集成运放的应用电路教案课件

集成运放的应用电路集成运放的应用电路12由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。一、在分析信号运算电路时对运放的处理+-第1页/共109页2由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析3运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)uu(Auoo-+-=即2.理想运放的输入电流等于零所以两个输入端均没有电流虚短虚断第2页/共109页3运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)4运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP1.理想运放的输出电压Uo只有两种可能当2.理想运放的输入电流等于零例：若UOPP=12V，Ao=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。不再有“虚短”的关系第3页/共109页4运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP15二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用+-第4页/共109页5二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路信号的放大、运算有6比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。7.2基本运算电路第5页/共109页6比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反7为提高精度，一般取1.比例运算电路由第4章可知，电路为电压并联负反馈电路。即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。（1）反相比例运算电路利用虚短和虚断得

运算放大器输入端无共模信号运算电路输入电阻较小

由于运放的增益一般有，所以输出与输入反相平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。第6页/共109页7为提高精度，一般取1.比例运算电路由第4章可知，电路为电8共模电压反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！第7页/共109页8共模电压反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！第7页/共109反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，ri=ui/ii=R1，因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。第8页/共109页9反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共10例：求Au=?I1I2I4I3Muo_+R2R1RPuiR4R3利用虚断的概念当R3<<R2时，I3>>I1因而I4＝（I2＋I3）比I1大得多该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。第9页/共109页10例：求Au=?I1I2I4I3Muo_+R2R1RPu112.同相比例运算电路uN=u_P=ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。虚短虚断结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。第10页/共109页112.同相比例运算电路uN=u_P=ui反馈方式：电压12同相比例电路的特点：3.因为u-=u+=ui，不存在“虚地”现象，共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。第11页/共109页12同相比例电路的特点：3.因为u-=u+=ui，不存在“13此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。第12页/共109页13此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中14求和运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。第13页/共109页14求和运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。151.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2RfR1vS2vS1iIvON+-Rp第14页/共109页151.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，16uo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。i12ifi11R12_++RfR11ui2RPui1第15页/共109页16uo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电172.同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2第16页/共109页172.同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，18此电路如果以u+为输入，则输出为：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）-R1RF++ui1uoR21R22ui2第17页/共109页18此电路如果以u+为输入，则输出为：注意：同相求和电19左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.节点电位法求u+。-R1RF++ui1R21R22ui2R´uo第18页/共109页19左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：20uo解出：减运算电路（差动放大器）_+RfR1R1ui2R2ui1第19页/共109页20uo解出：减运算电路（差动放大器）_+RfR1R1ui221差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。Rf_+R1R1ui2R2ui1第20页/共109页21差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=222单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。uoR2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第21页/共109页22单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个23虚短路虚开路虚开路R2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第22页/共109页23虚短路虚开路虚开路R2_+R5R1ui2ui1R4ui424例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第23页/共109页24例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使解:(125(2)求各电阻值。uo=10ui1+8ui2-20ui3-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第24页/共109页25(2)求各电阻值。uo=10ui1+8ui2-26优点：元件少，成本低。缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。第25页/共109页26优点：元件少，成本低。缺点：要求R1//R2//R5=R27双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6第26页/共109页27双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R228例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5V第27页/共109页28例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现29uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k第28页/共109页29uo=0.5ui+2.5V30三运放电路uouo2uo1R1R1–A3R2R2++A1–A2RRRWui1ui2ab+第29页/共109页30三运放电路uouo2uo1R1R1–A3R2R2++A131虚断：虚短：+A–ARRRWui1ui2ab+第30页/共109页31虚断：虚短：+A–ARRRWui1ui2ab+第30页/32三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。R1R1–AR2R2+第31页/共109页32三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。R1R1–AR2R33例：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt

：热敏电阻集成化:仪表放大器uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第32页/共109页33例：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt：热敏电阻集34Rt=f(T°C)uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第33页/共109页34Rt=f(T°C)uoR1R1R2R2+RRRWE=+351.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结第34页/共109页351.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.36uit0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算应用举例1：积分运算电路i1iFui-+RR2Cuo第35页/共109页36uit0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算应用举37u–=u+=0uit0t0uo若输入：则：-=)90sin(coso-=tRCtRCuoww微分运算ui–+uoRR2i1iFC微分运算电路第36页/共109页37u–=u+=0uit0t0uo若输入：则：-=)9038tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。第37页/共109页38tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积39其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。积分电路的主要用途：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。第38页/共109页39其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路40比例、积分、微分运算电路---PID电路调节电路第39页/共109页40比例、积分、微分运算电路---PID电路调节电路第39页41uiuo∞

++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF-+A1比例积分运算电路-PI调节器比例微分运算电路-PD调节器uiuo∞

++-R2CFi1R1PD调节器ifucR-+A1C第40页/共109页41uiuo∞++-R2CFi1R1PI调节器i42运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)”和“虚短(u+=u–)

”分析给定运算电路的放大倍数。第41页/共109页42运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路43

1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。

2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。

3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。7.3非正弦波产生电路电压比较器第42页/共109页431.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考44一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。第43页/共109页44一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入45二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。第44页/共109页45二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UO46一、单限电压比较器1.过零比较器由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以当uI<0时，uO=+

UOM；当uI>

0时，uO=-

UOM

；过零比较器的传输特性为：uIuO+UOM-UOMOUOM

为集成运放的最大输出电压。阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。第45页/共109页46一、单限电压比较器1.过零比较器由于理想运放的开环差47利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？第46页/共109页47利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+48问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波第47页/共109页48问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出492.单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。当输入电压uI变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是门限电平为零的单限比较器。R1R2第48页/共109页492.单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等50存在干扰时单限比较器的uI、uO

波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。第49页/共109页50存在干扰时单限比较器的uI、uO波形单限比较器51电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH

和输出低电平UOL

。（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN

，解得输入电压就是阈值电压UT。（3）u0在uI

过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，结论相反。第50页/共109页51电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输52[例在图所示电路中，UZ=±6V，在图中所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压均为图（a）所示的三角波。试画出图所示电路的输出电压u01和图所示电路的输出电压u02

解图为过零比较器图为一般单限比较器。图例波形图R1R2第51页/共109页52[例在图所示电路中，UZ=±6V，在图中所示电路中，532.滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压UT电压传输特性uo从+UZ跃变到-UZ的

阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ的

阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化第52页/共109页532.滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈54

UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP=uN时，输出电压的状态发生跳变。比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+二、加了参考电压的滞回比较器第53页/共109页54UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压55若uO=

UZ

，当uI

逐渐减小时，使uO由UZ

跳变为UZ

所需的门限电平UT-

回差(门限宽度)UT

：若uO=UZ

，当uI

逐渐增大时，使uO由+UZ

跳变为-UZ

所需的门限电平UT+第54页/共109页55若uO=UZ，当uI逐渐减小时，使u56[例已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图例波形图±

UZ

＝±9V图7.3.4滞回比较器电路uO/Vt0+9-9第55页/共109页56[例已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图573.窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若uI低于UREF2

，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD1

截止，VD2导通，输出电压uO为高电平；若uI高于UREF1

，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD2

截止，VD1

导通，输出电压uO为高电平；图

双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。第56页/共109页573.窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若58当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VD1

、VD2

均截止，输出电压uO为低电平；

上门限电平UTH=UREF1；

下门限电平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号uI<UREF2

或uI>UREF1时，输出为高电平；而当UREF2<

uI<

UREF1时，输出为低电平。图

(b)第57页/共109页58当uI高于UREF2而低于UREF1时59补充：集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型第58页/共109页59补充：集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：60二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。±5V双电源供电，逻辑电源为5V。±15V双电源供电，逻辑电源为5V。第59页/共109页60二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD612.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功能图由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性第60页/共109页612.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反62矩形波发生电路一、电路组成RC

充放电回路滞回比较器图

7.3.8滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）动画avi\14-1.avi第61页/共109页62矩形波发生电路一、电路组成RC充放电回路滞回图7.63二、工作原理设t=0时，uC=

0，uO=+UZ则tOuCOuOtu+u-当u-=uC

=u+

时，t1t2则当u-=uC

=u+

时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=-UZ图

第62页/共109页63二、工作原理设t=0时，uC=0，uO=64三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图

7.3.10振荡频率f=1/T第63页/共109页64三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结65四、占空比可调的矩形波发生电路图

7.3.11a使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2占空比D图

第64页/共109页65四、占空比可调的矩形波发生电路图7.3.11a使电66三角波发生电路一、电路组成图采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波第65页/共109页66三角波发生电路一、电路组成图采用波形变换的方法得到三角67二、工作原理当u+=u-

=0时，滞回比较器的输出发生跳变。图

实用电路左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路图

7.3.12R3R4传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI第66页/共109页67二、工作原理当u+=u-=0时，滞回比较器的68二、工作原理OuO1tOuOt当u+=u-

=0时，滞回比较器的输出发生跳变。图

图

7.3.13R3R4设t=0时，uO1=+UZ

u0=0第67页/共109页68二、工作原理OuO1tOuOt当u+=u-=069三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当u+=u-

=0时，uO1跳变为-UZ，uO

达到最大值Uom

。振荡周期调节电路中的R1、

R2、R3阻值和C的容量，可改变振荡频率，调节R1、

R2的阻值，可改变三角波的幅值。第68页/共109页69三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当u+=70图

7.3.15a锯齿波发生电路一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期图

正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。动画avi\14-4.avi第69页/共109页70图7.3.15a锯齿波发生电路一、电路组成OuO1tO71补充：函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构（ICL8038）③

②1.二个电流源2.二个同相输入单限比较器3.RS触发器4.二个缓冲电路5.三角波变正弦波电路第70页/共109页71补充：函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波72当Q=0，S断开，C充电(IS1)至2/3VCCQ=1当Q=1，S闭合，C放电(IS2

-IS1)至1/3VCCQ=0当IS2

=2IS1，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；当IS2

<2IS1，引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。二、工作原理Qn+1=S+RQn③

②第71页/共109页72当Q=0，S断开，C充电(IS1)至2/73三、性能特点12345678ICL803814131211109正弦波失真度调整正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出矩形波输出调频偏置电压输入调频偏置电压输出接电阻RA接电阻RB接电容C+VCC-VEE

(或地)8.3.20

ICL8038的引脚图ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。第72页/共109页73三、性能特点12345678ICL1413121110974四、常用接法第73页/共109页74四、常用接法第73页/共109页75调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RW1RP4

RW2+VCC-VEERRAICL803845131011128RBRP3CC1692图失真度减小和频率可调电路第74页/共109页75调占空比和正弦波失真调调占空比和正弦波失真RW1RP476滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类:低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2.按所用元件分类7.4有源滤波器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类:一阶，二阶…

高阶第75页/共109页76滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类:77传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义第76页/共109页77传递函数：幅频特性相频特性滤传递函数的定义第76页/共178低通高通带通带阻四种典型的频率特性第77页/共109页78低通高通带通带阻四种典型的频率特性第77页/共179无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）传递函数：RCR第78页/共109页79无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）传递函数：RCR第7801.带负载能力差。2.无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。截止频率处：010.707o截止频率此电路的缺点：第79页/共109页801.带负载能力差。2.无放大作用。3.特性不理想，81将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCR第80页/共109页81将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCR第882有源滤波器的优点：1.不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。第81页/共109页82有源滤波器的优点：1.不使用电感元件，体积小重量轻。283有源滤波器的缺点：1.不宜用于高频。2.不宜在高电压、大电流情况下使用。3.可靠性较差。4.使用时需外接直流电源。第82页/共109页83有源滤波器的缺点：1.不宜用于高频。2.不宜在高电压84一、一阶有源低通滤波器传递函数中出现

的一次项，故称为一阶滤波器。RR1RFC+-+第83页/共109页84一、一阶有源低通滤波器传递函数中出现的一次项，故称为85幅频特性：相频特性：第84页/共109页85幅频特性：相频特性：第84页/共109页86有放大作用3.运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2.=o时1.=0

时第85页/共109页86有放大作用3.运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无87解出：其中：RR1RFC+-+CRP二、二阶有源低通滤波器传递函数中出现

的二次项，故称为二阶滤波器。第86页/共109页87解出：其中：RR1RFC+-+CRP二、二阶有源低通滤波8803dB第87页/共109页8803dB第87页/共109页89R1=

时：AF=1

=o时：RC+-+CRP第88页/共109页89R1=时：AF=1=o时：RC+-+CRP90RR1RFC+-+RR1RFC+-+由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器例：两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。分析简单第89页/共109页90RR1RFC+-+RR1RFC+-+由低阶有源滤波器构成91一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：-3dBAF理想低通一阶低通二阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。0第90页/共109页91一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：-3dBAF理想低92如何组成高通滤波器？将低通滤波器中的R、C对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+低通滤波器R1RF+-+高通滤波器R第91页/共109页92如何组成高通滤波器？将低通滤波器中的R、C对调，低通滤93三、一阶有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R第92页/共109页93三、一阶有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R第92页94幅频特性：0o第93页/共109页94幅频特性：0o第93页/共109页95四、带通滤波电路(BPF)只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。低通高通fp1fO低通ffp2O高通阻阻fp1fp2fO通图

第94页/共109页95四、带通滤波电路(BPF)只允许某一段频带内的信号通96压控电压源二阶带通滤波电路——中心频率——通带电压放大倍数图

7.4.8——比例系数fbw=

fp1–

fp2=f0/Q——通频带第95页/共109页96压控电压源二阶带通滤波电路——中心频率——通带电压放大倍97五、带阻滤波器(BEF)在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通图

第96页/共109页97五、带阻滤波器(BEF)在规定的频带内，信号被阻断，98常用有源带阻滤波电路——中心频率——通带电压放大倍数图

7.4.9常用有源带阻滤波电路第97页/共109页98常用有源带阻滤波电路——中心频率——通带电压放大倍数图99阻带宽度BW＝fp2–

fp1＝f0

/Q7.4.10带阻滤波器的幅频特性六、全通滤波电路图7.4.11全通滤波电路第98页/共109页99阻带宽度BW＝fp2–fp1＝f0/Q7.4.100集成运放的其他应用：电压源、电流源与电压、电流、电阻的测量电压源的要求：输出电阻小。所以，要有电压负反馈。电路组成：比例放大器。一、电压源_++R2R1RPUoUs反向比例放大器组成的电压源第99页/共109页100集成运放的其他应用：电压源、电流源与电压、电流、电阻的101电路特点:1.输出电压的大小调节方便。2.同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。3.反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。4.同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。第100页/共109页101电路特点:1.输出电压的大小调节方便。第100页/共102要求：输出电阻大。所以，要有电流负反馈。_++R2R1RPUsRFRLFIL负载悬地！二、电流源I1I2第101页/共109页102要求：输出电阻大。所以，要有电流负反馈。_++R2103R1R1++AR2R2uoUsRLIL负载接地的电流源自己推导第102页/共109页103R1R1++AR2R2uoUsRLIL负载接地的电流源104指针式万用表的缺点：（1）不能测量微小电压和微小电流；（2）万用表的内阻不是0或，因此引起误差；（3）作交流测量时，表盘刻度是非线性的，影响精度。三、电压、电流与电阻的测量第103页/共109页104指针式万用表的缺点：（1）不能测量微小电压和微小电流；105把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。_++RFRGF输入电阻大，相当于电压表的内阻是。IG正比于UX若：RF=10，表头的满偏电流IGmax=100A，则：满偏电压

Uxmax=IGmaxRF=1mV1.电压表UxIG虚短路虚开路第104页/共109页105把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。_++106此电路的优点：(1)量程由表头的满偏电流IG和电阻RF决定。RF选用小电阻，能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小；(3)测量值与表头内阻RG无关，表头的互换性好；(4)RF小，可以做得较精密。因此能较准确地测量小电压。UX=UF=RF

IG第105页/共109页106此电路的优点：(1)量程由表头的满偏电流IG和107电压表扩大量程_++RFRGFIG1mV表头分压电阻的计算取R1=100kR2=900k,R3=1MR1R2R31mV10mV100mV第106页/共109页107电压表扩大量程_++RFRGFIG1mV表头分压电108_++RFRGF1mV表头10010A10100A11mA表头的满偏电压UG=IGRF=1mV2.电流表+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX第107页/共109页108_++RFRGF1mV表头10010A101109_++RFRGF3.电阻表IGRUsRXUX1mV表头第108页/共109页109_++RFRGF3.电阻表IGRUsRXUX1110感谢您的观看。第109页/共109页110感谢您的观看。第109页/共109页集成运放的应用电路集成运放的应用电路111112由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。一、在分析信号运算电路时对运放的处理+-第1页/共109页2由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析113运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)uu(Auoo-+-=即2.理想运放的输入电流等于零所以两个输入端均没有电流虚短虚断第2页/共109页3运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)114运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP1.理想运放的输出电压Uo只有两种可能当2.理想运放的输入电流等于零例：若UOPP=12V，Ao=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。不再有“虚短”的关系第3页/共109页4运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP1115二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用+-第4页/共109页5二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路信号的放大、运算有116比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。7.2基本运算电路第5页/共109页6比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反117为提高精度，一般取1.比例运算电路由第4章可知，电路为电压并联负反馈电路。即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。（1）反相比例运算电路利用虚短和虚断得

运算放大器输入端无共模信号运算电路输入电阻较小

由于运放的增益一般有，所以输出与输入反相平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。第6页/共109页7为提高精度，一般取1.比例运算电路由第4章可知，电路为电118共模电压反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！第7页/共109页8共模电压反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！第7页/共10119反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，ri=ui/ii=R1，因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。第8页/共109页9反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共120例：求Au=?I1I2I4I3Muo_+R2R1RPuiR4R3利用虚断的概念当R3<<R2时，I3>>I1因而I4＝（I2＋I3）比I1大得多该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。第9页/共109页10例：求Au=?I1I2I4I3Muo_+R2R1RPu1212.同相比例运算电路uN=u_P=ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。虚短虚断结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。第10页/共109页112.同相比例运算电路uN=u_P=ui反馈方式：电压122同相比例电路的特点：3.因为u-=u+=ui，不存在“虚地”现象，共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。第11页/共109页12同相比例电路的特点：3.因为u-=u+=ui，不存在“123此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。第12页/共109页13此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中124求和运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。第13页/共109页14求和运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。1251.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2RfR1vS2vS1iIvON+-Rp第14页/共109页151.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，126uo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。i12ifi11R12_++RfR11ui2RPui1第15页/共109页16uo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电1272.同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2第16页/共109页172.同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，128此电路如果以u+为输入，则输出为：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）-R1RF++ui1uoR21R22ui2第17页/共109页18此电路如果以u+为输入，则输出为：注意：同相求和电129左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.节点电位法求u+。-R1RF++ui1R21R22ui2R´uo第18页/共109页19左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：130uo解出：减运算电路（差动放大器）_+RfR1R1ui2R2ui1第19页/共109页20uo解出：减运算电路（差动放大器）_+RfR1R1ui2131差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。Rf_+R1R1ui2R2ui1第20页/共109页21差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2132单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。uoR2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第21页/共109页22单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个133虚短路虚开路虚开路R2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第22页/共109页23虚短路虚开路虚开路R2_+R5R1ui2ui1R4ui4134例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第23页/共109页24例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使解:(1135(2)求各电阻值。uo=10ui1+8ui2-20ui3-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第24页/共109页25(2)求各电阻值。uo=10ui1+8ui2-136优点：元件少，成本低。缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。第25页/共109页26优点：元件少，成本低。缺点：要求R1//R2//R5=R137双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6第26页/共109页27双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2138例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5V第27页/共109页28例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现139uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k第28页/共109页29uo=0.5ui+2.5V140三运放电路uouo2uo1R1R1–A3R2R2++A1–A2RRRWui1ui2ab+第29页/共109页30三运放电路uouo2uo1R1R1–A3R2R2++A1141虚断：虚短：+A–ARRRWui1ui2ab+第30页/共109页31虚断：虚短：+A–ARRRWui1ui2ab+第30页/142三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。R1R1–AR2R2+第31页/共109页32三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。R1R1–AR2R143例：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt

：热敏电阻集成化:仪表放大器uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第32页/共109页33例：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt：热敏电阻集144Rt=f(T°C)uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第33页/共109页34Rt=f(T°C)uoR1R1R2R2+RRRWE=+1451.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结第34页/共109页351.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.146uit0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算应用举例1：积分运算电路i1iFui-+RR2Cuo第35页/共109页36uit0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算应用举147u–=u+=0uit0t0uo若输入：则：-=)90sin(coso-=tRCtRCuoww微分运算ui–+uoRR2i1iFC微分运算电路第36页/共109页37u–=u+=0uit0t0uo若输入：则：-=)90148tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。第37页/共109页38tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积149其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。积分电路的主要用途：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。第38页/共109页39其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路150比例、积分、微分运算电路---PID电路调节电路第39页/共109页40比例、积分、微分运算电路---PID电路调节电路第39页151uiuo∞

++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF-+A1比例积分运算电路-PI调节器比例微分运算电路-PD调节器uiuo∞

++-R2CFi1R1PD调节器ifucR-+A1C第40页/共109页41uiuo∞++-R2CFi1R1PI调节器i152运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)”和“虚短(u+=u–)

”分析给定运算电路的放大倍数。第41页/共109页42运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路153

1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。

2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。

3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。7.3非正弦波产生电路电压比较器第42页/共109页431.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考154一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。第43页/共109页44一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入155二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。第44页/共109页45二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UO156一、单限电压比较器1.过零比较器由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以当uI<0时，uO=+

UOM；当uI>

0时，uO=-

UOM

；过零比较器的传输特性为：uIuO+UOM-UOMOUOM

为集成运放的最大输出电压。阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。第45页/共109页46一、单限电压比较器1.过零比较器由于理想运放的开环差157利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？第46页/共109页47利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+158问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波第47页/共109页48问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出1592.单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。当输入电压uI变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是门限电平为零的单限比较器。R1R2第48页/共109页492.单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等160存在干扰时单限比较器的uI、uO

波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。第49页/共109页50存在干扰时单限比较器的uI、uO波形单限比较器161电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH

和输出低电平UOL

。（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN

，解得输入电压就是阈值电压UT。（3）u0在uI

过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，结论相反。第50页/共109页51电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输162[例在图所示电路中，UZ=±6V，在图中所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压均为图（a）所示的三角波。试画出图所示电路的输出电压u01和图所示电路的输出电压u02

解图为过零比较器图为一般单限比较器。图例波形图R1R2第51页/共109页52[例在图所示电路中，UZ=±6V，在图中所示电路中，1632.滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压UT电压传输特性uo从+UZ跃变到-UZ的

阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ的

阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化第52页/共109页532.滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈164

UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP=uN时，输出电压的状态发生跳变。比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+二、加了参考电压的滞回比较器第53页/共109页54UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压165若uO=

UZ

，当uI

逐渐减小时，使uO由UZ

跳变为UZ

所需的门限电平UT-

回差(门限宽度)UT

：若uO=UZ

，当uI

逐渐增大时，使uO由+UZ

跳变为-UZ

所需的门限电平UT+第54页/共109页55若uO=UZ，当uI逐渐减小时，使u166[例已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图例波形图±

UZ

＝±9V图7.3.4滞回比较器电路uO/Vt0+9-9第55页/共109页56[例已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图1673.窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若uI低于UREF2

，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD1

截止，VD2导通，输出电压uO为高电平；若uI高于UREF1

，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD2

截止，VD1

导通，输出电压uO为高电平；图

双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。第56页/共109页573.窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若168当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VD1

、VD2

均截止，输出电压uO为低电平；

上门限电平UTH=UREF1；

下门限电平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号uI<UREF2

或uI>UREF1时，输出为高电平；而当UREF2<

uI<

UREF1时，输出为低电平。图

(b)第57页/共109页58当uI高于UREF2而低于UREF1时169补充：集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型第58页/共109页59补充：集成电压比较器一、集成电压比较器