模拟电子技术基础 第六章 集成运算放大器的应用

1、第六章第六章 集成运放的应用集成运放的应用Op-Amp Applications2本章内容本章内容1. 集成运放的模型集成运放的模型2. 信号运算电路信号运算电路3. 滤波电路滤波电路4. 电压比较器电压比较器5. 非正弦波发生电路非正弦波发生电路3本章要求本章要求1. 掌握掌握 “虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念及应用其分析电路的概念及应用其分析电路的方法；的方法；2. 掌握模拟信号运算电路的分析与计算；掌握模拟信号运算电路的分析与计算；3. 理解有源滤波器电路的分类、频率响应及电路理解有源滤波器电路的分类、频率响应及电路组成；组成；4. 掌握单限、滞回、窗口电压比较器的工作原理掌握单限、滞

2、回、窗口电压比较器的工作原理和电路组成；和电路组成；1. 集成运放的模型集成运放的模型1.1 集成运放的实际传输特性集成运放的实际传输特性1.2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据Model for Op-Amplifier51.1 集成运放的实际传输特性集成运放的实际传输特性运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区ouuu线性区：线性区：uo = Auo(u+ u)非线性区：非线性区：u+-u e 时，时， uo = +Uo(sat) u+-u u 时，时， uo = + Uo(sat) u+R4 ,试求解

3、试求解R1=R2时时uO与与uI的比例系数。的比例系数。25集成运放线性应用分析集成运放线性应用分析例例2：求求Auf。(1) S断开断开(2) S闭合闭合uo10KuiR21K+1K1KS- -+A26集成运放线性应用分析集成运放线性应用分析例例3 电路如图所示，电路如图所示，uo和和ui1和和ui2的关系的关系1231,ffRRRR若,关系式为？关系式为？双运放减法电路双运放减法电路：调试方便，输入电阻高：调试方便，输入电阻高272.3 微分和积分电路微分和积分电路积分电路积分电路（1）积分电路）积分电路tuRCud1IO)(d11O IO21tutuRCutt)()(1 1O12IO21

4、ItuttuRCuttu为常量，则在若282.3 微分和积分电路微分和积分电路积分电路积分电路移相移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能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？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？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？输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分，延时线性积分，延时波形变换波形变换292.3 微分和积分电路微分和积分电路微分电路微分电路（2）微分电路）微分电路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI1)1)抗干扰能力较差抗干扰能力较差 由于微分电路对由于微分

5、电路对ui的变化速率非常敏感，而干扰又是迅的变化速率非常敏感，而干扰又是迅速变化的高频信号，所以它的抗干扰性能较差。速变化的高频信号，所以它的抗干扰性能较差。2)2)会引起自激振荡会引起自激振荡 由于微分电路对由于微分电路对ui将产生相位滞后，若此滞后效应与运将产生相位滞后，若此滞后效应与运放内部的相位滞后作用结合起来，就会带来自激振荡。放内部的相位滞后作用结合起来，就会带来自激振荡。302.3 微分和积分电路微分和积分电路微分电路微分电路实用微分电路实用微分电路限制输限制输入电流入电流滞后补偿滞后补偿限制输出限制输出电压幅值电压幅值312.4 对数和指数对数和指数电路电路对数电路对数电路uo

6、uiRPRD（1）对数电路）对数电路缺点：缺点：因因UT和和IS是温度的函数，故运算精度受温度的影响。是温度的函数，故运算精度受温度的影响。小信号时小信号时 与与1相差不多，因而误差大。相差不多，因而误差大。大电流时，伏安特性与大电流时，伏安特性与PN结方程差别大，故上式只在小电结方程差别大，故上式只在小电流时成立。流时成立。DTuUeRuiiRICRIuUuuSITBEOlnTBEeSCUuIi 322.4 对数和指数对数和指数电路电路对数电路对数电路改进的对数电路改进的对数电路TBE1eS3II1CUuIRuii3SITBE1lnRIuUuSTBE2lnIIUuR同理，3ITBE1BE2P

7、2N2lnRIuUuuuuR3IT52N252Oln)1 ()1 (RIuURRuRRuRqkTU T热敏电阻。温度系热敏电阻。温度系数为正？为负？数为正？为负？332.4 对数和指数对数和指数电路电路指数电路指数电路BEIuu TIeSOUuRRIRiuTIeSEUuRIii（2）指数电路）指数电路34例例4：已知已知R1R2，求解，求解uO= f (uI) = ? 二极管什么时候导通？什么时候截止？二极管什么时候导通？什么时候截止？集成运放线性应用分析集成运放线性应用分析3.有源滤波电路有源滤波电路Active Filters3.1 滤波电路概述滤波电路概述3.2 低通滤波器低通滤波器3.

8、3 高通、带通、带阻滤波器高通、带通、带阻滤波器363.1 滤波电路概述滤波电路概述（1）滤波电路的作用）滤波电路的作用允许规定频率范围内的信号允许规定频率范围内的信号通过；而使规定频率范围之外的信号不能通过通过；而使规定频率范围之外的信号不能通过。 LPF (Low Pass Filter)HPF (high Pass Filter)BPF (Band Pass Filter)BEF (Band Embarrass Filter)APF (All Pass Filter)（2）分类）分类373.1 滤波电路概述滤波电路概述 uAupAfHf0LPFLPF 的频率特性的频率特性 低通滤波器（低

9、通滤波器（LPF） 高通滤波器（高通滤波器（HPF） uAupAfpf0HPFHPF 的频率特性的频率特性 带通滤波器（带通滤波器（BPF） 阻带阻带 uAupAfLf0BPFBPF 的频率特性的频率特性 Hf通带通带 阻带阻带 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF） 阻带阻带 uAupAf1pf0BEFBEF 的频率特性的频率特性 2pf通带通带 通带通带 全通滤波器（全通滤波器（APF） uAupAf0APAPF F 的频率特性的频率特性 383.1 滤波电路概述滤波电路概述pppj11 21 1ffARCfAuu空载：ppLpLLpj1 )( 21 ffAACRRfRRRAuuu带载：空载时空

10、载时带负载时带负载时（3） 无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路 负载变化，通负载变化，通带放大倍数和截带放大倍数和截止频率均变化。止频率均变化。393.1 滤波电路概述滤波电路概述 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的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。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。流

11、的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。有源滤波电路有源滤波电路 用电压跟随用电压跟随器隔离滤波电器隔离滤波电路与负载电阻路与负载电阻403.1 滤波电路概述滤波电路概述（4）滤波电路的分析方法）滤波电路的分析方法拉氏变换法拉氏变换法js 求得传输函数求得传输函数 Au(s)Au(s)分母上分母上S的方次，的方次，称称滤波器滤波器的的阶阶数数。 滤波器阶滤波器阶数越高，幅频特性曲线上从通数越高，幅频特性曲线上从通带到阻带的分界线就越陡峭带到阻带的分界线就越陡峭。413.2 低通滤波器低通滤波器(1) 一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路 12p1RRAuRCf21pppj1ffAAuu频率趋于频

12、率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频sRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio经拉氏变换得经拉氏变换得传递函数：传递函数：423.2 低通滤波器低通滤波器)21( j1 1ppp12pRCfffAARRAuuu 为了使过渡带变窄，需为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加采用多阶滤波器，即增加RC环节。环节。幅频特性幅频特性 433.2 低通滤波器低通滤波器（2）简单二阶）简单二阶LPF C1=C2211( )(1)13()f

13、uRA sRsRCsRC231()upouiHHAuAffujff 11( )( )(1)( )( )( )(1)( )( )pFuipFMMiusRA sRususRusRususp53 70.370.3722HHfffRC H12fRC 443.2 低通滤波器低通滤波器（2）简单二阶）简单二阶LPF 虽衰减斜率达虽衰减斜率达40dB每十倍频，但每十倍频，但fp=0.37fH，在在 f = fp附近附近, 输出幅度衰较慢，频带也减小了。输出幅度衰较慢，频带也减小了。453.2 低通滤波器低通滤波器（3）压控电压源二阶压控电压源二阶LPF为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性按时幅

14、频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。 f0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数。倍数。 f ， C2短路，正反馈不短路，正反馈不起作用，放大倍数起作用，放大倍数0 。 因而有可能在因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。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。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。C1=C2引入正反馈引入正反馈463.2 低通滤波器低通滤波器压控电压源二阶压控电压源二阶LPF的分析的分析ppp30uuuffuAQAAA 列列P、M点的节点电流方点的节点电流方程，整理可得：程

15、，整理可得：pp0 32 uffuuAAA时，当0p20p3 j)(1ffAffAAuuup0uffuAAQ473.3 高通、带通、带阻滤波器高通、带通、带阻滤波器OOO 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶简单二阶HPF、压控电压源二阶压控电压源二阶HPF电路。电路。(2)带通滤波器（带通滤波器（BPF）(3)带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）fHfLfHfL（1） 高通滤波器（高通滤波器（HPF）4. 电压比较器电压比较器Comparator Unit Operation4.2 单门限比较器单门限比较器4.3 滞回比

16、较器滞回比较器4.4 窗口比较器窗口比较器4.1 概述概述494.1 概概 述述（1）功能描述：）功能描述： 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。用途：用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 运放工作在开

17、环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。504.1 概概 述述（2）电压比较器的描述方法）电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)： 电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向514.1 概概 述述（3）电压比较器的分类：）电压比较器的分类： 单限比较器单限比较器：只有一个阈值电压：只有一个阈值电压窗口比较器窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个

18、阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。滞回比较器滞回比较器：具有滞回特性：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。单调变化使输出电压只跃变一次。52理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点： 输出只有两种可能输出只有两种可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 当当 u+ u 时，时， uo = +Uo (sat) u+ u 时，时， uo = Uo (sat) 不存在不存在 “虚短虚短”现象现象 i+= i 0 仍存在仍存在“虚断虚断”现象现象uo u+ u U

19、o(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O4.1 概概 述述534.1 单门限比较器单门限比较器（1）过零比较器）过零比较器当当 uI 0 时，时，uO = - UOPP ；uIuO+UOpp- -UOppO加输入端限幅电路的过零比较器加输入端限幅电路的过零比较器 必要吗？必要吗？544.1 单门限比较器单门限比较器（2）利用稳压管限幅的过零比较器）利用稳压管限幅的过零比较器uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ不可缺少！不可缺少！554.1 单门限比较器单门限比较器REF12TURRuUuIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZREF12URR（3）单门限比较器）单门限比较器（1）如何

20、让）如何让UT 0？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如）若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？何修改电路？（3）若要改变）若要改变UOL、UOH呢？呢？564.1 单门限比较器单门限比较器单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。574.2 滞回比较器滞回比较器(施密特触发器施密特触发器)+UZuIuO -UZOUT-UT+特点特点正反馈电路。正反馈电路。具有双门限。具有双门限。OF22REFF2F

21、uRRRURRRu 当当 u+ = u- 时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。回差回差(门限宽度门限宽度) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 584.2 滞回比较器滞回比较器(施密特触发器施密特触发器)1. 若要电压传输特性曲线左右移若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？动，则应如何修改电路？2. 若要电压传输特性曲线上下移若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？动，则应如何修改电路？3. 若要改变输入电压过阈值电若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？则应如何修改电路？作用：产生矩形波、三角波和锯齿

22、波，或用于波形作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。抗干扰能力强。变换。抗干扰能力强。uiUREF594.2 滞回比较器滞回比较器(施密特触发器施密特触发器)例例7-3 反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。已知输入信号时，试画输出信号波形。vI(V)vo(V)0比较特性比较特性7-7-66ui (V)t010-106- 6tuo(V)07-760单限比较器和滞回比较器在单限比较器和滞回比较器在输入电压单输入电压单向变化时，输出电压仅发生一次跳变向变化时，输出电压仅发生一次跳变，无法，无法比较在某一特定比较在某

23、一特定范围内的电压。范围内的电压。窗口比较器具有窗口比较器具有这项功能，其基这项功能，其基本电路是两个输本电路是两个输入端并联的单限入端并联的单限比较器。比较器。4.3 窗口比较器窗口比较器(双限比较器双限比较器)614.3 窗口比较器窗口比较器(双限比较器双限比较器)uiURH，A1正向饱和，输出高电平，正向饱和，输出高电平，D1导通，导通，A2反向饱和，输出低电平，反向饱和，输出低电平，D2截止。截止。uo=+UZ；UiURL，A1反向饱反向饱和，输出低电平，和，输出低电平，D1截止，截止，A2正向饱正向饱和，输出高电平，和，输出高电平，D2导通。导通。uo=+UZ。URLuiURH，A1

24、和和A2反向饱和，输出反向饱和，输出低电平，低电平，D1和和D2截截止。止。uo=0；5. 非正弦波发生器非正弦波发生器5.2 三角波发生电路三角波发生电路5.3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路635 非正弦波发生电路非正弦波发生电路定时电路定时电路（RC充放电）充放电）迟滞比较器迟滞比较器uo定时电路：定时电路：由积分电路组成的，产生暂由积分电路组成的，产生暂态过程。态过程。滞回比较器：滞回比较器：起开关作用，通过开关的不起开关作用，通过开关的不断的闭合，来破坏稳态，产断的闭合，来破坏稳态，产生暂态过程生暂态过程645.1 矩形波发生电路矩形波发生电路滞回比

25、较器传输特性滞回比较器传输特性 C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 一、一、 电路工作原理电路工作原理655.1 矩形波发生电路矩形波发生电路0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT迟滞比较器输出只有二种迟滞比较器输出只有二种可能可能UOH或或UOL，及对，及对RC电路进行充电或放电。电电路进行充电或放电。电容上电压的升高或降低，容上电压的升高或降低，又作为比较器控制又作为比较器控制Uo状态状态翻转的信号，翻转的信号，Uo的跳变又的跳变又进而控制了电容上的电压进而控制了电容上的电压是充电或放电，如上了循是充电或放电，如上了循环，可在比较器的输出端环，可在比较器的

26、输出端得到方波或矩形波。得到方波或矩形波。665.1 矩形波发生电路矩形波发生电路0 UT+uct UT- +UZ -UZT1T2TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e ,=RC-tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:)21ln(221RRRCT f = 1/T可推出: C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 二、周期与频率的计算二、周期与频率的计算67UZuo0t- UZ三、占空比可调的方波发生器三、占空比可调的方波发生器 改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路685.2 三角波发生电路三角波发生电路用集成运放的积分电路代替定时电路。 一、电路工作原理一、电路工作原理若若uo1=+UZ，uo2，u+。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 当当u+ 0时，时，uo1