《运放滤波器》PPT课件-2.ppt

第八章 运算放大器应用 运算电路 比例运算电路 加、减运算电路 积分、微分运算电路 对数、指数运算电路 乘、除运算电路 电流电压变换电路 滤波电路 有源低通滤波电路 有源高通滤波电路 有源带通滤波电路 有源带阻滤波电路 例题、习题 8.1 比例运算电路 8.1.1 反相比例电路 电压并联负反馈 输入端虚短、虚断 Ri Ri = R1 1. 基本电路 特点： 反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要 求低 输出电阻小，带负载能力强 要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 电路中Ri 称为平衡 电阻R = R1 / Rf Vi - + Rf R Vo If R1 Ii Id A Vi - + A R2R4 Vo If R1 Ii Id I4 R3 I3 R 2. T型反馈网络 虚短、虚断 如果要求放大倍数100， R1=R2=R4=100K，R3=1.01K R Vi Vo Rf R1 8.1.2 同相比例电路 电压串联负反馈 输入端虚短、虚断 Ri Ri = 平衡电阻 R = R1 / Rf 特点： 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强 V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模 抑制比要求高 1. 基本电路 2. 电压跟随器 输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号 传给负载而从信号源取流很小 Vi Vo Vi3 - + A Rf R Vo If R3 I3 Id Vi2 R2 I2 Vi1 I1 R1 8.2 加减运算电路 8.1.1 求和电路 虚短、虚断 特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出 的比例关系； 没有共模输入 1. 反相求和电路 R =R1 / R2 /R3 / Rf 2. 同相求和电路 虚短、虚断 Vi2 Vi1 Ra Vi3 Vo Rf R1 R Rb Rc Vi2 - + A R Vo If R2I2 Vi1R1I1 Vi3R3I3 Vi4 R4I4 Rf 8.1.2 单运放和差电路 Vi3=Vi4=0 时： Vi1=Vi2=0 且 根据叠加原理得： 8.1.2 双运放和差电路 Vi2 - + A2 Rf1 R3 Vo1 If1 R2 I2 Id1 Vi1 R1 I1 - + A1 Rf2 R6 Vo If2 R4I4 Id2 Vi3 R5 I5 例1:设计一加减运算电路 设计一加减运算电路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3 解：用双运放实现 如果选Rf1= Rf2 =100K，且R4= 100K 则：R1= 50K R2= 20K R5= 10K 平衡电阻 R3= R1/ R2/ Rf1= 12.5KR6= R4/ R5/ Rf2= 8.3K Vi2 - + A1 Rf1 R3 Vo1 R2 Vi1 R1 - + A2 Rf2 R6 Vo R4 Vi3 R5 Vi - + A1 R3 Vo I2 R1 Ii - + A2 2R2 R3 R2 I1 Vo2 例2： 如图电路，求Avf，Ri 解： Ri 例3：求电路的电压放大倍数Avf A1 R1 R8 R2 vo R3 R4 vi R7 R6 R5 A2 A3 v+3 vo3 v+1 例4:求vo与(vs1-vs2)的关系 vs1 - + 2 R - + - + 3 R 3 R 4 R 4 R 2 R 1 R vs2 vo1 vo2 vo A1 A2 A3 v3 v4 由于第一级差放 电路上下对称，R1的 中点可视为接地点， 所以： 例4应用实例 应用实例 例5：精密整流电路 Vi Vo Vi0时，D2截止，D1导通， Vo1 =- Vi ， Vo =- Vi-2 Vo1= Vi Vi0VR0 改进电路2 电路在理想 情况下可完 全消除温度 的影响 Rf 改进电路3：实用对数电路 如果忽略T2基极电流， 则M点电位： VR - + A2 R 1 iC2 R I R vBE2 - + vI1 - + A1 R vO iC1 R i I1 vBE1 - + R3 2 R4 R5 T1 T2 M vI10 VR0 8.4.2 指数电路 1. 基本指数电路 vI - + A D R vO iD Ri R 0 vI 0时电路才是负反馈 负反馈时，根据虚短、虚断概念： 3. 开方运算电路 输入电压必须小于0，否则 电路将变为正反馈。 vX1 - + A R vO iR2 R1 iR1 id R2 vO2 KvXvY 两种可使输入信号大于0的方案： - + A f R R if R i i - + A R vo iR2 R i R1 1 R2 vO2 vX1 vO1 - + A R vo i d - + A f R R if R ii iR2 R i R1 1 R2 vO2 vO1 3. 调制（调幅） 4. 压控增益 乘法器的一个输入端接直流电压（控制信号） ，另一个接输入信号，则输出信号与输入信号 之比（电压增益）成正比。 vO=KVXvY vX vY vO 8.6 电流-电压和电压-电流变换电路 由图可知 可见输出电压与输入 电流成比例。 输出端的负载电流： 电流-电压变换电路 1.电流电压变换电路： 2. 电压-电流变换电路 由负载不接地电路图可知： 所以输出电流与输入电压成比例。 负载不接地 2. 电压-电流变换电路 对负载接地电路图电路， R1和R2构成电流并联负反馈； R3 、R4和RL构成构成电压串联正反 馈。 电压-电流变换电路 讨论： 1. 当分母为零时， iO ，电路自激。 2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则： 说明iO与vS成正比 , 实现了线性变换。 电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和 传感器的连接处，是很有用的电子电路。 n滤波电路基础知识 n低通滤波电路（LPF） n高通滤波电路 ( HPF ) n带通滤波器(BPF) n带阻滤波器(BEF) n开关电容滤波器 8.7 有源滤波电路 8.7.1 滤波电路基础知识 一. 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 , C , L ) 组成 有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放 和RC网络 组成， 实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 有源滤波电路的优点, 缺点: 请看书 C R L C RLRL Vi Vi Vo Vo 滤波电路基础知识 1. 按所处理的信号可分为 模拟 的和 数字 的两种 2. 按所采用的元器件可分为有源和无源 3. 按通过信号的频段可分为以下五种: a. 低通滤波器( LPF ) 二. 滤波电路的分类和主要参数 Avp: 通带电压放大倍数 fp: 通带截至频率 过渡带: 越窄表明选频性能越 好,理想滤波器没有过渡带 滤波电路基础知识 b. 高通滤波器( HPF ) c. 带通滤波器( BPF ) 滤波电路基础知识 d. 带阻滤波器( BEF ) e. 全通滤波器( APF ) 4. 按频率特性在截止频率fp附近形状的不同可分为 Butterworth , Chebyshev 和 Bessel等 滤波电路基础知识 理想有源 滤波器的 频响： 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例 如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率 成分的干扰。滤波过程如图所示。 8.7.2 低通滤波电路 ( LPF ) 一阶低通滤波电路 ( LPF ) 简单二阶 LPF 二阶压控电压源 LPF 无限增益多路反馈有源滤波器 滤波器的主要技术指标 （1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器 在通频带内的电压放大 倍数，如图所示。性能 良好的LPF通带内的幅 频特性曲线是平坦的， 阻带内的电压放大倍数 基本为零。 （2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上、下限截止频率相同。通带与阻带 之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。 8.7.2.1 8.7.2.1 一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路 ( LPF )( LPF ) 组成：简单RC滤波器同相放大器 特点：Avp 0，带负载能力强 缺点：阻带衰减太慢，选择性较差 一. 电路构成 RC环节 一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路 ( LPF )( LPF ) 有源滤波电路的分析方法: 1.电路图 电路的传递函数Av(s) 频率特性Av(j) 2. 根据定义求出主要参数 3. 画出电路的幅频特性 二. 性能分析 一阶低通滤波电路 ( LPF ) 通带截止频率 通带电压放大倍数 传递函数 一阶LPF的幅频特性: 一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路 ( LPF )( LPF ) 过渡带缓慢, 选频性能差 8.7.2.2 简单二阶 LPF 1. 传递函数: 一. 电路构成 组成: 二阶RC网络 同相放大器 二. 主要性能 M 通带 增益 ： 简单二阶 LPF 2.通带截止频率: 3.幅频特性: 特点：在 f f0 后幅频特性以-40dB/dec 的速度下降； 缺点：f=f0 时，放大倍数的模只有通 带放大倍数模的三分之一 8.7.2.3 二阶压控电压源 LPF 二阶压控电压源一般形式 二阶压控电压源LPF 二阶压控电压源 LPF Avp同前分析： 上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路 稳定工作。 联立求解以上三式，可得LPF的传递函数： 对节点 N , 可以列出下列方程： 二阶压控电压源 LPF 频率特性: 当Q=0.707 时，fp=f0 当Avp=3时，Q =， 有源滤波器自激。 二阶压控电压源 LPF 二阶压控电 压源LPF的 幅频特性 巴特沃思（压控）LPF Vo 仿真结果 Q=0.707 fp=f0=100Hz 8.7.2.4 无限增益多路反馈滤波器 无限增益多路反馈LPF 要求集成运放 的开环增益远 大于60DB 无限增益多路反馈有 源滤波器一般形式 无限增益多路反馈有源滤波器 由图可知 ： 对节点N , 列出下列方程： 无限增益多路反馈有源滤波器 频率响应为： 通带电压放大倍数 巴特沃思（无限增益）LPF 仿真结果 Q=0.707 fp=f0=1000Hz 8.7.3 8.7.3 高通滤波电路高通滤波电路 ( HPF )( HPF ) HPF与LPF的对偶关系 二阶压控电压源HPF 无限增益多路反馈HPF 8.7.3.1 HPF与LPF的对偶关系 1. 电路结构对偶 将起滤波作用的电容换成电阻 将起滤波作用的电阻换成电容 R C ViVo 低通滤波电路 R C 高通滤波电路 ViVo HPF与LPF的对偶关系 2. 传递函数对偶 低通滤波器传递函数 高通滤波器传递函数 HPF与LPF的对偶关系 3. 幅频特性对偶(相频特性不对偶) 8.7.3.2 二阶压控电压源HPF 电路形式相互对偶 二阶压控电压源LPF 二阶压控电压源HPF 二阶压控电压源HPF 传递函数: 高通: 低通: 二阶压控电压源HPF 二阶压控电压源HPF幅频特性 8.7.3.3 无限增益多路反馈HPF 无限增益多 路反馈LPF 无限增益多 路反馈HPF vo(s) vi(s) 8.7.4 带通滤波器(BPF) BPF的一般构成方法： 优点:通带较宽,通带截 至频率容易调整 缺点:电路元件较多 一般带通滤波电路 BPF LPFHPF 仿真结果 二阶压控电压源BPF 二阶压控电压源 一般形式 二阶压控电压源BPF vo(s) vi(s) 二阶压控电压源BPF 传递函数: vo(s) vi(s) 二阶压控电压源BPF s换成 j 且令： f0是滤波器的中心频率 通带电压放大倍数 二阶压控电压源BPF 截止频率: 频带宽度: RC选定后,改变R1和Rf 即可改变频带宽度 二阶压控电压源BPF仿真电路 仿真结果 8.7.5 带阻滤波器(BEF) BEF的一般形式 缺点:电路元件较多 且HPF与LPF相并 比较困难 基本BEF电路 无源带阻(双T网络) 同相比例 双T带阻网络 双T带阻网络频率特性 二阶压控电压源BEF电路 正反馈,只在f0 附近起作用 传递函数 传递函数: 截至频率: 阻带宽度: 二阶压控电压源BEF仿真电路 仿真结果 例题6 要求二阶压控型LPF的 f0=400Hz , Q值为0.7，试求电路中的电 阻、电容值。 解：根据f 0 ，选取C再求R。 1. C的容量不易超过 。 因大容量的电容器体积大， 价格高，应尽量避免使用。 取 计