集成运放的基本应用

,*,第五章 集成运放的基本应用,第五章 集成运放的基本应用,5.1,理想集成运放,5.2,基本运算电路,5.3,模拟乘法运算电路,5.4,有源滤波器,5.5,电压比较器,5.1,理想集成运放,A,od,、,r,id,、,f,H,均,为无穷大，,r,o,、,失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为,0,。,因为,u,O,为有限值，,A,od,，,所以,u,N,u,P,0,，,即,u,N,u,P,虚短路,因为,r,id,，,所以,i,N,i,P,0,虚断路,电路特征：引入电压负反馈。,无源网络,2.,集成运放的线性工作区,:,u,O,A,od,(,u,P,u,N,),1.,理想运放的参数特点,2.,集成运放的非线性工作区,:,电路特征：开环或引入正反馈。,u,N,u,P,，,u,O,=-U,OH,满足“,虚断,”,5.2,基本运算电路,一、比例运算电路,二、加减运算电路,三、积分运算电路和微分运算电路,四、对数运算电路和指数运算电路,研究的问题,（,1,）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。,（,2,）描述方法：运算关系式,u,O,f,(,u,I,),（,3,）,分析方法：“,虚短,”和“,虚断,”是基本出发点。,（,1,）识别电路；,（,2,）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。,学习运算电路的基本要求,一、比例运算电路,电路引入了电压并联负反馈,电路的输入电阻,R,if,R,输 出电阻,R,o,0,3,）,R,f,太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得,100,的比例系数？,+,_,i,N,=,i,P,=0,，,u,N,=,u,P,=0,虚地,在,节点,N,：,1.,反相比例运算电路,-,反相输入,R,=,R,R,f,4),若要,R,i,100k,，比例系数为,100,，则,R,100,k,，,R,f,10,4,k,保证输入级的对称性,T,形,反馈网络反相比例运算电路,利用,R,4,中有较大电流来获得较大数值的比例系数。,运算关系的分析方法：节点电流法,2.,同相比例运算电路,-,同相输入,电路引入了电压串联负反馈,输入电阻为,电阻,R,RR,f,共模抑制比,K,CMR,同相输入比例运算电路的特例,：电压跟随器,三、加减运算电路,方法一：节点电流法,1.,反相求和,1.,反相求和,方法二：利用叠加原理,首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,2.,同相求和,设,R,1,R,2,R,3,R,4,R,R,f,利用叠加原理求解：,令,u,I2,=,u,I3,=0,，求,u,I1,单独作用时的输出电压,在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。,同理可得，,u,I2,、,u,I3,单独作用时的,u,O2,、,u,O3,，,形式与,u,O1,相同，,u,O,=,u,O1,+,u,O2,+,u,O3,。,物理意义清楚，计算麻烦！,2.,同相求和,设,R,1,R,2,R,3,R,4,R,R,f,与,反相求和运算电路的结果差一负号,3.,加减运算,利用求和运算电路的分析结果,设,R,1,R,2,R,f,R,3,R,4,R,5,实现了差分放大电路,显然调节,R,1,可以改变放大器的增益。,例,1:,求数据放大器的输出表达式，并分析,R,1,的作用。,解：,加法器,同相放大器,减法器,6V,例,2,：,求,u,0,的数值。,例,3.,差分运算电路的设计,条件：,R,f,= 10 k,要求：,u,o,=,u,I1,2,u,I2,R,1,= 5 k,R,2,= 2,R,3,R,2,/,R,3,=,R,1,/,R,f,=,5/10,R,2,= 10 k,R,3,= 5 k,四、积分运算电路和微分运算电路,1,.,积分运算电路,移相,利用积分运算的基本关系实现不同的功能,1),输入为阶跃信号时的输出电压波形,2),输入为方波时的输出电压波形,3),输入为正弦波时的输出电压波形,波形变换,例,1:,画出积分器,的输出波形。,(a),阶跃输入信号,解：,注意：当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，,ui,=0,时，积分电阻,R,两端无电位差，因此,C,不能放电，故输出电压保持不变。,(b),方波输入信号,反相积分器：,如果,u,i,=,直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和,uo,受直流电源电压限制，电路停止积分,。,t,u,i,0,t,u,o,0,-,U,om,T,M,积分时间,设,U,om,=15V,u,i,=+3V,R,=10k, ,C,=1F,求积到饱和值的时间：,例,2.,利用积分电路将方波变成三角波,（矩形波,锯齿波,）,10 k,10,nF,时间常数,=,R,1,C,f,= 0.1 ms,设,u,C,(0) = 0,=,5 V,u,I,/V,t,/ms,0.1,0.3,0.5,5,5,u,O,/V,t,/ms,= 5 V,5,5,具有波形变换功能：信号产生电路，显示器扫描电路,2.,微分运算电路,为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。,限制输入电流,滞后补偿,限制输出电压幅值,虚地,运放由于某种原因进入非线性区而不能自动恢复的现象,工程应用：触发信号，取样信号的产生,1,、,2,、,对输入电压的极性和幅值要求,五、对数运算电路和指数运算电路,1.,对数运算,实用电路中常常采取措施消除,I,S,对运算关系的影响,利用,PN,结端电压与电流的关系,I,CM,限制其值,集成对数运算电路,对输入电压的极性和幅值要求,2.,指数运算电路,5.3,模拟乘法运算电路,一、利用对数指数电路的乘法运算电路,二、变跨导乘法电路,三、模拟乘法器的应用,一、对数指数电路构成的乘法器,如,RC4200,对数式乘法器,局限性：输入信号电压要求是单极性的，是单象限乘法器,例：,若取,R,1,R,2,R,3,R,4,R,，,可得：,二、 变跨导型 模拟乘法器的基本原理,二象限乘法器（ ）,实际电路需在多方面改进，如线性度、温度的影响、输入电压的极性等方面。,理想情况下，,r,i1,、,r,i2,、,f,H,为无穷大， 失调电压、电流及其温漂为0，,r,o,为0，,u,x,、,u,y,幅值和频率变化时,k,值,不变。,有单象限、两象限和四象限之分。,2.,模拟乘法器的符号及等效电路,三、,模拟乘法器的应用,1.,乘法运算,实际的模拟乘法器,k,常,0.1V,-1,若,k=,0.1V,-1,，,u,I1,=,u,I2,=10V,，,则,u,O,=10V,。,同相 乘法器,反相 乘法器,2.,乘方运算,实现了对正弦波,电压的二倍频变换,立方运算,u,o,=k,2,(,u,i,),3,为实现上式，电路中,u,I,、,u,O,的极性是什么？为什么？,3.,开方运算,若集成运放的负反馈通路中为某种运算电路，则整个电路实现其逆运算！,如何实现开三次方运算电路？,若要求,u,I,、,u,O,均大于,0,，则,有何变化？,为使电路引入的是负反馈，,u,I2,的极性应如何？,4.,除法运算,运算电路中集成运放必须引入负反馈！,5.4,有源滤波电路,一、滤波器的基本概念与分类,二、有源低通滤波器,三、有源高通滤波器,四、有源带通滤波器,五、有源带阻滤波器,1.,滤波器的功能,使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。,一、滤波器的基本概念与分类,例如有一个较低频率信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些,R,、,C,等无源元件而构成的。,2.,滤波器的分类,低通滤波器（,LPF,）的幅频特性,通带放大倍数,通带截止频率,下降速率,理想幅频特性,无过渡带,用,幅频特性描述滤波特性，要研究,、,(,f,P,、,下降速率,),。,高通滤波器（,HPF,）,带通滤波器（,BPF,）,带阻滤波器（,BEF,）,）,全通滤波器（,APF,）,）,理想滤波器的幅频特性,阻容耦合,通信电路,抗已知频率的干扰,f-,转换,空载时,带负载时,3.,无源滤波电路和有源滤波电路,负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。,无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。,无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。,有源滤波电路,用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻,二、有源低通滤波器,求解传递函数时，只需将放大倍数中的,j,用,s,取代即可；,s,的方次称为阶数。,频率趋于,0,时的放大倍数为通带放大倍数,决定于,RC,环节,表明进入高频段的下降速率为,20dB/,十倍频,（,1,）一阶电路,经拉氏变换得传递函数：,一阶电路,（,1,）一阶电路：幅频特性,为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加,RC,环节。,（,2,）简单二阶,LPF,截止频率,f,p, 0.37,f,0,分析方法：电路引入了负反馈，具有“虚短”和“虚断”的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。,C,1,=,C,2,（,3,）,压控电压源二阶,LPF,引入正反馈,为,使,f,p,=,f,0,，,且在,f,=,f,0,时,幅频特性按,40dB/,十倍频下降。,f,0,时，,C,1,断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数。,f,，,C,2,短路，正反馈不起作用，放大倍数,0,。,因而有可能在,f,=,f,0,时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。,C,1,=,C,2,压控电压源二阶,LPF,的分析,列,P,、,M,点的节点电流方程，整理可得：,O,O,O,高通、带通、带阻有源滤波器,与,LPF,有对偶性，将,LPF,的电阻和电容互换，就可得一阶,HPF,、,简单二阶,HPF,、,压控电压源二阶,HPF,电路。,2.,带通滤波器,（,BPF,）,3.,带阻滤波器,（,BEF,）,f,H,f,L,f,H,f,L,1.,高通滤波器,（,HPF,）,运算电路与有源滤波器的比较,相同之处,电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。,均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。,不同之处,运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。,运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。,5.5,电压比较器,一、电压比较器概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,一、概述,1.,电压比较器的功能,：比较电压的大小。,输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。,广泛用于各种报警电路。,2.,电压比较器的描述方法,:,电压传输特性,u,O,f,(,u,I,),电压传输特性的三个要素：,（,1,）输出高电平,U,OH,和输出低电平,U,OL,（,2,）,阈值电压,U,T,（,3,）,输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,3,、电压比较器的构成,：,运放组成的电路处于非线性状态，,输出与输入的关系是非线性函数。,1,）运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入,正反馈,。,4,、运放工作在非线性状态基本分析方法,2,）运放工作在非线性状态的分析方法：,若,U+,U-,则,U,O,=+U,OM,；,若,U+,U-,则,U,O,=-U,OM,；,虚断（运放输入端电流,=0,）,注意：此时不能用虚短！,3.,几种常用的电压比较器,（,1,）单限比较器：只有一个阈值电压,（,3,）窗口比较器：,有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。,（,2,）滞回比较器：具有滞回特性,输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,回差电压：,二、单限比较器,（,1,）,U,T,0,（,2,）,U,OH,U,OM,，,U,OL,U,OM,（,3,）,u,I, 0,时,u,O,U,OM,;,u,I, 0,时,u,O,U,OM,集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。,二极管限幅电路使净输入电压最大值为,U,D,1.,过零比较器,输出限幅电路,为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。,U,OH,U,Z1,U,D2,U,OL,(,U,Z2,U,D1,),U,OH,U,OL,U,Z,不可缺少！,输出限幅电路,u,O,U,Z,（,1,）保护输入端,（,2,）加速集成运放状态的转换,电压比较器的分析方法,：,（,1,）,写出,u,P,、,u,N,的表达式，,令,u,P,u,N,，,求解出的,u,I,即为,U,T,；,（,2,）,根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；,（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定,输出电压,的跃变方向。,2.,一般单限比较器,（,1,）若要,U,T,U,RH,时，,u,O1,=,u,O2,=,U,OM,，,D,1,导通，,D,2,截止；,u,O,=,U,Z,。,当,u,I,U,RL,时，,u,O2,=,u,O1,=,U,OM,，,D,2,导通，,D,1,截止；,u,O,=,U,Z,。,当,U,RL,u,I,U,RH,时，,u,O1,=,u,O2,=,U,OM,，,D,1,、,D,2,均截止；,u,O,= 0,。,从电压传输特性识别电路，画波形,已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为,5sin,t,(V),，,画出各电路输出电压的波形。,你,能,分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？,同相输入,单限比较器,反相输入,滞回比较器,窗口,比较器,带有二极管电路的分析方法,首先应判断二极管的工作状态，它们决定于集成运放的输出电压是高电平还是低电平。,U,T,=,？,U,OL,=,？,U,OH,=,？,清华大学 华成英 hchya,