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1、2019年8月3日星期六,1,第7章集成运放的应用（信号的运算和处理）,7.1 概述,7.2 基本信号的运算电路,7.3 模拟乘法器的应用,7.4 有源滤波电路,7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路,2019年8月3日星期六,2,ri 大: 几十k M,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A 很大: 104 107,7.1 概述,理想运放的特点 1、开环差模增益 Aod= 2、差模输入电阻 rid= 3、输入偏置电流 IB1=IB2=0 4、输出电阻 r0=0 5、共模抑制比 KCMRR= 6、频带宽度 BW= 7、输入失调电压、输入失调电流均为零,7.1.1 理想运放的特
2、性,2019年8月3日星期六,3,7.1.2 理想运放的两个工作区,2019年8月3日星期六,4,例:设电源电压VCC=10V。运放的AOd=106,求ui,ui0.01mV时，运放处于线性区。,Aod越大，线性区越小，当AOd时，线性区0,怎样使理想运放工作在线性区？,在输出与输入之间加深度负反馈。,2019年8月3日星期六,5,虚断路,虚短路、虚断路的概念,1、开环增益 Aod= 2、差模输入电阻 rid=,iN,iP,2019年8月3日星期六,6,（1）输入信号加在反相输入端；,7.2 基本运算电路,7.2.1 比例运算电路,1. 特点,（2）同相端通过R2接地，以保证运放工作于对称状态
3、,R2=Rf/R1；,（3）Rf与R1组成反馈网络，且为电压并联负反馈。,一、反相比例运算电路,2019年8月3日星期六,7,i1=if,虚地!,2. 分析,2019年8月3日星期六,8,（1）uo与ui反相反相放大器； （2）Auf只与Rf，R1有关，且有三种情况； （3）当Rf=R1时，uo=-ui， 此时运放相当于作变号运算。,闭环增益,3. 讨论,2019年8月3日星期六,9,二、同相比例运算电路,uo,uN= uP= ui,（1）输入信号加在同相输入端，反馈网络加在反相输入端； （2）不存在“虚地” 。,特点,2019年8月3日星期六,10,（1）uo与ui同相，且uoui， （2）
4、若令Rf=0或R1=，则Auf=1即uo=ui 跟随器,闭环增益：,讨论,2019年8月3日星期六,11,另一种同相比例运算电路,如果令,分压,2019年8月3日星期六,12,三、电压跟随器,电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,2019年8月3日星期六,13,7.2.2 加减运算电路,一、反相求和运算电路,虚地!,用叠加原理如何？,2019年8月3日星期六,14,通过电流相加的办法来实现电压相加。,讨论,2019年8月3日星期六,15,增加一个输入支路，构成同相求和电路。,二、 同相求和运算电路,解出：,2019年8月3日星期六,16,
5、信号分别从同相输入端和反相输入端加入，也称差动输入，,特点：,三、 减法运算电路(差动输入),电路不存在“虚地”现象。,2019年8月3日星期六,17,解出：,如果令,分析,闭环增益,2019年8月3日星期六,18,四、 三运放电路,2019年8月3日星期六,19,ui1和ui2为差模输入信号，uo1和uo2也是差模信号， Rw的中点为交流零电位。 A3减法运算电路 。,2019年8月3日星期六,20,减法运算电路,2019年8月3日星期六,21,是一种高增益、高输入电阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差动输入，单端输出的形式。用于弱信号放大,调节Rw可以改变放大器的增益。,讨论,精密
6、放大器,2019年8月3日星期六,22,利用反相求和以实现减法运算,第1级反相比例,第2级反相求和,即,当 时,得,例 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。,解:,用叠加,2019年8月3日星期六,23,例 电路如图，设A1、A2为理想运放，试求输出信号与输入信号之间的函数关系。,解 电路中A1、A2为理想运放，由输入端虚短的条件有VP1VN1= Vi1、VP2VN2=Vi2,各电流值为,又,得,2019年8月3日星期六,24,7.2.3 微积分运算电路,uN= uP= 0,1.微分运算电路,虚地!,2019年8月3日星期六,25,若输入：,则：,移相,应用举
7、例：,2019年8月3日星期六,26,应用举例：,积分运算电路,(1) 输入方波，输出是三角波 (to时刻电容电压为0) 。,2019年8月3日星期六,27,(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。,U,积分时限,定时！,2019年8月3日星期六,28,对数运算电路,7.2.4 对数和指数运算电路,2019年8月3日星期六,29,uO是ui的对数运算。,三极管的发射结有,注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，有,利用三极管实现对数运算,2019年8月3日星期六,30,指数运算电路相当于反对数运算电路。,指数运算电路,2019年8月3日
8、星期六,31,1 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,2019年8月3日星期六,32,7.2.5 实际运放电路的误差分析,共模抑制
9、比KCMR为有限值的情况,输入失调电压VIO、输入失调电流IIO 不为零时的情况,2019年8月3日星期六,33,1. 共模抑制比KCMR为有限值的情况,同相比例运算电路,闭环电压增益,理想情况,越大，误差越小。,2019年8月3日星期六,34,2.输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,2019年8月3日星期六,35,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容C，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,2019年8月3日星期六,36,减小误差的方法,输入端加补偿电路,利用运放
10、自带的调 零电路,2019年8月3日星期六,37,功能：实现两个模拟量相乘,其中K为乘积系数，,量纲:V-1,符号：,7.3 模拟乘法器及其应用,7.3.1 模拟乘法器简介,2019年8月3日星期六,38,理想模拟乘法器应具备如下条件：,(1)ri1和ri2为无穷大； (2)ro为零； (3)K值不随信号幅值而变化，且不随频率而变化； (4)当vx或vY为零时vo为零，电路没有失调电压、电流和噪声。,2019年8月3日星期六,39,对于差放有：,7.3.2 模拟乘法器的基本工作原理,书p339,乘法,2019年8月3日星期六,40,7.3.2 模拟乘法器的应用,1. 相乘运算电路,模拟相乘电路
11、,立方运算电路,2. 乘方运算电路,平方运算电路,3. 除法运算电路,据虚断,如果令K= R2 / R1则,工作（保证负反馈）条件？,4. 开方运算电路,v1必须为负值！,二极管作用？,防止出现闭锁现象,5. 开立方运算电路,2019年8月3日星期六,44,7.4 有源滤波电路,滤波电路的种类:,低通滤波电路 高通滤波电路 带通滤波电路 带阻滤波电路,一阶有源滤波电路,二阶有源滤波电路,按阶次:,2019年8月3日星期六,45,7.4.1 基本概念,1. 基本概念,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得电子装置。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,电路传递函数定义,时，有
12、,其中, 模，幅频响应（特性）, 相位角，相频响应,拉氏变换,2019年8月3日星期六,46,2. 分类 按幅频特性分,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）,2019年8月3日星期六,47,无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。 有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。,4、由集成运放（工作在线性区）和RC网
13、络组成的有源滤波电路的优点： （1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。 （2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。 （3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。,3、无源滤波电路和有源滤波电路,2019年8月3日星期六,48,1、RC无源一阶低通滤波电路,7.4.2 低通滤波电路,一阶RC无源滤波电路,缺点：带负载的能力差，例如 R=27k，RL=3k，对于直流而言，uo只有ui的十分之一，而当RL断开时，uo=ui，,为了提高带负载的能力，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。,2019年8月3日星期六,49,传递函数,其中,特征角频率,故，幅频相应为,2.
14、 RC有源一阶低通滤波电路,2019年8月3日星期六,50,3. 压控电压源二阶低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS）,得滤波电路传递函数,（二阶）,书352,式7.4.14,2019年8月3日星期六,51,称为通带增益(中频),称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得频率响应：,2019年8月3日星期六,52,归一化的幅频响应,相频响应,电压增益与通带增益的比,2019年8月3日星期六,53,归一化的幅频响应波特图,2019年8月3日星期六,54,7.4.3 高通滤波电路,1. RC有源一阶高通滤波电路,2019年8月3日星期六,55,2. 压控电压源二阶高通滤波电路,将低通电
15、路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,2019年8月3日星期六,56,1. 低通和高通串联,必须满足,7.4.4 带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,2019年8月3日星期六,57,2. 压控电压源二阶带通滤波电路,传递函数,得,(7.4.34),2019年8月3日星期六,58,7.4.5 带阻滤波电路,1. 低通和高通并联,必须满足,通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,2019年8月3日星期六,59,2. 双T有源二阶带阻滤波电路,双T选频网络,2019年8月3日星期六,60,双T有源二阶带阻滤
16、波电路,2019年8月3日星期六,61,在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。,75 电子信息系统预处理中所用放大电路,751 仪表用放大器 集成仪表用放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。,从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。,1. 特点,仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。,2019年8月3日星期六,62,2. 基本电路,2019年8月3日星期六,63,3. 集成仪表用放大器,2019年8月3
17、日星期六,64,4. 应用举例,图为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为-50+150，分辨率为0.1。 图中R1 、R2、D和Rwl构成测量电桥，D为温度传感器。电桥的输出信号接到集成仪表放大INAl02的输人端进行放大。A2构成的电压跟随器，起隔离作用。电压比较器驱动电压表，实现数字化显示。,数字式温度计,2019年8月3日星期六,65,设放大后电路的灵敏度为10mV，则在温度从-50变化到+150 时，输出电压的变化范围为2 V，即从-0.5+1.5 V。当INAl02的电源电压为+18V时，可将INAl02的引脚、和连接在一起，设定仪表放大器的电压放大倍数为10，因而仪表
18、放大器的输出电压范围为-5+15 V。根据运算电路的分析方法，可以求出A1和A2输出电压的表达式为,改变Rw2滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。,2019年8月3日星期六,66,某些传感器属于电容性传感器，如压电式加速度传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。,7.5.2 电荷放大器,为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内； 为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管。,2019年8月3日星期六,67,在远距离信号传输的过程中，常因强干扰的引入使放大电路的输出有着很强的干扰背景，甚至将有用信号淹没，造成系统无法正常工作。将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器。它既可切断输入侧和输出侧电路间的直接联系，避免干扰混入输出信号，又可使有用信号畅通无阻。 目前集成隔离放大器有变压器耦合式、光电耦合式和电容耦合式三种。,7.5.3 隔离放大器,1. 变压器耦合式,2019年8月3日星期六,68,2019年8月3日星期六,69,2. 光电耦合式,2019年8月3日星期六,70,第7章 结 束,