电子设计大赛(模电)（PPT46页)

模拟电子技术•运放•滤波•直流稳压电源vo+PN+VCC–VEE–集成电路运算放大器vo+PN+VCC–VEE–(a)国家标准规定的符号(b)国内外常用符号1.运放符号一、运放基本知识2.电压传输特性vo=f(vi)线性区：vo=Avo(v+–v-)非线性区：v+v–时，vo=+Vomv+v–时，vo=–Vom+Vomv+–v-vo–Vom线性区理想特性实际特性饱和区O3.理想运放工作在线性区的特点v+=v–虚短i+=i–0虚断vo+PN+VCC–VEE–4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Vom或–Vom(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象不存在“虚短”现象v+v–时，vo=+Vomv+v–时，vo=–Vom二、放大电路的设计1.反相比例运算电路uoRFuiR2R1++––++–平衡电阻R2=R1//RF运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。uoRFuiR2R1++––++–uRRu)1(1Fo1Fiof1RRuuAu2.同相比例运算电路当R1=或RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoui++––++–平衡电阻R2=R1//RF3.设计步骤uoRFuiR2R1++––++–uoRFuiR2R1++––++–1Fiof1RRuuAu（1）根据放大倍数找到R1与RF的关系，然后自行选定其中一个元件值，计算另一个元件值（运放中的电阻阻值不宜过大或过小，通常选择几千欧~几百千欧）。（2）根据平衡电阻计算R2阻值。三、电压比较器的设计用作比较器时，运放工作在饱和区，即运放工作在开环状态或引入正反馈。1.基本电压比较器（开环）当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)URuouiR2++–R1+–++––运放处于开环状态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)uiuoOUR阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2URuouiR2++–R1+–++––输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则uiUR，uo=UZuiUR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR单门限比较器的抗干扰能力应为高电平错误电平2.迟滞比较器（正反馈）（1）电路组成（2）门限电压为门限电压，Pv门限电压的两个的两个电压值可得有关，对应于与而POOPvvvv)(OLOPI低电平时，Vvvv)(OHOPI高电平时，Vvvv21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV（3）传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV3.设计步骤（1）基本电压比较器设计时运放中的电阻阻值按几千欧~几百千欧自行选择。（2）迟滞比较器设计时自行选择一个电阻阻值，另外一个由回差电压方程计算。回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV滤波电路的设计1.基本概念滤波器：是一种选频电路，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。滤波器无源滤波器：由电阻、电容和电感组成。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。优点：体积小、效率高、频率特性好。2.分类低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）3.有源低通滤波电路uiuoRFuCCR++–R1+–++––(1)一阶低通滤波电路01F1Fioj11j11RRRCRRUU频率角称为截止RC1:0式中,0时当,0时当01Fioj11)(j)(j)(jRRUUA若频率为变量，则电路的传递函数0fj1uA,时当20f)(1)(juAAf)(juAA2)(jfuAA0)(jA其模(幅频响应）为幅频特性f21uA0|Auf||A(j)|O当0时，|A(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。一阶二阶幅频特性f21uA0|Auf||A(j)|O一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢(-20dB/十倍频程)，一般用在对滤波要求不高的场合。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。(2)二阶低通滤波电路1fPoF1)()(RRsVsVAV)(/1/1)(APsVsCRsCsV对于滤波电路，有RsVsV)()(AisCsVsV/1)()(oA0)()(PARsVsV得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVV（二阶）F0VAARC1c令称为通带增益)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVVF31VAQ称为特征角频率称为等效品质因数则2cn22c0)(sQsAsA滤波电路才能稳定工作。时，，即当303FFVVAA注意：4.有源高通滤波电路(1)一阶高通滤波电路uiuoRFCR++–R1+–+–01F1Fioj11j111RRRCRRUU频率角称为截止RC1:式中0（低通滤波器中R、C位置互换即可）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20f)(1)(juAAf)(juAA0)(jA01Fioj11)(j)(j)(jRRUUA若频率为变量，则电路的传递函数0fj1uA其模为,0时当2)(jfuAA幅频特性f21uA0|Auf||A(j)|O(2)二阶高通滤波电路可由低通和高通串联得到必须满足11H1CR低通截止角频率22L1CR高通截止角频率HL5.有源带通滤波电路例:可由低通和高通并联得到必须满足HL6.有源带阻滤波电路6.有源滤波电路设计方法（1）关于滤波器类型的选择（2）级数的选择主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-20dB每十倍频程的衰减。（3）运放的选择在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器，运放的开环增应在80dB以上。如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，则选低漂移运放。一般设计滤波器时都要给定截止频率fc(ωc)、带内增益Av，以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作频率范围按照表1初选电容值。f(1~10)Hz（10~102）Hz（102~103）Hz（1~10）KHz（10~102）KHz（102~103）KHzC(20~10)F（10~0.1）uF（0.1~0.01）uF（104~103）pF（103~102）pF（102~10）pF表1滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系（4）元器件的选择例：试用集成运放设计一截止频率fc=100Hz的二阶低通巴特沃斯滤波器，要求：（1）选择运放；（2）选择和计算全部电阻、电容参数。设计步骤：（1）选择运放：选择通用型运放，如LF412（2）选择电容器容量，计算电阻阻值f(1~10)Hz（10~102）Hz（102~103）Hz（1~10）KHz（10~103）KHz（102~103）KHzC(20~10)F（10~0.1）uF（0.1~0.01）uF（104~103）pF（103~102）pF（102~10）pF参考此表，可选C1=C2=0.33uFcfRC21c由得KCπfRc.8421选择标准电阻R=4.7千欧阶数n2468增益G一级1.5861.1521.0681.038二级2.2351.5861.377三级2.4831.889四级2.610表2巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G之关系由表2可知：2阶巴特沃斯滤波器增益为A0=AVF=1.586若取R1=68千欧，则Rf=（AVF-1)R1=39.8千欧直流稳压电源设计小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压1.单相桥式整流电路(2)工作原理v2正半周，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载电阻上得到正弦波的正半周。反之，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。(3)工作波形(1)电路结构(4)参数计算(3)流过每管电流平均值ID22DLOIII(4)每管承受的最高反向电压VDRM2DRM2VV22π02LO9.0π22dsin2π1VVttVVV(1)整流电压平均值Vo（即负载上输出平均电压）(2)整流电流平均值Io（流过负载的平均电流）L2LL9.0RVRVIIOO(5)整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压VDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：IOMID，VRWMVDRM2.电容滤波器(1)电路结构(2)工作原理v2正半周时，当v2vC时，二极管D1D3导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，vC增加，vo=vC。v2负半周时，当|v2|vC时，二极管D2D4导通。(3)工作波形vo22V22VvtOtO25)(3LTCRτ一般取(T—电源电压的周期)近似估算取：Vo=1.2V2(桥式）(4)参数计算3.稳压电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路（1）稳压管稳压（2）集成稳压芯片稳压单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入端3—公共端2—输出端W7900系列稳压器外形1—公共端3—输入端2—输出端塑料封装输入与输出之间的电压不得低于3V！3.三端集成稳压器的应用COW7805CiUi+_+_UO1230.1~1F1F23220V24V+C24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000FCOW78XXCiUI+_+_UO123UXXUZRDZ+_+_COCW117CiUi+_+_UO321AdjR1R22401µF0.1µF