運放濾波器2PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)18.1.1 反相比例電路電壓并聯(lián)負反饋輸入端虛短、虛斷0=+_VVIIfiifoVRRV1-=RiRi = R11. 基本電路特點： 反相端為虛地，所以共模輸入可視為0，對運放共模抑制比要求低 輸出電阻小，帶負載能力強 要求放大倍數(shù)較大時，反饋電阻阻值高，穩(wěn)定性差。 如果要求放大倍數(shù)100，R1=100K，Rf=10M電路中Ri 稱為平衡電阻R = R1 / RfVi-+RfRVoIfR1IiIdA第1頁/共117頁Vi-+AR2R4VoIfR1IiIdI4R3I3R0_VVIIfi虛短、虛斷ioVRRRRRRV)/+1 (+-=3421421RVIIifiifRVRRIRV12231

2、323330RVRRRVIiR如果要求放大倍數(shù)100，R1=R2=R4=100K，R3=1.01K443R-I=VVRo第2頁/共117頁RViVoRfR1電壓串聯(lián)負反饋輸入端虛短、虛斷iVVV_ofiVRRRV11RiRi = 平衡電阻 R = R1 / Rf特點： 輸入電阻高，輸出電阻小，帶負載能力強 V-=V+=Vi，所以共模輸入等于輸入信號，對運放的共模 抑制比要求高1. 基本電路ifoVRRV)1 (1第3頁/共117頁ioVV 輸入電阻大輸出電阻小，能真實地將輸入信號傳給負載而從信號源取流很小ViVo第4頁/共117頁Vi3-+ARfRVoIfR3I3IdVi2R2I2Vi1I1R

3、18.1.1 求和電路00_VVId虛短、虛斷)(332211RVRVRVRViiifofIIII321特點：調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出 的比例關(guān)系； 沒有共模輸入1. 反相求和電路R =R1 / R2 /R3 / Rf第5頁/共117頁ofdVRRRVVI11_0虛短、虛斷)(321cibiaifnpoRVRVRVRRRVfncbapRRRRRRRR/1)(321cibiaifonpRVRVRVRVRR則：如果Vi2Vi1RaVi3VoRfR1RRbRc第6頁/共117頁Vi2-+ARVoIfR2I2Vi1R1I1Vi3R3I3Vi4R4I4RfVi3=Vi4=0 時：)

4、(22111RVRVRViifo)(44332RVRVRViifoVi1=Vi2=0 且fnpRRRRRRRR/2143pnRR 2211443321RVRVRVRVRVVViiiifooo根據(jù)疊加原理得：第7頁/共117頁)(221111RVRVRViifo)(534122RVRVRViofo532211412RVRVRVRVRViiiffoVi2-+A2Rf1R3Vo1If1R2I2Id1Vi1R1I1-+A1Rf2R6VoIf2R4I4Id2Vi3R5I5第8頁/共117頁設(shè)計一加減運算電路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3解：用雙運放實現(xiàn)如果選Rf1= Rf2 =100K，且R

5、4= 100K則：R1= 50K R2= 20K R5= 10K平衡電阻 R3= R1/ R2/ Rf1= 12.5KR6= R4/ R5/ Rf2= 8.3KVi2-+A1Rf1R3Vo1R2Vi1R1-+A2Rf2R6VoR4Vi3R5第9頁/共117頁Vi-+A1R3VoI2R1Ii-+A22R2R3R2I1Vo2解：解：Ri2121RRRRIVRiii23RRAvfiiiiVRRRRRVRVIII122-1121-2-ioVRRV23-=iooVVRRV2=2-=322第10頁/共117頁A1R1R8R2voR3R4viR7R6R5A2A3v+3vo3v+1ovRRRv43433563

6、1vRRvo37881ovRRRv887655443RRRRRRRRRvvAiovf第11頁/共117頁vs1-+2R-+-+3R3R4R4R2R1Rvs2vo1vo2voA1A2A3v3v4 由于第一級差放電路上下對稱，R1的中點可視為接地點，所以：212o2112o1)/2RR+(1=)/2RR+(1=ssvvvv)-)(/2RR(1RR-)-(RR-2112344334ossvvvvv第12頁/共117頁應(yīng)用實例第13頁/共117頁ViVoVi0時，D2截止，D1導(dǎo)通， Vo1 =- Vi ， Vo =- Vi-2 Vo1= Vi Vi0VR0sITORIvVv11lnsRTORIVVv

7、ln2RITfoofoVvVRRvvRRv112-11ln=)(=電路在理想情況下可完全消除溫度的影響Rf第31頁/共117頁如果忽略T2基極電流，則M點電位：12434BEBEOMvvvRRRvsRTBEsITBERCICIRVVvIRvVvIiii2211211lnln所以所以由于由于()RIOTVvKveVRRKRRlg-=lg)+1 (=1 -4312則并令如果取)ln()1 (1243IRTOvVRRVRRvVR-+A2R1iC2RIRvBE2-+vI1-+A1RvOiC1RiI1vBE1-+R32R4R5T1T2MvI10VR0第32頁/共117頁RvieIiVvORVvsDTIT

8、I時時TIVvsOeRIv1. 基本指數(shù)電路vI-+ADRvOiDRiR0第33頁/共117頁vI 0時電路才是負反饋負反饋時，根據(jù)虛短、虛斷概念：第40頁/共117頁22OOvKv2112RvKRvOX112XOvRKRv輸入電壓必須小于0，否則電路將變?yōu)檎答仭X1-+ARvOiR2R1iR1idR2vO2KvXvY第41頁/共117頁-+AfRRifRii-+ARvoiR2RiR11R2vO2vX1vO1-+ARvoid-+AfRRifRiiiR2RiR11R2vO2vO1第42頁/共117頁4. 壓控增益乘法器的一個輸入端接直流電壓（控制信號），另一個接輸入信號，則輸出信號與輸入信號

9、之比（電壓增益）成正比。 vO=KVXvYvXvYvO第43頁/共117頁由圖可知fSO=Riv可見輸出電壓與輸入電流成比例。輸出端的負載電流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi此時該電路也可視為電流放大電路。若LR固定，則輸出電流與輸入電流成比例，電流-電壓變換電路1.電流電壓變換電路：第44頁/共117頁由負載不接地電路圖可知：SOOS1=vRiRiv或所以輸出電流與輸入電壓成比例。負載不接地第45頁/共117頁()L43L4OLOO+/+/=RRRRRvRivv)-+(-=L12L433S12O+-RRRRRRRvRRivv得：由 對負載接地電路圖電路， R1和R2構(gòu)成電流并聯(lián)負反饋

10、； R3 、R4和RL構(gòu)成構(gòu)成電壓串聯(lián)正反饋。211O212S-+=RRRvRRRvv第46頁/共117頁討論：1. 當(dāng)分母為零時， iO ，電路自激。2. 當(dāng)R2 /R1 =R3 /R4時, 則： 說明iO與vS成正比 , 實現(xiàn)了線性變換。S4O1vRi 電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應(yīng)用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。)-+(-=L12L433S12ORRRRRRRvRRi第47頁/共117頁第48頁/共117頁一. 無源濾波電路和有源濾波電路無源濾波電路: 由無源元件無源元件 ( R , C , L ) 組成有源濾波電路: 用工作在線性區(qū)的集成運放工作在線性區(qū)的集成運放

11、 和RC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 組成，實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。有源濾波電路的優(yōu)點優(yōu)點, 缺點缺點: 請看書CRLCRLRLViViVoVo第49頁/共117頁1. 按所處理的信號可分為 模擬模擬 的和 數(shù)字數(shù)字 的兩種2. 按所采用的元器件可分為有源和無源3. 按通過信號的頻段可分為以下五種:a. 低通濾波器( LPF )二. 濾波電路的分類和主要參數(shù)Avp: 通帶電壓放大倍數(shù)fp: 通帶截至頻率過渡帶過渡帶: 越窄表明選頻性能越好,理想濾波器沒有過渡帶第50頁/共117頁b. 高通濾波器( HPF )c. 帶通濾波器( BPF )第51頁/共117頁d. 帶阻濾波器( BEF )e. 全通濾

12、波器( APF ) 4. 按頻率特性在截止頻率fp附近形狀的不同可分為 Butterworth , Chebyshev 和 Bessel等第52頁/共117頁理想有源濾波器的頻響：第53頁/共117頁 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。第54頁/共117頁 一階低通濾波電路 ( LPF ) 簡單二階 LPF 二階壓控電壓源 LPF 無限增益多路反饋有源濾波器第55頁/共117頁（1）通帶增益Avp 通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放

13、大倍數(shù)基本為零。 （2）通帶截止頻率fp 其定義與放大電路的上、下限截止頻率相同。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。 第56頁/共117頁組成：簡單RC濾波器同相放大器特點：Avp 0，帶負載能力強缺點：阻帶衰減太慢，選擇性較差一一. 電路構(gòu)成電路構(gòu)成RC環(huán)節(jié)第57頁/共117頁有源濾波電路的分析方法有源濾波電路的分析方法: 1.電路圖 電路的傳遞函數(shù)Av(s) 頻率特性Av(j) 2. 根據(jù)定義求出主要參數(shù)3. 畫出電路的幅頻特性二二. 性能分析性能分析第58頁/共117頁0+1=ffvpvjAA 通帶截止頻率 通帶電壓放大倍數(shù)1+1=RRAfvp 傳遞函數(shù))(+

14、11=)()(=)(+sVsCRsVsVAsVIvpovpiovAsCRsVsVsA+11=)()(=)(RCffjj122s00令換為將RC=ffAAf=fpvpv212=00所以時當(dāng)?shù)?9頁/共117頁一階LPF的幅頻特性:0+1=ffvpvjAA過渡帶緩慢,選頻性能差vpvAAlg20第60頁/共117頁1. 傳遞函數(shù):一一. 電路構(gòu)成電路構(gòu)成組成: 二階RC網(wǎng)絡(luò) 同相放大器二二. 主要性能主要性能)(+11=)()(=)(+sVsCRsVsVAsVMvpo2)(+3+1=)()(=)(sCRsCRAsVsVsAvpiovM)()+/(+)+/(=)(1111sVRRRsVIsCsCsC

15、sCMRRAvfp1通帶增益：第61頁/共117頁RCffffffjffpppp237. 0=37. 027-53=2=3+)(-1000202.通帶截止頻率通帶截止頻率:3.幅頻特性幅頻特性:003+)(-1=2ffffvpvjAA特點：在 f f0 后幅頻特性以-40dB/dec 的速度下降；缺點：f=f0 時，放大倍數(shù)的模只有通 帶放大倍數(shù)模的三分之一RCffjj122s00令換為將第62頁/共117頁二階壓控電壓源一般形式二階壓控電壓源LPF第63頁/共117頁Avp同前分析：sCRsVsVsVAsVv+11)(=)()(=)(N)+()+(po 上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3，

16、才能保障電路穩(wěn)定工作。 2ppio)3(1sCRsCRAAsVsVsAvvv聯(lián)立求解以上三式，可得LPF的傳遞函數(shù)：0)()()()()()(+)NoNNiRsVsVsCsVsVRsVsV對節(jié)點 N , 可以列出下列方程：第64頁/共117頁vpffvvpvpvpffvQAAAQAjAA=-31=)-3(=0=0=則：令：頻率特性:00)-3(+)(-1=2ffvpffvpvAjAA處將被抬高。幅頻特性在，時，當(dāng)00=,1Q32f=fAAAvpffvvp當(dāng)Q=0.707 時，fp=f0當(dāng)Avp=3時，Q =，有源濾波器自激。RCfj12s00令換為將第65頁/共117頁二階壓控電壓源LPF的幅

17、頻特性00)-3(+)(-1=2ffvpffvpvAjAA第66頁/共117頁Vo第67頁/共117頁Q=0.707 fp=f0=100Hz第68頁/共117頁無限增益多路反饋無限增益多路反饋LPF要求集成運放的開環(huán)增益遠大于60DB無限增益多路反饋有源濾波器一般形式第69頁/共117頁由圖可知：)(1)(N22osVRsCsV0=)(-)(-)(-)(-)(-)(foN2N1N1NiRsVsVRsVsCsVRsVsV對節(jié)點N , 列出下列方程：第70頁/共117頁頻率響應(yīng)為：020p1j)(1ffQffAAvvf221021RRCCf 2f21f21)(CRRCRRRQ12-=RRAvp通帶

18、電壓放大倍數(shù) f2212f21f221f)111(1/RRCCsRRRRRsCRRsAv第71頁/共117頁第72頁/共117頁Q=0.707 fp=f0=1000Hz第73頁/共117頁HPFHPF與與LPFLPF的對偶關(guān)系的對偶關(guān)系二階壓控電壓源二階壓控電壓源HPFHPF無限增益多路反饋無限增益多路反饋HPFHPF第74頁/共117頁1. 電路結(jié)構(gòu)對偶電路結(jié)構(gòu)對偶將起濾波作用的電容換成電阻將起濾波作用的電阻換成電容RCViVo低通濾波電路RC高通濾波電路ViVo第75頁/共117頁2. 傳遞函數(shù)對偶傳遞函數(shù)對偶+sRC=Av11低通濾波器傳遞函數(shù)+sRCsRC=sRC+=Av1111高通濾

19、波器傳遞函數(shù)C1CsRsR第76頁/共117頁3. 幅頻特性對偶幅頻特性對偶(相頻特性不對偶)0.1fHfH10fH0-20-4045900ff-20dB/十 倍 頻-30.1fHfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十 倍 頻-3第77頁/共117頁電路形式相互對偶二階壓控電壓源LPF二階壓控電壓源HPF第78頁/共117頁傳遞函數(shù)傳遞函數(shù):高通高通:2)1(+1)-3(+1=sRCsRCAvAApvpvppvAvsRCsRCAvsRCA22)(+)-3(+1)(=vpAQ-31=ffQjffAAvpv0201-)(-1=低通低通:2)()3(1=)(sCR sCR+-A+

20、AsAvpvpvRCf1=2=s00令換為將第79頁/共117頁二階壓控電壓源HPF幅頻特性ffQjffAAvpv0201-)(-1=第80頁/共117頁無限增益多路反饋LPFaR3C1C2R1R+_UiUo2C無限增益多路反饋HPFvo(s)vi(s)第81頁/共117頁 BPF的一般構(gòu)成方法：優(yōu)點:通帶較寬,通帶截 至頻率容易調(diào)整缺點:電路元件較多第82頁/共117頁BPFLPFHPF第83頁/共117頁第84頁/共117頁二階壓控電壓源一般形式1RfRCC2R3RR+_UiUoM=2R=R二階壓控電壓源BPFvo(s)vi(s)第85頁/共117頁傳遞函數(shù):0=)(-)(-+)(-)(-

21、)()()(+1=)()()+1 (=)(32122+1RsVsVRsVssCVRsVsVsVsCRsCRsVsVRRsVoMsCMMMiMfo12+1=)(+)-3(+1=)(RRAAsCRsCRAsCRsAfvfvfvfv1RfRCC2R3RR+_UiUoM=2R=Rvo(s)vi(s)第86頁/共117頁s換成 j 且令：RCf1=2=00f0是濾波器的中心頻率vfvfvpvfvpvAAAffffAjAA-3=)-(-31+1=00通帶電壓放大倍數(shù)12+1=)(+)-3(+1=)(RRAAsCRsCRAsCRsAfvfvfvfv第87頁/共117頁截止頻率:1=)-(-3100ffffA

22、vf()()-3(+4+)-3(2=)-3(-4+)-3(2=202201vfvfpvfvfpAAffAAff頻帶寬度:01012)-2(=)-3(=-=fRRfAffBWfvfppRC選定后,改變R1和Rf即可改變頻帶寬度第88頁/共117頁第89頁/共117頁第90頁/共117頁BEF的一般形式缺點:電路元件較多 且HPF與LPF相并 比較困難第91頁/共117頁VS-+AfRRVOIfR1IiIdVS-+AfRRVOIfR1IiId1RfRCCRRR+_vsvo2C12無源帶阻(雙T網(wǎng)絡(luò))同相比例第92頁/共117頁第93頁/共117頁第94頁/共117頁正反饋,只在f0附近起作用第95頁/共117頁傳遞函數(shù):()122+1=)(+)-2(2+1+1=)(RRAAsCRsCRAsCRsAfvpupvpv截至頻率:()()-2(+1+)-2(=)-2(-1+