chapter運算放大器應(yīng)用實用

會計學(xué)1chapter運算放大器應(yīng)用實用§8.1比例運算電路8.1.1反相比例電路電壓并聯(lián)負反饋輸入端虛短、虛斷RiRi=R11.基本電路特點：反相端為虛地，所以共模輸入可視為0，對運放共模抑制比要求低輸出電阻小，帶負載能力強要求放大倍數(shù)較大時，反饋電阻阻值高，穩(wěn)定性差。如果要求放大倍數(shù)100，R1=100K，Rf=10M電路中R’i

稱為平衡電阻R’=R1//RfVi-+RfR'VoIf↓R1Ii→Id→A第1頁/共117頁Vi-+AR2R4VoIf↓R1Ii→Id→I4↑R3I3↑R'2.T型反饋網(wǎng)絡(luò)虛短、虛斷如果要求放大倍數(shù)100，R1=R2=R4=100K，R3=1.01K第2頁/共117頁R'ViVoRfR18.1.2同相比例電路電壓串聯(lián)負反饋輸入端虛短、虛斷RiRi

=平衡電阻R’=R1//Rf特點：輸入電阻高，輸出電阻小，帶負載能力強

V-=V+=Vi，所以共模輸入等于輸入信號，對運放的共模抑制比要求高1.基本電路第3頁/共117頁2.電壓跟隨器輸入電阻大輸出電阻小，能真實地將輸入信號傳給負載而從信號源取流很小ViVo第4頁/共117頁Vi3-+ARfR'VoIf↓R3I3→Id→Vi2R2I2→Vi1I1→R1§8.2加減運算電路8.1.1求和電路虛短、虛斷特點：調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出的比例關(guān)系；沒有共模輸入1.反相求和電路R’=R1//R2//R3//Rf第5頁/共117頁2.同相求和電路虛短、虛斷Vi2Vi1RaVi3VoRf←R1R'RbRc第6頁/共117頁Vi2-+AR'VoIfR2I2→Vi1R1I1→Vi3R3I3→Vi4R4I4→Rf↓8.1.2單運放和差電路Vi3=Vi4=0時：Vi1=Vi2=0且根據(jù)疊加原理得：第7頁/共117頁8.1.2雙運放和差電路Vi2-+A2Rf1R3Vo1If1↓R2I2→Id1→Vi1R1I1→-+A1Rf2R6VoIf2↓R4I4→Id2→Vi3R5I5→第8頁/共117頁例1:設(shè)計一加減運算電路設(shè)計一加減運算電路，使Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3解：用雙運放實現(xiàn)如果選Rf1=Rf2=100K，且R4=100K則：R1=50KR2=20KR5=10K平衡電阻R3=R1//R2//Rf1=12.5KR6=R4//R5//Rf2=8.3KVi2-+A1Rf1R3Vo1R2Vi1R1-+A2Rf2R6VoR4Vi3R5第9頁/共117頁Vi-+A1R3VoI2↓R1Ii→-+A22R2R3R2I1↓Vo2例2：如圖電路，求Avf，Ri解：Ri第10頁/共117頁例3：求電路的電壓放大倍數(shù)AvfA1R1R8R2voR3R4viR7R6R5A2A3v+3vo3v+1第11頁/共117頁例4:求vo與(vs1-vs2)的關(guān)系vs1-+2R-+-+3R3R4R4R2R1Rvs2vo1vo2voA1A2A3v3v4

由于第一級差放電路上下對稱，R1的中點可視為接地點，所以：第12頁/共117頁例4應(yīng)用實例應(yīng)用實例第13頁/共117頁例5：精密整流電路ViVoVi>0時，D2截止，D1導(dǎo)通，Vo1=-Vi，Vo=-Vi-2Vo1=

ViVi<0時，D1截止，D2導(dǎo)通，Vo1=0

，Vo=-ViVo=│Vi│Vo1第14頁/共117頁精密整流電路仿真結(jié)果第15頁/共117頁§8.3積分電路和微分電路8.3.1積分電路電容兩端電壓與電流的關(guān)系：vi-+ACR'voic↓Rii→id→+vc-第16頁/共117頁積分實驗電路第17頁/共117頁積分電路的用途將方波變?yōu)槿遣ǎ╲i：方波，頻率500Hz，幅度1V）第18頁/共117頁積分電路的用途將三角波變?yōu)檎也ǎ╲i：三角波，頻率500Hz，幅度1V）第19頁/共117頁積分電路的用途（vi：正弦波，頻率500Hz，幅度1V）思考：輸入信號與輸出信號間的相位關(guān)系？第20頁/共117頁積分電路的用途（vi：正弦波，頻率200Hz，幅度1V）思考：輸入信號頻率對輸出信號幅度的影響？第21頁/共117頁積分電路的用途去除高頻干擾將方波變?yōu)槿遣ㄒ葡嘣谀?shù)轉(zhuǎn)換中將電壓量變?yōu)闀r間量第22頁/共117頁8.3.2微分電路vi-+ACR'voifR→id→→ii+vc-第23頁/共117頁微分實驗電路10K第24頁/共117頁把三角波變?yōu)榉讲ǎ╲i：三角波，頻率1KHz，幅度0.2V）第25頁/共117頁輸入正弦波（vi：正弦波，頻率1KHz，幅度0.2V）思考：輸入信號與輸出信號間的相位關(guān)系？第26頁/共117頁輸入正弦波（vi：正弦波，頻率500Hz，幅度1V）思考：輸入信號頻率對輸出信號幅度的影響？第27頁/共117頁§8.4對數(shù)和指數(shù)運算電路8.4.1對數(shù)電路vI-+ADR'vOiDRiI→_+vD→→id第28頁/共117頁對數(shù)電路改進基本對數(shù)電路缺點：運算精度受溫度影響大小信號時exp(vD/vT)與1差不多大，所以誤差很大二極管在電流較大時伏安特性與PN結(jié)伏安特性差別較大，所以運算只在較小的電流范圍內(nèi)誤差較小。第29頁/共117頁改進電路1：用三極管代替二極管→vI-+AR'vOiCRiI→vBE-+第30頁/共117頁VR-+A2R'vO2IC2↓RI→RvBE2-+vI1-+A1R'vO1iC1↓Ri→I1vBE1-+-+A3fRR'vOR1R1vI1>0VR>0改進電路2電路在理想情況下可完全消除溫度的影響Rf第31頁/共117頁改進電路3：實用對數(shù)電路如果忽略T2基極電流，則M點電位：VR-+A2R''1iC2↓RI→RvBE2-+vI1-+A1R'vOiC1↓Ri→I1vBE1-+R32R4R5T1T2MvI1>0VR>0第32頁/共117頁8.4.2指數(shù)電路1.基本指數(shù)電路vI-+ADR'vOiD↓Ri→R>0第33頁/共117頁vI<0-+AvXvOiFRiI→對數(shù)電路MR'RR2R1VRN→2.反函數(shù)型指數(shù)電路電路必須是負反饋才能正常工作，所以：虛短、虛斷：vM=-vI第34頁/共117頁§8.5乘除運算電路8.5.1基本乘除運算電路1.乘法電路vO2-+ARR'vO3RvO1RvXvY對數(shù)電路1對數(shù)電路2指數(shù)電路vO第35頁/共117頁乘法電路vO2-+ARR'vO3RvO1RvXvY對數(shù)電路1對數(shù)電路2指數(shù)電路vO第36頁/共117頁乘法器符號KvXvY同相乘法器vXvYvO-KvXvY反相乘法器vXvYvO第37頁/共117頁2.除法電路vO2-+ARR'vO3RvO1RvXvY對數(shù)電路1對數(shù)電路2指數(shù)電路vO第38頁/共117頁8.5.2.乘法器應(yīng)用1.平方運算和正弦波倍頻vXvOKvXvY=KvX2如果輸入信號是正弦波：只要在電路輸出端加一隔直電容，便可得到倍頻輸出信號第39頁/共117頁2.除法運算電路vX1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2vX2KvXvY注意：只有在vX2>0時電路才是負反饋負反饋時，根據(jù)虛短、虛斷概念：第40頁/共117頁3.開方運算電路輸入電壓必須小于0，否則電路將變?yōu)檎答?。vX1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2KvXvY第41頁/共117頁兩種可使輸入信號大于0的方案：-+AfRR'if↓Ri→i-+AR''voiR2↓Ri→R11R2vO2vX1vO1-+AR''voi→d-+AfRR'if↓Rii→iR2↓Ri→R11R2vO2vO1第42頁/共117頁3.調(diào)制（調(diào)幅）4.壓控增益乘法器的一個輸入端接直流電壓（控制信號），另一個接輸入信號，則輸出信號與輸入信號之比（電壓增益）成正比。vO=KVXvYvXvYvO第43頁/共117頁§8.6電流-電壓和電壓-電流變換電路由圖可知可見輸出電壓與輸入電流成比例。輸出端的負載電流：電流-電壓變換電路1.電流—電壓變換電路：第44頁/共117頁2.電壓-電流變換電路由負載不接地電路圖可知：所以輸出電流與輸入電壓成比例。負載不接地第45頁/共117頁2.電壓-電流變換電路

對負載接地電路圖電路，R1和R2構(gòu)成電流并聯(lián)負反饋；R3

、R4和RL構(gòu)成構(gòu)成電壓串聯(lián)正反饋。 第46頁/共117頁電壓-電流變換電路討論：1.當(dāng)分母為零時，iO→∞，電路自激。2.當(dāng)R2/R1=R3/R4時,則：說明iO與vS成正比,實現(xiàn)了線性變換。

電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應(yīng)用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。第47頁/共117頁濾波電路基礎(chǔ)知識低通濾波電路（LPF）高通濾波電路(HPF)帶通濾波器(BPF)帶阻濾波器(BEF)開關(guān)電容濾波器§8.7有源濾波電路第48頁/共117頁8.7.1濾波電路基礎(chǔ)知識一.無源濾波電路和有源濾波電路無源濾波電路:由無源元件

(R,C,L)

組成有源濾波電路:用工作在線性區(qū)的集成運放和RC網(wǎng)絡(luò)

組成，實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。有源濾波電路的優(yōu)點,缺點:

請看書CRLCRLRLViViVoVo第49頁/共117頁濾波電路基礎(chǔ)知識1.按所處理的信號可分為

模擬

的和數(shù)字的兩種2.按所采用的元器件可分為有源和無源3.按通過信號的頻段可分為以下五種:a.低通濾波器(LPF)二.濾波電路的分類和主要參數(shù)Avp:通帶電壓放大倍數(shù)fp:

通帶截至頻率過渡帶:

越窄表明選頻性能越好,理想濾波器沒有過渡帶第50頁/共117頁濾波電路基礎(chǔ)知識b.高通濾波器(HPF)c.帶通濾波器(BPF)第51頁/共117頁濾波電路基礎(chǔ)知識d.帶阻濾波器(BEF)e.全通濾波器(APF)4.按頻率特性在截止頻率fp附近形狀的不同可分為

Butterworth,Chebyshev和Bessel等第52頁/共117頁濾波電路基礎(chǔ)知識理想有源濾波器的頻響：第53頁/共117頁濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。第54頁/共117頁8.7.2低通濾波電路(LPF)

一階低通濾波電路(LPF)

簡單二階LPF

二階壓控電壓源LPF

無限增益多路反饋有源濾波器第55頁/共117頁濾波器的主要技術(shù)指標（1）通帶增益Avp

通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。

（2）通帶截止頻率fp

其定義與放大電路的上、下限截止頻率相同。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。第56頁/共117頁8.7.2.1一階低通濾波電路(LPF)組成：簡單RC濾波器同相放大器特點：│Avp│

>0，帶負載能力強缺點：阻帶衰減太慢，選擇性較差一.電路構(gòu)成RC環(huán)節(jié)第57頁/共117頁一階低通濾波電路(LPF)有源濾波電路的分析方法:

1.電路圖電路的傳遞函數(shù)Av(s) 頻率特性Av(j)2.根據(jù)定義求出主要參數(shù)3.畫出電路的幅頻特性二.性能分析第58頁/共117頁一階低通濾波電路(LPF)通帶截止頻率通帶電壓放大倍數(shù)傳遞函數(shù)第59頁/共117頁一階LPF的幅頻特性:一階低通濾波電路(LPF)過渡帶緩慢,選頻性能差第60頁/共117頁8.7.2.2簡單二階LPF1.傳遞函數(shù):一.電路構(gòu)成組成:二階RC網(wǎng)絡(luò)同相放大器二.主要性能M通帶增益：第61頁/共117頁簡單二階LPF2.通帶截止頻率:3.幅頻特性:特點：在f>f0后幅頻特性以-40dB/dec

的速度下降；缺點：f=f0時，放大倍數(shù)的模只有通帶放大倍數(shù)模的三分之一第62頁/共117頁8.7.2.3二階壓控電壓源LPF二階壓控電壓源一般形式二階壓控電壓源LPF第63頁/共117頁二階壓控電壓源LPFAvp同前分析：

上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3，才能保障電路穩(wěn)定工作。聯(lián)立求解以上三式，可得LPF的傳遞函數(shù)：對節(jié)點N,可以列出下列方程：第64頁/共117頁二階壓控電壓源LPF頻率特性:當(dāng)Q=0.707時，fp=f0當(dāng)Avp=3時，Q=∞，有源濾波器自激。第65頁/共117頁二階壓控電壓源LPF二階壓控電壓源LPF的幅頻特性第66頁/共117頁巴特沃思（壓控）LPFVo第67頁/共117頁仿真結(jié)果Q=0.707fp=f0=100Hz第68頁/共117頁8.7.2.4無限增益多路反饋濾波器無限增益多路反饋LPF要求集成運放的開環(huán)增益遠大于60DB無限增益多路反饋有源濾波器一般形式第69頁/共117頁無限增益多路反饋有源濾波器由圖可知：對節(jié)點N,列出下列方程：第70頁/共117頁無限增益多路反饋有源濾波器頻率響應(yīng)為：通帶電壓放大倍數(shù)第71頁/共117頁巴特沃思（無限增益）LPF第72頁/共117頁仿真結(jié)果Q=0.707fp=f0=1000Hz第73頁/共117頁8.7.3高通濾波電路(HPF)HPF與LPF的對偶關(guān)系二階壓控電壓源HPF無限增益多路反饋HPF第74頁/共117頁8.7.3.1HPF與LPF的對偶關(guān)系1.電路結(jié)構(gòu)對偶將起濾波作用的電容換成電阻將起濾波作用的電阻換成電容RCViVo低通濾波電路RC高通濾波電路ViVo第75頁/共117頁HPF與LPF的對偶關(guān)系2.傳遞函數(shù)對偶低通濾波器傳遞函數(shù)高通濾波器傳遞函數(shù)第76頁/共117頁HPF與LPF的對偶關(guān)系3.幅頻特性對偶(相頻特性不對偶)第77頁/共117頁8.7.3.2二階壓控電壓源HPF電路形式相互對偶二階壓控電壓源LPF二階壓控電壓源HPF第78頁/共117頁二階壓控電壓源HPF傳遞函數(shù):高通:低通:第79頁/共117頁二階壓控電壓源HPF二階壓控電壓源HPF幅頻特性第80頁/共117頁8.7.3.3無限增益多路反饋HPF無限增益多路反饋LPF無限增益多路反饋HPFvo(s)vi(s)第81頁/共117頁8.7.4帶通濾波器(BPF)BPF的一般構(gòu)成方法：優(yōu)點:通帶較寬,通帶截至頻率容易調(diào)整缺點:電路元件較多第82頁/共117頁一般帶通濾波電路BPFLPFHPF第83頁/共117頁仿真結(jié)果第84頁/共117頁二階壓控電壓源BPF二階壓控電壓源一般形式二階壓控電壓源BPFvo(s)vi(s)第85頁/共117頁二階壓控電壓源BPF傳遞函數(shù):vo(s)vi(s)第86頁/共117頁二階壓控電壓源BPFs換成j且令：f0是濾波器的中心頻率通帶電壓放大倍數(shù)第87頁/共117頁二階壓控電壓源BPF截止頻率:頻帶寬度:RC選定后,改變R1和Rf即可改變頻帶寬度第88頁/共117頁二階壓控電壓源BPF仿真電路第89頁/共117頁仿真結(jié)果第90頁/共117頁8.7.5帶阻濾波器(BEF)BEF的一般形式缺點:電路元件較多且HPF與LPF相并比較困難第91頁/共117頁基本BEF電路無源帶阻(雙T網(wǎng)絡(luò))同相