現(xiàn)代電子線路05集成運(yùn)算的運(yùn)用（課堂PPT）

1、2022-2-26第五章 No.1第五章：集成運(yùn)放的應(yīng)用 本章內(nèi)容：5.1運(yùn)算放大器的線性運(yùn)用5.2運(yùn)算放大器的非線性運(yùn)用2022-2-26第五章 No.25.1運(yùn)算放大器的線性運(yùn)用一、比例運(yùn)算電路u-u+uoodA電路均滿足深度負(fù)反饋條件。虛短： uu，即正反向輸入端可看作短路。（virtual short circuit）虛斷：理想運(yùn)放輸入偏置電流為零，即 ，輸入端沒有電流流入，相當(dāng)于斷路（虛斷virtual open circuit）。0ii1、理想運(yùn)放的特性2022-2-26第五章 No.32、反相比例運(yùn)算電路虛斷條件：0ii虛短條件：0uufiii 1RiuiiffoRiuifouR

2、Ru1fpRRR/1以滿足差動(dòng)輸入級(jí)的對(duì)稱性若1RRf，則iouu，相當(dāng)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。1RRuuAfiou此時(shí)稱a點(diǎn)為虛地(virtual ground)點(diǎn)。uoAuiR1RfRpiii-ifi+a補(bǔ)償電阻2022-2-26第五章 No.4輸出電阻：屬于電壓負(fù)反饋，Ro0，輸出特性類似于恒壓源。輸入電阻：屬于并聯(lián)負(fù)反饋，RiR1，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(jí)，否則不滿足運(yùn)放理想化條件，在要求大輸入電阻和高增益時(shí)，可采用如下電路：11RuRuifuoAuiR1Rf2RpRf1Rf3uofffffuRRRRRu3

3、1231/132121RRRRRRuuAfffffiou2022-2-26第五章 No.5uoAuiR1RfRpi1i-ifi+虛斷條件：0ii虛短條件：iuuufiii iffouRRuRRRu)1 (111fpRRR/1若01RRf，則iouu ，相當(dāng)于電壓跟隨器。11RRuuAfiouAuiuoiR輸入電阻：0oR輸出電阻：3、同相比例運(yùn)算電路2022-2-26第五章 No.6foiRuuRuu11uoAui2R1RfR1ui1Rf21iffuRRRuu整理，得：)(121iifouuRRu4、差分比例運(yùn)算電路若1RRf，則，電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。12iiouuu2022-2-26第五章 N

4、o.71、反相輸入加法電路fpRRRRR/321uoAui1R1RfRpii1ifaui2R2ii2ui3R3ii3a為虛地點(diǎn)。332211321RuRuRuiiiiiiiiiif)( )(332211332211ifififiiifffouRRuRRuRRRuRuRuRRiu二、加減運(yùn)算電路(scaling circuit)(inverting input summing circuit)2022-2-26第五章 No.84321/RRRRRRf3214iiiiiii2、同相輸入加法電路uoAui1R1RfR4ii1i4ui2R2ii2ui3R3ii3R3322114RuuRuuRuuRui

5、ii3322114321)1111(RuRuRuuRRRRiii)(332211RuRuRuRuiiiP式中4321/RRRRRP即整理，得(noninverting input summing circuit)2022-2-26第五章 No.9)(1 ()1 (332211iPiPiPffouRRuRRuRRRRuRRu又因?yàn)镻fRRRRRRR4321/化簡，得：332211ifififouRRuRRuRRu2022-2-26第五章 No.1054321/RRRRRRf3、差分輸入加減電路uoAui1R1RfR5ui2R2ui3R3ui4R4ui1、ui2為反相輸入求和，輸出為uo1，)(2

6、2111RuRuRuiifoui3、ui4為同相輸入求和，輸出為uo2，)(44332RuRuRuiifo疊加，得)()(22114433ififififouRRuRRuRRuRRu(differential input)2022-2-26第五章 No.11同相級(jí)聯(lián)減法電路uo1Aui1R1Rf1R2uoAui2R3Rf2R4優(yōu)點(diǎn)：輸入電阻高。同相串聯(lián)減法電路112/fRRR 234/fRRR 1111)1 (ifouRRu23211132232132)1 ()1 ()1 (ififfifofouRRuRRRRuRRuRRu若RRRRRRfff3211則，)(1 (12iifouuRRu202

7、2-2-26第五章 No.12三、積分、微分運(yùn)算電路1、積分運(yùn)算電路RRpuoAuiRCRpiCdtuRCdtRuCdtiCuiiCo11 1令RCdtuuio1，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(integration circuit)2022-2-26第五章 No.132、微分運(yùn)算電路uoAuiRCRpiCdtduCiiCdtduRCRiuiCo可見，輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。tui(t)0tuo(t)0RRp矩形波尖脈沖其它運(yùn)算：對(duì)數(shù)、指數(shù)、乘法、除法(differential circuit)2022-2-26第五章 No.14濾波

8、電路：對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性，可使特定頻率范圍的信號(hào)順利通過，阻止其它頻率的信號(hào)通過。在通信、自動(dòng)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(hào)衰減）；有源濾波器：由集成運(yùn)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(duì)于帶通濾波，可用陶瓷濾波器或聲表面波濾波器。）filter（LPF）2022-2-26第五章 No.15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

9、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(low pass filter)(high pass filter)(band pass filter)(band elimination filter)2022-2-26第五章 No.16實(shí)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(dāng)|Au|=0.707AUM時(shí)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

10、帶放大倍數(shù)：通帶中輸出電壓與輸入電壓之比AUM。（對(duì)低通濾波器即為頻率等于0時(shí)的輸出電壓與輸入電壓之比。） 濾波電路的重要特性指標(biāo)： 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(biāo)：通帶內(nèi)|Au|平坦，過渡帶衰減斜率大。實(shí)際低通濾波器幅頻特性通 帶 過渡帶 阻帶f |Au| AUM0.707AUMfH實(shí)際濾波器2022-2-26第五章 No.17CRuIuO20lg|Au|-20dB/十倍頻0.1fH3dBffH10fH 20lg|AuM|其中：RCfH21211|HuffA21lg20|lg20HuffA1|uMA2、低通濾波器（LPF）、一階無源RC低通濾波器

11、HIOuffjfRCjCjRCjuuA11211112022-2-26第五章 No.18帶負(fù)載RL情況：1HuffjAAuM其中：CRRfLH)/(21LLRRRAuM 無源濾波器電壓放大倍數(shù)低，帶負(fù)載能力差； 其通帶放大倍數(shù)和截止頻率都受負(fù)載影響，不便于多級(jí)級(jí)連。CRuIuORL20lg|Au|-20dB/十倍頻3dBffHfH 20lg|AuM|2022-2-26第五章 No.19在無源濾波電路和負(fù)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(fù)載能力差的缺點(diǎn)。、一階有源RC低通濾波器uIuoRCRL若采用同相運(yùn)算電路，則濾波器還能起到放大作用。uIuoRCRLRfR

12、1具有放大作用的LPF2022-2-26第五章 No.20HuMuMIFIOuFffjARCjAuuRRuuA1 1)1 (1其中：RCfH2111RRAFuM21|HuMuFffAAuIuoRCRLRfR1通帶電壓放大倍數(shù)：過渡帶衰減緩慢。-20dB/十倍頻-3f/fH1uMuFAAlg200100.1-202022-2-26第五章 No.21020131 11)1/(1)1/(1)1 (ffjffACjRCjCjRCjRCjRCjRRuuAuMFIOuF其中：RCf210、二階有源RC低通濾波器uIuoRCRLRfR1RC增加一級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成二階LPF。11RRAFuM通帶電壓放大倍數(shù)：

13、2022-2-26第五章 No.22當(dāng) 時(shí)，上式分母的模應(yīng)為 ，即20037. 02753fffHHff 231020ffjff解得：RCfH237. 0代入 f0，-40dB/十倍頻-3f/fH1VMVFAAlg200100.1-20-40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(gè)低階低通濾波器級(jí)連得到； 電路設(shè)計(jì)仿真。2022-2-26第五章 No.233、高通濾波器（HPF）、一階無源RC高通濾波器fRCjRCjCjRRuuAIOu21111111ffjALu

14、11其中：RCfL21211|ffALu21lg20|lg20ffALu1|uMACRuIuOLPF與HPF具有對(duì)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|2022-2-26第五章 No.24、一階有源高通濾波器uIuoRCRLRfR111RRAFuMRCfL21過渡帶的衰減斜率：20dB/十倍頻20lg|Au|20dB/十倍頻0.1fL3dBffL10fLffjAALuMuF1其中： 20lg|AuM|2022-2-26第五章 No.25ffjffACjRRCjRRCjCjRRRRuuAuMFIOuF

15、020131 1)1/(1)1/()1 (其中：RCf210、二階有源高通濾波器11RRAFuMRCfL2137. 0過渡帶的衰減斜率：40dB/十倍頻uIuoRLRfR1RCRC2022-2-26第五章 No.26將低通濾波器與高通濾波器級(jí)連，就可得到帶通濾波器。fHLPFHPFuiuofLfLfHfH fL4、帶通和帶阻濾波電路、帶通RC有源濾波器（BPF）條件：BPFuiuo2022-2-26第五章 No.27將輸入信號(hào)同輸入到低通濾波器和高通濾波器，然后再將兩個(gè)輸出求和，就可得到帶阻濾波器。、帶阻RC有源濾波器（BEF）fHfLfLfHfH fL條件：LPF求和uiuoHPFBEFui

16、uo2022-2-26第五章 No.285.2運(yùn)算放大器的非線性運(yùn)用波形發(fā)生器：無需外加激勵(lì)而能產(chǎn)生周期性信號(hào)的電路。又稱信號(hào)發(fā)生器、振蕩器。根據(jù)需要的不同，可產(chǎn)生正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、函數(shù)信號(hào)、噪聲信號(hào)、掃頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)。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(fù)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(hào)發(fā)生器噪聲信號(hào)發(fā)生器掃頻信號(hào)發(fā)生器調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2022-2-26第五章 No.29比較器：比較輸入信號(hào)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(dòng)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2

17、022-2-26第五章 No.30一、單限比較器單限比較器：只有一個(gè)門限電壓的比較器。uoRRuiUREF1、基本單限比較器uiuo0UREFuo+uo-電壓傳輸特性運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，uA（105以上）uiUREF時(shí)，uouo-（負(fù)向飽和）)()(iREFuuouUAuuAu門限電壓由uo的正負(fù)可判斷ui與門限電壓（閾值電壓）的大小關(guān)系。反相輸入2022-2-26第五章 No.312、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(gè)穩(wěn)壓二極管對(duì)接與R1構(gòu)成限幅電路，使輸出不至飽和。ui0時(shí)，uoUZ+UDuiUREF2uiuo0UREF1uo+-UDUREF2

18、1、當(dāng)uiUREF2時(shí)，uo1為低電平，D1截止；uo2為高電平，D2導(dǎo)通；uo輸出高電平。2、當(dāng)UREF2uiUREF1時(shí)，uo1為高電平，D1導(dǎo)通；uo2為低電平，D2截止；uo輸出高電平。2022-2-26第五章 No.40四、矩形波發(fā)生器（多諧振蕩器）1、方波發(fā)生電路、電路組成R1、R2構(gòu)成滯回比較器；R、C構(gòu)成負(fù)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(hào)使輸出發(fā)生跳變。uoRR22DZR3CR1A2022-2-26第五章 No.41、工作原理t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)-UZ-UDU+HU+L設(shè)初態(tài)時(shí)，電容兩端電壓為零，輸出為高電平。

19、、uo為高電平，開始通過R對(duì)C充電，充電常數(shù)為RC)(211DZHUURRRUu當(dāng)電容電壓達(dá)到UH時(shí)，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uoRR22DZR3CR1A2022-2-26第五章 No.42t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+L放電、uo為低電平，電容放電。)(211DZLUURRRUu電容放電為零后，開始反相充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到UL時(shí)，輸出跳變?yōu)楦唠娖絬o+=UZUD。、uo為高電平，電容反向放電為零后，正向充電。達(dá)到U+H后輸出跳變?yōu)閡o-。如此循環(huán)，輸出方波信號(hào)。uoRR22DZR3CR1A2

20、022-2-26第五章 No.43、振蕩頻率t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+L1)()(THLeuUuUCCT1T2對(duì)于負(fù)半周：teuuutuCCCC)()0()()(三要素法：DZUUuC)()21ln(211RRRCT解得：電路充放電時(shí)間常數(shù)一致，故T2T1。則：周期)21ln(22121RRRCTTT頻率)21ln(2121RRRCf2022-2-26第五章 No.442、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路由于二極管的存在，放電通路為RW1、D1、R和C，時(shí)間常數(shù)為(RW1+R)C；充電通路為RW2、D2、R和C，時(shí)間常數(shù)為(RW2+R)C。改變電位器RW的滑動(dòng)端位置，可以改變輸出矩