模擬電子技術 課件 16 集成運放基本運算放大器 -20 濾波器基礎知識

模擬電子技術梁長垠教授項目三集成運算放大電路的制作與測試梁長垠教授加法運算電路01加減運算電路02積分運算電路03微分運算電路04一、加法運算電路1.反相加法電路反相加法電路根據虛斷、虛短概念可知，

iN=iP=0，i1+i2=if，uN=uP=0，即于是有若R1=R2=RF，則平衡電阻R3=R1//R2//RF一、加法運算電路2.同相加法電路同相加法電路根據虛斷的概念，i3=iF，即根據虛斷的概念，i1=i2=0，即根據虛短的概念，uN=uP，即若R1//R2=R3//RF，則若R1=R2=R3=RF，則加法運算電路01加減運算電路02積分運算電路03微分運算電路04二、加減運算電路1.電路結構2.工作原理電路的輸出電壓與同相輸入信號電壓極性相同，與反相輸入端信號電壓極性相反，因此如果多個信號同時作用于兩個輸入端時，必然可以實現加減運算功能。加減運算電路假設R1//R2//Rf=R3//R4//R5若同相輸入端與反相輸入端各有一個輸入信號，則此電路就是前面講過的差分放大電路。加法運算電路01加減運算電路02積分運算電路03微分運算電路04三、積分運算電路1.電路結構2.工作原理輸出電壓與輸入電壓之間呈積分關系。利用積分電路可以把方波變換成三角波，把矩形脈沖變換成鋸齒波）等功能。積分運算電路設電容器C上初始電壓，隨著充電過程的進行，電容器C兩端的電壓為根據“虛地”概念，有式中RC為電路的時間常數。為使積分器正常工作，回路時間常數應遠大于輸入脈沖的寬度（至少10倍以上）。三、積分運算電路積分運算電路對積分電路，當輸入為常量時，輸出電壓當輸入為階躍信號時，若t=0時刻電容上的初始電壓為零，則輸出電壓波形如圖所示。當輸入信號為方波和正弦波時，輸出電壓波形如下輸入為階躍信號輸入為方波信號輸入為正弦信號加法運算電路01加減運算電路02積分運算電路03微分運算電路04四、微分運算電路微分運算電路1.電路結構將積分運算電路中的電阻與電容位置對調一下即可構成微分電路。利用微分電路可以把方波變換成正負尖脈沖）等功能。根據“虛地”概念，有2.工作原理故式中RC為電路的時間常數。如果用微分器來產生窄脈沖，回路時間常數應小于輸入脈沖的寬度的1/10。四、微分運算電路實用微分運算電路3.實用微分電路分析輸入輸出波形當輸入電壓變化時極易使集成運算放大器內部的放電管進入飽和或截止狀態(tài)，從而造成電路不能正常工作。具體解決辦法使在輸入端串聯一個小電阻用于限制輸入電流大小，在反饋電阻上并聯一個小電容（用于滯后補償）和穩(wěn)壓二極管（用于限制輸出電壓幅度）。若輸入為方波信號，且RC<<T/2（T為方波周期），則輸出信號為尖脈沖。本次課程到此結束，再見梁長垠教授模擬電子技術梁長垠教授梁長垠教授項目三集成運算放大電路的制作與測試反饋電路組成01反饋電路類型02反饋判斷方法03負反饋電路分析04一、反饋電路組成1.反饋的概念反饋放大登電路組成2.反饋放大電路的組成將放大電路輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，通過一定的方式返回到輸入端，與輸入量相疊加，以改善放大電路性能的方法稱為反饋。在放大電路中引入反饋后，電路中增加了反饋網絡，使電路構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，稱為反饋放大器。無反饋的放大電路為開環(huán)系統(tǒng)，稱為基本放大器。圖中的xi、x0和xf分別表示放大電路的輸入量、輸出量和反饋量，xid表示基本放大器實際得到的信號，稱為凈輸入信號，它等于輸入量xi與反饋量xf的疊加，即反饋電路組成01反饋電路類型02反饋判斷方法03負反饋電路分析04二、反饋電路類型1.無反饋、正反饋與負反饋若放大電路的輸出回路與輸入回路之間不存在反饋網絡（或反饋通路），則該放大電路中就不存在反饋。若反饋信號削弱原來的輸入信號，使凈輸入信號減小，則為負反饋；反之，若反饋信號加強原來的輸入信號，使凈輸入信號增加，則為正反饋。一般，在擔任放大任務的電路中所引入的都是負反饋。2.直流反饋、交流反饋與交直流反饋在放大電路中，一般都存在著直流分量和交流分量，如果反饋信號只含有直流成分，則稱為直流反饋；如果反饋信號只含有交流成分，則稱為交流反饋。如果反饋信號既含有直流分量，又有交流分量，則稱為交直流反饋。二、反饋電路類型3.電壓反饋與電流反饋反饋網絡中每一個元件兩端的電壓都隨放大器輸出端負載兩端電壓的變化而變化時，這些元件上的電壓稱為取樣電壓。反饋信號屬電壓量，稱為電壓反饋，電壓負反饋可以穩(wěn)定輸出電壓。反饋網絡中每一個元件上的電流都隨流過負載的輸出電流的變化而變化時，這些元件上的電流稱為取樣電流。反饋信號是元件上其中一部分的電流，則形成電流反饋，電流負反饋可以穩(wěn)定輸出電流。4.并聯反饋與串聯反饋在反饋放大器輸入端，如果信號源、基本放大器和反饋網絡三者構成串聯回路，形成的反饋為串聯反饋；在反饋放大器輸入端，如果基本放大器和反饋網絡相對信號源構成并聯形式，形成的反饋為并聯反饋。反饋電路組成01反饋電路類型02反饋判斷方法03負反饋電路分析04三、反饋判斷方法反饋極性的判別通常采用瞬時極性法。先假設放大電路中某點的瞬時電位升高，即瞬時極性為正，在圖中用“+”表示，然后按照信號的傳遞途徑，逐級標出有關點的瞬時電位變化。升高用“+”表示，降低用“-”表示，最后推出反饋信號的瞬時極性，若反饋信號是使凈輸入信號減弱的是負反饋，否則是正反饋。例：(a）反饋信號使凈輸入信號減少，是負反饋

(b)反饋信號使凈輸入信號增加，是正反饋（a）負反饋（b）正反饋1.反饋極性的判斷（正負反饋）三、反饋判斷方法直流反饋和交流反饋可以通過觀察反饋信號是直流量還是交流量來判斷，也可以通過畫出反饋電路的直流通道和交流通道來判斷。例：圖(a）中，RF組成的反饋通路既同直流又通交流，屬于交直流反饋

圖(b)中，RF、CF組成的反饋通路只通交流，屬于交流反饋（a）直流反饋（b）交直流反饋2.直流反饋與交流反饋的判斷三、反饋判斷方法3.電壓反饋與電流反饋的判斷在反饋放大電路中，若反饋網絡與基本放大電路、負載RL并聯連接，如圖(a)所示，反饋信號取樣于輸出電壓，為電壓反饋；若反饋網絡與基本放大電路、負載RL串聯連接，如圖(b)所示，反饋信號取樣于輸出電流，為電流反饋。電壓、電流反饋的判斷中通常采用輸出短路法，或者根據反饋取樣的對象來判斷。具體判斷方法是假設負反饋放大電路的輸出電壓為零(即令u0=0),若此時反饋量也隨之為零，則說明引入了電壓負反饋；若反饋量依然存在，則說明電路中引入了電流負反饋。（a）電壓反饋

（b）電流反饋三、反饋判斷方法4.串聯反饋與并聯反饋的判斷當反饋網絡將反饋的信號回饋到輸入端時，輸入端的連接方法有并聯和串聯兩種，從而形成了并聯反饋和串聯反饋。在并聯反饋中，反饋信號和輸入信號是在輸入端以電流方式疊加的。而在串聯反饋中，反饋信號和輸入信號是在輸入端以電壓方式疊加的。判斷是串聯反饋還是并聯反饋，可以根據反饋信號與輸入信號在輸入端引入的節(jié)點不同來判斷。如果反饋信號與輸入信號是在輸入端(三極管的基極和發(fā)射極可以看作放大電路的兩個輸端)同一個節(jié)點引入，反饋信號與輸入信號為電流相加減，則為并聯反饋，如圖（a）所示；如果它們不在同一個節(jié)點引入時，則為串聯反饋，如圖（b）所示。（a）并聯反饋

（b）串聯反饋反饋電路組成01反饋電路類型02反饋判斷方法03負反饋電路分析04四、負反饋電路分析1.負反饋對放大器性能的影響（1）提高增益的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性提高到A的(1+AF)倍，滿足深度負反饋時，Af≈1/F，只由反饋網絡決定（2）減小非線性失真（3）擴展通頻帶（4）改變輸入電阻和輸出電阻①電壓串聯負反饋的輸入電阻大、輸出電阻??；②電流串聯負反饋的輸入電阻大、輸出電阻大；③電壓并聯負反饋的輸入電阻小、輸出電阻?。?/p>

④電流并聯負反饋的輸入電阻小、輸出電阻大。BWf=(1+AF)BW

加反饋后非線性失真減小為無反饋時的1／(1+AF)。

必須指出，負反饋只能減小放大電路內部引起的非線性失真，對于信號本身

固有的失真則無能為力。此外，負反饋只能減小而不能消除非線性失真。四、負反饋電路分析2.負反饋電路的四種組態(tài)四、負反饋電路分析3.負反饋電路分析（1）電壓串聯負反饋電壓串聯交直流負反饋（射極跟隨器）電壓串聯交直流負反饋

（兩級直耦放大器）電壓串聯交直流負反饋

（同相比例放大器）四、負反饋電路分析3.負反饋電路分析（2）電流串聯負反饋

電流串聯交直流負反饋（分壓偏置共射極放大器）電流串聯交直流負反饋凈輸入信號使輸入信號減小，屬于負反饋；反饋信號與輸入信號是在輸入端以電壓方式疊加的，屬于串聯反饋；同時由于反饋電壓正比于輸出電流（uF=i0?R1

），屬于電流反饋。因此該電路屬于電流串聯交直流負反饋。在輸入端，反饋網絡與基本放大電路相串聯，故為串聯反饋；在輸出端，反饋網絡與基本放大電路、負載電阻RL相串聯，反饋取樣于輸出電流i0，假定輸出電壓被短路時，交流反饋電阻Re仍然傳遞反饋信號，所以為電流反饋。四、負反饋電路分析3.負反饋電路分析（3）電流并聯負反饋

電流并聯交直流負反饋電流并聯交直流負反饋在輸入端，反饋網絡與基本放大器并聯，屬于并聯反饋；在輸出端，反饋網絡與基本放大電路、負載電阻是串聯連接，反饋信號iF取樣與輸出電流i0，是電流反饋；由于反饋電流以分流的方式使流入集成運放的凈輸入電流減少（iid=iI-iF），所以，該電路是電流并聯交直流負反饋。如果將輸出端對地短路可以看出，反饋量（反饋電流iF）依然存在，屬于電流反饋。由于反饋信號和輸入信號是在輸入端以電流方式疊加的,是并聯反饋；同時看出，凈輸入電流信號使輸入電流信號減小（iid=iI-iF），屬于負反饋。因此，該電路屬于電流并聯交直流負反饋。四、負反饋電路分析3.負反饋電路分析（4）電壓并聯負反饋

電壓并聯交流負反饋電壓并聯交直流負反饋在輸入端，反饋網絡與基本放大電路相并聯，故為并聯反饋；在輸出端，反饋網絡與基本放大電路、負載電阻RL相并聯，反饋信號if取樣于輸出電壓u0，故為電壓反饋；uF的瞬時負與uid的“+”端相接，反饋信號使凈輸入信號減小，所以引入的應是負反饋

在輸入端，反饋網絡與基本放大電路相并聯，故為并聯反饋；在輸出端，反饋網絡與基本放大電路、負載電阻RL相并聯，反饋信號if取樣于輸出電壓u0，故為電壓反饋；設輸入電壓瞬時為正，由于反相輸入，輸出為負，反饋電流使凈輸入信號減小，所以引入的是負反饋

本次課程到此結束，再見梁長垠教授模擬電子技術梁長垠教授梁長垠教授項目三集成運算放大電路的制作與測試單電源運放結構01單電源運放特點02單電源反相放大器03單電源同相放大器04一、單電源運算放大器結構1.雙電源與單電源模型單電源供電3.軌對軌運放（滿擺幅放大器）雙電源供電雙電源的總動態(tài)范圍、輸出電壓/電流、精度、負載抗干擾性優(yōu)于單電源運放；單電源的輸入輸出電壓范圍相比供電電源電壓來說更大。單電源供電運放的電源電路簡單，但是運放的輸出只能是單極性，如果需要輸出雙極性的信號，必須選用雙電源供電的運放。2.雙電源與單電源性能比較允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，輸出端可以輸出到Vcc或者Vee電平。單電源放大器結構01單電源放大器特點02單電源反相放大器03單電源同相放大器04二、單電源運算放大器特點（1）單電源供電時，只能用正電源供電，負電源接地。使得輸出的動態(tài)范圍被限制在正電壓范圍區(qū)間，不能提供負的電壓輸出。（2）單電源供電的同相比例放大器輸入信號不能為負值（3）單電源供電的反相比例放大器輸入信號不能為正值（4）單電源供電的運放要放大交流信號必須提供合適的偏置電壓，由于在大部分的應用中，輸入與輸出都是參考電源地，所以輸入、輸出信號都需要加交流耦合電容用來隔離虛地與地之間的直流電壓。單電源放大器結構01單電源放大器特點02單電源反相放大器03單電源同相放大器04三、單電源反相放大器1.電路結構2.單電源反相交流放大器若反相輸入端輸入的信號為小于零的信號（直流或交流的負半周），則放大器的輸出電壓放大倍數為-Rf/R1。若反相輸入端的信號為完整的正弦交流信號，則信號的正半周不能正常放大。單電源反相放大電路單電源反相交流放大電路欲實現對正弦交流信號的正常放大，必須通過在同相輸入端加偏置電壓的方式來實現。將VCC/2加到同相輸入端。按“虛短”概念，反相端靜態(tài)電壓

是VCC/2。在直流等效電路中，所有電容開路，電路是一個電壓跟隨器，運放直流輸出電壓為+0.5VCC，電壓增益為1，輸入失調電壓最小。在交流等效電路中，電容短路，電路是一個反相放大器，電壓增益為-Rf/R1。在同相輸入端有一個旁路電容，可以減小同相輸入端的紋波電壓和噪聲。三、單電源反相放大器3.單電源反相放大器原理仿真4.單電源反相交流放大器原理仿真單電源放大器結構01單電源放大器特點02單電源反相放大器03單電源同相放大器04四、單電源同相放大器1.電路結構2.單電源同相交流放大器若同相輸入端輸入的信號為大于零的信號（直流或交流的正半周），則放大器的輸出電壓放大倍數為1+RF/R1。若同相輸入端的信號為完整的正弦交流信號，則信號的負半周不能正常放大。單電源同相放大電路單電源同相交流放大電路輸入、輸出端采用耦合電容將運算放大器電路與前后級進行直流隔離，以防止前后級電路的直流電位對運算放大器的影響；為得到最大輸出擺幅，需要將同相輸入端偏置在電源電壓的一半后作為虛地接到放大器的輸入引腳上。由于負反饋的作用，反相輸入端的電壓也被自舉到同一電壓值。在直流等效電路中，所有電容開路，且電路的電壓益為1，使得輸出失調電壓最小。運放的直流輸出電壓為+0.5VCC，而輸出耦合電容將該電壓與后面的負載相隔離。在交流等效電路中，所有電容短路。當輸入交流信號時，被放大的輸出信號可以加到負載上。如果采用軌對軌的運放，最大無削波的輸出峰峰值為VCC。四、單電源通相放大器3.單電源同相放大器原理仿真4.單電源同相交流放大器原理仿真本次課程到此結束，再見梁長垠教授模擬電子技術梁長垠教授梁長垠教授項目三集成運算放大電路的制作與測試儀表放大器分類01多運放儀表放大器02集成儀表放大器03儀表放大器應用04一、儀表放大器分類1.儀表放大器作用2.儀表放大器特點3.儀表放大器分類作用是放大微弱信號，尤其是用于處理來自傳感器的微弱信號。儀表放大器有時也稱為精密放大器、測量放大器或儀用放大器。（1）高放大倍數（2）高輸入阻抗（3）高共模抑制比儀表放大器基本儀表放大器（多運放構成的儀表放大器）集成儀表放大器（單芯片儀表放大器）儀表放大器分類01多運放儀表放大器02集成儀表放大器03儀表放大器應用04二、多運放儀表放大器1.電路結構2.電路特點A1、A2均為同相比例放大器，輸入電阻很大，具有雙端輸入雙端輸出結構，A1的輸入信號為uI1，輸出為u01；A2的輸入信號為u02，輸出為。A3為差分組態(tài)放大器，將差分輸入轉換為單端輸出u0，實現減法運算，且具有抑制共模信號的能力。整個電路特點是輸入阻抗搞，共模抑制比極大，增益調整方便等。二、多運放儀表放大器3.電路原理由于元件參數是對稱設計，根據運放“虛短”、“虛斷”的概念，有uP1=uN1=uI1，uP2=uN2=uI2并且流過運放A1、A2的反饋電阻Rf中的電流與流過電阻RP的電流相等。于是有儀表放大器分類01多運放儀表放大器02集成儀表放大器03儀表放大器應用04三、單芯片儀表放大器1.單芯片儀表放大器電路結構2.AD620低功耗儀表放大器由單一芯片構成，也稱專用儀表放大器。常用的儀表放大器芯片有AD620、AD8237等內部結構引腳功能G=（R1＋R2）/RG＋1三、單芯片儀表放大器3.AD8237儀表放大器引腳功能AD8237是一款微功耗、零漂移、軌到軌輸入和輸出儀表放大器。單電源供電：1.8V至5.5V，它可通過兩個相對匹配的電阻設置1至1000間的任何增益。R2為7、8腳之間的電阻，R1為6、7腳之間的電阻。儀表放大器分類01多運放儀表放大器02集成儀表放大器03儀表放大器應用04四、儀表放大器應用1.AD620實現K型熱電偶進行溫度測量電路中AD620采用雙電源±3.3V供電，若要求的測溫范圍為0~500°C，查表可見500°C時熱電偶輸出的電壓信號大約為20mV，若要求在此測量范圍內電路輸出電壓為0~1V標準信號（0~1V對應0~500°C溫度顯示），則AD620的放大倍數應該為50倍。通過前述分析，要實現增益G=50,只需要在8腳和1腳之間接1kΩ左右電阻即可（為實現精確測量，可在910Ω電阻后串接一個100Ω的精密電位器）。2.AD8237實現熱電阻溫度測量Pt100熱電阻采用恒流源驅動。當Pt100表面溫度發(fā)生改變時，Pt100阻值會發(fā)生變化，TP1處的電壓則能反應出Pt100的阻值變化，通過由U12高精密儀表放大器AD8237電路調理之后，被送入后級的電壓跟隨器，以適合在數字顯示表中顯示。四、儀表放大器應用本次課程到此結束，再見梁長垠教授模擬電子技術梁長垠教授梁長垠教授項目三集成運算放大電路的制作與測試濾波器作用01濾波器分類02濾波器參數03濾波器節(jié)數04一、濾波器作用1.濾波器作用2.陷波器與阻波器濾波器（filter）是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。濾波器在直流穩(wěn)壓電源中的作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數降低，波形變得比較平滑；在通信系統(tǒng)中，利用濾波器的選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。陷波器是從眾多頻率的信號中將某一頻率的