模电第4单元

模拟电子技术主编曾令琴第4单元集成运算放大器的应用4.1集成运放的运算应用电路4.2集成运算放大器在信号处理方面的应用4.3集成运算放大器的非线性应用4.4集成运算放大器的选择、使用和保护模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用理解和掌握分析理想运放工作在线性区和非线性区的依据；掌握比例运算电路、求和运算电路、微分、积分等线性应用电路的结构、特点及输入输出关系；了解有源滤波电路；掌握简单电压比较器的电路结构、工作原理；熟悉滞回比较器和窗口比较器的电路组成及工作原理，正确理解正弦发生器的工作原理。任务导入模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1集成运放的运算应用电路当集成运放通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环状态并且工作于线性区。运放工作在线性区可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等。运算电路分析方法要点在对集成运放应用电路的分析过程中，一般将实质运放视为理想运算放大器来处理，只有在需要研究应用电路的误差时，才会考虑实际运算放大器特性带来的影响。模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1.1反相比例运算电路基本电路i2由“虚断”可推出：i2=0，因此u+“虚地”u+u－根据“虚短”又可推出：u－=u+=0i1ifF011RuiRuifi，反相输入端虚断，所以fii1可得负号说明输入输出反相有F01RuRui整理后可得i1F0uRRu输出与输入的比例值RFR1RPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用该电路为电压并联负反馈，所以输入电阻较低，i1F0uRRu由可得电路闭环电压放大倍数1FioufRRuuA1iRR电路的输出电阻0oR该电路中的电阻RP称为平衡电阻，F1P//RRR该电路引入了哪种组态的负反馈？RFR1RPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用R1=10k,RF=20k,ui=－1V。求:uo，RP应为多大？210201FufRRAV2)1(2iufouAuk7.620//10//F1PRRRRFR1RPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1.2同相比例运算电路i2由“虚断”可推出：i2=0，因此u+≈uiu+u－根据“虚短”又可推出：u－=u+≈uii1ifFi011RuuiRuifi，由“虚断”可知fii1可得所以F01RuuRuii整理后可得i1F0)1(uRRu输出与输入的比例值显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，平衡电阻RP=R1//RFRFR1RPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用R1=10k,RF=20k,ui=－1V。求:uo，RP应为多大？31020111FufRRAV3)1(3iufouAuk7.620//10//F1PRRRRFR1RPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用电压跟随器此电路是电压并联负反馈，具有输入电阻大，输出电阻小的特点，在电路中作用与分离元件的共集电极放大电路相同，但是电压跟随性能更好一些。由“虚断”可推出：i2=0，因此u+≈ui根据“虚短”又可推出：u－=u+≈ui＝uoi2当RF=0时,Auf=1uo=uiRPuoui－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1.3反相求和运算电路反相电路存在“虚地”现象，因此2i221i11RuiRui，因为fiiii321可得u－=u+=“地”F03i33RuiRuif，将各电流代入F03i322i11iRuRuRuRu如果取各输入电阻321RRR则有)(3i2i1i1F0uuuRRu若再取F1RR则)(3i2i1i0uuuu实现了反相求和运算整理上式可得)(33i22i11iF0RuRuRuRuu+u－u0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1.4同相求和运算电路根据KCL定律：由“虚短”可得43i32i21i1RuRuRuRu)(3i32i21i14RuRuRuRuu再根据同相比例输入电路可得uRRu)1(1F0)()1(3i32i21i14FoRuRuRuRRRu根据对称性要求4PNRRRNP且4FN//RRRR因此)()(3i32i21i1F3i32i21i1FFFoRuRuRuRRuRuRuRRRRRRRu若F321RRRR则实现同相求和运算3i2i1i0uuuu－＋＋∞ui2R2R4RFRR1uoui1ui3R3i1i2i3i4模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.1.5差分减法运算电路u0RFui1R1ui2R2R3－＋＋∞i1if若R2=R3，则2i2uuu1i2i111i12/RuuRuuiF20F02/RuuRuuiif根据“虚断”fii1不存在“虚地”现象可得F2i012ii12/2/RuuRuu整理后)(1ii21F0uuRRu若R1=RF，则1ii20uuu电路实现了差分减法运算。实现了输出对输入的差分比例运算。根据分压关系可得323i2RRRuuu+u－模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用电路如图，设A1、A2为理想运放，求输出信号与输入信号之间的函数关系。本例利用反相求和实现了输出对输入的减法运算。i111fuRR第1级反相比例第2级也是反相求和电路当时22f11fRRRR，得2i1iOuuu可采用叠加原理，即：o122fi222fouRRuRRu即i222fi111f22fouRRuRRRRuui1－＋A1－＋A2ui2R2R1Rf1R2Rf2uo模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用电路如图，设两运放均为理想运放，试求输出信号与输入信号之间的函数关系。按理想运放输入端“虚短”的条件有:u－1＝u+1=ui1、u-2＝u+2=ui2各电流值为111RuIi31211312RuuRuIIIiii435III212224)(RuRIuIii3123RuuIii1231212143215O21)(iiiiuuRRRRuRIIuRIu得ui1－＋A1ui2R1R2R2R1uo－＋A2R3I1I2I3I4I5模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用微分电路属于反相输入电路，因dtduCdtduCii1C11因为u－=u+=“地”电位“0”微分电路可用于波形变换，将矩形波变换成尖脉冲；且u0与ui相位反相F0i11RudtduCiif又有dtduCRui1F0所以电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的微分。式中的比例常数RFC1称为电路的时间常数为保证电路的平衡，RF=R2uit0u0t04.1.7微分运算电路此同样存在“虚地”现象，即u+u－i1ifuiC1RFuCu0RFR2－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用已知微分运算电路的输入量,ui=－sinωtV，求uo。)90sin(tRCtRCucosodtduRCuiotui0tuo090°u+u－i1ifuiC1RFuCu0RFR2－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用u+u－i1ifuiu0R2R1－＋＋∞积分电路也存在“虚地”现象，即dtiCuufC101可知u－=u+=“地”111iRiRiuf因为dtuCRui1101将i1代入u0表达式得电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。式中的比例常数R1C1称为电路的时间常数。反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路1i11101RuidtiCu，其中所以RFCF4.1.7积分运算电路模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用Ruii1dtduCiofdtuRCui1o（1）输入方波，输出是三角波（to时刻电容电压为0）。tui0tuo0tui0u+u－i1ifuiu0R2R1CFuo－＋＋∞模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用（2）输入直流电压，输出将反向积分，一定时间TM后输出饱和,积分停止。tUdtRCu0o1Mom1UTRCUURCUTomMtui0tuo0U-UomTM积分时限定时！模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用已知积分电路的输入量是直流Ui=－3V，画出uo波形。tRCdtRCdtuRCui3)3(11o设Uom=15V，R=10k，C=1F反相积分器：如果ui是直流电压，输出将反相积分，经过一定的时间t后输出饱和。tui0-Utuo0+Uom0.05秒s05.0315001.010omURCUt则模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用1.理想运算放大电路的两个重要结论是________。a.虚地与反相b.虚短与虚地c.虚短与虚断d.断路和短路2.集成运放一般分为两个工作区，它们是________工作区。a.线性与非线性b.正反馈与负反馈c.虚短和虚断3.施加深度负反馈可使运放进入________；使运放开环或加正反馈可使运放进入________。a.非线性区b.线性工作区4.集成运放能处理________。a.交流信号b.直流信号c.交流信号和直流信号5.由理想运放构成的线性应用电路，其电路放大倍数与运放本身的参数________。a.有关b.无关c.有无关系不确定课堂练习CAbaCb模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用1、集成运放构成的基本线性应用电路有哪些？这些基本电路中，集成运放均工作在何种状态下？2、“虚地”现象只存在于线性应用运放的哪种运算电路中？3、举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析中的作用。4、工作在线性区的集成运放，为什么要引入深度电压负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相输入端？5、若给定反馈电阻RF＝10kΩ，试设计一个的电路。模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用4.2集成运算放大器在信号处理方面的应用滤波器：使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。4.2.1有源滤波器有源滤波器的带负载能力较强且兼有电压放大作用，加之电路中没有电感和大电容元件，因此体积小、重量轻。但是，任何事物都是一分为二的，有源滤波器也有不足之处，主要反映在集成运放频率带宽不够理想，由此使得滤波器只能在有限的频带内工作，即有源滤波器通常只能使用于几千赫兹以下的频率范围。模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用低通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合——整流后滤波。高通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合——阻容放大器的耦合。带通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声——载波通信。带阻（BEF）用于抑制干扰。全通（APF）有源滤波器的分类模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用1.有源低通滤波器图示电路中，有源滤波电路接至集成运放的同相输入端，由于“虚断”，所以有：CRjUUCjRCjUU111iiPN因为1N1RUI，FNOFRUUI，根据“虚短”，电阻R1和反馈电阻RF上通过的电流相等。可得：CRjURRURRUiFN1)1()1(11FO模拟电子技术第4单元集成运算放大器的应用由此可得有源低通滤波器的幅频特性如图所示：电路的传输函数为：0uP1FiO111)1(jACRjRRUUA当频率f=0时，1Fup1RRA通带截止角频率RC10Aup为通带电压放大倍数，通过改变电阻RF和R1的阻值可以调节低通有源滤波