《集成运放的应用》PPT课件.ppt

第8章 信号的运算与处理电路,集成运放的基本应用电路,从功能来看,有信号的运算、处理和产生电路等。这里所讨论的是模拟信号运算电路,包括加法、减法、微分、积分、对数、反对数(指数)运算电路以及乘法和除法运算电路等。 信号处理电路的内容也较广泛,包括有源滤波、精密二极管整流电路、电压比较器和取样-保持电路等。,8.1 基本运算电路,8.2 实际运放电路的误差分析,8.3 对数和反对数运算电路,*8.4 模拟乘法器,8.5 有源滤波电路,*8.6 开关电容滤波器,主要内容: 8.1 加、减、积分和微分电路 8.2 实际运算放大器运算电路的误差分析 8.3 滤波电路的基本概念，一阶、二阶有源滤波电路 基本要求: 8.1 抓住深度负反馈条件下的“虚短”和“虚断”的概念，讨论基本运算电路 8.2 了解实际运放组成的运算电路的误差 8.3 了解有源滤波电路的分类及一阶、二阶滤波电路的频率特性 教学要点： 建立运算放大器“虚短”和“虚断”的概念，重点介绍由运算放大器组成的加法、减法、积分和微分电路的组成和工作原理,概述,一、理想运放的特性 1、开环电压增益 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 CMRR= 6、频带宽度 BW= 7、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零,一、理想运放的特性 二、两条重要的法则 1、 理想运放的两输入端之间的电压差为零两输入端短路,概述,2、 理想运放的两输入端不取电流两输入端之间开路 Ui=0， 而 ri= ,即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过。,概述,1、 线性区 在线性区，它的输出信号和输入信号满足如下的关系 Uo=Aod（U+-U-） 通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。 特点: （1）运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，即U+=U-。 （2）理想运放的输入电流等于零。,三、集成运放的工作区分为线性区和非线性区,概述,2、 非线性区 输出电压与输入电压之间 UoAod（U+-U-） 特点 （1） 输出电压只有两种可能的状态：U+或U-，而U+不一定等于U-。 当 U+U- 时 Uo=U+ U+U- 时 Uo=U+ （2） 运放的输入电流等于零。,三、集成运放的工作区分为线性区和非线性区,8.1 基本运算电路, 加法电路, 微分电路, 积分电路, 减法电路,说明： 1、 对模拟量进行运算时，要求输出信号反映输入信号的某种运算结果。 2、集成运放必须工作在线性区。,一、 反相输入求和电路 二、 同相输入求和电路 三、 双端输入求和电路 四、加减法运算器, 加减法电路,一、 反相输入求和电路,在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图12.01。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。,图12.01 反相求和运算电路,二、 同相输入求和电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图12.02所示。,图12.02 同相求和运算电路,因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得:,由此可得出,三、 双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图12.03所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。,图12.03双端输入求和运算电路,当vi1=vi2 =0时，用 叠加原理分别求出 vi3=0和vi4 =0时的输出 电压vop。当vi3 = vi4 =0时，分别求出vi1=0， 和vi2 =0时的von。,先求,式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf,再求,于是,四、加减法运算器,工作原理：,特点：它由差动输入放大器演变而来。,若有更多的相加量或相减量，可以增加或减少电路的相应的输入端。,由I0，有I1+I2=If,I3+I4=Ip,由,一、 积分运算电路,二、 微分运算电路, 积分和微分运算电路,一、积分电路,工作原理,其中UCO是电容两端电压的初始值,用途,（1） 延迟：若将积分电路的输出作为电子开关的输入。 例如，设R=100，C=0.05F。在t=0时UCO=0。而u0经过+6V时，电子开关动作，若ui在t=0时，由0 -3V，,则 解得T=1ms,即延迟时间为1ms,工作原理,其中UCO是电容两端电压的初始值,用途,（2）将方波变为三角波,用途,（3）移相900,设输入信号是正弦波，则,uo比ui超前900，且这个相位差与频率无关，但输出电压的幅度随频率升高而下降。 （3）在模数转换器中将电压量转换为时间量,二、微分电路,工作原理,因输入端存在“虚地”，故,而i为也流过R，故,电路存在的问题： （1）由于uo与ui成正比，uo对ui的变化非常敏感，故抗干扰能力差。 （2）RC环节对于反馈信号具有滞后作用，它和运放电路的滞后作用合在一起，可能引起自激发振荡。 （3）当ui发生突变时，uo过大，严重时将使电路不能正常工作。,改进措施：,限流,限制uo,8.2 实际运放电路的误差分析,共模抑制比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,一. 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。,二、 VIO、IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,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,二、 VIO、IIO不为零时的情况,减小误差的方法,输入端加补偿电路,利用运放自带的调 零电路,二、 VIO、IIO不为零时的情况,8.3 对数和反对数运算电路,1. 对数运算电路,2. 反对数运算电路,1. 对数运算电路,图 12.08 对数运算电路,对数运算电路见图12.08。由图可知,2. 反对数运算电路,指数运算电路如图12.09所示。,指数运算电路相当于反对数运算电路。,图 12.09 指数运算电路,综合运算电路,8.5 有源滤波电路,一、基本概念及初步定义,二、一阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,基本概念,分类,三、 二阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,带通滤波,带阻滤波,带阻滤波,带通滤波,一、基本概念及初步定义,1. 基本概念,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 用频率信号得电子装置。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应为,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）,一、基本概念及初步定义,3、无源滤波电路和有源滤波电路 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。,一、基本概念及初步定义,4、由集成运放（工作在线性区）和RC网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。,1、一阶RC有源滤波电路,二、低通滤波器,最简单的滤波电路,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的使分之一，而当RL断开时，uo=ui，,为了提高带负载的能力，可以减小R，提高C，但这不现实，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。,传递函数,其中,特征角频率,故，幅频相应为,1、一阶RC有源滤波电路,二、低通滤波器,8.5.2 一阶有源滤波电路,2. 高通滤波电路,可由低通和高通串联得到,必须满足,3. 带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,8.5.2 一阶有源滤波电路,4. 带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-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。,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS）,得滤波电路传递函数,（二阶）,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得传递函数的频率响应：,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,归一化的幅频响应,相频响应,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,8.5.3 二阶有源滤波电路,2. 压控电压源高通滤波电路,将低通电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,8.5.3 二阶有源滤波电路,2. 压控电压源高通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,8.5.3 二阶有源滤波电路,3. 压控电压源带通滤波电路,可由低通和高通串联得到,8.5.3 二阶有源滤波电路,3. 压控电压源带通滤波电路,传递函数,得,8.5.3 二阶有源滤波电路,归一化的幅频响应波特图,3. 压控电压源带通滤波电路,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,双T选频网络,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,频率响应,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,本 章 小 结 实际集成运放电路的开环电压增益、差模输入电阻、输出电阻、共模抑制比、开环带宽、失调和零飘等指标达不到理想集成运放的极端条件，但是用理想条件代替实际运放电路去估算和分析电路，相对误差是很小的。 理想集成运放电路在线性区工作导出的虚短和虚断的特征，特别是反相端输入时还具有虚地的特征。视实际运放为理想运放，应用理想运放的这些条件，将大大简化电路的分析和计算。 反相输入和同相输入的比例运放电路是两种最基本的集成运算电路，分别为电压并联负反馈和电压串联负反馈。它们是构成集成运算、