模擬電子技術基礎第六章集成運算放大器的應用

1、第六章第六章 集成運放的應用集成運放的應用Op-Amp Applications2本章內容本章內容1. 集成運放的模型集成運放的模型2. 信號運算電路信號運算電路3. 濾波電路濾波電路4. 電壓比較器電壓比較器5. 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路3本章要求本章要求1. 掌握掌握 “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念及應用其分析電路的概念及應用其分析電路的方法；的方法；2. 掌握模擬信號運算電路的分析與計算；掌握模擬信號運算電路的分析與計算；3. 理解有源濾波器電路的分類、頻率響應及電路理解有源濾波器電路的分類、頻率響應及電路組成；組成；4. 掌握單限、滯回、窗口電壓比較器的工作原理掌握單限、滯

2、回、窗口電壓比較器的工作原理和電路組成；和電路組成； 集成運放的模型集成運放的模型1.1 集成運放的實際傳輸特性集成運放的實際傳輸特性1.2 理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)Model for Op-Amplifier51.1 集成運放的實際傳輸特性集成運放的實際傳輸特性運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)ou uu線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo(u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+-u e 時，時， uo = +Uo(sat) u+-u u 時，時， uo = + Uo(sat) u+R4 ,試求解試

3、求解R1=R2時時uO與與uI的比例系數(shù)。的比例系數(shù)。25集成運放線性應用分析集成運放線性應用分析例例2：求求Auf。(1) S斷開斷開(2) S閉合閉合uo10KuiR21K+1K1KS- -+A26集成運放線性應用分析集成運放線性應用分析例例3 電路如圖所示，電路如圖所示，uo和和ui1和和ui2的關系的關系1231,ffRRRR若,關系式為？關系式為？雙運放減法電路雙運放減法電路：調試方便，輸入電阻高：調試方便，輸入電阻高272.3 微分和積分電路微分和積分電路積分電路積分電路（1）積分電路）積分電路tuRCud1IO)(d11O IO21tutuRCutt)()(1 1O12IO21I

4、tuttuRCuttu為常量，則在若282.3 微分和積分電路微分和積分電路積分電路積分電路移相移相利用積分運算的基本關系實現(xiàn)不同的功能利用積分運算的基本關系實現(xiàn)不同的功能1) 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2) 輸入為方波時的輸出電壓波形？輸入為方波時的輸出電壓波形？3) 輸入為正弦波時的輸出電壓波形？輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時線性積分，延時波形變換波形變換292.3 微分和積分電路微分和積分電路微分電路微分電路（2）微分電路）微分電路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI1)1)抗干擾能力較差抗干擾能力較差 由于微分電路對由于微分電

5、路對ui的變化速率非常敏感，而干擾又是迅的變化速率非常敏感，而干擾又是迅速變化的高頻信號，所以它的抗干擾性能較差。速變化的高頻信號，所以它的抗干擾性能較差。2)2)會引起自激振蕩會引起自激振蕩 由于微分電路對由于微分電路對ui將產生相位滯后，若此滯后效應與運將產生相位滯后，若此滯后效應與運放內部的相位滯后作用結合起來，就會帶來自激振蕩。放內部的相位滯后作用結合起來，就會帶來自激振蕩。302.3 微分和積分電路微分和積分電路微分電路微分電路實用微分電路實用微分電路限制輸限制輸入電流入電流滯后補償滯后補償限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值312.4 對數(shù)和指數(shù)對數(shù)和指數(shù)電路電路對數(shù)電路對數(shù)電路uou

6、iRPRD（1）對數(shù)電路）對數(shù)電路缺點：缺點： 因因UT和和IS是溫度的函數(shù)，故運算精度受溫度的影響。是溫度的函數(shù)，故運算精度受溫度的影響。 小信號時小信號時 與與1相差不多，因而誤差大。相差不多，因而誤差大。大電流時，伏安特性與大電流時，伏安特性與PN結方程差別大，故上式只在小電結方程差別大，故上式只在小電流時成立。流時成立。DTuUeRuiiRICRIuUuuSITBEOlnTBEeSCUuIi 322.4 對數(shù)和指數(shù)對數(shù)和指數(shù)電路電路對數(shù)電路對數(shù)電路改進的對數(shù)電路改進的對數(shù)電路TBE1eS3II1CUuIRuii3SITBE1lnRIuUuSTBE2lnIIUuR同理，3ITBE1BE2

7、P2N2lnRIuUuuuuR3IT52N252Oln)1 ()1 (RIuURRuRRuRqkTU T熱敏電阻。溫度系熱敏電阻。溫度系數(shù)為正？為負？數(shù)為正？為負？332.4 對數(shù)和指數(shù)對數(shù)和指數(shù)電路電路指數(shù)電路指數(shù)電路BEIuu TIeSOUuRRIRiuTIeSEUuRIii（2）指數(shù)電路）指數(shù)電路34例例4：已知已知R1R2，求解，求解uO= f (uI) = ? 二極管什么時候導通？什么時候截止？二極管什么時候導通？什么時候截止？集成運放線性應用分析集成運放線性應用分析3.有源濾波電路有源濾波電路Active Filters3.1 濾波電路概述濾波電路概述3.2 低通濾波器低通濾波器3

8、.3 高通、帶通、帶阻濾波器高通、帶通、帶阻濾波器363.1 濾波電路概述濾波電路概述（1）濾波電路的作用）濾波電路的作用允許規(guī)定頻率范圍內的信號允許規(guī)定頻率范圍內的信號通過；而使規(guī)定頻率范圍之外的信號不能通過通過；而使規(guī)定頻率范圍之外的信號不能通過。 LPF (Low Pass Filter)HPF (high Pass Filter)BPF (Band Pass Filter)BEF (Band Embarrass Filter)APF (All Pass Filter)（2）分類）分類373.1 濾波電路概述濾波電路概述 uAupAfHf0LPFLPF 的頻率特性的頻率特性 低通濾波器（

9、低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） uAupAfpf0HPFHPF 的頻率特性的頻率特性 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 阻帶阻帶 uAupAfLf0BPFBPF 的頻率特性的頻率特性 Hf通帶通帶 阻帶阻帶 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF） 阻帶阻帶 uAupAf1pf0BEFBEF 的頻率特性的頻率特性 2pf通帶通帶 通帶通帶 全通濾波器（全通濾波器（APF） uAupAf0APAPF F 的頻率特性的頻率特性 383.1 濾波電路概述濾波電路概述pppj11 21 1ffARCfAuu空載：ppLpLLpj1 )( 21 ffAACRRfRRRAuuu帶載：空載時

10、空載時帶負載時帶負載時（3） 無源濾波電路和有源濾波電路無源濾波電路和有源濾波電路 負載變化，通負載變化，通帶放大倍數(shù)和截帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。止頻率均變化。393.1 濾波電路概述濾波電路概述 無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負載變化；有源濾波電路的無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負載變化，可放大。濾波參數(shù)不隨負載變化，可放大。 無源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾無源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路是信號處理電路，其輸出電壓和電波電路；有源濾波電路是信號處理電路，其輸出電壓和電流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。

11、流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。有源濾波電路有源濾波電路 用電壓跟隨用電壓跟隨器隔離濾波電器隔離濾波電路與負載電阻路與負載電阻403.1 濾波電路概述濾波電路概述（4）濾波電路的分析方法）濾波電路的分析方法拉氏變換法拉氏變換法js 求得傳輸函數(shù)求得傳輸函數(shù) Au(s)Au(s)分母上分母上S的方次，的方次，稱稱濾波器濾波器的的階階數(shù)數(shù)。 濾波器階濾波器階數(shù)越高，幅頻特性曲線上從通數(shù)越高，幅頻特性曲線上從通帶到阻帶的分界線就越陡峭帶到阻帶的分界線就越陡峭。413.2 低通濾波器低通濾波器(1) 一階低通濾波電路一階低通濾波電路 12p1RRAuRCf21pppj1ffAAuu頻率趨于

12、頻率趨于0時的放大時的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于決定于RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)表明進入高頻段表明進入高頻段的下降速率為的下降速率為20dB/十倍頻十倍頻sRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio經(jīng)拉氏變換得經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：423.2 低通濾波器低通濾波器)21( j1 1ppp12pRCfffAARRAuuu 為了使過渡帶變窄，需為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。幅頻特性幅頻特性 433.2 低通濾波器低通濾波器（2）簡單二階）簡單二階LPF C1=C2211( )(1)13()

13、fuRA sRsRCsRC 231()upouiHHAuAffujff 11( )( )(1)( )( )( )(1)( )( )pFuipFMMiusRA sRususRusRusus p53 70.370.3722HHfffRC H12fRC 443.2 低通濾波器低通濾波器（2）簡單二階）簡單二階LPF 雖衰減斜率達雖衰減斜率達40dB每十倍頻，但每十倍頻，但fp=0.37fH，在在 f = fp附近附近, 輸出幅度衰較慢，頻帶也減小了。輸出幅度衰較慢，頻帶也減小了。453.2 低通濾波器低通濾波器（3）壓控電壓源二階壓控電壓源二階LPF為使為使 fp=f0，且在，且在f=f0時幅頻特性

14、按時幅頻特性按40dB/十倍頻下降。十倍頻下降。 f0時，時，C1斷路，正反饋斷路，正反饋斷開，放大倍數(shù)為通帶放大斷開，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。倍數(shù)。 f ， C2短路，正反饋不短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)起作用，放大倍數(shù)0 。 因而有可能在因而有可能在f = f 0時放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。時放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對于不同頻率的信號正反饋的強弱不同。對于不同頻率的信號正反饋的強弱不同。C1=C2引入正反饋引入正反饋463.2 低通濾波器低通濾波器壓控電壓源二階壓控電壓源二階LPF的分析的分析ppp30uuuffuAQAAA 列列P、M點的節(jié)點電流方點的節(jié)點電流方程，整理可

15、得：程，整理可得：pp0 32 uffuuAAA時，當0p20p3 j)(1ffAffAAuuup0uffuAAQ473.3 高通、帶通、帶阻濾波器高通、帶通、帶阻濾波器OOO 與與LPF有對偶性，將有對偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡單二階簡單二階HPF、壓控電壓源二階壓控電壓源二階HPF電路。電路。(2)帶通濾波器（帶通濾波器（BPF）(3)帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）fHfLfHfL（1） 高通濾波器（高通濾波器（HPF）4. 電壓比較器電壓比較器Comparator Unit Operation4.2 單門限比較器單門限比較器4.3

16、滯回比較器滯回比較器4.4 窗口比較器窗口比較器4.1 概述概述494.1 概概 述述（1）功能描述：）功能描述： 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。用途：用途： 數(shù)模轉換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合技術領域，以及波形產生及變換等場合 。 運放工

17、作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。504.1 概概 述述（2）電壓比較器的描述方法）電壓比較器的描述方法 :電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uOf(uI)： 電壓傳輸特性的三個要素：電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平）輸出高電平UOH和輸出低電平和輸出低電平UOL（2）閾值電壓）閾值電壓UT（3）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向514.1 概概 述述（3）電壓比較器的分類：）電壓比較器的分類： 單限比較器單限比較器：只有一個閾值電壓：只有一個閾值電壓窗口比較器窗口比較器： 有兩個閾值電壓，輸入電壓單調變化時輸出電壓躍變兩次。

18、有兩個閾值電壓，輸入電壓單調變化時輸出電壓躍變兩次。滯回比較器滯回比較器：具有滯回特性：具有滯回特性 輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調變化使輸出電壓只躍變一次。單調變化使輸出電壓只躍變一次。52理想運放工作在飽和區(qū)的特點：理想運放工作在飽和區(qū)的特點： 輸出只有兩種可能輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 當當 u+ u 時，時， uo = +Uo (sat) u+ u 時，時， uo = Uo (sat) 不存在不存在 “虛短虛短”現(xiàn)象現(xiàn)象 i+= i 0 仍存在仍存在“虛斷虛斷”現(xiàn)象現(xiàn)象uo u+

19、u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O4.1 概概 述述534.1 單門限比較器單門限比較器（1）過零比較器）過零比較器當當 uI 0 時，時，uO = - UOPP ；uIuO+UOpp- -UOppO加輸入端限幅電路的過零比較器加輸入端限幅電路的過零比較器 必要嗎？必要嗎？544.1 單門限比較器單門限比較器（2）利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器）利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ不可缺少！不可缺少！554.1 單門限比較器單門限比較器REF12TURRuUuIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZREF12URR（3）單門限比較器）單門限比較器（1

20、）如何讓）如何讓UT 0？（2）若要改變曲線躍變方向，則應如）若要改變曲線躍變方向，則應如 何修改電路？何修改電路？（3）若要改變）若要改變UOL、UOH呢？呢？564.1 單門限比較器單門限比較器單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號是否達到：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。某一給定電平。缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。574.2 滯回比較器滯回比較器(施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器)+UZuIuO -UZOUT-UT+特點特點正反饋電路。正反饋電路。具有雙門限。具有雙門限。OF22REF

21、F2FuRRRURRRu 當當 u+ = u- 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變?；夭罨夭?門限寬度門限寬度) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 584.2 滯回比較器滯回比較器(施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器)1. 若要電壓傳輸特性曲線左右移若要電壓傳輸特性曲線左右移動，則應如何修改電路？動，則應如何修改電路？2. 若要電壓傳輸特性曲線上下移若要電壓傳輸特性曲線上下移動，則應如何修改電路？動，則應如何修改電路？3. 若要改變輸入電壓過閾值電若要改變輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向，壓時輸出電壓的躍變方向，則應如何修改電路？則應如何修改電路？作用：產生矩形波、三角波

22、和鋸齒波，或用于波形作用：產生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換。抗干擾能力強。變換?？垢蓴_能力強。uiUREF594.2 滯回比較器滯回比較器(施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器)例例7-3 反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示，在已知輸入信號時，試畫輸出信號波形。已知輸入信號時，試畫輸出信號波形。vI(V)vo(V)0比較特性比較特性7-7-66ui (V)t010-106- 6tuo(V)07-760單限比較器和滯回比較器在單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單輸入電壓單向變化時，輸出電壓僅發(fā)生一次跳變向變化時，輸出電壓僅發(fā)生一次跳變，無法，無法比較在某一特定比

23、較在某一特定范圍內的電壓。范圍內的電壓。窗口比較器具有窗口比較器具有這項功能，其基這項功能，其基本電路是兩個輸本電路是兩個輸入端并聯(lián)的單限入端并聯(lián)的單限比較器。比較器。4.3 窗口比較器窗口比較器(雙限比較器雙限比較器)614.3 窗口比較器窗口比較器(雙限比較器雙限比較器)uiURH，A1正向飽和，輸出高電平，正向飽和，輸出高電平，D1導通，導通，A2反向飽和，輸出低電平，反向飽和，輸出低電平，D2截止。截止。uo=+UZ；UiURL，A1反向飽反向飽和，輸出低電平，和，輸出低電平，D1截止，截止，A2正向飽正向飽和，輸出高電平，和，輸出高電平，D2導通。導通。uo=+UZ。URLuiURH

24、，A1和和A2反向飽和，輸出反向飽和，輸出低電平，低電平，D1和和D2截截止。止。uo=0；5. 非正弦波發(fā)生器非正弦波發(fā)生器5.2 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路5.3 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路5.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路635 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路定時電路定時電路（RC充放電）充放電）遲滯比較器遲滯比較器uo定時電路：定時電路：由積分電路組成的，產生暫由積分電路組成的，產生暫態(tài)過程。態(tài)過程。滯回比較器：滯回比較器：起開關作用，通過開關的不起開關作用，通過開關的不斷的閉合，來破壞穩(wěn)態(tài)，產斷的閉合，來破壞穩(wěn)態(tài)，產生暫態(tài)過程生暫態(tài)過程645.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路

25、滯回比較器傳輸特性滯回比較器傳輸特性 C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 一、一、 電路工作原理電路工作原理655.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT遲滯比較器輸出只有二種遲滯比較器輸出只有二種可能可能UOH或或UOL，及對，及對RC電路進行充電或放電。電電路進行充電或放電。電容上電壓的升高或降低，容上電壓的升高或降低，又作為比較器控制又作為比較器控制Uo狀態(tài)狀態(tài)翻轉的信號，翻轉的信號，Uo的跳變又的跳變又進而控制了電容上的電壓進而控制了電容上的電壓是充電或放電，如上了循是充電或放電，如上了循環(huán)，可在比較器的輸出端環(huán)，可在比

26、較器的輸出端得到方波或矩形波。得到方波或矩形波。665.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路0 UT+uct UT- +UZ -UZT1T2TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e ,=RC-tT2階段uc(t)的過渡過程方程為:)21ln(221RRRCT f = 1/T可推出: C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 二、周期與頻率的計算二、周期與頻率的計算67UZuo0t- UZ三、占空比可調的方波發(fā)生器三、占空比可調的方波發(fā)生器 改變電位器 RW 的滑動端，就改變了沖放電的時間，從而使方波的占空比可調。5.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路685.2 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路用集成運放的積分電路代替定時電路。 一、電路工作原理一、電路工作原理若若uo1=+UZ，uo2，u+。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 當當u+ 0時，時，uo1