模拟电子技术 课件 16 集成运放基本运算放大器 -20 滤波器基础知识

模拟电子技术梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试梁长垠教授加法运算电路01加减运算电路02积分运算电路03微分运算电路04一、加法运算电路1.反相加法电路反相加法电路根据虚断、虚短概念可知，

iN=iP=0，i1+i2=if，uN=uP=0，即于是有若R1=R2=RF，则平衡电阻R3=R1//R2//RF一、加法运算电路2.同相加法电路同相加法电路根据虚断的概念，i3=iF，即根据虚断的概念，i1=i2=0，即根据虚短的概念，uN=uP，即若R1//R2=R3//RF，则若R1=R2=R3=RF，则加法运算电路01加减运算电路02积分运算电路03微分运算电路04二、加减运算电路1.电路结构2.工作原理电路的输出电压与同相输入信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因此如果多个信号同时作用于两个输入端时，必然可以实现加减运算功能。加减运算电路假设R1//R2//Rf=R3//R4//R5若同相输入端与反相输入端各有一个输入信号，则此电路就是前面讲过的差分放大电路。加法运算电路01加减运算电路02积分运算电路03微分运算电路04三、积分运算电路1.电路结构2.工作原理输出电压与输入电压之间呈积分关系。利用积分电路可以把方波变换成三角波，把矩形脉冲变换成锯齿波）等功能。积分运算电路设电容器C上初始电压，随着充电过程的进行，电容器C两端的电压为根据“虚地”概念，有式中RC为电路的时间常数。为使积分器正常工作，回路时间常数应远大于输入脉冲的宽度（至少10倍以上）。三、积分运算电路积分运算电路对积分电路，当输入为常量时，输出电压当输入为阶跃信号时，若t=0时刻电容上的初始电压为零，则输出电压波形如图所示。当输入信号为方波和正弦波时，输出电压波形如下输入为阶跃信号输入为方波信号输入为正弦信号加法运算电路01加减运算电路02积分运算电路03微分运算电路04四、微分运算电路微分运算电路1.电路结构将积分运算电路中的电阻与电容位置对调一下即可构成微分电路。利用微分电路可以把方波变换成正负尖脉冲）等功能。根据“虚地”概念，有2.工作原理故式中RC为电路的时间常数。如果用微分器来产生窄脉冲，回路时间常数应小于输入脉冲的宽度的1/10。四、微分运算电路实用微分运算电路3.实用微分电路分析输入输出波形当输入电压变化时极易使集成运算放大器内部的放电管进入饱和或截止状态，从而造成电路不能正常工作。具体解决办法使在输入端串联一个小电阻用于限制输入电流大小，在反馈电阻上并联一个小电容（用于滞后补偿）和稳压二极管（用于限制输出电压幅度）。若输入为方波信号，且RC<<T/2（T为方波周期），则输出信号为尖脉冲。本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试反馈电路组成01反馈电路类型02反馈判断方法03负反馈电路分析04一、反馈电路组成1.反馈的概念反馈放大登电路组成2.反馈放大电路的组成将放大电路输出量(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的方式返回到输入端，与输入量相叠加，以改善放大电路性能的方法称为反馈。在放大电路中引入反馈后，电路中增加了反馈网络，使电路构成一个闭环系统，称为反馈放大器。无反馈的放大电路为开环系统，称为基本放大器。图中的xi、x0和xf分别表示放大电路的输入量、输出量和反馈量，xid表示基本放大器实际得到的信号，称为净输入信号，它等于输入量xi与反馈量xf的叠加，即反馈电路组成01反馈电路类型02反馈判断方法03负反馈电路分析04二、反馈电路类型1.无反馈、正反馈与负反馈若放大电路的输出回路与输入回路之间不存在反馈网络（或反馈通路），则该放大电路中就不存在反馈。若反馈信号削弱原来的输入信号，使净输入信号减小，则为负反馈；反之，若反馈信号加强原来的输入信号，使净输入信号增加，则为正反馈。一般，在担任放大任务的电路中所引入的都是负反馈。2.直流反馈、交流反馈与交直流反馈在放大电路中，一般都存在着直流分量和交流分量，如果反馈信号只含有直流成分，则称为直流反馈；如果反馈信号只含有交流成分，则称为交流反馈。如果反馈信号既含有直流分量，又有交流分量，则称为交直流反馈。二、反馈电路类型3.电压反馈与电流反馈反馈网络中每一个元件两端的电压都随放大器输出端负载两端电压的变化而变化时，这些元件上的电压称为取样电压。反馈信号属电压量，称为电压反馈，电压负反馈可以稳定输出电压。反馈网络中每一个元件上的电流都随流过负载的输出电流的变化而变化时，这些元件上的电流称为取样电流。反馈信号是元件上其中一部分的电流，则形成电流反馈，电流负反馈可以稳定输出电流。4.并联反馈与串联反馈在反馈放大器输入端，如果信号源、基本放大器和反馈网络三者构成串联回路，形成的反馈为串联反馈；在反馈放大器输入端，如果基本放大器和反馈网络相对信号源构成并联形式，形成的反馈为并联反馈。反馈电路组成01反馈电路类型02反馈判断方法03负反馈电路分析04三、反馈判断方法反馈极性的判别通常采用瞬时极性法。先假设放大电路中某点的瞬时电位升高，即瞬时极性为正，在图中用“+”表示，然后按照信号的传递途径，逐级标出有关点的瞬时电位变化。升高用“+”表示，降低用“-”表示，最后推出反馈信号的瞬时极性，若反馈信号是使净输入信号减弱的是负反馈，否则是正反馈。例：(a）反馈信号使净输入信号减少，是负反馈

(b)反馈信号使净输入信号增加，是正反馈（a）负反馈（b）正反馈1.反馈极性的判断（正负反馈）三、反馈判断方法直流反馈和交流反馈可以通过观察反馈信号是直流量还是交流量来判断，也可以通过画出反馈电路的直流通道和交流通道来判断。例：图(a）中，RF组成的反馈通路既同直流又通交流，属于交直流反馈

图(b)中，RF、CF组成的反馈通路只通交流，属于交流反馈（a）直流反馈（b）交直流反馈2.直流反馈与交流反馈的判断三、反馈判断方法3.电压反馈与电流反馈的判断在反馈放大电路中，若反馈网络与基本放大电路、负载RL并联连接，如图(a)所示，反馈信号取样于输出电压，为电压反馈；若反馈网络与基本放大电路、负载RL串联连接，如图(b)所示，反馈信号取样于输出电流，为电流反馈。电压、电流反馈的判断中通常采用输出短路法，或者根据反馈取样的对象来判断。具体判断方法是假设负反馈放大电路的输出电压为零(即令u0=0),若此时反馈量也随之为零，则说明引入了电压负反馈；若反馈量依然存在，则说明电路中引入了电流负反馈。（a）电压反馈

（b）电流反馈三、反馈判断方法4.串联反馈与并联反馈的判断当反馈网络将反馈的信号回馈到输入端时，输入端的连接方法有并联和串联两种，从而形成了并联反馈和串联反馈。在并联反馈中，反馈信号和输入信号是在输入端以电流方式叠加的。而在串联反馈中，反馈信号和输入信号是在输入端以电压方式叠加的。判断是串联反馈还是并联反馈，可以根据反馈信号与输入信号在输入端引入的节点不同来判断。如果反馈信号与输入信号是在输入端(三极管的基极和发射极可以看作放大电路的两个输端)同一个节点引入，反馈信号与输入信号为电流相加减，则为并联反馈，如图（a）所示；如果它们不在同一个节点引入时，则为串联反馈，如图（b）所示。（a）并联反馈

（b）串联反馈反馈电路组成01反馈电路类型02反馈判断方法03负反馈电路分析04四、负反馈电路分析1.负反馈对放大器性能的影响（1）提高增益的稳定性

稳定性提高到A的(1+AF)倍，满足深度负反馈时，Af≈1/F，只由反馈网络决定（2）减小非线性失真（3）扩展通频带（4）改变输入电阻和输出电阻①电压串联负反馈的输入电阻大、输出电阻小；②电流串联负反馈的输入电阻大、输出电阻大；③电压并联负反馈的输入电阻小、输出电阻小；

④电流并联负反馈的输入电阻小、输出电阻大。BWf=(1+AF)BW

加反馈后非线性失真减小为无反馈时的1／(1+AF)。

必须指出，负反馈只能减小放大电路内部引起的非线性失真，对于信号本身

固有的失真则无能为力。此外，负反馈只能减小而不能消除非线性失真。四、负反馈电路分析2.负反馈电路的四种组态四、负反馈电路分析3.负反馈电路分析（1）电压串联负反馈电压串联交直流负反馈（射极跟随器）电压串联交直流负反馈

（两级直耦放大器）电压串联交直流负反馈

（同相比例放大器）四、负反馈电路分析3.负反馈电路分析（2）电流串联负反馈

电流串联交直流负反馈（分压偏置共射极放大器）电流串联交直流负反馈净输入信号使输入信号减小，属于负反馈；反馈信号与输入信号是在输入端以电压方式叠加的，属于串联反馈；同时由于反馈电压正比于输出电流（uF=i0•R1

），属于电流反馈。因此该电路属于电流串联交直流负反馈。在输入端，反馈网络与基本放大电路相串联，故为串联反馈；在输出端，反馈网络与基本放大电路、负载电阻RL相串联，反馈取样于输出电流i0，假定输出电压被短路时，交流反馈电阻Re仍然传递反馈信号，所以为电流反馈。四、负反馈电路分析3.负反馈电路分析（3）电流并联负反馈

电流并联交直流负反馈电流并联交直流负反馈在输入端，反馈网络与基本放大器并联，属于并联反馈；在输出端，反馈网络与基本放大电路、负载电阻是串联连接，反馈信号iF取样与输出电流i0，是电流反馈；由于反馈电流以分流的方式使流入集成运放的净输入电流减少（iid=iI-iF），所以，该电路是电流并联交直流负反馈。如果将输出端对地短路可以看出，反馈量（反馈电流iF）依然存在，属于电流反馈。由于反馈信号和输入信号是在输入端以电流方式叠加的,是并联反馈；同时看出，净输入电流信号使输入电流信号减小（iid=iI-iF），属于负反馈。因此，该电路属于电流并联交直流负反馈。四、负反馈电路分析3.负反馈电路分析（4）电压并联负反馈

电压并联交流负反馈电压并联交直流负反馈在输入端，反馈网络与基本放大电路相并联，故为并联反馈；在输出端，反馈网络与基本放大电路、负载电阻RL相并联，反馈信号if取样于输出电压u0，故为电压反馈；uF的瞬时负与uid的“+”端相接，反馈信号使净输入信号减小，所以引入的应是负反馈

在输入端，反馈网络与基本放大电路相并联，故为并联反馈；在输出端，反馈网络与基本放大电路、负载电阻RL相并联，反馈信号if取样于输出电压u0，故为电压反馈；设输入电压瞬时为正，由于反相输入，输出为负，反馈电流使净输入信号减小，所以引入的是负反馈

本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试单电源运放结构01单电源运放特点02单电源反相放大器03单电源同相放大器04一、单电源运算放大器结构1.双电源与单电源模型单电源供电3.轨对轨运放（满摆幅放大器）双电源供电双电源的总动态范围、输出电压/电流、精度、负载抗干扰性优于单电源运放；单电源的输入输出电压范围相比供电电源电压来说更大。单电源供电运放的电源电路简单，但是运放的输出只能是单极性，如果需要输出双极性的信号，必须选用双电源供电的运放。2.双电源与单电源性能比较允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，输出端可以输出到Vcc或者Vee电平。单电源放大器结构01单电源放大器特点02单电源反相放大器03单电源同相放大器04二、单电源运算放大器特点（1）单电源供电时，只能用正电源供电，负电源接地。使得输出的动态范围被限制在正电压范围区间，不能提供负的电压输出。（2）单电源供电的同相比例放大器输入信号不能为负值（3）单电源供电的反相比例放大器输入信号不能为正值（4）单电源供电的运放要放大交流信号必须提供合适的偏置电压，由于在大部分的应用中，输入与输出都是参考电源地，所以输入、输出信号都需要加交流耦合电容用来隔离虚地与地之间的直流电压。单电源放大器结构01单电源放大器特点02单电源反相放大器03单电源同相放大器04三、单电源反相放大器1.电路结构2.单电源反相交流放大器若反相输入端输入的信号为小于零的信号（直流或交流的负半周），则放大器的输出电压放大倍数为-Rf/R1。若反相输入端的信号为完整的正弦交流信号，则信号的正半周不能正常放大。单电源反相放大电路单电源反相交流放大电路欲实现对正弦交流信号的正常放大，必须通过在同相输入端加偏置电压的方式来实现。将VCC/2加到同相输入端。按“虚短”概念，反相端静态电压

是VCC/2。在直流等效电路中，所有电容开路，电路是一个电压跟随器，运放直流输出电压为+0.5VCC，电压增益为1，输入失调电压最小。在交流等效电路中，电容短路，电路是一个反相放大器，电压增益为-Rf/R1。在同相输入端有一个旁路电容，可以减小同相输入端的纹波电压和噪声。三、单电源反相放大器3.单电源反相放大器原理仿真4.单电源反相交流放大器原理仿真单电源放大器结构01单电源放大器特点02单电源反相放大器03单电源同相放大器04四、单电源同相放大器1.电路结构2.单电源同相交流放大器若同相输入端输入的信号为大于零的信号（直流或交流的正半周），则放大器的输出电压放大倍数为1+RF/R1。若同相输入端的信号为完整的正弦交流信号，则信号的负半周不能正常放大。单电源同相放大电路单电源同相交流放大电路输入、输出端采用耦合电容将运算放大器电路与前后级进行直流隔离，以防止前后级电路的直流电位对运算放大器的影响；为得到最大输出摆幅，需要将同相输入端偏置在电源电压的一半后作为虚地接到放大器的输入引脚上。由于负反馈的作用，反相输入端的电压也被自举到同一电压值。在直流等效电路中，所有电容开路，且电路的电压益为1，使得输出失调电压最小。运放的直流输出电压为+0.5VCC，而输出耦合电容将该电压与后面的负载相隔离。在交流等效电路中，所有电容短路。当输入交流信号时，被放大的输出信号可以加到负载上。如果采用轨对轨的运放，最大无削波的输出峰峰值为VCC。四、单电源通相放大器3.单电源同相放大器原理仿真4.单电源同相交流放大器原理仿真本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试仪表放大器分类01多运放仪表放大器02集成仪表放大器03仪表放大器应用04一、仪表放大器分类1.仪表放大器作用2.仪表放大器特点3.仪表放大器分类作用是放大微弱信号，尤其是用于处理来自传感器的微弱信号。仪表放大器有时也称为精密放大器、测量放大器或仪用放大器。（1）高放大倍数（2）高输入阻抗（3）高共模抑制比仪表放大器基本仪表放大器（多运放构成的仪表放大器）集成仪表放大器（单芯片仪表放大器）仪表放大器分类01多运放仪表放大器02集成仪表放大器03仪表放大器应用04二、多运放仪表放大器1.电路结构2.电路特点A1、A2均为同相比例放大器，输入电阻很大，具有双端输入双端输出结构，A1的输入信号为uI1，输出为u01；A2的输入信号为u02，输出为。A3为差分组态放大器，将差分输入转换为单端输出u0，实现减法运算，且具有抑制共模信号的能力。整个电路特点是输入阻抗搞，共模抑制比极大，增益调整方便等。二、多运放仪表放大器3.电路原理由于元件参数是对称设计，根据运放“虚短”、“虚断”的概念，有uP1=uN1=uI1，uP2=uN2=uI2并且流过运放A1、A2的反馈电阻Rf中的电流与流过电阻RP的电流相等。于是有仪表放大器分类01多运放仪表放大器02集成仪表放大器03仪表放大器应用04三、单芯片仪表放大器1.单芯片仪表放大器电路结构2.AD620低功耗仪表放大器由单一芯片构成，也称专用仪表放大器。常用的仪表放大器芯片有AD620、AD8237等内部结构引脚功能G=（R1＋R2）/RG＋1三、单芯片仪表放大器3.AD8237仪表放大器引脚功能AD8237是一款微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出仪表放大器。单电源供电：1.8V至5.5V，它可通过两个相对匹配的电阻设置1至1000间的任何增益。R2为7、8脚之间的电阻，R1为6、7脚之间的电阻。仪表放大器分类01多运放仪表放大器02集成仪表放大器03仪表放大器应用04四、仪表放大器应用1.AD620实现K型热电偶进行温度测量电路中AD620采用双电源±3.3V供电，若要求的测温范围为0~500°C，查表可见500°C时热电偶输出的电压信号大约为20mV，若要求在此测量范围内电路输出电压为0~1V标准信号（0~1V对应0~500°C温度显示），则AD620的放大倍数应该为50倍。通过前述分析，要实现增益G=50,只需要在8脚和1脚之间接1kΩ左右电阻即可（为实现精确测量，可在910Ω电阻后串接一个100Ω的精密电位器）。2.AD8237实现热电阻温度测量Pt100热电阻采用恒流源驱动。当Pt100表面温度发生改变时，Pt100阻值会发生变化，TP1处的电压则能反应出Pt100的阻值变化，通过由U12高精密仪表放大器AD8237电路调理之后，被送入后级的电压跟随器，以适合在数字显示表中显示。四、仪表放大器应用本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试滤波器作用01滤波器分类02滤波器参数03滤波器节数04一、滤波器作用1.滤波器作用2.陷波器与阻波器滤波器（filter）是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。滤波器在直流稳压电源中的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑；在通信系统中，利用滤波器的选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。陷波器是从众多频率的信号中将某一频率的