模擬電子技術(shù)第3章集成運(yùn)算放大器j

第3章集成運(yùn)算放大器3.2信號(hào)運(yùn)算電路3.3信號(hào)處理電路3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3.5集成運(yùn)算放大器的一般使用方法3.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介3.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

集成電路（IC）：采用專門的制造工藝，將元器件及連線組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。一、集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)及符號(hào)1、集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)2、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)(開環(huán)增益)大

Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍;(2)共模抑制比高

CMRR=100db以上;(3)輸入電阻大

ri>1M,有的可達(dá)100M以上;(4)輸出電阻小

ro=幾-幾十開環(huán)：運(yùn)算放大器外部，兩個(gè)輸入和輸出之間沒(méi)有任何連接。二、集成運(yùn)放常用主要參數(shù)三、理想運(yùn)算放大器

將集成運(yùn)算放大器的一些參數(shù)近似理想化，得到理想運(yùn)算放大器的模型，有(1)開環(huán)差模電壓增益：(3)差模輸入電阻：(4)輸出電阻：(2)共模抑制比：注意：無(wú)特殊說(shuō)明，今后我們分析的集成運(yùn)算放大器均為理想運(yùn)算放大器！四、運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性(一)線性區(qū)(1)兩個(gè)輸入端之間電壓近似為零分析運(yùn)算放大器電路的兩條原則（“虛短”）（“虛斷”）(2)兩個(gè)輸入端電流近似為零(二)非線性區(qū)(1)兩個(gè)輸入端之間電壓不為零(2)兩個(gè)輸入端電流近似為零（“虛斷”）3.2信號(hào)運(yùn)算電路

一、反相比例運(yùn)算電路特點(diǎn)：運(yùn)算放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，即在運(yùn)放外部，輸出端與一個(gè)反相輸入端有物理連接。特點(diǎn)：輸入信號(hào)接反相輸入端；反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸出電壓與輸入電壓反相。為平衡電阻一、反相比例運(yùn)算

當(dāng)時(shí)，有，稱該電路為反相器或反號(hào)器。求電壓增益值例1a在由KCLa二、同相比例運(yùn)算(一)特點(diǎn)：輸入信號(hào)接同相輸入端；反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸出電壓與輸入電壓同相。由平衡電阻的概念有由平衡電阻的概念有二、同相比例運(yùn)算(二)討論(1)輸出電壓與輸入電壓同相;由上式可知(2)當(dāng)時(shí)，有輸出輸入(3)當(dāng)或有對(duì)應(yīng)電路如下分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例2分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例3三、反相加法運(yùn)算由圖可知反相輸入端虛地由KCL有由平衡電阻的概念有當(dāng)有

該結(jié)論可推廣為多個(gè)輸入信號(hào)

電路如圖，已知

求：輸出電壓的大小。

解：該電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)輸入信號(hào)的反相加法運(yùn)算，所以

例4A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0~+5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V~+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?~+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)uiuouo=(ui/2)+2.5V例5例5(續(xù))uo=(ui/2)+2.5V=(ui+5)/2_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10kuo1=-(10/20)(ui+5)=-(ui+5)/2uo=-(20/20)uo1=-uo1=(ui+5)/2四、減法運(yùn)算

輸入信號(hào)由兩個(gè)輸入端分別輸入，稱為差動(dòng)輸入。

由虛短得到

由虛斷得到

當(dāng)時(shí)-------利用疊加原理進(jìn)行分析四、減法運(yùn)算分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例6五、積分運(yùn)算輸出與輸入對(duì)時(shí)間的積分成正比。當(dāng)時(shí)六、微分運(yùn)算電路如圖，試求表達(dá)式

解：由圖中各量的參考方向有由輸出電壓是輸入電壓的比例運(yùn)算和微分運(yùn)算的組合，稱之為比例－微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PD調(diào)節(jié)器。例7電路如圖，已知

求（1）寫出的表達(dá)式（2）設(shè)，求達(dá)到所需的時(shí)間。例8解：（1）由第一級(jí)可以求出由第二級(jí)可以求出（2）由已知?jiǎng)t帶入數(shù)據(jù)有電路如圖所示，求輸出電流

與輸入電壓

之間運(yùn)算關(guān)系的表達(dá)式;并判斷反饋類型.

電路如圖所示，求輸出電壓

與輸入電壓

之間運(yùn)算關(guān)系的表達(dá)式。電路如圖所示，求輸出電壓

與輸入電壓

之間運(yùn)算關(guān)系的表達(dá)式。電路如圖所示，求輸出電壓

與輸入電壓

之間運(yùn)算關(guān)系的表達(dá)式。電路如圖所示，運(yùn)算放大器A1，A2的電源電壓為要求：(1)寫出輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系表達(dá)式;(2)求該電路的輸入電阻。

3.3信號(hào)處理電路

一、有源濾波器

如果在多個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)中選取或除去某些頻率的信號(hào)，完成該功能的電路稱為濾波器。濾波器：按信號(hào)性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按所用元件:無(wú)源濾波器和有源濾波器按階數(shù):一階,二階…高階種類:傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性低通高通帶通帶阻反饋回路的等效阻抗為一、有源濾波器1.一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)中出現(xiàn)的一次項(xiàng),故稱為一階濾波器定義截止頻率為幅頻特性傳遞函數(shù)1、時(shí)：有放大作用3、運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。2、時(shí)：幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類似電路特點(diǎn):R–1RCRR1RFC+-+傳遞函數(shù)–1RC2.一階有源高通濾波器幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)1RC–幅頻特性01+RF/R10.707(1+RF/R1)0RR1RFC+-+一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別二階低通0-3dbAF理想低通一階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器RR1RFC+-+RC01+RF/R10.707(1+RF/R1)0例9二、電壓比較器其功能是比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小，其結(jié)果用輸出端的高低電平來(lái)表示。常用于模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、對(duì)信號(hào)的控制及測(cè)量。++uouiUR++uouiURuoui0URUR為參考電壓當(dāng)ui>UR時(shí),uo=U+o當(dāng)ui<UR時(shí),uo=U-o

特點(diǎn):運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)(1)單限電壓比較器(一)++uouiURuoui0UR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=U+o當(dāng)ui>UR時(shí),uo=U-o----

ui從反相端輸入(1)單限電壓比較器(二)uoui0++uoui過(guò)零比較器:當(dāng)UR=0時(shí)++uouiuoui0++uouituituo利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。?輸出限幅電路uoui0+UZ-UZ++uiuoUZuoui0+UZ-UZ忽略了UD輸入信號(hào)和參考電壓均接在反相端反相輸入端虛地因此當(dāng)時(shí),if向右，與參考方向相同同理當(dāng)時(shí),電路的門限電壓為總結(jié)1、電路簡(jiǎn)單。2、容易引入干擾。(2)遲滯型電壓比較器當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí),令

由0→+得到上圖中A到D段當(dāng)由+

→0時(shí)得到上圖中D到F段輸出電壓在兩個(gè)不同的門限電壓上下跳變回差電壓tuiUHULtuoU+oU-o輸入正弦波的情況UR=0三、采樣—保持電路采樣：把連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的信號(hào)；保持：在兩次采樣的時(shí)間間隔內(nèi)，將前一次采樣結(jié)束的信息保持下來(lái)。采樣—保持原理電路圖場(chǎng)效應(yīng)管T作為模擬開關(guān)電容C作為保持元件集成運(yùn)放接成跟隨器，起阻抗變換和隔離作用u作為采樣控制信號(hào)ui是待采樣信號(hào)uo為采—保后的離散信號(hào)3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用一、矩形波和三角波產(chǎn)生電路集成運(yùn)放處于比較器狀態(tài)；輸出電壓為矩形波;電容電壓為近似的三角波。二、測(cè)量放大器在非電量測(cè)量系統(tǒng)中，常用各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流信?hào)，放大后給檢測(cè)系統(tǒng).第一級(jí)放大電路由A1、A2組成，均采樣同相輸入，輸入電阻高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可抑制零漂。兩個(gè)運(yùn)放的輸入信號(hào)極性相反，當(dāng)R2=R3時(shí)，R1的中點(diǎn)相當(dāng)于地.當(dāng)R4=R5，R6=R7時(shí)，1413121110981234567NCNCINFMTHDADJ

2THDADJ1OUT(S)OUT(T)OUT(Q)RARBVCCVEE

/GNDRFMCT集成電路，如正弦波、方波、三角波、矩形波和鋸齒波，而且占空比可調(diào)?？蓪⑵錃w屬于壓控振蕩器集成電路系列。

5G8038是函數(shù)發(fā)生器的典型產(chǎn)品。三、函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器是一種能產(chǎn)生多種信號(hào)波形的專用5G803823965478101112+VCC方波5G8038–VEE/GNDR2CR1RLRP1RP2電路可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，若調(diào)整RP1，可得到不同占空比的矩形波和鋸齒波。三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器5G8038的典型應(yīng)用電路3.5集成運(yùn)算放大器的一般使用方法一、消振運(yùn)放在輸入端不加信號(hào)的情況下，輸出端也可能有交流電壓輸出，表明運(yùn)放產(chǎn)生了自激振蕩，使運(yùn)放不能正常工作。消除自激振蕩的方法是在補(bǔ)償端接入適當(dāng)?shù)碾娙莼騌C電路，來(lái)破壞自激振蕩的條件。二、調(diào)零實(shí)際的運(yùn)放在零輸入時(shí)，輸出不為零，在輸出端反映輸入有信號(hào)，這樣將給其線性應(yīng)用帶來(lái)一定的誤差，因此需要調(diào)零，即零輸入—零輸出。三、保護(hù)措施1、電源保護(hù)作用：a、防止電源極性接反，如圖ab、防止電源電壓跳變，如圖b2、輸入保護(hù)由于運(yùn)放對(duì)差模和共模電壓輸入信號(hào)都有一定的限制，因此在某些工作狀態(tài)下，對(duì)可能的過(guò)電壓輸入須保證運(yùn)放不被損壞。3、輸出保護(hù)運(yùn)放內(nèi)部都有保護(hù)電路以防輸出端過(guò)載或短路，而對(duì)于輸出端可能遇到高電壓的情況，可用下面