模擬電子技術(shù)第4章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

4.1信號(hào)運(yùn)算電路4.2信號(hào)測(cè)量電路4.3信號(hào)處理電路4.4信號(hào)產(chǎn)生電路(第五章講)4.5集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路第4章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用14.1.1比例運(yùn)算電路作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。電路結(jié)構(gòu)：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣放大倍數(shù)與運(yùn)放本身無(wú)關(guān)，只與反饋系數(shù)即外部元件有關(guān)。4.1信號(hào)運(yùn)算電路2i1=i21）放大倍數(shù)虛短虛斷1.反相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。電壓并聯(lián)負(fù)反饋uo_++R2R1RPuii1i2總電流反饋電流凈輸入電流32）電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻----使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。RP=R1//R24電位為0，虛地輸出電阻小；共模電壓為0；“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)。_++R2R1RPuii1i23）反饋方式電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很小，輸入電阻也不大。5反相比例電路的特點(diǎn)1）共模輸入電壓為0，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。2）由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。接近恒壓源。3）由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小，因此從信號(hào)源取的電流較大。對(duì)信號(hào)源要求較高。5）在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。4）輸入和輸出反相。62.同相比例運(yùn)算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高。虛短虛斷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。udiuf7同相比例電路的特點(diǎn)3）共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。1）由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。2）由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。4）輸入與輸出同相，放大倍數(shù)大于等于1。8_++uiuo此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。3.電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。94.1.2加法和減法運(yùn)算電路作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。類型：同相加法與反相加法。電路結(jié)構(gòu)：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。101.反相加法運(yùn)算R12_++R2R11ui2uoRPui1實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。11i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用疊加原理虛地122.同相加法運(yùn)算實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。_R1RF++ui1uoR21R22ui213先求u+與輸出關(guān)系，則有：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與ui1

和ui2的關(guān)系如何？流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛斷）疊加原理14-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運(yùn)算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛斷：流入同相端的電流為0。2.節(jié)點(diǎn)電位法求u+。u+15_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：3.減法運(yùn)算電路：雙端輸入差動(dòng)放大器16_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動(dòng)放大器放大了兩個(gè)信號(hào)的差，實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。該電路的特點(diǎn)：由于采用雙端差動(dòng)輸入，故具有高共模抑制比；但是由于有并聯(lián)負(fù)反饋存在，故它的輸入電阻不高。17減法運(yùn)算用疊加原理求解反相比例運(yùn)算_++R2R1R1ui2uoR2ui118同相比例運(yùn)算_++R2R1R1ui2uoR2ui119_++R2R1R1ui2uoR2ui1減法運(yùn)算用疊加原理求解20取R2=R1減法電路既可以得到兩個(gè)信號(hào)的差，又放大兩個(gè)信號(hào)的差。(5)減法運(yùn)算21例

：

A/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=0.5ui+2.5（V）實(shí)現(xiàn)此功能的方法很多22uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k23i1iFui-++RR2Cuo1.反相積分運(yùn)算由于是反相積分故為負(fù)4.1.3積分和微分運(yùn)算電路24tui0tuo0U-UomTM積分時(shí)限如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。恒流充電，故積分效果好。幾乎線性，不是指數(shù)充電。25tui0tuo0輸入方波，輸出是三角波也可以構(gòu)作同相微分和同相積分電路，則輸出為正，輸入與輸出同相。波型變換26其他一些運(yùn)算電路：對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路、乘法與除法運(yùn)算電路等，由于課時(shí)的限制，不作為講授內(nèi)容。積分電路的主要用途1.在電子開(kāi)關(guān)中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?.A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r(shí)間量。4.移相等。27比例-積分運(yùn)算電路uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。—PI調(diào)節(jié)器28u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：2.反相微分運(yùn)算290tuo0tuiui–++uoRR2i1iFC反相微分運(yùn)算30比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC314.2.1電壓表電路4.2信號(hào)測(cè)量電路1.直流電壓表電路IG正比于UX虛短虛斷_++RFRGF輸入電阻大，相當(dāng)于電壓表的內(nèi)阻是。若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓

Uxmax=IGmaxRF=1mV32電路的優(yōu)點(diǎn)：(1)量程由表頭的滿偏電流IG和電阻RF決定。RF選用小電阻，能測(cè)量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響?。?3)測(cè)量值與表頭內(nèi)阻RG無(wú)關(guān)，表頭的互換性好；(4)RF小，可以做得較精密。因此能較準(zhǔn)確地測(cè)量小電壓。UX=UF=RF

IG33電壓表擴(kuò)大量程_++RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計(jì)算取R1=100kR2=900kΩ,R3=1MΩR1R2R31mV10mV100mV342.交流電壓表電路_++D2D1D4D3uxuoRF整流橋把交流變成直流;ux>0時(shí)，電流由輸出端經(jīng)D2、表頭、D4和電阻RF入地，uo>0;ux<0時(shí)，電流經(jīng)由電阻RF、D1、表頭和D3流入輸出端，uo<0;表頭電流方向不變。表頭指示值與反饋電阻無(wú)關(guān)，即表頭的內(nèi)阻和二極管的非線性電阻不會(huì)影響測(cè)量精度。35_++RFRGF1mV表頭10010A10100A11mA表頭的滿偏電壓UG=IGRF=1mV4.2.2電流表電路+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX1.直流電流表電路362.交流電流表電路_++D2D1D4D3ix交流電流表電路與交流電壓表電路類似，但被測(cè)電流從反相端引入。流過(guò)表頭的電流為被測(cè)正弦電流ix的全波整流平均值Iav。37_++RFRGF3.電阻表IGRUsRXUX1mV表頭384.2.3測(cè)量放大器電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+39uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短：虛斷：40因具有差動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)，故有高共模抑制比。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+41例

:由三運(yùn)放放大器組成的溫度測(cè)量電路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtuiRt：熱敏電阻集成化:儀表放大器選擇合適的電阻，使輸出電壓與溫度之間有某一比例關(guān)系，由此可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量及控制。測(cè)溫電橋42Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtui43

4.3信號(hào)處理電路4.3.1RC有源濾波電路

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號(hào)，而抑制無(wú)用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過(guò)，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大。

無(wú)源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。優(yōu)點(diǎn)：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、高通、帶通和帶阻等。441.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號(hào),則有45若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O46當(dāng)

>0時(shí)，|T(j)|衰減很快顯然，電路能使低于0的信號(hào)順利通過(guò)，衰減很小，而使高于0的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。為了改善濾波效果，使>

0時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O472.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有48可見(jiàn)，電路使頻率大于0的信號(hào)通過(guò)，而小于0的信號(hào)被阻止，稱為有源高通濾波器。若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O49++uouiURuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)UR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+Uo(sat)當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-Uo(sat)

1.任意電壓比較器（單閾值比較器，UR不為零）a.反相端輸入信號(hào)UR：參考電壓ui

：被比較信號(hào)4.3.2電壓比較器50uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)URUR：參考電壓ui：被比較信號(hào)

++uouiUR–特點(diǎn)：運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+Uo(sat)當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-Uo(sat)

b.同相端輸入信號(hào)傳輸特性51uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)++uoui2.過(guò)零比較器(UR=0時(shí))++uouiuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)傳輸特性曲線ui>0則輸出為正，反之為負(fù)。ui<0則輸出為正，反之為負(fù)。52++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom方波與正弦波同相。問(wèn)：若反相輸入則如何？可實(shí)現(xiàn)過(guò)零檢測(cè)53++uouiRRLDCuo1uo2例：畫出輸出電壓uO1，uO2，uO的波形。tuituo1tuo2tuo54++uiuoui0+UZ-UZ改進(jìn)電路++uiuoUZRR′電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上uoUZR注意此電阻不可少(用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅)55單閾值比較器的特點(diǎn):1.電路簡(jiǎn)單。2.當(dāng)Ao不夠大時(shí)，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。uiuo飽和區(qū)線性放大區(qū)+Uo(sat)-Uo(sat)tuiuo過(guò)零附近仍處于放大區(qū)t561.下行遲滯比較器分析1.因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?.當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+Uo(sat))：U+3.當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=–Uo(sat))：－++uoRR2R1ui特點(diǎn)：電路中有正反饋。a.參考電壓為零3.遲滯比較器（雙閾值比較器)57分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差電壓。當(dāng)ui增加到UH時(shí)，輸出由Uo(sat)跳變到-Uo(sat)

；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui減小到UL時(shí)，輸出由-Uo(sat)跳變到Uo(sat)。傳輸特性u(píng)oui0Uo(sat）-Uo(sat)UHUL小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)(抗干擾)。正程逆程58tuiUo(sat)-Uo(sat)tuiUHUL例：下行遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui特點(diǎn)：上下限對(duì)稱；因?yàn)槭欠聪噍斎牍瘦敵雠c輸入反相。因?yàn)橛谢夭?，所以抗干擾能力強(qiáng)。干擾跳變沿更陡59b.參考電壓不為零加上參考電壓后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL呈現(xiàn)不對(duì)稱性回差只與電源電壓及電阻R1和R2有關(guān)，而與參考電壓無(wú)關(guān)。60下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL61例:

R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL5V10Vuit062首先計(jì)算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR63+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。uiuott10V5V002V－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL2V10V64c.加限幅的遲滯比較器電路在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。思考題：如何計(jì)算上下限？uoUZ－++RR2R1ui65－++RR2R1uiuoUZ另一種加限幅的遲滯比較器電路664.3.3半波精密整流電路-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2反饋回路中接入二極管，可以對(duì)小于死區(qū)電壓的信號(hào)進(jìn)行整流，從而提高測(cè)量精度。67-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2當(dāng)ui>0時(shí)，D1導(dǎo)通D2截止，uo=0。當(dāng)ui<0時(shí)，D2導(dǎo)通D1截止，反相比例。tuituO00Um實(shí)際上當(dāng)uo1-uo<UD

(D2死區(qū)電壓)時(shí)，D2仍截止。68則D2只有在時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)uo1

-uo≥UD

(D2死區(qū)電壓)時(shí)，D2才導(dǎo)通：當(dāng)uo1-uo

<UD

(D2死區(qū)電壓)時(shí)，D2仍截止，電路如上圖，運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。uo1=Auouiuo=0

(虛地)-+RFuo+R1R2uo1uiD269模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)1.電路4.3.4采樣保持電路

SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。采樣存儲(chǔ)電容控制信號(hào)電壓跟隨器702.工作原理1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，uo=uC

=ui。保持階段：

uG為0，S斷開(kāi)(場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開(kāi)始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–uG714.4節(jié)在第五章講724.5集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)在小功率設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電路有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性穩(wěn)壓電路和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡(jiǎn)單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時(shí)有限，這里不做介紹。以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。73調(diào)整元件--T+_UI++UO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件T--與負(fù)載串聯(lián)，通過(guò)全部負(fù)載電流。調(diào)整元件可以是單個(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)。比較放大器--可以是單管放大電路，差動(dòng)放大電路，集成運(yùn)算放大器。基準(zhǔn)電壓--可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路--取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。741.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式由于采用了射極輸出器，所以帶負(fù)載的能力增強(qiáng)。Uo=UZ-UBETUORL+–+–UZUIiRiZiL兩個(gè)主要缺點(diǎn)：(1)穩(wěn)壓效果不好，輸出電壓受穩(wěn)壓管影響。(2)輸出電壓不可調(diào)。

改進(jìn)的方法：在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負(fù)反饋的放大環(huán)節(jié)。752.改進(jìn)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源UoVB2UBE2(=VB2-UZ）VC2Uo當(dāng)UI增加或輸出負(fù)載變化使Uo升高時(shí)R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIVB2C2利用電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓a.穩(wěn)壓原理76b.輸出電壓可調(diào)R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2（滑動(dòng)頭