模拟电子技术第4章集成运算放大器的应用

4.1信号运算电路4.2信号测量电路4.3信号处理电路4.4信号产生电路(第五章讲)4.5集成串联型稳压电路第4章集成运算放大器的应用14.1.1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。电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部元件有关。4.1信号运算电路2i1=i21）放大倍数虚短虚断1.反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。电压并联负反馈uo_++R2R1RPuii1i2总电流反馈电流净输入电流32）电路的输入电阻ri=R1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。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。RP=R1//R24电位为0，虚地输出电阻小；共模电压为0；“虚地”是反相输入的特点。_++R2R1RPuii1i23）反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小，输入电阻也不大。5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。接近恒压源。3）由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此从信号源取的电流较大。对信号源要求较高。5）在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。4）输入和输出反相。62.同相比例运算电路_++R2R1RPuiuou-=u+=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。udiuf7同相比例电路的特点3）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。4）输入与输出同相，放大倍数大于等于1。8_++uiuo此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。3.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。94.1.2加法和减法运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相加法与反相加法。电路结构：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。101.反相加法运算R12_++R2R11ui2uoRPui1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。11i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用叠加原理虚地122.同相加法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++ui1uoR21R22ui213先求u+与输出关系，则有：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与ui1

和ui2的关系如何？流入运放输入端的电流为0（虚断）叠加原理14-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´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.虚断：流入同相端的电流为0。2.节点电位法求u+。u+15_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：3.减法运算电路：双端输入差动放大器16_++R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，实现了减法运算。该电路的特点：由于采用双端差动输入，故具有高共模抑制比；但是由于有并联负反馈存在，故它的输入电阻不高。17减法运算用叠加原理求解反相比例运算_++R2R1R1ui2uoR2ui118同相比例运算_++R2R1R1ui2uoR2ui119_++R2R1R1ui2uoR2ui1减法运算用叠加原理求解20取R2=R1减法电路既可以得到两个信号的差，又放大两个信号的差。(5)减法运算21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+2.5（V）实现此功能的方法很多22uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k23i1iFui-++RR2Cuo1.反相积分运算由于是反相积分故为负4.1.3积分和微分运算电路24tui0tuo0U-UomTM积分时限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。恒流充电，故积分效果好。几乎线性，不是指数充电。25tui0tuo0输入方波，输出是三角波也可以构作同相微分和同相积分电路，则输出为正，输入与输出同相。波型变换26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.移相等。27比例-积分运算电路uoCFuiR2R1++––++–RFifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。—PI调节器28u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：2.反相微分运算290tuo0tuiui–++uoRR2i1iFC反相微分运算30比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC314.2.1电压表电路4.2信号测量电路1.直流电压表电路IG正比于UX虚短虚断_++RFRGF输入电阻大，相当于电压表的内阻是。若：RF=10，表头的满偏电流IGmax=100A，则：满偏电压

Uxmax=IGmaxRF=1mV32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

IG33电压表扩大量程_++RFRGFIG1mV表头分压电阻的计算取R1=100kR2=900kΩ,R3=1MΩR1R2R31mV10mV100mV342.交流电压表电路_++D2D1D4D3uxuoRF整流桥把交流变成直流;ux>0时，电流由输出端经D2、表头、D4和电阻RF入地，uo>0;ux<0时，电流经由电阻RF、D1、表头和D3流入输出端，uo<0;表头电流方向不变。表头指示值与反馈电阻无关，即表头的内阻和二极管的非线性电阻不会影响测量精度。35_++RFRGF1mV表头10010A10100A11mA表头的满偏电压UG=IGRF=1mV4.2.2电流表电路+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX1.直流电流表电路362.交流电流表电路_++D2D1D4D3ix交流电流表电路与交流电压表电路类似，但被测电流从反相端引入。流过表头的电流为被测正弦电流ix的全波整流平均值Iav。37_++RFRGF3.电阻表IGRUsRXUX1mV表头384.2.3测量放大器电路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+39uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短：虚断：40因具有差动输入结构，故有高共模抑制比。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+41例

:由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻集成化:仪表放大器选择合适的电阻，使输出电压与温度之间有某一比例关系，由此可实现温度测量及控制。测温电桥42Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtui43

4.3信号处理电路4.3.1RC有源滤波电路

滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。

无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。

有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。优点：体积小、效率高、频率特性好。按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。441.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––设输入为正弦波信号,则有45若频率为变量，则电路的传递函数其模为幅频特性0|Auf0||T(j)|O46当

>0时，|T(j)|衰减很快显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使>

0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一阶二阶幅频特性0|Auf0||T(j)|O472.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1+–+–设输入为正弦波信号，则有48可见，电路使频率大于0的信号通过，而小于0的信号被阻止，称为有源高通滤波器。若频率为变量，则电路的传递函数其模为幅频特性0|Auf0||T(j)|O49++uouiURuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)UR当ui<UR时,uo=+Uo(sat)当ui>UR时,uo=-Uo(sat)

1.任意电压比较器（单阈值比较器，UR不为零）a.反相端输入信号UR：参考电压ui

：被比较信号4.3.2电压比较器50uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)URUR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uo(sat)当ui<UR时,uo=-Uo(sat)

b.同相端输入信号传输特性51uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)++uoui2.过零比较器(UR=0时)++uouiuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)传输特性曲线ui>0则输出为正，反之为负。ui<0则输出为正，反之为负。52++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom方波与正弦波同相。问：若反相输入则如何？可实现过零检测53++uouiRRLDCuo1uo2例：画出输出电压uO1，uO2，uO的波形。tuituo1tuo2tuo54++uiuoui0+UZ-UZ改进电路++uiuoUZRR´电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上uoUZR注意此电阻不可少(用稳压管进行限幅)55单阈值比较器的特点:1.电路简单。2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。uiuo饱和区线性放大区+Uo(sat)-Uo(sat)tuiuo过零附近仍处于放大区t561.下行迟滞比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+Uo(sat))：U+3.当uo负饱和时(uo=–Uo(sat))：－++uoRR2R1ui特点：电路中有正反馈。a.参考电压为零3.迟滞比较器（双阈值比较器)57分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差电压。当ui增加到UH时，输出由Uo(sat)跳变到-Uo(sat)

；－++uoRR2R1ui当ui减小到UL时，输出由-Uo(sat)跳变到Uo(sat)。传输特性uoui0Uo(sat）-Uo(sat)UHUL小于回差的干扰不会引起跳转(抗干扰)。正程逆程58tuiUo(sat)-Uo(sat)tuiUHUL例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1ui特点：上下限对称；因为是反相输入故输出与输入反相。因为有回差，所以抗干扰能力强。干扰跳变沿更陡59b.参考电压不为零加上参考电压后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL呈现不对称性回差只与电源电压及电阻R1和R2有关，而与参考电压无关。60下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:－++uoRR2R1uiuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL61例:

R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL5V10Vuit062首先计算上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR63+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。uiuott10V5V002V－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL2V10V64c.加限幅的迟滞比较器电路在输出端加上双向稳压管进行限幅。思考题：如何计算上下限？uoUZ－++RR2R1ui65－++RR2R1uiuoUZ另一种加限幅的迟滞比较器电路664.3.3半波精密整流电路-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2反馈回路中接入二极管，可以对小于死区电压的信号进行整流，从而提高测量精度。67-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2当ui>0时，D1导通D2截止，uo=0。当ui<0时，D2导通D1截止，反相比例。tuituO00Um实际上当uo1-uo<UD

(D2死区电压)时，D2仍截止。68则D2只有在时导通。当uo1

-uo≥UD

(D2死区电压)时，D2才导通：当uo1-uo

<UD

(D2死区电压)时，D2仍截止，电路如上图，运放工作在开环状态。uo1=Auouiuo=0

(虚地)-+RFuo+R1R2uo1uiD269模拟开关模拟输入信号1.电路4.3.4采样保持电路

SuC+–ui+–uo+–++–

采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器702.工作原理1.电路采样阶段：

uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，

ui对存储电容C充电，uo=uC

=ui。保持阶段：

uG为0，S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+–ui+–uo+–++–uG714.4节在第五章讲724.5集成串联型稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、线性稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论线性稳压电路。73调整元件--T+_UI++UO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件T--与负载串联，通过全部负载电流。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器--可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压--可由稳压管稳压电路组成。取样电路--取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。741.串联式直流稳压电路的基本形式由于采用了射极输出器，所以带负载的能力增强。Uo=UZ-UBETUORL+–+–UZUIiRiZiL两个主要缺点：(1)稳压效果不好，输出电压受稳压管影响。(2)输出电压不可调。

改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。752.改进的串联型稳压电源UoVB2UBE2(=VB2-UZ）VC2Uo当UI增加或输出负载变化使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIVB2C2利用电压负反馈稳定输出电压a.稳压原理76b.输出电压可调R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2（滑动头