第九章 集成运放在信号的运算与处理上的应用

重点：第九章集成运放在信号的运算与处理上的应用1.比例运算电路3.积分与微分电路2.求和电路目录9-5模拟乘法器9-4对数与反对数电路9-3积分与微分电路9-1比例运算电路9-2求和电路9-6电压比较器uiuo+UOM-UOMuiuo_++A线性放大区9-1比例运算电路集成运放有线性区（放大区）和非线性区（饱和区）两部分确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。集成运放电压传输特性1.理想运放在线性工作区——引入负反馈理想运放工作在线性区特点：a.理想运放的差模输入电压等于零0)(odOAuuuNP即NPuu——“虚短路”-＋+uNuPuob.理想运放的输入电流等于零由于Rid=∞，两个输入端均没有电流，即0NPii——“虚断路”信号的放大、运算电路有源滤波电路运放线性应用2.理想运放在非线性工作区——开环或引入正反馈+UOMuOu+uOUOM理想特性理想运放工作在非线性区特点：当uPuN时，uO=+UOM当uPuN时,uO=-UOMa.uO的值只有两种可能b.理想运放的输入电流等于零,“虚断”依然存在0NPii实际运放Aod≠∞，当uP与uN差值比较小时，仍有Aod(uP-uN)，运放工作在线性区，但线性区范围很小。电压比较器波形发生电路运放的非线性应用比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。0NPuui1=i2foiRuRu111RRuuAfoufuo_++RfR1RPuii1i2(1)放大倍数虚短路虚地虚开路1.反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。—电压并联负反馈0NPii(2)电路的输入电阻Ri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1//Rfuo_++RfR1RPuii1i2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大Rf，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。uo_++R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：T型反馈反相比例运算电路求Aui1=i24324111RRRRuUoM1122RuiRUiiM0NPuu虚短路虚地虚开路0NPii)1(342412RRRRRRuuAiouf该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。2.同相比例运算电路_++RfR1RPuiuo1RuRuuifioifouRRu)1(1111RRuuAfouf结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。—电压串联负反馈iNPuuu虚短路虚断路0NPii_++uiuoiPNouuuu此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。特例：电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例若同相比例运算电路中Rf=0或R1=∞,则Auf=1,Uo=Ui_++RfR1RPuiuo_++RfR1R1ui2uoRfui1NPuu11RuuRuuiNfNofPPiRuRuu12)(121iifouuRRu解出：3.差动输入比例运算电路虚短路虚断路0NPii差动放大器放大了两个信号的差三种比例运算电路特点不同，见P229表作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。1.反相求和运算电路R2_++RfR1ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。fPRRRR////21平衡电阻9-2求和运算电路fiii21)(2211ififouRRuRRui2ifi1R2_++RfR1ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。NPuu0NPii2.同相求和运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。213////RRRRf-R3Rf++ui1uoR1R2ui2NPuu0NPiiNfouRRu)1(3))(1(221112123iifouRRRuRRRRRu22111212iiPuRRRuRRRu注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。-R1Rf++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？RRRRRf//////22211)(222211RURURUiifo提示：1.虚开路：2.虚短路：3.节点电压法求uP。NPuu0NPiiR2_++RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))(////(4433643RuRuRRRuiiPPNuufNoNiNiRuuRuuRuu2211虚短路虚开路虚开路)(])111([443322111112211RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiifPiifo64321////////RRRRRRf3.差动求和电路—加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3Rf++ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。fRRRRR//////3421)(332211RuRuRuRuiiifok240fRuo=10ui1+8ui2-20ui3k241Rk302Rk123Rk804R优点：元件少，成本低。)(44332211RuRuRuRuRuiiiifo缺点：要求R1//R2//Rf=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。4.双运放的加减运算电路-Rf1++ui1uo1R1ui2R2R3-Rf2++uoR4ui3R5R625461213////,////ffRRRRRRRR)(221111RuRuRuiifo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiffiofo5.三运放电路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+1iauu2ibuuWbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：)(21212iiWWouuRRRRRu•三运放电路是差动放大电路，放大倍数可变。•由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1–+AR2R2uo+1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结i1iftui0Ruii1tuCiofddtuRCuiod1tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuo1.积分运算电路应用举例1：9-3积分与微分运算电路思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。uN=uP=0RuioftuCiidd1fii1tuRCuiodduit0t0uoui–++uoRR2i1ifCtuisin若输入：则：)90sin(costRCtRCuo2.微分运算电路非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：1.电路中的运放处于非线性状态。++Auo比如：运放开环应用或有正反馈uo9-6电压比较器2.另一种情况，电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。3.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。ui0时：iFouRRu11ui0时：iFFouRRRu121//++AuoR1RF1RF2Duiuoui0传输特性由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。uoui0+UOM-UOM++uoui一、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOMtui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom++uiuoui0+UZ-UZ过零比较器电路改进：用稳压管稳定输出电压。++uiuoUZRR´uoUZ过零比较器的另一种形式——将双向稳压管接在负反馈回路上uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压（门限电压ui：被比较信号++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当uiUR时,uo=+Uom当uiUR时,uo=-Uom1.若ui从同相端输入二、单门限比较器++uouiUR当uiUR时,uo=+Uom当uiUR时,uo=-Uom2.若ui从反相端输入uoui01.下行滞回比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+UOM)：UPHomPUURRRU2113.当uo负饱和时(uo=–UOM)：LomPUURRRU211－++uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定单限比较器结构简单，但抗干扰能力差(1)没加参考电压的下行滞回比较器三、滞回比较器omHURRRU211omLURRRU211分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差。当ui增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；－++uoRR2R1ui当ui减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。uoui0Uom-UomRomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU212211(2)加上参考电压后的下行滞回比较器加上参考电压后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL下行滞回比较器两种电路传输特性的比较:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL0211212omiURRRuRRRuP=0时翻转，可以求出上下门限电压。0211212omiURRRuRRR2.上行滞回比较器－++uoRR2R1uiHomiUURRu21LomiUURRu21当uPuN=0时,uo=+UOM当uPuN=0时,uo=-UOM(1)没加参考电压的上行滞回比较器uoui0Uom-Uom传输特性曲线UHUL－++uoRR2R1uiomHURRU21omLURRU21上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo=+UOM时：当uo=-UOM时：RomiUURRRuRRR211212RomiUURRRuRRR211212