电工学第4章课件

1、4 集成运算放大器的应用4.1 集成运算放大器在信号运算电路中应用4.2 测量放大器4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用一、基本内容：1. 运算放大器组成的基本运算电路；2. 测量放大器；3. 几种滤波电路的原理和功能；4. 几种电压比较器；5. 几种不同结构的正弦振荡电路。4 集成运算放大器的应用1. 通过学习，学生掌握由运算放大器组成的基本运算电路的工作原理；2. 了解有源滤波器的工作原理；3. 理解电压比较器的工作原理和应用；4. 了解几种不同结构的正弦振荡电路的工作原理。 二、教学要求：4 集成运算放大器的应用4.1 集成运算放大器在信号

2、运算电路中的应用返回主目录在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的元器件（电阻、电容、晶体管等）制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。 集成电路的优点：体积小、重量轻、功率小、稳定性好及价格便宜等。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；中、大、超大规模集成电路等。运算放大器外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用4.1.1 理想集成运算放大器分析依据1. 运放工作在线性区的特点：1）虚短：1）虚断：2. 运放工作在非线性区的特点：2）虚断：运放输出有两种可能：时时返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应

3、用4.1.2 信号运算电路1. 反相比例运算电路uo+R1uiRFRPuu+i1iFu= u +=0虚地i1 = iFuiR1=uoRFuo =F1ui闭环电压放大倍数Auf返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用平衡电阻+R1RFRPuu+2. 平衡电阻:作用使得电路达到静态平衡 RP= R1 / RF注意：1. 当 RF=R1时，uo =ui ，称为反相器。3. uO与ui成反相比例；uO的大小只与外接元件 R1、RF的阻值和ui有关。返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用2. 同相比例运算放大电路uo+R1RPuiRFuu+i1iFu= u + = uiiF

4、 = i1uo u RFuo=RFR1 ) u+(1 +=uRFuo=RFR1 ) ui(1 +平衡电阻: RP = R1 / RF返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用注意：uo+ui1. uO与ui同相位，且Auf1；uO 的大小只与外接元件 R1、RF 的阻值和 ui 有关。2. 若 RF = 0, R1 = , RP = 0 时, uO = ui称为电压跟随器。 3. 平衡电阻: RP = R1RF电压跟随器返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用例4.1.1.在图示电路中，已知R1=100k，RF=200k， ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作

5、用。返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用解：输入级为电压跟随器，由于是电压串联负反馈，因而具有极高的输入电阻，起到减轻信号源负担的作用，且u01=ui=1V，作为第二级的输入。第二级为反相比例运算放大电路，故其输出电压为返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用例4.1.2已知R1=10k， RF=500k，求电压放大倍数Auf、输入电阻Ri及平衡电阻RP。解：uo+R1uiRFRPuu+i1iF返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用返回主目录例4.1.3 下图所示为两级比例运算放大电路，求uo 与ui

6、的关系。+2Ruiuo2+RFR1Ruo1 +uoR2R234.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用返回主目录解:uo1 = uiRFR1uo2 = uo12RR2RFR1= uiuo2 = uo2uo1 2RFR1RFR1= ui + ui 3RFR1= ui 3. 加法运算电路uo+R2RFRPR1ui1ui2iF平衡电阻: RP = R1 / R2 / RF思考：能否用叠加定理求输出电压？如何求？返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用注意：1. uO 的大小只与外接电阻 R1、R2 、RF 的阻 值和 ui1、ui2 有关。 2. 调节反相求和电路的某一路信号的输入电

7、阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。3. 当 R11 = R12 = RF 时， uO=(ui1 + ui2) 4. 平衡电阻: RP = R1R2RF 返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用3. 减法运算电路R3uo+R1RFR2ui1ui2返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用注意：3 2 F 1 当=时,1.F 1uO= (ui2ui1) 2. 当 R1= RF 时, uO= ui2 ui13. 平衡电阻: R2R3= R1RF 4. 模拟运算电路是集成运算放大电路工作在线性区的应用，输入输出为线性关系，可以应用叠加定理来求解。返回主目录4.

8、1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用例4.1.4如图为两级运放组成的电路，已知 ui1 =0.1 V，ui2 =0.2 V，ui3 =0.3 V，求 uO。ui1ui2ui3 + uO 30 k30 k30 k10 k10 k10 k10 k10 k返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用第一级为加法运算电路： 解：第二级为减法运算电路： F1 12 F1 11uO1=( ui1 ui2 )= 0.3 VR5R4 + R5RF2R3 (1 ) ui3 RF2R3 uO1 uO= = 0.6 V返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用4.1 集成运算放大器在信号运

9、算电路中的应用返回主目录例4.1.5 右图所示为一加减混合运算电路，已知R1= R2 = R3 = R4，R5 = RF 。求此电路的输出电压uo 的表达式 。uo+R1R2R3R4RFui1ui2ui3ui4R54.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用返回主目录利用叠加原理求解此题。当ui1单独作用时：uo1 = ui1RFR1当ui2单独作用时：uo2 = ui2RFR1 当ui3单独作用时， R1与R2 并联接地， R4与R5 并联接地，其上的电压 是从同相 输入端输入的电压，根据同相比例运算得：R4RFR3 + R4Rfui3（ ）RFR1R2uo3 = 1 + uiR4R5R3

10、+(R4R5)解:5. 积分运算uo+CuiR1uu+RPi1iF+ uC0uit0uotui t1R1CUOM阶跃响应u= u+= 0uC= uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodtuo =ui dt1R1C积分时间常数返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用注意：1. 当 ui 为阶跃电压时, uO随时间线性积分到负饱和值为止。2. 平衡电阻： RP = R1 积分电路的用途：1. 在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。例：将方波变为三角波。3. A/D转换中，将电压量变为时间量。4. 移相。返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运

11、算电路中的应用6. 微分运算uo+CuiRFuu+RPi1iF+ uC0uit0uot阶跃响应u= u+= 0uC= uiif = i1i1 = CduCdtduiuo =RF Cdt微分时间常数返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用iF =uoRF注意：1. 当 ui 为阶跃电压时, uO 为尖脉冲电压。 2. 平衡电阻： RP = RF 返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用例4.1.6 已知输入 ui 的波形如图所示，试画出输出uo 的波形。设 5 Rf Ctp 。uo+CuiRFR2解：uo =RFCduidt

12、tui0tuo0+Uitpt1 t2返回主目录4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用返回主目录例4.1.7 下图所示电路是广泛应用与自动调节系统中的比例积分微分电路。试求该电路uo与ui的关系式 。uo+CFuiR1C1R2RF4.1 集成运算放大器在信号运算电路中的应用返回主目录 由于u+ = u = 0，“” 端为虚地端，因此uo = (RF iF + iF dt ) 1 CFiF = i1 = + C1ui R1 dui dt代入上式，得：uo = ui + RF C1 + + C1 dt RFR1 dui dt 1 Cfui R1) dui dt(C1CF =RFR1 1 R1C

13、F) dui dt(+ui + RF C1 ui dt解:4.2 测量放大器 返回主目录 在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等) 的变化转换为电信号(电压或电流) ，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小 ( 一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。 4.2 测量放大器 返回主目录测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。 一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。4.2 测量放大器 返回

14、主目录1. 测量放大器的原理电路ui1+R2+uo2uo1uoR6R6R4R4+R2R1+ui2ui+A2A1A3+4.2 测量放大器 返回主目录对A1和A2有对A3有4.2 测量放大器 返回主目录 改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 4.3.1 滤波器的概念滤波器：是用来获得信号中有用的频率成分，滤除信号中无用的频率成分的电子装置。 滤波电路传递函数定义：滤波电路时，有其中 模，幅频响应 相位角，相频响应返回主目录分类：4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 按所处理的信号分类：模拟滤波器数字滤波器按所用元件分类：无源滤波器：有源滤波器： 由R

15、、C或R、L等组成 由R、C元件和运算放大器共同组成。返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 按允许通过的频率范围分：低通滤波电路（LPF）：允许低于某一上限截止频率 以下的信号通过，阻止高于此频率的信号通过。高通滤波电路（HPF）：允许高于某一下限截止频率 以上的信号通过，阻止低于此频率的信号通过。返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 带通滤波电路（BPF）：允许通过的信号频率仅在某两个截止频率之间的一段范围内。带阻滤波电路（BEF）：在某两个截止频率之间的一段范围内的信号不能通过。返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 各类滤波器理想幅频特性和实

16、际滤波器特性返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 4.3.2 有源滤波器1. 一阶有源低通滤波器CRF R1 R Uo Ui 在 RC 回路 中， 根据同相比例运算电路 RF R1 = (1 ) U= UC =RjXC Ui jXC1j RC Ui=Uo = (1RF R1 ) U+ 1j RC Ui返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 1jRC =RF R1 1 RF R1 1 | Auf | = 1(RC)2 幅频特性 c | Auf |1 O | AFP | | AFP |当= 0 时， | Aufo | = RFR1 1 | AFP| =Auf = Uo

17、 Ui返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 上式中， c 称为截止角频率 。 频率小于c 的信号可以通过。 当 = c = 时,RC 1| AFP| Auf | = 12RFR1（1 ） = 12返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 RR1RFC+-+CRP2. 二阶有源低通滤波器选频电路由两个RC环节构成的滤波电路称为二阶滤波电路。右图为二阶有源低通滤波电路的一种形式返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别如下图：阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 -3

18、dBAuf理想低通一阶低通二阶低通0返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 返回主目录3. 一阶有源高通滤波器CRF R1 R Uo Ui 在 RC 回路中： R j C 1= Ui U+ R=Ui1 jRC1根据同相比例运算电路，可得 RF R1 = (1 ) RF R1 Uo = ) U+ (1 Ui1 jRC14.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 返回主目录Ui=UoRFR1 1 1 jRC 1Auf = RF R1 1 | Auf | = 12RC 1( ) 幅频特性 c | Auf |1 O | AFP | | AFP |4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用

19、 RFR1 1 | AFP| =当= 时， | Auf | =RC 1当 = c = 时， |AFP| | Au | =2=21RFR1 (1 ) 频率大于 c 的信号可以通过。 返回主目录4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 返回主目录4. 二阶有源高通滤波器 与低通滤波电路类似，一阶电路在低频处衰减较慢，为使其幅频特性更接近于理想特性，可再增加一级RC组成二阶滤波电路下图所示。欲得到更加理想的滤波特性，可将多个一阶或二阶滤波电路串接起来组成高阶高通滤波器。 4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 返回主目录 二阶有源高通滤波器4.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用 返回主目录

20、5. 带通和带阻滤波器将截止频率为fh的低通滤波电路和截止频率为fl的高通滤波电路进行不同的组合，就可以得到带通滤波电路和带阻滤波电路。将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路串联连接即可组成带通滤波电路，fhfl才能组成带通电路。一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联连接组成的带阻滤波电路，所以fh1 ，过渡到 AuF =1，从而达到稳幅振荡。(3) 选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波，即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件；4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录4.4.2 LC正弦振荡器1. LC并联回路的特性CLRuiLici电路等效阻抗4.4 集成运算放大器在信号产

21、生方面的应用 返回主目录1） 谐振频率 f02） 谐振阻抗 Z03） 回路品质因数 Q 4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录4）频率特性0Z Z 0Q 大Q 小0f90-90Q 增大幅频特性相频特性4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录2. 变压器反馈式振荡电路正反馈uf+LC+UCCRLC1RB1RB2RECE放大电路选频电路反馈网络4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录3. 电感反馈式振荡电路放大电路选频电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC反馈电压取自L2振荡频率通常改变电容 C 来 调节振荡频率。振荡频率一般在几十MHz以下。4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录2. 电容三点式振荡电路反馈电压取自C2放大电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相选频电路4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。振荡频率 振荡频率可达100MHz以上。4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录R1C1R2C2OUfU4.4.3 RC正弦振荡电路1. RC串并联网络的频率特性式中 ：4.4 集成运算放大器在信号产生方面的应用 返回主目录 分析上式可知：仅当 = o时， 达最