材料1208班大二下電子模電譚

1、第4章集成運算放大器的應(yīng)用1模擬運算電路23信號處理電路波形發(fā)生電路總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.1模擬運算電路集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反 對數(shù)、乘法和除法等運算。運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的 基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實現(xiàn)不同的運算。總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.1.1比例運算（2）電壓放大倍數(shù)因虛斷，i+= i = 01.反相輸入比例運算 動畫 ，（1）電路組成if

2、RF所以 i1 » if= u- - uo= ui - u-iiii1 R1¥+f1RR+uiF1+因虛短, 所以u=u+= 0，稱反相輸入端“虛uo+R2i+地” 反相輸入的重要以后如不加說明，輸入、特點輸出的另一端均為地()。因要求靜態(tài)時u+、 u 對地電阻相同，所以平衡電阻 R2 = R1 / RFD總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.1.1比例運算1.反相輸入比例運算電壓放大倍數(shù)反饋信號使凈輸入信號減小負(fù)反饋R反饋電路直接從輸出端引出電壓反饋FR1Å¥+ +uoui+電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低R2輸入信號和反饋信號加在同一輸入端并聯(lián)反饋D總目錄章目錄返

3、回上一頁下一頁結(jié)論：Auf為負(fù)值，即 uo與 ui 極性相反。因為 ui 加在反相輸入端。Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與身參數(shù)無關(guān)。| Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 因u= u+= 0 ， 所以反相輸入端“虛地”。電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，ri = R1。本總目錄章目錄返回上一頁下一頁例：電路如下圖所示，已知 R1= 10 kW ，RF = 50 kW 。求：1.Auf 、R2 ；2.若 R1不變，要求Auf為 10，則RF 、 R2 應(yīng)為 多少？RFA= R¤ R解：1.ufF1= 50 ¤ 10 = 5R1¥+uiR

4、2 = R1 ¤¤ RF+uo+=10 ´50 ¤ (10+50)= 8.3 kWR2因 Auf = RF / R1 = RF ¤ 10 = 102.故得 RF = Auf ´ R1 = (10) ´10 =100 kWR2 = 10 ´ 100 ¤ (10 +100) = 9. 1 kWD總目錄章目錄返回上一頁下一頁2.同相輸入比例運算（2）電壓放大倍數(shù)因虛斷，所以u+ = ui（1）電路組成RR1Fu =u-R + RoR¥+1Fu1因虛短，所以 u = ui ，反相輸入端不“虛地”+uo+

5、uiuR2+Ruo = (1 + F )uiR1因要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，所以平衡電阻R =R /RF21D總目錄章目錄返回上一頁下一頁A= uo= 1 + RFufuRi12.同相輸入比例反饋電路直接從輸出端引出電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小負(fù)反饋RFR1電壓放大倍數(shù)因虛短，所以 u = ui ， 反相輸入端不“虛地”¥+Å Å+uo+uiÅR2RFuo = (1 + R )ui輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端串聯(lián)反饋1電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻高D總目錄章目錄返回上一頁下一頁A= uo= 1 + RFufuRi1運動算畫結(jié)論： Auf 為正

6、值，即 uo與 ui 極性相同。因為 ui 加在同相輸入端。Auf只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與身參數(shù)無關(guān)。Auf 1 ，不能小于 1 。本u = u+ 0 ，反相輸入端不“虛地”現(xiàn)象。電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁摦?dāng) R1= ¥ 且 RF = 0 時，uo = ui ， Auf = 1，稱電壓跟隨器。RF由的電壓跟隨器R輸1 入電阻¥高、輸¥+出比+ 電阻低，其+跟隨性u能ou+uiui射極R輸2 出器更好。o例：+15V7.5kW左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端， 當(dāng)負(fù)載RL變化時，其兩端

7、¥+15kW+15kWRLuo電壓 u隨之變化。oDDD總目錄章目錄返回上一頁下一頁例2：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路IGiLRLR1¥+i+R1¥+1+Ux+R2R2ui流過電流表的電流= UxuuI= i1= -= -i iLGRRR11.2.能測量較小的電壓；輸入電阻高，對被測電路影響小。11負(fù)載電流的大小與負(fù)載無關(guān)。DD總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.1.2加法和減法運算電路 動畫 因虛斷，i = 0所以 ii1+ ii2 = if1.反相加法運算電路- u- u- uoui1+ ui 2= u-ii2RFRi2ifui2RRRii1i1i 2FR

8、65;+ui1i1+因虛短,u = u = 0+uo+uuu故得i1 += -o i 2 Ri 2R2Ri1RFu= -( RF u+ RF平衡電阻：R2= Ri1 / Ri2 / RFu)oi1i 2RRi1i 2D總目錄章目錄返回上一頁下一頁2.同相加法運算電路 動畫 1:根據(jù)疊加原理RFui1單獨作用(ui20)時，R1¥+ u¢ = ?+R i 2+u¢ =ui1u+R+ Ri1uoRi1i1i 2ui2+ R ¢¢=uo(1F)u+Ri2R同理，ui2單獨作用時1RR= (1 +F )i 2ui1= (1 + RF )Ri1u

9、2;u+ Ri 2R1Ri1oi 2R+ RR1i1i 2D總目錄章目錄返回上一頁下一頁RF2：= (1 + RFR1¥+u)u+oR+u1ui1ui2+uou+=?Ri1Ri2平衡電阻：Ri 2Ri1u =u+uRi1 / Ri2 = R1 / RF+i1i 2R+ R+ RRi1i 2i1i 2u = (1 + RF )(Ri 2Ri1u+u)oi1i 2R+ RR+ RR1i1i 2i1i 2也可寫出 u和 u+的表，利用 u= u+ 的性質(zhì)求解。D總目錄章目錄返回上一頁下一頁RFRi2反相加法運算電路的特點：ui21. 輸入電阻低；Ri1¥+2. 當(dāng)改變某輸入電阻時

10、， ui1+uo對其它路無影響；RRRuo = -(F ui1 +F ui 2 )2Ri1Ri 2RF同相加法運算電路的特點：1. 輸入電阻高；R1¥+uou2. 當(dāng)改變某輸入電阻時，i1R對其它路有影響；i1ui2Ri2RRRuo = (1 +F )(i 2ui1 +i1ui 2 )Ri1 + Ri 2Ri1 + Ri 2R1DD總目錄章目錄返回上一頁下一頁3 減法運算電路1：利用疊加原理分析減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。= - RFRFu¢uoi1Ru+R11¥+= (1 + RF+u¢)u+oR+uuo1i1R2uR

11、3i2= (1 + RF )R3ui 2R + RR123uo= uo¢ + uo¢= (1 + RF )R3- RFuui 2i1R + RRR1231D總目錄章目錄返回上一頁下一頁3減法運算電路RF常用做測量分析2：放大電路 由虛斷可得：RR¥+1+=+uo 3ui 2u+R2 + R3+ui1Rui22R3= u+ uu-i1R1R2 / R3 = R1 / RF+ uo - ui1= uR如果取 R1 = R2 ，R3 = RFi11+ RR= RF1F(u- uu- = u+則：u)由虛短可得：oi 2i1R= R =1R如 R= R123F輸出與兩個輸

12、入信號的差值成正比。D總目錄章目錄返回上一頁下一頁動畫4.1.3積分運算電路 動畫 uCifCFif =?+由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1R1¥+i= i+1f+ui+duCuiuo= C=iifFR21dtduoR1uiduC= C= -C當(dāng)電容CF的初始電壓FFRdtdt為 u (t ) 時，則有1C0u = -é)ù1(ttòu dt + uêoúoiCR Cë1Fût01u dt + u (t)tòt= -iooR1CF0D總目錄章目錄返回上一頁下一頁若輸入信號電壓為恒定直流量，即 ui= Ui 時，則

13、± UOM1Uiòu = -U dt = -0 £ t £tR Coi1FR CR CU1F1Fiuiuo線性積分時間u = U < 0 ii+ Uo(sat)Ui線性積分時間OtOUti積分飽和輸出電壓隨時間線性變化Uo(sat)u= U> 0ii采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故 uo 是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁搶⒈壤\算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運算電路。電路的輸出電壓CRFiFu = -( R i+ u )foF fC1i1R1ò= -

14、(R i +i dt )¥F 11+C+F1uRuo+òi= -( F u +u dt )RiiR1R1CF2這種運算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器, 常用于系統(tǒng)中, 以精度。改變 RF 和 CF，保證自控系統(tǒng)的性和可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù), 以滿足要求。系統(tǒng)的D總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.1.3微分運算電路 動畫 ifRF由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1 = ifC1i1¥duu= -o RF+uiC1 i dt+uo+R2uuioUiOUitOtD總目錄章目錄返回上一頁下一頁比例-微分運算電路PD調(diào)節(jié)器iCC1RFifuo = -RF ifiRR1¥+i =

15、i+ i+fRuiC+uoudui+i=+ CR21Rdt1系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作作性。D總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.2信號處理電路4.2.1有源濾波器濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小， 而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。 缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、帶通和帶阻等。、總目錄章目錄返回上一頁下一頁1U&i

16、1 + jwRC=jwCU&U&= U&=+Ci1jwCR +æö &æöU&iRFRFUo = ç1 +è&÷U+= ç1 +è÷ ×R1 + jwRCR1 ø1 ø總目錄章目錄返回上一頁下一頁U& oæöRF1Au&=&= ç1 +U÷ ×R1 + jwRC=Aufwè1 ø1 + jiwo= 1 + RF1頻帶放大倍數(shù)，

17、w=式中 A稱uoRRC1為截止角頻率。電壓放大倍數(shù)的幅頻特性為：Au=Aufö2æ w1 + ç w÷øèo總目錄章目錄返回上一頁下一頁一階有源低通濾波器的幅頻特性與理想特性相差較大，濾波效果不夠理想，采用或高階有源濾波器可明顯濾波效果。圖示為用二級 RC 低通濾波電路串聯(lián)后接入集成運算放大器的低通有源濾波器及其幅頻特性。RFAufAuAR1一階 1 2uouuiRR+CC0o低通有源濾波器及其幅頻特性總目錄章目錄返回上一頁下一頁U&oæöRF1Au&= ç1+R÷ ×

18、;=&U=Aufw1jwRCè1 ø1+1- j0iw總目錄章目錄返回上一頁下一頁2、濾波器4.2.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由平變成低電平，或者由低電平變成輸入信號的 大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動平。由此來和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁摾硐牍ぷ髟陲柡蛥^(qū)的特點：輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或Uo (sat)當(dāng) u+> uu+< u時， uo = +Uo (sat)時， uo

19、= Uo (sat)uo+Uo(sat)u+ u飽和區(qū)OUo(sat)電壓傳輸特性總目錄章目錄返回上一頁下一頁u1.基本電壓比較器 動畫 o+Uo(sat)R¥+1+ui+uoURui+UOR2RUo(sat)參考電壓電壓傳輸特性當(dāng) u+>u 時，uo= +Uo (sat)即 ui<UR時，uo = +Uo (sat)u+<u時，uo= Uo (sat)ui >UR 時，uo = Uo (sat)可見，在 ui =UR 處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。D總目錄章目錄返回上一頁下一頁處于開環(huán)狀態(tài)單限電壓比較器：當(dāng) ui

20、 單方向變化時， uo 只變化一次。R1+uiui+uo+URRU2RtOuo+Uo(sat)uUR+Uo (sat)OuiOtUo(sat)Uo (sat)電壓傳輸特性D總目錄章目錄返回上一頁下一頁ot1t2 ¥+uo輸入信號接在反相端+UR1o(sat)+ui+uoURu+URiOR2Uo(sat)電壓傳輸特性uo輸入信號接在同相端R1+Uo(sat)+uo+uiURRUuR2iOUo(sat)DD總目錄章目錄返回上一頁下一頁ui >UR，uo=+ Uo (sat)ui <UR，uo= Uo (sat) ¥+ ¥+ui輸入信號接在反相端URR1tO

21、+ui+uo+URu2R+Uo (sat)Ot輸入信號接在同相端Uo (sat)uo(satR1+U+uUoR uiR2tOUo(sat)DD總目錄章目錄返回上一頁下一頁 ¥+ ¥+ot1t2o)輸出帶限幅的電壓比較器uo+URo(sat)¥+1u ' R+uioUZ+URURuRDZo2uOiUZUo(sat)u <U時，u ' = +UiRoo (sat)電壓傳輸特性ui >UR 時，uo' = Uo (sat)電壓為UZ，設(shè)穩(wěn)壓管的忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫t ui < UR，uo = UZ ui >UR，uo

22、= UZD總目錄章目錄返回上一頁下一頁過零電壓比較器uiR1+uiO+uot+URR2+Uo(sat)uoU+UOto(sat)= 0RUo(sat)uiO利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║o(sat)電壓傳輸特性D總目錄章目錄返回上一頁下一頁uo ¥+4.3波形發(fā)生電路波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、 三角波、鋸齒波等）。特點：不用外接輸入信號，即有輸出信號。總目錄章目錄返回上一頁下一頁正弦波發(fā)生電路正弦波振蕩電路用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到 幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦； 輸出的交流電能是從電源的

23、直流電能轉(zhuǎn)換而來的。 常用的正弦波振蕩器LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體振蕩電路：頻率度高。應(yīng)用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導(dǎo)體 接近開關(guān)等。總目錄章目錄返回上一頁下一頁1. 自激振蕩放大電路在無輸入信號的情況下，就能輸出一定 頻率和幅值的交流信號的現(xiàn)象。1S開關(guān)合在“1”為無反饋放大電U& iU&o路。U&o= AuU& iS1U&oU& i開關(guān)合在“2”為有反饋放大電路，AuU&f2FU&= A U&ouf自激振蕩狀態(tài)如果：U

24、&= U&fi開關(guān)合在“2”時,，去掉ui 仍有的輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。A u2U&fF總目錄章目錄返回上一頁下一頁2. 自激振蕩的條件自激振蕩的條件Au F = 1由：U&= A U&oufU& f= FU& oÐjA × F ÐjF= 1U& o= Au FU& o即： Au(1)幅度條件：n是整數(shù)(2)相位條件：相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量(可以通過調(diào)整放大倍數(shù)A 或反饋系數(shù)F 達(dá)到) 。總目錄章目錄返回

25、上一頁下一頁問題1：如何起振？Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時Uo=0，達(dá)到振蕩時Uo=B。問題2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，則輸出將會飽和失真。總目錄章目錄返回上一頁下一頁起振及穩(wěn)幅振蕩的過程起振時Uo » 0，達(dá)到振蕩時Uo =B。起振過程中 Uo < B，要求½AuF ½ > 1， 可使輸出電壓的幅度不斷增大。振蕩時 Uo = B，要求½AuF ½ = 1，使輸出電壓的幅度得以。從½AuF ½ > 1 到½AuF ½ = 1，就是自激振

26、蕩建立的過程。起始信號的產(chǎn)生：在電源接通時，會在電路中激起 一個微小的擾動信號，它是個非正弦信號，含有一系列頻率不同的正弦分量?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁撨@些擾動可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時，只要：|AF|>1，且jA+ jB =2np，即可起振?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁揂(w )、F (w )總目錄章目錄返回上一頁下一頁4.正弦波振蕩電路的組成(1) 放大電路: 放大信號(2) 反饋網(wǎng)絡(luò): 必須是正反饋，反饋信號即是放大電路的輸入信號(3) 選頻網(wǎng)絡(luò): 保證輸出為單一頻率的正弦波即使電路只在某一特定頻率下滿足

27、自激振 蕩條件(4) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié): 使電路能從½AuF ½ >1 ，過渡到½AuF ½ =1，從而達(dá)到穩(wěn)幅振蕩?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁揜C振蕩電路1. 電路結(jié)構(gòu)RFRC選出單一頻率的信號+uO+ufRC選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)用正反饋信號uf 作為輸入信號RCR1同相比例電路放大信號總目錄章目錄返回上一頁下一頁RF放大器的電壓放大倍數(shù)為：R+CR+A& = 1 + FR1uORCR1RC反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為：Z2Z1 + Z2F& =反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。總目錄章目錄返回上一頁下一頁2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性。+R1R /F

28、= U& 2=jwCC。U&U&11jwC1jwC1+R + R /CU& 2R。=11ww式中 ：w=3 + j( w-o )oRCwoU= 1 達(dá)最大分析上式可知：僅當(dāng) w= w 時，2oU31值，且 u2 與 u1 同相 ，即網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，fo決定于RC ?？偰夸浾履夸浄祷厣弦豁撓乱豁?#230;ö ×R1& &ç÷AF = 1 +èF3 + jæwRC - 1öR1øçwRC ÷è+ j F = ±2npø

29、為滿足振蕩的相位條件j A零，即：，上式的虛部必須為1w=oRC可見該電路只有在這一特定的頻率下才能形成正反饋。同時，時F = 1為滿足振蕩的幅值條件AF = 1 ，因當(dāng)w = w oA = 1 + RF= 3，故還必須使3R1總目錄章目錄返回上一頁下一頁U2幅頻特性相頻特性j（f）+ 90U1 130- 90fofu2 與 u1 波形fou1 u2總目錄章目錄返回上一頁下一頁3. 工作原理輸出電壓 uo 經(jīng)正反饋（兼選頻）網(wǎng)絡(luò)分壓后， 取uf 作為同相比例電路的輸入信號 ui 。(1) 起振過程總目錄章目錄返回上一頁下一頁(2)振蕩(3) 振蕩頻率振蕩頻率由相位平衡條件決定。jA = 0，僅在 f 0處 jF = 0 滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率 f 0= 1 ¤2pRC。改變R、C可改變振蕩頻率RC振蕩電路的振蕩頻率在200KHz以下。總目錄章目錄返回上一頁下一頁振蕩頻率的調(diào)整振蕩頻率1RFRRR321fo = 2 RCS +C+uOR3R2R1RC改變開關(guān)K的位置可改變選頻S網(wǎng)絡(luò)的電阻，實現(xiàn)頻