模擬電路課件：第二章 集成運(yùn)放及其基本應(yīng)用

1、第二章集成運(yùn)放及其基本應(yīng)用2.2理想運(yùn)放在線性區(qū)常用電路2.3理想運(yùn)放在非線性區(qū)常用電路2.1集成運(yùn)算放大器7/18/20222.1集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器（集成運(yùn)放、運(yùn)放）：是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式集成運(yùn)放的外形：7/18/2022A741外形圖：運(yùn)放的電路符號(hào)：2.1.1 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性同相輸入端反相輸入端輸 出 端7/18/2022正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)線性區(qū)線性區(qū)電壓傳輸特性：差模輸入信號(hào)：開環(huán)電壓放大倍數(shù)：Auo非線性區(qū)7/18/20222.1.2 理想集成運(yùn)放及不同工作區(qū)的特點(diǎn)理想運(yùn)放的參數(shù)： （1）Auo；

2、（2）輸入電阻Ri ；（3）輸出電阻Ro 0 ；（4）通頻帶fbw 工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：（1）虛短路uP uN（2）虛斷路iP 0 、 iN 0工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：（2）iP 0 、 iN 07/18/2022 例如F007開環(huán)時(shí)Auo=105, Uom=10V, Uom=+10V, 則差模輸入信號(hào)的線性區(qū)為-0.1mV+0.1mV。 如果外加負(fù)反饋, 使閉環(huán)增益Au=100, 則差模輸入信號(hào)的線性區(qū)為-100mV+100mV。 運(yùn)放必須加負(fù)反饋才可以工作在線性區(qū)。 小結(jié)：如果運(yùn)放應(yīng)用電路中引入了負(fù)反饋，則在輸入信號(hào)一個(gè)較大范圍內(nèi)，集成運(yùn)放工作在線性工作區(qū)；分析集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路時(shí)，注意應(yīng)

3、用“虛短”和“虛斷”兩個(gè)重要特點(diǎn)。若集成運(yùn)放工作于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，則運(yùn)放處于開關(guān)狀態(tài)，輸出電壓在正、負(fù)飽和值之間轉(zhuǎn)換。注意：不存在 “虛短”現(xiàn)象，仍存在“虛斷”現(xiàn)象。7/18/20222.2理想運(yùn)放在線性區(qū)常用電路2.2.1 基本運(yùn)算電路1. 比例運(yùn)算電路2. 加減運(yùn)算電路3. 積分、微分電路2.2.2 有源濾波電路1. 一階有源低通濾波電路2. 一階有源高通濾波電路3. 帶通濾波電路7/18/20222.2.1基本運(yùn)算電路1. 比例運(yùn)算電路1） 同相比例運(yùn)算電路又由“虛短” 知：uP = uN = uiiN = 0由“虛斷” 知：特點(diǎn)：輸出與輸入同相且成比例輸入電阻很高輸出電阻很低為使兩個(gè)

4、輸入端特性對(duì)稱，一般取R1 = R2 / Rf 。7/18/2022同相比例運(yùn)算電路實(shí)例：電壓跟隨器由前面的分析可知，當(dāng) Rf = 0 或 R2 = 時(shí)，有 Au = 17/18/20222） 反相比例運(yùn)算電路一般取R1 = R2 / Rf由于“虛斷”，iP =iN = 0，uP = 0由于“虛短”， uP = uN = 0“虛地”由 i1 = if ，得求得特點(diǎn)：輸出與輸入反相且成比例輸入電阻等于R2輸出電阻很低若 R2 Rf ，則為單位增益反相器。7/18/2022T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路聯(lián)立方程：u1uN = 0求得：7/18/2022例：若下圖電路中各參數(shù)已知，求uo表達(dá)式解：這是一個(gè)

5、二級(jí)放大電路，兩級(jí)之間不存在負(fù)載效應(yīng)(若前級(jí)的輸出電阻為零，或后級(jí)的輸入電阻無(wú)窮大，則不存在負(fù)載效應(yīng)），可分別計(jì)算各級(jí)的放大倍數(shù)。有7/18/2022加減運(yùn)算電路：電路的輸出量反映多個(gè)輸入量相加或相減的結(jié)果。一般取：由于“虛斷”，i- = 0所以：i1 + i2 + i3 = iF又因“虛地”，u- = 0所以：當(dāng) R1 = R2 = R3 = R 時(shí)，2. 加減運(yùn)算電路1） 加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路：7/18/2022由于“虛斷”，i+ = 0，所以：解得：其中：由于“虛短”，u+ = u-同相加法運(yùn)算電路：7/18/20222） 減法運(yùn)算電路兩種方案：利用加法電路和反相電路構(gòu)成減法電路

6、在運(yùn)放的同相和反相輸入端分別輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。解得：7/18/2022例：用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算關(guān)系解：可用以下電路實(shí)現(xiàn)7/18/2022比較得：選 RF1 = 20 k，得： R1 = 100 k， R3 = 15.4 k；選 RF2 = 100 k，得： R4 = 100 k， R2 = 10 k。令：?。?/18/20223. 積分、微分運(yùn)算電路1） 積分運(yùn)算電路電路的輸出量為輸入量對(duì)時(shí)間的積分。由于“虛斷”和，“虛地”，有 = RC積分時(shí)間常數(shù)7/18/2022例：若前述積分電路的輸入電壓為圖示方波，且已知電容的初始電壓為零，求uo的表達(dá)式和波形圖。解：7/18/2022tuoO

7、可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位超前90 。因此，此時(shí)積分電路的作用是移相。tuiOUm例：若前述積分電路的輸入電壓為正弦波，求電路的輸出電壓uo。解： 式中K為積分常數(shù)。若只考慮uo中的變化分量，則波形如圖所示。7/18/2022由于“虛斷” 和“虛地”，有2） 微分運(yùn)算電路電路的輸出量為輸入量對(duì)時(shí)間的微分。積分、微分電路的用途：波形變換、移項(xiàng)、控制電路等。7/18/2022Multisim 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)1：反相比例放大器7/18/2022Multisim 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)2：同相比例放大器7/18/2022正弦穩(wěn)態(tài)電路中，電路輸出變量的幅值和相位與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，稱為電路的頻率響應(yīng)或頻

8、率特性。例如，電壓增益函數(shù)（電壓放大倍數(shù)）：2.2.2有源濾波電路1.電路頻率特性的一般概念 電路頻率特性函數(shù)定義為：7/18/2022例：典型單管共射放大電路的幅頻特性和相頻特性O(shè)fflfhBWAum0.707Aum- 90-180-270f0fh ：高頻截止頻率（上限頻率）fl：低頻截止頻率（下限頻率）BW ：通頻帶7/18/2022對(duì)數(shù)頻率特性曲線（波特圖）對(duì)數(shù)幅頻特性：f，單位：赫茲,采用對(duì)數(shù)(lg f )刻度?？v坐標(biāo)軸：橫坐標(biāo)軸：?jiǎn)挝唬悍重?dB)對(duì)數(shù)相頻特性：f，單位：赫茲,采用對(duì)數(shù)(lg f )刻度。縱坐標(biāo)軸：橫坐標(biāo)軸：，采用線性刻度，單位：弧度 或 度。優(yōu)點(diǎn)：表示的頻率范圍寬變

9、相乘為相加，作圖方便。7/18/2022作用：選頻。分類：低通濾波器(LPF)、fcfO通阻ffcO通阻flfO通通阻fhfO通阻阻flfh高通濾波器(HPF) 、帶通濾波器(BPF) 、帶阻濾波器(BEF) 。2. 濾波電路的作用和分類7/18/2022 濾波器主要用來(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。 有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無(wú)源元件而構(gòu)成的。 7/18/2022無(wú)源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為截止頻率由對(duì)數(shù)幅頻特性知，具有“低通”的特性。電路缺點(diǎn)：電壓放大倍

10、數(shù)低，只有，且?guī)ж?fù)載能力差。解決辦法：利用集成運(yùn)放與 RC 電路組成有源濾波器。3. 一階有源低通濾波電路fc7/18/2022電壓放大倍數(shù)：一階有源低通濾波器：由于“虛斷”，可求得電容電壓為進(jìn)一步求得：7/18/2022通帶電壓放大倍數(shù)：一階有源低通濾波器與無(wú)源低通濾波器的頻率特性相似；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高，帶負(fù)載能力增強(qiáng)。截止頻率：電壓放大倍數(shù)：7/18/20224. 一階有源高通濾波電路fc無(wú)源高通濾波器：7/18/2022截止頻率：一階有源高通濾波器：電壓放大倍數(shù)：通帶電壓放大倍數(shù)：7/18/2022帶通濾波器可由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器串聯(lián)而成。低通高通f1fO低通ff2

11、O高通阻阻f1f2fO通5. 帶通濾波電路7/18/2022有源帶通濾波器的典型電路：由于“虛斷”和“虛短”，可列出以下3個(gè)方程：取：其中：7/18/2022中心頻率以上方程聯(lián)立，求得電壓放大倍數(shù)：電路穩(wěn)定的條件：Q：品質(zhì)因數(shù)， ：通帶電壓放大倍數(shù)可求得通頻帶：7/18/20222.3理想運(yùn)放在非線性區(qū)常用電路2.3.1 單限比較器2.3.2 滯回比較器電壓比較器將模擬量輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。7/18/20222.3.1單限比較器簡(jiǎn)

12、單過零比較器：電壓傳輸特性 Uom +UomuiuoO 當(dāng) u+u 時(shí)，uo= +Uom u+u 時(shí)，uo= Uo m 運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)即 ui0 時(shí)，uo = Uo m1. 過零比較器7/18/2022輸出限幅過零比較器：電壓傳輸特性 UZ +UZuiuoO ui0 時(shí)，uo = +UZ ui 0 時(shí)，uo = UZ輸出端接有兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管，起正負(fù)限幅作用；R為限流電阻，保護(hù)運(yùn)放的輸出級(jí)。若輸出端的兩個(gè)穩(wěn)壓管不同，則輸出的正負(fù)電壓值不同。7/18/2022電壓傳輸特性 UZ +UZ uiUREF 時(shí)，uo = UZ2. 一般單限比較器參考電壓uiuoO UREF uitOUREFOuot +UZ UZt1t27/18/2022uP解：由于“虛斷”，同相端輸入電流為零。例：電路如圖，求電壓傳輸特性曲線。運(yùn)用疊加定理，求得令uP0，解得門限電壓為電壓傳輸特性 +UZ -UZuiuoO UT uiUT 時(shí)， uPUT 時(shí)， uP0， uo = +UZ7/18/20222.3.2滯回比較器單限比較器抗干擾能力差，如右圖所示：滯回比較器可提高抗干擾能力，如右圖所示：7/18/2022滯