第7章-集成运算放大器的应用电路

第7章集成运算放大器的应用电路第7章集成运算放大器的应用电路7.1集成运算放大器的应用电路分析方法7.2基本运算电路7.4电压比较电路7.3有源滤波电路要求2.熟练掌握比例、加法、减法、积分等运算电路及综合应用。3.掌握有源滤波电路的基本概念;4.了解模拟乘法器的应用电路分析;1.熟练掌握运放的线性应用特点：虚短、虚断5.熟练掌握运放的线性应用特点;6.掌握运算放大电路的非线性应用的特点；7.熟练掌握单门限电压比较、迟滞比较器的原理、传输特性曲线、波形分析；7.1集成运算放大器的应用电路分析方法为简化对集成运放应用电路的分析，常把集成运放视为理想器件。其主要满足以下一些条件：1.开环差模电压增益Aod=∞;2.差模输入电阻Rid=∞;3.输出电阻Ro=0;4.共模抑制比CMRR=∞;5.开环带宽BW=∞;6.失调、漂移和内部噪声为零。实际运放的技术指标与理想运放比较接近，因此用理想运放代替实际运放分析所产生的误差并不大，在工程计算中是允许的，由此却带来了分析的大大简化。7.1.1理想运放由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)Aod是开环差模放大倍数。非线性区(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM,就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。7.1.2集成运放应用电路的分析依据因为uO为有限值，Aod＝∞，所以uN－uP＝0，即uN＝uP…………虚短路因为rid＝∞，所以iN＝iP＝0………虚断路电路特征：引入电压负反馈。无源网络一、集成运放的线性工作区uO＝Aod(uP－uN)7.1.2集成运放应用电路的分析依据应用电路：运算电路、有源滤波电路特征：开环、引入电压正反馈。二、集成运放的非线性工作区7.1.2集成运放应用电路的分析依据1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2.当U+U-时，Uo为正向输出饱和电压UOH当U+U-时，Uo为负向输出饱和电压UOL其数值接近运放的正负电源电压I+=I-≈0分析运放的应用电路时，首先将集成运放视作理想运放，以便抓住主要矛盾，忽略次要矛盾；然后判断运放是工作在线性区还是非线性区。在此基础上分析具体电路的工作原理，其它问题也就迎刃而解了。应用电路：比较器。7.2基本运算电路集成运放的应用首先表现在它能够构成各种运算电路上。在运算电路中，集成运放必须工作在线性区，在深度负反馈条件下，运放的虚短和虚断实现各种数学运算。基本运算电路包括：比例、加减、积分、微分、对数、指数（1）识别电路。（2）求解运算关系式。学习运算电路的基本要求：一、反相比例运算电路1)电路引入了哪种组态的负反馈？2)电路的输入电阻为多少？3)R’＝？为什么？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虚地在节点N：RuiiRIFIffFOuRRRiu7.2.1比例运算电路由于“虚断”，由于“虚短”，由iI=iF，T形反馈网络反相比例运算电路I12MuRRuI342142O)1(uRRRRRRu∥利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3RuiI1fON1fOIPN)1()1(uRRuuRRuuuu运算关系的分析方法：节点电流法二、同相输比例运算电路1)电路引入了哪种组态的负反馈？2)输入电阻为多少？根据“虚短”和“虚断”的特点，可知IPNOuuuu同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器计算方法小结1.列出关键结点的电流方程，如N点和P点。2.根据虚短(地)、虚断的原则，进行整理。一、反相加法运算电路2I211I21FPN0RuRuiiiuuRR)(2I211IffFORuRuRRiu虚短、虚断、节点电流法7.2.2求和运算电路二、同相加法运算电路设R1∥R2∥R3＝R4∥Rf1I321324f1O)1(uRRRRRRRu∥∥2I312314f2O)1(uRRRRRRRu∥∥f4f4f//)1(RRRRR231231231//RRRRRRRRR∥∥∥)11()////()//(2I21I1f2I23121I13124ff2OuRuRRuRRRRuRRRRRRRu∥∥7.2.3减法运算电路)(I1I2fOuuRRu实现了差分放大电路fON1NI1RuuRuu3P2PI20RuRuuI11fI23231f1O))((uRRuRRRRRRu当,231fRRRR则)(I1I21fOuuRRu根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：PNuu一、利用差分电路实现减法7.2.3减法运算电路i11f1O1uRRu)(I11f1I22f2OuRRuRRu二、利用反相信号求和实现减法)(i2O12f2O2uuRRuI2I1Ouuu当2f21f1RRRR一、积分运算电路RuiiRCI)(11OIO21tudtuRCuttdtuRCuIO1)()(11O12IO21ItuttuRCuttu为常量，则～在若dtRuCuuICO17.2.4积分运算电路和微分运算电路移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分，延时波形变换tuRCRiutuCiiRCRddddIOI为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。限制输入电流限制输出电压幅值滞后补偿一、微分运算电路7.2.4积分运算电路和微分运算电路OR2C2()uuu1C1FiiituCiddI1C1I11uiRtuCRuRRRiuddI12I122FR2tRutuCCtiCud)dd(1d11II12F2C221IOII211212d1()ddRCuuuutRCRCRCtPID调节器讨论三：求解图示电路的运算关系利用“虚短”和“虚断”分析RuiiRIC对输入电压的极性有何要求？RIuUuuSITBEOln7.2.5对数和反对数运算电路一、对数运算实用电路中常常采取措施消除IS对运算关系的影响TBEeESCUuIi利用PN结端电压与电流的关系BEIuu对输入电压的极性和幅值有何要求？TIeSOUuRRIRiu二、指数运算电路TIeSEUuRIii理想情况下，ri1、ri2、fH为无穷大，失调电压、电流及其温漂为0，ro为0，ux、uy幅值变化时k值不变。有单象限、两象限和四象限之分。YXOukuu7.2.6模拟乘法器及其在运算电路中的应用)cos21(2sin2sin22i22iOiItkUtkUutUu则若2.乘方运算1.乘法运算I2I1Oukuu实际的模拟乘法器k常为+0.1V-1或－0.1V-1。若k=+0.1V-1，uI1=uI2=10V，则uO=10V。2IOkuu实现了对正弦波电压的二倍频变换在运算电路中的基本应用为使电路引入的是负反馈，k和uI2的极性应如何？21ii在运算电路中的基本应用3.除法运算I2I112OkuuRRu运算电路中集成运放必须引入负反馈！1i2i若集成运放的同相输入端与反相输入端互换，则k和uI2的极性应如何？2'O1I1RuRuOI2I112'OukuuRRu2OI12'OkuuRRu为满足上式，电路中uI、uO、k的极性是什么？4.开方运算I12OukRRu讨论电路如图所示（1）组成哪种基本运算电路？与用一个运放组成的完成同样运算的电路的主要区别是什么？（2）为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不考虑第二级电路对它的影响？7.3有源滤波电路7.3.1滤波电路的作用与分类7.3.2有源低通滤波电路7.3.3其他有源滤波电路一、滤波电路的基本概念7.3.1滤波电路的作用与分类)()()(iosUsUsA滤波器：是一种能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。)(Itu)(Otu滤波电路滤波电路传递函数定义时，有js)(je)j()j(AA)()j(A其中)j(A——模，幅频响应——相位角，相频响应)(二、滤波器的幅频特性通带放大倍数通带截止频率下降速率用幅频特性描述滤波特性，要研究、(fP、下降速率)。puAuA高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF））阻容耦合通信电路抗已知频率的干扰理想幅频特性无过渡带低通滤波器（LPF）三、滤波电路的种类PPpj11π211ffARCfAuu空载：p'pLp'LLpj1)(π21ffAACRRfRRRAuuu∥带载：空载时带负载时7.3.2有源低通滤波电路负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。无源滤波电路无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电压大电流。有源滤波电路用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻一、一阶有源低通滤波电路对于LPF，频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的jω用s取代即可。12p1RRAusRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1(11)1()()()(121fio一阶LPF经拉氏变换得传递函数RCfπ2100pj1ffAAuu频率趋于0时的放大倍数为通带放大倍数决定于RC环节表明进入高频段的下降速率为－20dB/十倍频7.3.2有源低通滤波电路一阶电路的幅频特性)π21(j1100p12pRCfffAARRAuuusRCRRsUsUsAu11)1()()()(12io为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加RC环节。在Au(s)表达式分母中s的方次就是滤波器的阶数。二、简单二阶LPFj3)(11)1()(311)1()(02012212ffffRRAsRCsRCRRsAuu截止频率fH≈0.37f0特征频率π210RCf分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。三、二阶压控电压源LPF引入正反馈为使fp=f0，且在f=f0时幅频特性按－40dB/十倍频下降。f→0时，C1断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数；f→∞，C2短路，正反馈不起作用，放大倍数小→0；因而有可能在f=f0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。二阶压控电压源二阶LPF的分析2pp)()](3[1)()(sRCsRCsAsAsAuuuppp03uuuuAQAAAff时，列P、M点的节点电流方程，整理可得：pp032uffuuAAA时，当0p20p]3[j)(1ffAffAAuuu其他类型的有源低通滤波器切比雪夫(Chebyshev)滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数。其值决定于f=fo附近的频率特性。按照f=fo附近频率特性的特点，可将滤波器分为:巴特沃思（Butterworth）贝塞尔（Bessel）OOO一、高通滤波器（HPF）与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。二、带通滤波器（BPF）三、带阻滤波器（BEF）fH＜fLfH＞fL7.3.3其他有源滤波电路运算电路与有源滤波器的比较相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变