第4章集成运算放大器的应用.

第4章集成运算放大器的应用4.1运算放大器在信号运算方面的应用4.4运算放大器在信号产生方面的应用4.2测量放大器4.3运算放大器在信号处理方面的应用1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第4章集成运算放大器的应用扁平式单列直插式双列直插式4.1运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。一、理想集成运算放大器的分析依据1)u+u–(虚短)证：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–u–=uo/Aud02)i+i–0(虚断)证：i+=uid/Rid0同理i–02.理想运放工作在非线性区的两个特点1)u+u–时，uo=Uomaxu+u–时,uo=–UOmax2)i+i–0(虚断)1.理想运放工作在线性区的两个特点§4.1集成运算放大器在信号运算电路中的应用1、反相比例运算放大器_++RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虚地点i1=iF+ib-=iF,ib-=0ib+=0u+=0u－=u+=0平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1//RFFoiRuRu1电压放大倍数:10RRuuAFiu（一）比例运算电路二、信号运算电路_++RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k2、同相比例运算放大器u-=u+=uiib+=0ib-=0_++RFR1RPuiuoiFi1Au=1+RFRfiF=i1RP=Rf//RF1RuRuuiFioiFouRRu)1(1_++RFRfRPuiuoAu=1+RFRf当RF=0时,Au=1uo=ui电压跟随器_++RFR1RPuiuoiFi1例2.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=R1//RF=10//20=6.7kAu=1+=1+20/10=3RFR1例3在图示电路中，已知R1=100kΩ，Rf=200kΩ，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。ui∞－+Δ+R2∞－+Δ+uoRfR1uo1解输入级为电压跟随器，由于是电压串联负反馈，因而具有极高的输入电阻，起到减轻信号源负担的作用。且V1o1iuu，作为第二级的输入。第二级为反相输入比例运算电路，因而其输出电压为：(V)21100200o11ouRRuf（二）加法运算：_++RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虚地uo=-(ui1R1RF+ui2R2RF)若R1=R2=R,uo=-(ui1RRF+ui2)取RP=R1//R2//RFuo_++RFR1RPui0uuib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1R1=ui2R2+-uoRF（三）减法运算ui2作用ui1作用i11fuRRuoi22331f1f)1()1(uRRRRRuRRuo2323iuRRRui22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo)uu(RRu1i2i12oib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=_++R2R1R1ui2uoR2ui1Rp2RP1∞－+Δ+uoui1RF∞－+Δ+uo1RRR1R2ui2例4：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。11F22Fo12F11Fo2o1)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu例5：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。R4R3∞－+Δ+uoui1R1∞－+Δ+uo1R2R1R2ui1A1A2解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。112o11iuRRu1221221112212211o21o1111iiiiiuuRRuRRuRRRRuRRuRRu例6.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uouo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V（四）微分运算：u-=u+=0RuioFdtduCii1F1iidtduRCuioui－++uoRR2i1iFCib-=0sin(90)RCtcosouRCttui0tuo0tsinui例7：求uo。dtduRCuioui－++uoRR2i1iFC90°（五）积分运算Ruii1dtduCioFdtuRC1uioF1iii1iFui-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=04.2运放在信号测量方面的应用在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。测量放大器的原理电路12i1i212o1o2RuuRRuu)(2o1o46ouuRRu)21(12462i1ioiofRRRRuuuuuAuui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3–––––––+对A1和A2有对A3有)(22i1i12146ouuRRRRRu所以改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数4.3运放在信号处理方面的应用4.3.1有源滤波器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。1.有源低通滤波器01F1Fioj11j11RRRCRRUUiC1j1jUCRCUUURRU)(11Fo频率角称为截止RC1:0式中uiuoRFuCCR++–R1+–++––设输入为正弦波信号,则有故：,0时当,0时当01Fioj11)(j)(j)(jRRUUT若频率为变量，则电路的传递函数0f0j1uA,时当20f0)(1)(juATf0)(juAT2)(jf0uAT0)(jT其模为幅频特性f021uA0|Auf0||T(j)|O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f021uA0|Auf0||T(j)|O2.有源高通滤波器01F1Fioj11j111RRRCRRUUi1jUCRRUURRU)(11Fo频率角称为截止RC1:式中0uiuoRFCR++–R1+–+–设输入为正弦波信号，则有故：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。,0时当,时当20f0)(1)(juATf0)(juAT0)(jT01Fioj11)(j)(j)(jRRUUT若频率为变量，则电路的传递函数0f0j1uA其模为,0时当2)(jf0uAT幅频特性f021uA0|Auf0||T(j)|O模拟开关模拟输入信号1.电路4.3.2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2.工作原理4.3.2采样保持电路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+–++–4.3.5电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+u－时，uo=+Uo(sat)u+u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uou+–u––Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)即uiUR时，uo=+Uo(sat)uiUR时，uo=–Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压动画uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuiUR，uo=+Uo(sat)uiUR，uo=–Uo(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++–––Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUR