾波器還能起到放大作用。uIuoRCRLRfR1具有放大作用的LPF2023/6/619SchoolofPhysics,其中：uIuoRCRLRfR1通帶電壓放大倍數(shù)：過渡帶衰減緩慢。-20dB/十倍頻-3f/fH10100.1-202023/6/620SchoolofPhysics,其中：⑶、二階有源RC低通濾波器uIuoRCRLRfR1RC增加一級RC網(wǎng)絡，構(gòu)成二階LPF。通帶電壓放大倍數(shù)：2023/6/621SchoolofPhysics,當時，上式分母的模應為，即解得：代入f0，-40dB/十倍頻-3f/fH10100.1-20-40過渡帶衰減速度增大一倍。

在f0處的幅頻特性差；

巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞耳(Bessel)濾波器；高階低通濾波器可由多個低階低通濾波器級連得到；電路設計仿真。2023/6/622SchoolofPhysics,3、高通濾波器（HPF）⑴、一階無源RC高通濾波器其中：CRuIuOLPF與HPF具有對偶性，即將R、C位置互換，低通濾波就成為高通濾波器。20lg|Au|20dB/十倍頻0.1fL3dBffL10fL

20lg|AuM|2023/6/623SchoolofPhysics,⑵、一階有源高通濾波器uIuoRCRLRfR1過渡帶的衰減斜率：20dB/十倍頻20lg|Au|20dB/十倍頻0.1fL3dBffL10fL其中：

20lg|AuM|2023/6/624SchoolofPhysics,其中：⑶、二階有源高通濾波器過渡帶的衰減斜率：40dB/十倍頻uIuoRLRfR1RCRC2023/6/625SchoolofPhysics,將低通濾波器與高通濾波器級連，就可得到帶通濾波器。fHLPFHPFuiuofLfLfHfH>fL4、帶通和帶阻濾波電路⑴、帶通RC有源濾波器（BPF）條件：BPFuiuo2023/6/626SchoolofPhysics,將輸入信號同輸入到低通濾波器和高通濾波器，然后再將兩個輸出求和，就可得到帶阻濾波器。⑵、帶阻RC有源濾波器（BEF）fHfLfLfHfH<fL條件：LPF求和uiuoHPFBEFuiuo2023/6/627SchoolofPhysics,§5.2運算放大器的非線性運用波形發(fā)生器：無需外加激勵而能產(chǎn)生周期性信號的電路。又稱信號發(fā)生器、振蕩器。根據(jù)需要的不同，可產(chǎn)生正弦信號、脈沖信號、函數(shù)信號、噪聲信號、掃頻信號和調(diào)制信號。波形發(fā)生器正弦波發(fā)生器非正弦波發(fā)生器反饋式正弦波發(fā)生器負阻式正弦波發(fā)生器多諧振蕩器（矩形波發(fā)生器）函數(shù)信號發(fā)生器噪聲信號發(fā)生器掃頻信號發(fā)生器調(diào)制信號發(fā)生器2023/6/628SchoolofPhysics,比較器：比較輸入信號電壓大小的電路。輸出為二值狀態(tài)（非高即低），與輸入不成線性關(guān)系。用于測量技術(shù)、自動控制、波形發(fā)生器與波形變換電路。比較器單限比較器滯回比較器（遲滯比較器）雙限比較器2023/6/629SchoolofPhysics,一、單限比較器單限比較器：只有一個門限電壓的比較器。uo＋R－R－＋uiUREF1、基本單限比較器uiuo0UREFuo+uo-電壓傳輸特性運放工作在開環(huán)狀態(tài)，（105以上）ui<UREF時，uo＝uo+（正向飽和）ui>UREF時，uo＝uo-（負向飽和）門限電壓由uo的正負可判斷ui與門限電壓（閾值電壓）的大小關(guān)系。反相輸入2023/6/630SchoolofPhysics,2、過零比較器閾值電壓為零的比較器。uiuo0-UZ-UDUZ+UD電壓傳輸特性兩個穩(wěn)壓二極管對接與R1構(gòu)成限幅電路，使輸出不至飽和。ui>0時，uo＝UZ+UDui<0時，uo＝-UZ-UD穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值穩(wěn)壓管正偏壓降同相輸入輸出限幅電路uo＋R－RuiUREF＝02×DZR12023/6/631SchoolofPhysics,應用：波形變換。t0uituo0正弦波矩形波正弦信號每過一次零點，輸出跳變一次。2023/6/632SchoolofPhysics,3、一般單限比較器uo＋R2－R3uiDZUREFR1uiuo0UZ-UD電壓傳輸特性輸出電壓跳變的臨界條件：時，uo＝UZ時，uo＝-UD改變R1、R2的值，可調(diào)節(jié)門限電壓。輸出限幅電路2023/6/633SchoolofPhysics,二、滯回比較器uo＋RP－R1uiUREFRF反相輸入滯回比較器又稱作施密特觸發(fā)器。在比較器上引入正反饋，具有滯回特性。1、反相輸入滯回比較器輸出電壓跳變的臨界條件為：由疊加定理可得：故時，輸出將發(fā)生跳變。由于uo可能是高電平或低電平，從而使門限電平發(fā)生變化。2023/6/634SchoolofPhysics,uoui由小變大時的傳輸特性ui由大變小時的傳輸特性⑴、ui由小變大ui足夠小時，uo＝uo＋，此時門限電平為：⑵、ui由大變小ui足夠大時，uo＝uo-，此時門限電平為：uiuo0UT+uo+uo-ui0UT-uo+uo-2023/6/635SchoolofPhysics,將兩部分合在一起，可得滯回比較器的電壓傳輸特性。uiuo0U1uo+uo-U2電壓傳輸特性其中：上門限電壓下門限電壓定義回差回差UH滯回比較器特性：抗干擾能力強。（由于存在回差，噪聲干擾信號幅值小于回差時，將不會引起輸出翻轉(zhuǎn)）2023/6/636SchoolofPhysics,應用：甄別脈沖個數(shù)、整型t0uituo0123甄別超過某一幅度的脈沖個數(shù)整型t0uituo02023/6/637SchoolofPhysics,2、同相輸入滯回比較器uo＋RP－R1uiUREFRFuiuo0U1uo+uo-U2輸出電壓跳變的臨界條件為：2023/6/638SchoolofPhysics,三、雙限比較器（窗口比較器）uo＋R－RuiUREF1D1＋－RRUREF2D2uo1uo2A2A1設：UREF1>UREF2uiuo0UREF1uo+-UDUREF21、當ui<UREF2時，uo1為低電平，D1截止；uo2為高電平，D2導通；uo輸出高電平。2、當UREF2<ui<UREF1時，uo1為低電平，D1截止；uo2為低電平，D2截止；uo輸出為零。3、當ui>UREF1時，uo1為高電平，D1導通；uo2為低電平，D2截止；uo輸出高電平。2023/6/639SchoolofPhysics,四、矩形波發(fā)生器（多諧振蕩器）1、方波發(fā)生電路⑴、電路組成R1、R2構(gòu)成滯回比較器；R、C構(gòu)成負反饋回路，利用RC電路的充放電特性，改變電容C兩端的電壓，作為滯回比較器的輸入信號使輸出發(fā)生跳變。uo＋R－R22×DZR3CR1A2023/6/640SchoolofPhysics,⑵、工作原理t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)-UZ-UDU+HU+L設初態(tài)時，電容兩端電壓為零，輸出為高電平。①、uo為高電平，開始通過R對C充電，充電常數(shù)為①當電容電壓達到U＋H時，輸出跳變?yōu)榈碗娖絬o-=-UZ-UD，由于電容電壓大于輸出電壓，電容開始通過R放電。充電uo＋R－R22×DZR3CR1A2023/6/641SchoolofPhysics,t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+L①放電②、uo為低電平，電容放電。②③電容放電為零后，開始反相充電，當電容電壓達到U＋L時，輸出跳變?yōu)楦唠娖絬o+=UZ＋UD。③、uo為高電平，電容反向放電為零后，正向充電。達到U+H后輸出跳變?yōu)閡o-。如此循環(huán)，輸出方波信號。uo＋R－R22×DZR3CR1A2023/6/642SchoolofPhysics,⑶、振蕩頻率t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+LT1T2對于負半周：三要素法：解得：電路充放電時間常數(shù)一致，故T2＝T1。則：周期頻率2023/6/643SchoolofPhysics,2、占空比