现代电子线路05集成运算的运用课件.ppt

1、2023-5-14School of Physics,第五章 No.1第五章：集成运放的应用 本章内容：5.1运算放大器的线性运用5.2运算放大器的非线性运用2023-5-14School of Physics,第五章 No.25.1运算放大器的线性运用一、比例运算电路u-u+uoodA电路均满足深度负反馈条件。虚短：uu，即正反向输入端可看作短路。（virtual short circuit）虚断：理想运放输入偏置电流为零，即 ，输入端没有电流流入，相当于断路（虚断virtual open circuit）。0ii1、理想运放的特性2023-5-14School of Physics,第五章

2、 No.32、反相比例运算电路虚断条件：0ii虚短条件：0uufiii 1RiuiiffoRiuifouRRu1fpRRR/1以满足差动输入级的对称性若1RRf，则iouu，相当于反相器。失真问题：无法讨论，一般要求电源电压是uo的三倍，避免饱和失真。1RRuuAfiou此时称a点为虚地(virtual ground)点。uoAuiR1RfRpiii-ifi+a补偿电阻2023-5-14School of Physics,第五章 No.4输出电阻：属于电压负反馈，Ro0，输出特性类似于恒压源。输入电阻：属于并联负反馈，RiR1，电路输入电阻由R1决定。电路外围电阻一般不超过兆欧量级，否则不满足

3、运放理想化条件，在要求大输入电阻和高增益时，可采用如下电路：11RuRuifuoAuiR1Rf2RpRf1Rf3uofffffuRRRRRu31231/132121RRRRRRuuAfffffiou2023-5-14School of Physics,第五章 No.5uoAuiR1RfRpi1i-ifi+虚断条件：0ii虚短条件：iuuufiii iffouRRuRRRu)1(111fpRRR/1若01RRf，则iouu，相当于电压跟随器。11RRuuAfiouAuiuoiR输入电阻：0oR输出电阻：3、同相比例运算电路2023-5-14School of Physics,第五章 No.6fo

4、iRuuRuu11uoAui2R1RfR1ui1Rf21iffuRRRuu整理，得：)(121iifouuRRu4、差分比例运算电路若1RRf，则，电路实现减法运算。12iiouuu2023-5-14School of Physics,第五章 No.71、反相输入加法电路fpRRRRR/321uoAui1R1RfRpii1ifaui2R2ii2ui3R3ii3a为虚地点。332211321RuRuRuiiiiiiiiiif)()(332211332211ifififiiifffouRRuRRuRRRuRuRuRRiu二、加减运算电路(scaling circuit)(inverting inp

5、ut summing circuit)2023-5-14School of Physics,第五章 No.84321/RRRRRRf3214iiiiiii2、同相输入加法电路uoAui1R1RfR4ii1i4ui2R2ii2ui3R3ii3R3322114RuuRuuRuuRuiii3322114321)1111(RuRuRuuRRRRiii)(332211RuRuRuRuiiiP式中4321/RRRRRP即整理，得(noninverting input summing circuit)2023-5-14School of Physics,第五章 No.9)(1()1(332211iPiPiP

6、ffouRRuRRuRRRRuRRu又因为PfRRRRRRR4321/化简，得：332211ifififouRRuRRuRRu2023-5-14School of Physics,第五章 No.1054321/RRRRRRf3、差分输入加减电路uoAui1R1RfR5ui2R2ui3R3ui4R4ui1、ui2为反相输入求和，输出为uo1，)(22111RuRuRuiifoui3、ui4为同相输入求和，输出为uo2，)(44332RuRuRuiifo叠加，得)()(22114433ififififouRRuRRuRRuRRu(differential input)2023-5-14School

7、 of Physics,第五章 No.11同相级联减法电路uo1Aui1R1Rf1R2uoAui2R3Rf2R4优点：输入电阻高。同相串联减法电路112/fRRR 234/fRRR 1111)1(ifouRRu23211132232132)1()1()1(ififfifofouRRuRRRRuRRuRRu若RRRRRRfff3211则，)(1(12iifouuRRu2023-5-14School of Physics,第五章 No.12三、积分、微分运算电路1、积分运算电路RRpuoAuiRCRpiCdtuRCdtRuCdtiCuiiCo11 1令RCdtuuio1，则可见，输出电压与输入电压

8、的积分成正比。tui(t)0tuo(t)0矩形波三角波(integration circuit)2023-5-14School of Physics,第五章 No.132、微分运算电路uoAuiRCRpiCdtduCiiCdtduRCRiuiCo可见，输出电压与输入电压的微分成正比。tui(t)0tuo(t)0RRp矩形波尖脉冲其它运算：对数、指数、乘法、除法(differential circuit)2023-5-14School of Physics,第五章 No.14滤波电路：对信号的频率具有选择性，可使特定频率范围的信号顺利通过，阻止其它频率的信号通过。在通信、自动测量及控制等系统中，

9、用于数据传输、抑制干扰等。四、RC有源滤波电路1、概述无源滤波器：由无源元件R、L和C构成，如LC滤波电路（体积大，不易集成）、RC滤波电路（信号衰减）；有源滤波器：由集成运放和RC电路构成，性能好、有隔离作用，高频性能差，一般不高于10kHz。（高频可用LC无源滤波器，对于带通滤波，可用陶瓷滤波器或声表面波滤波器。）filter（LPF）2023-5-14School of Physics,第五章 No.15理想低通滤波器（LPF）理想高通滤波器（HPF）理想带通滤波器（BPF）理想带阻滤波器（BEF）根据电路的通带、阻带在幅频特性中的位置不同，滤波电路可以分为四大类：通带 阻带|Au|AU

10、MffH阻带 通带|Au|AUMffL阻带 通带 阻带|Au|AUMffHfL通带 阻带 通带|Au|AUMffHfL(low pass filter)(high pass filter)(band pass filter)(band elimination filter)2023-5-14School of Physics,第五章 No.16实际滤波器在通带与阻带之间存在过渡带（以低通滤器为例）。通带截止频率fH：当|Au|=0.707AUM时的频率；通带：从0到fH的频段；过渡带：从fH到|Au|接近0的频段；阻带：|Au|接近0的频段；通带放大倍数：通带中输出电压与输入电压之比AUM。（

11、对低通滤波器即为频率等于0时的输出电压与输入电压之比。）滤波电路的重要特性指标：通带放大倍数（AUM）、通带截止频率（fH、fL）、过渡带的衰减斜率。目标：通带内|Au|平坦，过渡带衰减斜率大。实际低通滤波器幅频特性通 带 过渡带 阻带f|Au|AUM0.707AUMfH实际滤波器2023-5-14School of Physics,第五章 No.17CRuIuO20lg|Au|-20dB/十倍频0.1fH3dBffH10fH 20lg|AuM|其中：RCfH21211|HuffA21lg20|lg20HuffA1|uMA2、低通滤波器（LPF）、一阶无源RC低通滤波器HIOuffjfRCjC

12、jRCjuuA11211112023-5-14School of Physics,第五章 No.18带负载RL情况：1HuffjAAuM其中：CRRfLH)/(21LLRRRAuM 无源滤波器电压放大倍数低，带负载能力差；其通带放大倍数和截止频率都受负载影响，不便于多级级连。CRuIuORL20lg|Au|-20dB/十倍频3dBffHfH 20lg|AuM|2023-5-14School of Physics,第五章 No.19在无源滤波电路和负载之间加入隔离电路（电压跟随器）即构成了有源滤波器，克服无源滤波器带负载能力差的缺点。、一阶有源RC低通滤波器uIuoRCRL若采用同相运算电路，则

13、滤波器还能起到放大作用。uIuoRCRLRfR1具有放大作用的LPF2023-5-14School of Physics,第五章 No.20HuMuMIFIOuFffjARCjAuuRRuuA1 1)1(1其中：RCfH2111RRAFuM21|HuMuFffAAuIuoRCRLRfR1通带电压放大倍数：过渡带衰减缓慢。-20dB/十倍频-3f/fH1uMuFAAlg200100.1-202023-5-14School of Physics,第五章 No.21020131 11)1/(1)1/(1)1(ffjffACjRCjCjRCjRCjRCjRRuuAuMFIOuF其中：RCf210、二阶

14、有源RC低通滤波器uIuoRCRLRfR1RC增加一级RC网络，构成二阶LPF。11RRAFuM通带电压放大倍数：2023-5-14School of Physics,第五章 No.22当 时，上式分母的模应为 ，即20037.02753fffHHff 231020ffjff解得：RCfH237.0代入 f0，-40dB/十倍频-3f/fH1VMVFAAlg200100.1-20-40过渡带衰减速度增大一倍。在f0处的幅频特性差；巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、贝塞耳(Bessel)滤波器；高阶低通滤波器可由多个低阶低通滤波器级连得到；电路设计仿真。2023

15、-5-14School of Physics,第五章 No.233、高通滤波器（HPF）、一阶无源RC高通滤波器fRCjRCjCjRRuuAIOu21111111ffjALu11其中：RCfL21211|ffALu21lg20|lg20ffALu1|uMACRuIuOLPF与HPF具有对偶性，即将R、C位置互换，低通滤波就成为高通滤波器。20lg|Au|20dB/十倍频0.1fL3dBffL10fL 20lg|AuM|2023-5-14School of Physics,第五章 No.24、一阶有源高通滤波器uIuoRCRLRfR111RRAFuMRCfL21过渡带的衰减斜率：20dB/十倍频

16、20lg|Au|20dB/十倍频0.1fL3dBffL10fLffjAALuMuF1其中：20lg|AuM|2023-5-14School of Physics,第五章 No.25ffjffACjRRCjRRCjCjRRRRuuAuMFIOuF020131 1)1/(1)1/()1(其中：RCf210、二阶有源高通滤波器11RRAFuMRCfL2137.0过渡带的衰减斜率：40dB/十倍频uIuoRLRfR1RCRC2023-5-14School of Physics,第五章 No.26将低通滤波器与高通滤波器级连，就可得到带通滤波器。fHLPFHPFuiuofLfLfHfH fL4、带通和带

17、阻滤波电路、带通RC有源滤波器（BPF）条件：BPFuiuo2023-5-14School of Physics,第五章 No.27将输入信号同输入到低通滤波器和高通滤波器，然后再将两个输出求和，就可得到带阻滤波器。、带阻RC有源滤波器（BEF）fHfLfLfHfH fL条件：LPF求和uiuoHPFBEFuiuo2023-5-14School of Physics,第五章 No.285.2运算放大器的非线性运用波形发生器：无需外加激励而能产生周期性信号的电路。又称信号发生器、振荡器。根据需要的不同，可产生正弦信号、脉冲信号、函数信号、噪声信号、扫频信号和调制信号。波形发生器正弦波发生器非正弦

18、波发生器反馈式正弦波发生器负阻式正弦波发生器多谐振荡器（矩形波发生器）函数信号发生器噪声信号发生器扫频信号发生器调制信号发生器2023-5-14School of Physics,第五章 No.29比较器：比较输入信号电压大小的电路。输出为二值状态（非高即低），与输入不成线性关系。用于测量技术、自动控制、波形发生器与波形变换电路。比较器单限比较器滞回比较器（迟滞比较器）双限比较器2023-5-14School of Physics,第五章 No.30一、单限比较器单限比较器：只有一个门限电压的比较器。uoRRuiUREF1、基本单限比较器uiuo0UREFuo+uo-电压传输特性运放工作在开环

19、状态，uA（105以上）uiUREF时，uouo-（负向饱和）)()(iREFuuouUAuuAu门限电压由uo的正负可判断ui与门限电压（阈值电压）的大小关系。反相输入2023-5-14School of Physics,第五章 No.312、过零比较器阈值电压为零的比较器。uiuo0-UZ-UDUZ+UD电压传输特性两个稳压二极管对接与R1构成限幅电路，使输出不至饱和。ui0时，uoUZ+UDuiUREF2uiuo0UREF1uo+-UDUREF21、当uiUREF2时，uo1为低电平，D1截止；uo2为高电平，D2导通；uo输出高电平。2、当UREF2uiUREF1时，uo1为高电平，D

20、1导通；uo2为低电平，D2截止；uo输出高电平。2023-5-14School of Physics,第五章 No.40四、矩形波发生器（多谐振荡器）1、方波发生电路、电路组成R1、R2构成滞回比较器；R、C构成负反馈回路，利用RC电路的充放电特性，改变电容C两端的电压，作为滞回比较器的输入信号使输出发生跳变。uoRR22DZR3CR1A2023-5-14School of Physics,第五章 No.41、工作原理t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)-UZ-UDU+HU+L设初态时，电容两端电压为零，输出为高电平。、uo为高电平，开始通过R对C充电，充电常数为RC)(211DZHUUR

21、RRUu当电容电压达到UH时，输出跳变为低电平uo-=-UZ-UD，由于电容电压大于输出电压，电容开始通过R放电。充电uoRR22DZR3CR1A2023-5-14School of Physics,第五章 No.42t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+L放电、uo为低电平，电容放电。)(211DZLUURRRUu电容放电为零后，开始反相充电，当电容电压达到UL时，输出跳变为高电平uo+=UZUD。、uo为高电平，电容反向放电为零后，正向充电。达到U+H后输出跳变为uo-。如此循环，输出方波信号。uoRR22DZR3CR1A2023-5-14School of

22、Physics,第五章 No.43、振荡频率t0UZ+UDuo(t)t1uC(t)t2t3-UZ-UDU+HU+L1)()(THLeuUuUCCT1T2对于负半周：teuuutuCCCC)()0()()(三要素法：DZUUuC)()21ln(211RRRCT解得：电路充放电时间常数一致，故T2T1。则：周期)21ln(22121RRRCTTT频率)21ln(2121RRRCf2023-5-14School of Physics,第五章 No.442、占空比可调的矩形波发生电路由于二极管的存在，放电通路为RW1、D1、R和C，时间常数为(RW1+R)C；充电通路为RW2、D2、R和C，时间常数为

23、(RW2+R)C。改变电位器RW的滑动端位置，可以改变输出矩形波的占空比。uoRR22DZR3CR1AD1D2RWRW1RW22023-5-14School of Physics,第五章 No.45t0UZ+UDuo(t)-UZ-UDT2T1)21ln()(2111RRCRRTW)21ln()2(121RRCRRfW占空比WWRRRRTTT22212)21ln()(2122RRCRRTW可调范围WWWRRRRRRR222023-5-14School of Physics,第五章 No.46五、三角波发生器*1、电路结构A1构成同相输入滞回比较器，A2构成积分器，A2的输出经反馈作为A1的输入信

24、号使A1产生方波信号，A1输出的方波将在积分器上变换成线性度很高的三角波输出。uo1RR22DZR3R1A1A2uoC2023-5-14School of Physics,第五章 No.472、工作原理A1输出跳变的临界条件为：02121211oouRRRuRRRu即121oouRRut0UZ+UDuo(t)uo1(t)-UZ-UDU+HU+LT1T2周期212214)(22RRRCRCUUUUTTTTDZLHRCRRTf1241三角波斜率2023-5-14School of Physics,第五章 No.48六、锯齿波发生器*1、电路结构在三角波基础上引入二极管，改变积分电容充放电时间常数，使输出波形不对称，形成锯齿波。uo1RR22DZR3R1A1A2uoCRADARR 2023-5-14School of Physics,第五章 No.492、工作原理t0UZ+UDuo(t)uo1(t)-UZ-UDU+HU+LT2T12122RRRCT 212112)/(2RRCRRRCRRTAA2121212)(2RRRCRRCRRTTTA