磁针1507模电12 INA 滤波器 0130

1、主讲教师：主讲教师：元增民元增民2015级注册电气工程师考培级注册电气工程师考培电工与模数电技术电工与模数电技术参考书目参考书目1 1 张炳达，注册电气工程师执业资格考试公共张炳达，注册电气工程师执业资格考试公共/ /专业基础考试专业基础考试复习教程，天津大学出版社，复习教程，天津大学出版社，20132013年年2 2 元增民，模拟电子技术简明教程，清华大学出版社，元增民，模拟电子技术简明教程，清华大学出版社，20142014年年3 3 元增民，电工技术，国防科大出版社，元增民，电工技术，国防科大出版社，20112011年年4 4 谢庆等，注册电气工程师谢庆等，注册电气工程师( (供配电供配电

2、) )执业资格考试基础考试历执业资格考试基础考试历年真题详解，人民交通出版社，年真题详解，人民交通出版社，20142014年年本课件补充的知识点都来自于本课件补充的知识点都来自于参考书参考书2、3，特此一并注明。，特此一并注明。本节要务本节要务 OPA应用及滤波器应用及滤波器1. 乘除法及乘方开方电路乘除法及乘方开方电路2. 仪表放大器仪表放大器INA3. 比较器比较器4. 滤波器滤波器模拟电子技术第十二次课模拟电子技术第十二次课8.2.2 8.2.2 模拟乘法器模拟乘法器1. 1. 模拟乘法器模拟乘法器(a) 模拟乘法电路模拟乘法电路 (b) 乘法电路符号乘法电路符号图图8.2.3 模拟乘法

3、电路工作原理模拟乘法电路工作原理cTbeIUr 1 iTccouUIRu e2ie3be2icRuRUuI2 e2icR2uI 2i1 iTecouuUR2Ru 省略省略rbb有有 设设2=1=，则图，则图8.2.3所示电路输出电所示电路输出电压与输入电压关系压与输入电压关系1 icTc1 ibecou)I/U(RurRu (8.2.3)将对数、反对数及加减电路综合起来，也能实现乘除法。将对数、反对数及加减电路综合起来，也能实现乘除法。1 i121ou)RR1(u Kuuu2io1o Kuuu)RR1(2io1 i12 2i1 i12ouu)RR1(Ku 2. 2. 模拟除法器及开方器模拟除法

4、器及开方器图图8.2.5 模拟开方器电路模拟开方器电路图图8.2.4 模拟除法器电路模拟除法器电路1 i12ou)RR1(Ku 1) 1) 模拟除法器模拟除法器从从OPAOPA同相比例电路看同相比例电路看2) 2) 模拟开方器模拟开方器令令u ui2i2=u=uo o，式，式(8.2.4)(8.2.4)变为变为(8.2.4)(8.2.5)1 i122ou)RR1(Ku 从从OPAOPA乘法电路看乘法电路看12/12/2021198页题页题2-22图图 仿真题仿真题2-22 如如题题2-22图所示模拟乘法器和运放器都是理想的，已知图所示模拟乘法器和运放器都是理想的，已知ui10，电，电路输出电压

5、与输入电压的关系应为路输出电压与输入电压的关系应为 。2i1 ioukuu 2i1 ioukuu 1 i2iokuuu 1 i2ioukuu A.B.C.D.解解 uo1=ui2=kuoui1，从中求出，从中求出1 i2iokuuu 为除法运算器，选为除法运算器，选 D图图8.3.1 测量放大器原始电路测量放大器原始电路 2. 信号处理特征：信号处理特征：CMRR=1，一放对差模信号，一放对差模信号ud和共模信号和共模信号 uc“一视同仁一视同仁”地加以放大，貌似公允，实质上良莠不分，共模抑地加以放大，貌似公允，实质上良莠不分，共模抑制任务完全交给二放。制任务完全交给二放。8.3 集成运算放大

6、器线性应用集成运算放大器线性应用(3)-仪表放大器仪表放大器INAINA(8.3.1)13751 i2ioRR)RR1(uuuA 1. 电路结构特征：电路结构特征： 两个同相比例电路加一个减法器两个同相比例电路加一个减法器总电压放大倍数总电压放大倍数(Instrument Amplifier)(Instrument Amplifier)图图8.3.2 测放原始电路在差模输入电压下的表现测放原始电路在差模输入电压下的表现接地没用接地没用图图8.3.3 测放原始电路在共模输入电压下的表现测放原始电路在共模输入电压下的表现离不开接地离不开接地此接地对差模信号无用，但为共模放大提供方便此接地对差模信号

7、无用，但为共模放大提供方便有害！有害！图图8.3.4 测量放大器工作原理测量放大器工作原理 信号处理特征：信号处理特征： 一放对差模信号一放对差模信号ud加以放大，对共模信号加以放大，对共模信号uc，Rg相当断开，蜕化为电压跟随器，减轻了二放的共模抑制任务。相当断开，蜕化为电压跟随器，减轻了二放的共模抑制任务。gfdRR21A 一放差模电压放大倍数一放差模电压放大倍数一放对共模信号相当电压跟随器，其共模电压放大倍数一放对共模信号相当电压跟随器，其共模电压放大倍数1Ac 一放共模抑制比一放共模抑制比 gfcdRR21AACMRR (8.3.2)总电压放大倍数总电压放大倍数gf1 i2ioRR21

8、uuuA 图图8.3.5 AD623型测量放大器电路基本工作原理型测量放大器电路基本工作原理)Rk1001(Ag 1Ak100Rg AD623电压放大倍数为电压放大倍数为根据所需要的电压放大倍数根据所需要的电压放大倍数A可计算需要接入的电阻可计算需要接入的电阻2021-12-12滤波器概念、种类和幅频特性滤波器概念、种类和幅频特性滤波器：一种根据频率选择信号的电路。滤波器：一种根据频率选择信号的电路。图图9.1.1 五种滤波器的理想幅频特性曲线五种滤波器的理想幅频特性曲线低通滤波器低通滤波器(LPF)：0fH的低频信号允许通过，的低频信号允许通过，ffH的高频信号被衰减。的高频信号被衰减。高通

9、滤波器高通滤波器(HPF)：fL的高频信号允许通过，的高频信号允许通过，ffL的低频信号被衰减。的低频信号被衰减。带通滤波器带通滤波器(BPF)：fLfH的中频信号允许通过，的中频信号允许通过，ffH的信号被衰减。的信号被衰减。带阻滤波器带阻滤波器(BEF)：ffH的信号允许通过，的信号允许通过，fLfH的中频信号被衰减。的中频信号被衰减。全通滤波器全通滤波器(APF)：所有频率的信号都允许通过，指定频率的信号发生相移。：所有频率的信号都允许通过，指定频率的信号发生相移。前四种滤波器，看重的是幅频特性，全通滤波器看重的则是相频特性。前四种滤波器，看重的是幅频特性，全通滤波器看重的则是相频特性。

10、滤波器分滤波器分RC电路组成的无源滤波器和外加电路组成的无源滤波器和外加OPA的有源滤波器两种。的有源滤波器两种。9.1 滤波器滤波器9.1 9.1 无源滤波器无源滤波器2Io)RC(11UU)(A 9.1.1 9.1.1 一阶一阶RCRC低通滤波器及高通滤波器低通滤波器及高通滤波器1. 1. 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器依依RC串联分压，图串联分压，图9.1.2所示所示RC电路输出电压、幅频及相频特性电路输出电压、幅频及相频特性图图9.1.2 一阶一阶RC低通低通滤波器滤波器(滞后移相器滞后移相器) (9.1.1) (9.1.1a)()=-=-arctan(RC) (9.1.2)频率

11、越高，频率越高，A()越小，故为低通滤波。越小，故为低通滤波。i011oU/s11URCj11UCj/1RCj/1U 通常幅频特性的低频段需要详细考究，高频段只要粗略观察。通常幅频特性的低频段需要详细考究，高频段只要粗略观察。频率取对数，能使低频段展开、高频段压缩。放大器、滤波器的幅频率取对数，能使低频段展开、高频段压缩。放大器、滤波器的幅频特性一般是频率的幂函数频特性一般是频率的幂函数m。频率取对数，则有。频率取对数，则有x=lg，幅频，幅频特性取对数，则有特性取对数，则有L=lg(m)=mlg=mx，就把幂函数转换为线性，就把幂函数转换为线性函数，使幅频特性具有渐近线而显得舒展优美。频率取

12、对数，还能函数，使幅频特性具有渐近线而显得舒展优美。频率取对数，还能使相频特性曲线具有点对称性。如此真是一箭三雕。使相频特性曲线具有点对称性。如此真是一箭三雕。 频率及幅频特性都取对数的幅频特性曲线叫做对数幅频特性曲频率及幅频特性都取对数的幅频特性曲线叫做对数幅频特性曲线。频率横轴取对数，纵轴用角度的相频特性曲线叫做半对数相频线。频率横轴取对数，纵轴用角度的相频特性曲线叫做半对数相频特性曲线。对数幅频特性曲线与半对数相频特性曲线合称为波德图。特性曲线。对数幅频特性曲线与半对数相频特性曲线合称为波德图。2Io)RC(11UU)(A 图图9.1.2 一阶一阶RC低通低通滤波器滤波器(滞后移相器滞后

13、移相器) (9.1.1a)()=-=-arctan(RC) (9.1.2)图图9.1.3 一阶一阶RC低通滤波器的波德图低通滤波器的波德图 L(x)=20lg|A()|=-=-10lg(1+102x) (9.1.1b)(x)=-=-arctan10 x (9.1.2a)一阶一阶RC低通滤波器的对数幅频低通滤波器的对数幅频特性曲线有渐近线显得舒展，半特性曲线有渐近线显得舒展，半对数相频特性曲线点对称。对数相频特性曲线点对称。频率变化频率变化10倍，对数频率倍，对数频率x变化变化1，叫做，叫做10倍频程倍频程，用，用dec表示表示设设0=1/RC，则，则RC=/0设设x=lg(/0)，则有，则有/

14、0=10 x然后就把然后就把A()、()转换为转换为图图9.1.3 一阶一阶RC低通滤波器的波德图低通滤波器的波德图对数幅频特性中频段与渐近线交点处的频率对数幅频特性中频段与渐近线交点处的频率0=1/RC叫叫转折频率转折频率。渐近线斜率为渐近线斜率为- -20dB/dec时，时，0处的增益下降处的增益下降3dB。以增益下降。以增益下降3dB作为作为上限频率条件上限频率条件，20dB/dec时上限频率与转折频率重合时上限频率与转折频率重合 H=0=1/RC fH=f0=1/2RC例例 要求一阶要求一阶RC低通滤波器上限频率低通滤波器上限频率fH=15kHz，C=0.1F，则，则 R=1/(2fH

15、C)=1/(6.283150000.1/1000000)=106.1频率变化频率变化10倍，对数频率倍，对数频率x变化变化1，叫做，叫做10倍频程倍频程，用，用dec表示表示 (9.1.3)2Io)RC(1RCUU)(A 2. 2. 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器依依RC串联分压，图串联分压，图9.1.4所示所示RC电路输出电压、幅频及相频特性电路输出电压、幅频及相频特性图图9.1.4 一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器(超前移相器超前移相器) (9.1.4)()=90-=90-arctan(RC) (9.1.5)图图9.1.5 一阶一阶RC高通滤波器的波德图高通滤波器的波德图L(x)=2

16、0lg|A()|=20 x-=20 x-10lg(1+102x) (9.1.4a)(x)=90-arctan10 x (9.1.5a)对数幅频特性渐近线的斜率为对数幅频特性渐近线的斜率为20dB/dec，仍以，仍以- -3dB点作为下限频点作为下限频率条件率条件 RC=/0 lg(RC)=x，RC=10 xL=0=1/RC fL=f0=1/2RC (9.1.6)i00i1oU/s1/sURCj1RCjUCj/1RRU 低通滤波器的上限频率和高通滤波器的下限频率统称为截止频率低通滤波器的上限频率和高通滤波器的下限频率统称为截止频率。电压下降到原值的。电压下降到原值的0.707倍时，功率下降一半。

17、故按照电压下降到倍时，功率下降一半。故按照电压下降到原值的原值的0.707倍时得到的上、下限频率也叫做半功率频率倍时得到的上、下限频率也叫做半功率频率(点点)。9.1.2 9.1.2 帯通滤波器帯通滤波器图图9.1.6 带通滤波器幅频特性曲线带通滤波器幅频特性曲线1. 1. 串并联型串并联型RCRC带通滤波器带通滤波器Cj/1/RCj/1RCj/1/RUUFio )RC/1RC( j31F 稳态时分压比稳态时分压比谐振频率谐振频率谐振频率下的谐振频率下的RC串并联电路分压比串并联电路分压比 F0=1/3 图图9.1.7 正分压比正分压比RC串并联带通滤波器串并联带通滤波器(9.1.7)(9.1

18、.7a)(9.1.8)RC212f00 偏离谐振频率时分母中的虚部不再为偏离谐振频率时分母中的虚部不再为0，故分压比将小于，故分压比将小于1/3。 RC串并联电路串并联电路RC=1谐振时，谐振时，RC串联阻抗串联阻抗Zrcs、RC并联阻抗并联阻抗Zrcp及总阻抗及总阻抗Z计算如下计算如下R) j1(R)j11(R)CRj11Cj1RZrcs （R2j-1Rj11RCj1RCj/1RCj/RZrcp 再次说明谐振时再次说明谐振时Zrcp=0.5Zrcs，串联分压比，串联分压比Zrcp/(Zrcp+Zrcs)=0.5Zrcs/(0.5Zrcs+Zrcs)=1/3。等值等值RC串并联电路谐振分压比串

19、并联电路谐振分压比1/3的另一种解释的另一种解释 2. 2. 电容三点式电容三点式LCLC负分压并联谐振电路负分压并联谐振电路图图9.1.8 并联电容型负分压比并联电容型负分压比LC并联谐振电路并联谐振电路111211CjCL1Cj1Lj )CCCCL1)(CC(jCL1CCLjCjCjCL1CjCL1Cj1CjCL1Cj1212112211122113211121112211122 电感电感L1与电容与电容C1的串联阻抗的串联阻抗L1C1串联体与电容串联体与电容C2的并联阻抗的并联阻抗11211121ioCL11CjCL1/Cj1UUF 并联谐振频率并联谐振频率稳态时自电容稳态时自电容C1上

20、端引出电压与输入电压的串联分压比上端引出电压与输入电压的串联分压比1222111211210CCCCC11CLCCLCC11F 并联谐振频率下的分压比并联谐振频率下的分压比(9.1.9)(9.1.10)2112100pCCLCC212f 3. 3. 电感三点式电感三点式LCLC负分压并联谐振电路负分压并联谐振电路图图9.1.9 电感三点式负分压比电感三点式负分压比LC并联谐振电路并联谐振电路111211CjCL1Cj1Lj 121211221112211122C)LL(1)CL1(LjCjCL1LjCjCL1Lj 1CLCLCL1CLLjCj/1LjF112112112112111 21211

21、111121111210LL)LL(LL1CLC)LL(1CLC)LL(1F 电感电感L1与电容与电容C1的串联阻抗的串联阻抗L1C1串联体与电感串联体与电感L2的并联阻抗的并联阻抗并联谐振频率并联谐振频率以以L1下端为基准，自下端为基准，自L1上端引出电压与输入电压的串联分压比上端引出电压与输入电压的串联分压比(9.1.12)(9.1.11)12100pC)LL(1212f 关于谐振滤波器特性的总结关于谐振滤波器特性的总结通过对几种谐振滤波器分压比的讨论可以明确，谐振时滤波器呈通过对几种谐振滤波器分压比的讨论可以明确，谐振时滤波器呈现电阻性，其分压比不是正实数就是负实数，相位移不是现电阻性，

22、其分压比不是正实数就是负实数，相位移不是0就是就是180。 因此，只要在振荡电路方案设计时根据放大器开环放大倍数的符因此，只要在振荡电路方案设计时根据放大器开环放大倍数的符号和滤波器谐振分压比的符号，按照正反馈要求合理选择反馈信号号和滤波器谐振分压比的符号，按照正反馈要求合理选择反馈信号与零输入信号之间的相加反馈关系或相减反馈关系，就可以组合形与零输入信号之间的相加反馈关系或相减反馈关系，就可以组合形成正反馈。只要组合形成正反馈，具体进行电路调整时只需满足幅成正反馈。只要组合形成正反馈，具体进行电路调整时只需满足幅度条件就可以使电路起振。度条件就可以使电路起振。9.1.3 9.1.3 帯阻滤波

23、器帯阻滤波器略，参见教科书略，参见教科书 8.4.1 8.4.1 单限比较器单限比较器(a) (a) 电路符号电路符号 (b) (b) 芯片引脚芯片引脚图图8.4.1 8.4.1 四电压比较器四电压比较器LM339LM339四电压比较器四电压比较器LM339特性如下。特性如下。1) 集电极开路输出。集电极开路输出。2) 低饱和压降，输出电流低饱和压降，输出电流1mA时饱和压降仅时饱和压降仅140mV。3) 电源电压范围为电源电压范围为+36V或或18V，电源电流，电源电流12mA。4) 输入共模电压范围允许输入共模电压范围允许-3V+36V。LM339配用单配用单+5V电源电源, 其同相端电压

24、大于反相端时其同相端电压大于反相端时,比较器正向比较器正向饱和饱和,输出电压接近输出电压接近+5V,代表高电平代表高电平1；同相端模拟电压小于反相端；同相端模拟电压小于反相端时时,比较器负向饱和比较器负向饱和,输出电压接近输出电压接近0V,代表低电平代表低电平0，见图，见图8.5.2(b)。8.4 集成运算放大器非线性应用集成运算放大器非线性应用(a) 应用电路应用电路 (b) I/O特性特性图图8.4.2 LM339电压比较器应用电路电压比较器应用电路 塑膜透明时，光电三极管受光多，集电极电流大，电阻压降大，塑膜透明时，光电三极管受光多，集电极电流大，电阻压降大，运放同相输入端获得电压低。运

25、放同相输入端获得电压低。 设塑膜透明时，运放同相输入端获得电压为设塑膜透明时，运放同相输入端获得电压为U1，塑膜有彩膜等，塑膜有彩膜等遮挡透光少时，运放同相输入端获得电压为遮挡透光少时，运放同相输入端获得电压为U2，则，则U1U2 。调整电。调整电位器使其电压为位器使其电压为 U=0.5(U1+U2) ，就能使，就能使LM339比较器在塑膜透明比较器在塑膜透明时输出时输出0，在塑膜有彩膜等遮挡透光少时输出，在塑膜有彩膜等遮挡透光少时输出1。就是说，。就是说， LM339比较器输出比较器输出0代表走袋快，输出代表走袋快，输出1代表走袋慢。代表走袋慢。 8.4.2 8.4.2 滞后比较器滞后比较器

26、图图8.4.3 对称滞后比较器电路对称滞后比较器电路 图图8.4.4 对称滞后比较器跳变回环对称滞后比较器跳变回环图图8.4.5 不对称滞后比较器电路不对称滞后比较器电路 图图8.4.6 不对称滞后比较器跳变回环不对称滞后比较器跳变回环4. 给集成运放增加功率放大级给集成运放增加功率放大级5. (15)V到到(420)mA转换电路转换电路1f1iouRRRuuA f1Lf1boiRRRRRiiA 电流放大倍数电流放大倍数 取取Re=250，则当，则当ui =(15)V时，时，icie= (420)mA。 该电路具有电流电压转换比不受晶该电路具有电流电压转换比不受晶体管体管值温度系数影响、运放芯