電子線路課件：第6章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

1、概述 +理想運(yùn)放的特性1、開環(huán)電壓增益 Aod=2、差模輸入電阻 Rid=3、輸入偏置電流 IB1=IB2=04、輸出電阻 R0=05、共模抑制比 KCMR=6、頻帶寬度 BW=7、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流以及它們的漂移均為零集成運(yùn)放的應(yīng)用按功能分類按工作區(qū)域分類放大 信號(hào)傳遞，AV、AI、AR（V/I）、AG（I/V）運(yùn)算 處理 濾波、峰值、有效值、絕對(duì)值、限幅比較 判斷電壓大小信號(hào)產(chǎn)生 正弦、方波、三角波線性應(yīng)用非線性應(yīng)用 電壓比較器線性應(yīng)用的條件 必須引入負(fù)反饋，用Xf 抵消Xi ，使Vid Vim，運(yùn)放工作在線性區(qū)。 由于AVO , 為深度負(fù)反饋，可用虛短和虛斷。虛斷vP= vN虛短

2、增益與負(fù)載無關(guān)6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路6.1.1.反相放大器i1ifv+v-RfvoR1RPviRp=Rf/R1電壓并聯(lián)負(fù)反饋虛短、虛斷(虛地)性能特點(diǎn)輸入電阻?。≧i = R1 ）有虛地 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單平衡電阻 輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入差分級(jí)的對(duì)稱性。6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路6.1.1. 反相放大器 例1設(shè)計(jì)一個(gè)反相放大器，使其閉環(huán)電壓增益Af5。設(shè)運(yùn)算放大器由正弦電壓源激勵(lì)，s0.1sint（V），信號(hào)源內(nèi)阻Rs1k，信號(hào)源能提供的最大電流為5A。 若i1max5A，則有19kRP稱為平衡電阻6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路6.1.1. 反相放大器 2

3、. 具有T形網(wǎng)絡(luò)的反相放大器 在實(shí)際應(yīng)用中，即使反相放大器的輸入電阻較小，信號(hào)源的內(nèi)阻較大，要求的放大倍數(shù)也較大時(shí)，如照上圖的連接方式，反饋電阻Rf一定很大，當(dāng)Rf太大時(shí)，電路的實(shí)現(xiàn)較為困難，故實(shí)際電路經(jīng)常連接成含有T型網(wǎng)絡(luò)的反相放大器 ,電阻R1已包含信號(hào)源內(nèi)阻Rs6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路 例2：一個(gè)含有T形網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算放大器被用做麥克風(fēng)的前置放大器。麥克風(fēng)的最大輸出電壓為12mV（有效值），麥克風(fēng)的輸出電阻為1k。運(yùn)算放大器的最大輸出電壓可設(shè)計(jì)為1.2V（有效值），放大器的輸入電阻應(yīng)非常大，但電路中每個(gè)電阻的值都必須小于500k。 解 所需的電壓增益為 如果選R2R1R4R18，

4、則 6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路（例2.具有T形網(wǎng)絡(luò)的反相放大器 ）有效電阻R1已經(jīng)包含麥克風(fēng)的電阻Rs。若選R150k，于是 R2R4400k 所有電阻均小于500k，滿足設(shè)計(jì)要求 (若令R350k，可得另一組答案。）6.1.2同相放大器電壓串聯(lián)負(fù)反饋虛短、虛斷性能特點(diǎn)輸入電阻大（Ri = ）運(yùn)放差模輸入電壓 vi對(duì)運(yùn)放KCMR 要求較高電壓跟隨器6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路6.1.3.電流與電壓轉(zhuǎn)換器 1.電流-電壓轉(zhuǎn)換器在某些情況下，器件或電路的輸入信號(hào)為電流。有可能需要將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。 在許多情況下，可以設(shè)RsRi，這樣電流i1基本上等于信號(hào)電流is， i2i

5、1is ,輸出電壓為 輸出電壓正比于輸入信號(hào)的電流，反饋電阻Rf等于輸出電壓與輸入電流之比。6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路6.1.3. 電流與電壓轉(zhuǎn)換器 這意味著電流i2與輸入電壓s成正比，與負(fù)載阻抗或電阻R2無關(guān)。2. 電壓-電流轉(zhuǎn)換器 在實(shí)際的應(yīng)用中負(fù)載有一端必須接地因?yàn)閕1i2，所以有同相端的節(jié)點(diǎn)電流之和，有把上式求出的（oiLZL）代入前式得合并關(guān)于iL的同類項(xiàng)，有為了使iL獨(dú)立于ZL，可將電路參數(shù)設(shè)計(jì)為 6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路 （6.1.4差動(dòng)放大器 ） 1.差動(dòng)放大器 用集成運(yùn)放構(gòu)成的差動(dòng)放大器，其反相輸入端和同相輸入端分別加有輸入信號(hào)i1和i2。i20：i10

6、：上式表明，差動(dòng)放大器的差模增益為Rf與R1的比值。放大器放大的是差值信號(hào)idi2i1。理想差動(dòng)放大器在i1i2時(shí)，輸出電壓為零。 如果滿足則輸出電壓可表示為6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路 （6.1.4差動(dòng)放大器 ）2. 差動(dòng)放大器的輸入電阻R1R2，RfR3差模輸入電阻 例 設(shè)計(jì)電路參數(shù)，使差模增益為30，差模輸入電阻最小為Rid50k。解 模輸入電阻為 Rid2R150k R1R225k 由于差模增益為RfR3750k 在本例的設(shè)計(jì)中，差動(dòng)放大器存在2個(gè)弱點(diǎn)，1)如果不使用很大的電阻，就不能獲得高增益和高的輸入阻抗。 6.1 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路 （6.1.5儀器放大器 ）2

7、)不容易改變放大器的增益。我們需要改變兩個(gè)電阻的大小，才能保證R2R1和R4R3相等。最好是改變某一個(gè)電阻就能改變放大器的增益。由于輸入信號(hào)的電壓直接加在A1和A2的同相端，它的輸入阻抗很大，在理想情況下為無窮大，這正是我們希望儀器放大器具備的特性，另外，它的差模增益是R1的函數(shù)，因此用一個(gè)可變電阻就可提供一個(gè)增益可變的放大器。6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 集成運(yùn)算放大器除了組成基本的放大器之外，還可以組成各種運(yùn)算電路。本節(jié)討論的基本運(yùn)算電路有：加法、減法、積分、微分、對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)、乘法運(yùn)算等;運(yùn)算電路一般是由集成運(yùn)算放大器外加反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的;在運(yùn)算電路中，以輸入電壓作為自變量，輸出

8、電壓作為因變量；當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓將按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)律變化，即輸出電壓反映輸入電壓的某種運(yùn)算結(jié)果。這時(shí)的集成運(yùn)算放大器必須工作在線性區(qū)，在深度負(fù)反饋的條件下，利用反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算。 6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （6.2.1加法運(yùn)算電路 ） 1. 反相加法器 R1R2Rn，RfR1時(shí)o（i1i2in）RpR1 / R2 / Rn / Rf6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （6.2.1加法運(yùn)算電路 ）1. 同相加法器當(dāng)R1R2RnRf1Rf22R/n，且Rp時(shí)，輸出電壓o可表示為n個(gè)輸入電壓之和 在n=1時(shí)，o=2i1(Rf1=Rf2=2R)在n=2時(shí)，o=i1+i2

9、(Rf1=Rf2=R)3. 兩信號(hào)相減的運(yùn)算電路 i2經(jīng)過一反相器A1輸出i2，它再與i1經(jīng)A2組成的相加器相加，從而實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相減運(yùn)算，即 oi1i2 6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （6.2.1加法運(yùn)算電路 ）6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （ 6.2.2積分運(yùn)算電路 ）電容兩端電壓的初始值不為零時(shí)，積分又可表示為 當(dāng)輸入信號(hào)i為常數(shù)時(shí)，輸出電壓o 可表示為 當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，若初始時(shí)刻的電壓為0，則輸出的波形如圖（a）所示，當(dāng)輸入為方波和正弦波時(shí)，輸出的波形如圖（b）和（c）所示。 6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （ 6.2.3微分運(yùn)算電路 ） 將基本積分電路

10、中的電阻和電容的位置互換，就可以得到基本的微分運(yùn)算電路 反相端為“虛地”，電容兩端的電壓等于輸入電壓i（CiqC），流過電容的電流和流過電阻R的電流相等，故 輸出電壓為 6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （ 6.2.3微分運(yùn)算電路 ） 實(shí)用的微分運(yùn)算電路 在輸入端串接一個(gè)小電阻，限制輸入電流;并聯(lián)一個(gè)小電容，起相位補(bǔ)償作用;并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以限制輸出電壓 .6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （ 6.2.3微分運(yùn)算電路 ）反函數(shù)型微分電路:利用積分電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的微分關(guān)系。6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 6.2.4 對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電

11、路6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 6.2.4 對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 6.2.4 對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 2. 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 將對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中的電阻和三極管互換，就可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)運(yùn)算。集成運(yùn)放的反相輸入端為“虛地”，故輸出電壓為 為了使三極管導(dǎo)通， 輸入電壓應(yīng)當(dāng)大于0.7 6.2集成運(yùn)算放大器組成的基本運(yùn)算電路 （6.2.5乘法運(yùn)算電路 ） 用運(yùn)放組成的對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)電路也可以完成乘法或除法運(yùn)算功能，其實(shí)現(xiàn)的框圖如圖 利用對(duì)數(shù)和指數(shù)電路實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的原理電路6.3 集成電壓比較器 電壓比較器是一種常用的模擬信號(hào)處理電路。他將一個(gè)模擬量輸

12、入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。根據(jù)比較器的傳輸特性來分類，常用的比較器有：?jiǎn)蜗揠妷罕容^器、滯回電壓比較器、窗口電壓比較器等。6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器 1、單限電壓比較器 (1)過零電壓比較器 電路只有一個(gè)閾值，輸入電壓在逐漸增加或減小的過程中，當(dāng)通過閾值電壓時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生一個(gè)躍變，從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，或者由低電平躍變?yōu)楦唠娖降碾妷罕容^器 6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器可加上一些限幅的措施，這種比較器的門限電平等于零，故稱為過零比較器。 引入一個(gè)深度的負(fù)反饋工作在線性區(qū)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，所以工作在非

13、線性區(qū)。 6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器（2） 單限電壓比較器反相輸入端的電位0，則輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。由上式可解得門限電平為缺點(diǎn)：抗干擾能力差6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器2. 滯回電壓比較器 滯回比較器又名施密特觸發(fā)器兩個(gè)門限電平的值 同相輸入端的電位為 若原來oVz，當(dāng)I逐漸增大，且I ， o從Vz跳變?yōu)閂z所需的門限電平6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器2. 滯回電壓比較器 若原來的oVz，當(dāng)I逐漸減小，I 時(shí) ，o從Vz跳變?yōu)閂z所需的門限電平門限寬度或回差6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器2. 滯回電壓比較器 門限寬度Vt的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電

14、壓Vz以及電阻R2和R1的值，與參考電壓VREF無關(guān)。改變VREF的大小可以同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)門限電平Vt和Vt的大小，但二者之差Vt不變 6.3.1 具有不同比較特性的電壓比較器 3、窗口電壓比較器 兩個(gè)參考電壓： VREF1VREF2。 當(dāng)輸入電壓I大于VREF1時(shí)，必然大于VREF2，集成運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，使得D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓VZ 。 當(dāng)輸入電壓I小于VREF2，必然小于VREF1時(shí)，集成運(yùn)放A2輸出高電平，A1輸出低電平，使得D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓為VZ 當(dāng)輸入電壓大于VREF2，而小于VREF1時(shí)，集成運(yùn)放A1、A2的輸出均為低電平，D1、D2均截止，穩(wěn)

15、壓管也截止，輸出電壓為0。6.3.2 集成電壓比較器 （自學(xué)） 1.集成電壓比較器的主要特點(diǎn)和分類 電壓比較器可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值的信號(hào)，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號(hào)。因而，電壓比較器通常作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比?。?但是響應(yīng)速度快，傳輸?shù)难舆t時(shí)間短，而且一般不需要增加限幅電路就可以直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMOS、和ECL等數(shù)字集成電路，有些芯片的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，還可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器和指示燈等。 6.3.2 集成電壓比較器 （自學(xué)） 2. 集成電壓比較器的基本接法 6.4 有源濾波器 濾波器：一種能使有用頻率信號(hào)

16、通過而同時(shí)抑制或 衰減無 用頻率信號(hào)的電子電路。根據(jù)電路中是否含有有源器件可以將濾波器分為 有源濾波器：由有源器件和無源的R、C網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路 無源濾波器：用無源的元件R、L和C組成按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為 低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF）、 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF）6.4.1 有源濾波電路的基本概念 帶通濾波器：指頻率在某一個(gè)頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)能通過，在此頻帶范圍之外的信號(hào)均不能通過； 帶阻濾波器： 某個(gè)頻帶范圍內(nèi)的 信號(hào)被阻斷，但允 許在此頻帶范圍之 外的信號(hào)通過。低通濾波器：指低頻信號(hào)能夠通過而高頻信號(hào)不能通過的濾波；高通濾波器：高頻信號(hào)能

17、通過而低頻信號(hào)不能通過； 6.4.2 一階有源濾波器 1. 一階低通濾波器 最簡(jiǎn)單的低通濾波器由電阻和電容元件組成，6.4.2 一階有源濾波器 一階有源低通濾波器的原理電路 6.4.2 一階有源濾波器 也連接成反相輸入的方式:放大倍數(shù)不同，相位不同。反相一階低通濾波器的截至頻率H仍然等于電路的極點(diǎn)頻率p（p1/R2C）。6.4.2 一階有源濾波器2. 一階高通濾波器 這是一個(gè)一階一零系統(tǒng)（零點(diǎn)在原點(diǎn)）一階濾波器的過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減率僅僅為-20dB/十倍頻程,可以加大衰減6.4.3 二階有源濾波器1.簡(jiǎn)單的二階有源低通濾波器 當(dāng)C1C2C時(shí)H0.37p其上限角頻率遠(yuǎn)小于極點(diǎn)角頻率p

18、，幅頻特性的衰減斜率達(dá)到-40dB/十倍頻程。6.4.3 二階有源濾波器2.帶有反饋的二階有源低通濾波器 節(jié)點(diǎn)M應(yīng)用KCL可得6.4.3 二階有源濾波器2.帶有反饋的二階有源低通濾波器 令A(yù)m3時(shí)，放大器能夠穩(wěn)定的工作，當(dāng)Am3時(shí)，A（j）將有極點(diǎn)位于j右半平面或者虛軸上，電路不穩(wěn)定6.4.3 二階有源濾波器3. 二階有源高通濾波器同樣的分析方法可以得到二階高通濾波器的幅頻特性為同低通濾波器一樣，當(dāng)Am3時(shí)，電路才能穩(wěn)定的工作。L0.37p6.4.3 二階有源濾波器 4. 二階有源帶通濾波器 R2R，R32RH0.37p1L0.37p2當(dāng)Am3時(shí),電路才能穩(wěn)定的工作。6.4.3 二階有源濾波器5.帶阻濾波器（BEF） 設(shè)低通濾波器的通帶截止頻率為1，高通濾波器的通帶截至頻率為2，且12。當(dāng)二者并聯(lián)在一起時(shí)，凡是1的信號(hào)均可從低通濾波器通過，凡是2的信號(hào)則可以從高通濾波器通過，唯有12的信號(hào)被阻斷，于是電路成為一個(gè)帶阻濾波器。 6.5 開關(guān)電容濾波器 開關(guān)電容電路是基于電容器的電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移的原理，由時(shí)鐘控制的MOS開關(guān)，MOS電容，集成運(yùn)算放大器（或者比較器）等組成，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的產(chǎn)生，放大，調(diào)