《集成運(yùn)放的應(yīng)用》PPT課件.ppt

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1、第8章 信號(hào)的運(yùn)算與處理電路,集成運(yùn)放的基本應(yīng)用電路,從功能來看,有信號(hào)的運(yùn)算、處理和產(chǎn)生電路等。這里所討論的是模擬信號(hào)運(yùn)算電路,包括加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)(指數(shù))運(yùn)算電路以及乘法和除法運(yùn)算電路等。 信號(hào)處理電路的內(nèi)容也較廣泛,包括有源濾波、精密二極管整流電路、電壓比較器和取樣-保持電路等。,8.1 基本運(yùn)算電路,8.2 實(shí)際運(yùn)放電路的誤差分析,8.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,*8.4 模擬乘法器,8.5 有源濾波電路,*8.6 開關(guān)電容濾波器,主要內(nèi)容: 8.1 加、減、積分和微分電路 8.2 實(shí)際運(yùn)算放大器運(yùn)算電路的誤差分析 8.3 濾波電路的基本概念，一階、二階有源濾波電路

2、 基本要求: 8.1 抓住深度負(fù)反饋條件下的“虛短”和“虛斷”的概念，討論基本運(yùn)算電路 8.2 了解實(shí)際運(yùn)放組成的運(yùn)算電路的誤差 8.3 了解有源濾波電路的分類及一階、二階濾波電路的頻率特性 教學(xué)要點(diǎn)： 建立運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的概念，重點(diǎn)介紹由運(yùn)算放大器組成的加法、減法、積分和微分電路的組成和工作原理,概述,一、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=0 4、輸出電阻 r0=0 5、共模抑制比 CMRR= 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零,一、理想運(yùn)放的特性 二、兩條重要的

3、法則 1、 理想運(yùn)放的兩輸入端之間的電壓差為零兩輸入端短路,概述,2、 理想運(yùn)放的兩輸入端不取電流兩輸入端之間開路 Ui=0， 而 ri= ,即兩差動(dòng)輸入端相當(dāng)于短路，但短路中又無電流流過。,概述,1、 線性區(qū) 在線性區(qū)，它的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)滿足如下的關(guān)系 Uo=Aod（U+-U-） 通常，集成運(yùn)放的Aod很大，為了使其工作在線性區(qū)，大都引入深度負(fù)反饋，以減小運(yùn)放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。 特點(diǎn): （1）運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端的電位相等，即U+=U-。 （2）理想運(yùn)放的輸入電流等于零。,三、集成運(yùn)放的工作區(qū)分為線性區(qū)和非線性區(qū),概述,2、 非線性區(qū) 輸

4、出電壓與輸入電壓之間 UoAod（U+-U-） 特點(diǎn) （1） 輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：U+或U-，而U+不一定等于U-。 當(dāng) U+U- 時(shí) Uo=U+ U+U- 時(shí) Uo=U+ （2） 運(yùn)放的輸入電流等于零。,三、集成運(yùn)放的工作區(qū)分為線性區(qū)和非線性區(qū),8.1 基本運(yùn)算電路, 加法電路, 微分電路, 積分電路, 減法電路,說明： 1、 對(duì)模擬量進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，要求輸出信號(hào)反映輸入信號(hào)的某種運(yùn)算結(jié)果。 2、集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)。,一、 反相輸入求和電路 二、 同相輸入求和電路 三、 雙端輸入求和電路 四、加減法運(yùn)算器, 加減法電路,一、 反相輸入求和電路,在 反相比例運(yùn)算電路

5、的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入求和電路，見圖12.01。此時(shí)兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的電流都流向Rf 。所以輸出是兩輸入信號(hào)的比例和。,圖12.01 反相求和運(yùn)算電路,二、 同相輸入求和電路,在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路，如圖12.02所示。,圖12.02 同相求和運(yùn)算電路,因運(yùn)放具有虛斷的特性，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位可用疊加原理求得:,,由此可得出,,,三、 雙端輸入求和電路,雙端輸入也稱差動(dòng)輸入，雙端輸入求和運(yùn)算電路如圖12.03所示。其輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似。,圖12.03雙端輸入求和運(yùn)算電路,當(dāng)vi1=vi2

6、=0時(shí)，用 疊加原理分別求出 vi3=0和vi4 =0時(shí)的輸出 電壓vop。當(dāng)vi3 = vi4 =0時(shí)，分別求出vi1=0， 和vi2 =0時(shí)的von。,先求,式中Rp=R3//R4//R , Rn=R1//R2//Rf,再求,于是,四、加減法運(yùn)算器,工作原理：,特點(diǎn)：它由差動(dòng)輸入放大器演變而來。,若有更多的相加量或相減量，可以增加或減少電路的相應(yīng)的輸入端。,由I0，有I1+I2=If,,I3+I4=Ip,,由,一、 積分運(yùn)算電路,二、 微分運(yùn)算電路, 積分和微分運(yùn)算電路,一、積分電路,工作原理,其中UCO是電容兩端電壓的初始值,用途,（1） 延遲：若將積分電路的輸出作為電子開關(guān)的輸入。 例

7、如，設(shè)R=100，C=0.05F。在t=0時(shí)UCO=0。而u0經(jīng)過+6V時(shí)，電子開關(guān)動(dòng)作，若ui在t=0時(shí)，由0 -3V，,則 解得T=1ms,即延遲時(shí)間為1ms,,,,,,,工作原理,其中UCO是電容兩端電壓的初始值,用途,（2）將方波變?yōu)槿遣?用途,（3）移相900,設(shè)輸入信號(hào)是正弦波，則,uo比ui超前900，且這個(gè)相位差與頻率無關(guān)，但輸出電壓的幅度隨頻率升高而下降。 （3）在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中將電壓量轉(zhuǎn)換為時(shí)間量,二、微分電路,工作原理,因輸入端存在“虛地”，故,而i為也流過R，故,電路存在的問題： （1）由于uo與ui成正比，uo對(duì)ui的變化非常敏感，故抗干擾能力差。 （2）RC環(huán)節(jié)對(duì)于

8、反饋信號(hào)具有滯后作用，它和運(yùn)放電路的滯后作用合在一起，可能引起自激發(fā)振蕩。 （3）當(dāng)ui發(fā)生突變時(shí)，uo過大，嚴(yán)重時(shí)將使電路不能正常工作。,改進(jìn)措施：,,限流,限制uo,8.2 實(shí)際運(yùn)放電路的誤差分析,共模抑制比KCMR為有限值的情況,輸入失調(diào)電壓VIO、輸入失調(diào)電流IIO 不為零時(shí)的情況,一. 共模抑制比KCMR為有限值的情況,,同相比例運(yùn)算電路,閉環(huán)電壓增益,,理想情況,越大，誤差越小。,二、 VIO、IIO不為零時(shí)的情況,輸入為零時(shí)的等效電路,,解得誤差電壓,當(dāng) 時(shí)，可以 消除偏置電流 引起的 誤差，此時(shí),當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，,即 換成電容C，則,時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大，且易使輸

9、出進(jìn)入飽和狀態(tài)。,引起的誤差仍存在,二、 VIO、IIO不為零時(shí)的情況,減小誤差的方法,輸入端加補(bǔ)償電路,利用運(yùn)放自帶的調(diào) 零電路,二、 VIO、IIO不為零時(shí)的情況,8.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,2. 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,圖 12.08 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,對(duì)數(shù)運(yùn)算電路見圖12.08。由圖可知,2. 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,指數(shù)運(yùn)算電路如圖12.09所示。,指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)于反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。,圖 12.09 指數(shù)運(yùn)算電路,綜合運(yùn)算電路,,,8.5 有源濾波電路,一、基本概念及初步定義,二、一階有源濾波電路,高通濾波,低通濾波,基本概念,分類,三、 二階有源濾波電路,高通

10、濾波,低通濾波,帶通濾波,帶阻濾波,帶阻濾波,帶通濾波,一、基本概念及初步定義,1. 基本概念,濾波器：是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制或衰減無 用頻率信號(hào)得電子裝置。,有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器。,濾波電路傳遞函數(shù)定義,時(shí)，有,其中, 模，幅頻響應(yīng), 相位角，相頻響應(yīng),時(shí)延響應(yīng)為,2. 分類按幅頻特性分,低通（LPF）用于工作信號(hào)為低頻（或直流），并且需要削弱高次諧波或頻率較高的干擾和噪聲等場(chǎng)合整流后濾波。,高通（HPF）用于信號(hào)處于高頻，并且需要削弱低頻的場(chǎng)合阻容放大器的耦合。,帶通（BPF）用于突出有用頻段的信號(hào)，削弱其它頻段的信號(hào)或干擾和噪聲載波通信。,帶阻（BEF

11、）用于抑制干擾。,全通（APF）,一、基本概念及初步定義,3、無源濾波電路和有源濾波電路 無源濾波電路：由無源元件R、L、C組成的濾波電路。 有源濾波電路：由晶體管和R、C網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。,一、基本概念及初步定義,4、由集成運(yùn)放（工作在線性區(qū)）和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波電路的優(yōu)點(diǎn)： （1）體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。 （2）電路中的集成運(yùn)放可以加串聯(lián)負(fù)反饋，使ri高，ro低。 （3）除起有源濾波作用外，還可以放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。,1、一階RC有源濾波電路,二、低通濾波器,最簡(jiǎn)單的濾波電路,缺點(diǎn)：帶負(fù)載的能力差，例如 R=27k，RL=3k，對(duì)于直流而言，uo只有ui的使分之一，而

12、當(dāng)RL斷開時(shí)，uo=ui，,為了提高帶負(fù)載的能力，可以減小R，提高C，但這不現(xiàn)實(shí)，此時(shí)可以加電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載的能力。,傳遞函數(shù),其中,特征角頻率,故，幅頻相應(yīng)為,1、一階RC有源濾波電路,二、低通濾波器,,,8.5.2 一階有源濾波電路,2. 高通濾波電路,可由低通和高通串聯(lián)得到,必須滿足,3. 帶通濾波電路,,,,低通特征角頻率,高通特征角頻率,,,8.5.2 一階有源濾波電路,4. 帶阻濾波電路,可由低通和高通并聯(lián)得到,必須滿足,,,一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對(duì)濾波要求不高的場(chǎng)合。,,,8.5.3 二階有源濾波電路,1.

13、壓控電壓源低通濾波電路,壓控電壓源電路（VCVS）,,,,,得濾波電路傳遞函數(shù),（二階）,,,8.5.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,令,稱為通帶增益,稱為特征角頻率,稱為等效品質(zhì)因數(shù),則,用 代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：,,,8.5.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,歸一化的幅頻響應(yīng),相頻響應(yīng),,,,8.5.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,歸一化的幅頻響應(yīng)波特圖,,,,8.5.3 二階有源濾波電路,2. 壓控電壓源高通濾波電路,將低通電路中的電容和電阻對(duì)換，便成為高通電路。,傳遞函數(shù),歸一化的幅頻響應(yīng),,,,8.5.3 二階有

14、源濾波電路,2. 壓控電壓源高通濾波電路,歸一化的幅頻響應(yīng)波特圖,,,,8.5.3 二階有源濾波電路,3. 壓控電壓源帶通濾波電路,可由低通和高通串聯(lián)得到,,,,8.5.3 二階有源濾波電路,3. 壓控電壓源帶通濾波電路,傳遞函數(shù),得,,,,8.5.3 二階有源濾波電路,歸一化的幅頻響應(yīng)波特圖,3. 壓控電壓源帶通濾波電路,,,8.5.3 二階有源濾波電路,4. 雙T帶阻濾波電路,雙T選頻網(wǎng)絡(luò),,,,8.5.3 二階有源濾波電路,4. 雙T帶阻濾波電路,頻率響應(yīng),,,,8.5.3 二階有源濾波電路,4. 雙T帶阻濾波電路,雙T帶阻濾波電路,本 章 小 結(jié) 實(shí)際集成運(yùn)放電路的開環(huán)電壓增益、差模輸

15、入電阻、輸出電阻、共模抑制比、開環(huán)帶寬、失調(diào)和零飄等指標(biāo)達(dá)不到理想集成運(yùn)放的極端條件，但是用理想條件代替實(shí)際運(yùn)放電路去估算和分析電路，相對(duì)誤差是很小的。 理想集成運(yùn)放電路在線性區(qū)工作導(dǎo)出的虛短和虛斷的特征，特別是反相端輸入時(shí)還具有虛地的特征。視實(shí)際運(yùn)放為理想運(yùn)放，應(yīng)用理想運(yùn)放的這些條件，將大大簡(jiǎn)化電路的分析和計(jì)算。 反相輸入和同相輸入的比例運(yùn)放電路是兩種最基本的集成運(yùn)算電路，分別為電壓并聯(lián)負(fù)反饋和電壓串聯(lián)負(fù)反饋。它們是構(gòu)成集成運(yùn)算、處理電路最基本的電路，在此基礎(chǔ)上搭接取舍構(gòu)成了加、減、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路等。 有源濾波電路是由運(yùn)放和RC反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電子系統(tǒng)，根據(jù)幅頻響應(yīng)不同，可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波電路。高階濾波電路一般由一階、二階濾波電路組成，而二階濾波電路傳遞函數(shù)的基本形式是一致的，區(qū)別僅在于分子中S的階次為0、1、2 或其組合。 作 業(yè) 課程習(xí)題 8.1.18.1.20, 8.2.18.2.5, 8.2.18.2.2, 8.5.18.5.14,