第7章 集成运放的应用Ⅰ(信号的运算和处理) 70页.ppt

2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 04 输出电阻r0 05 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理想运放的特性 2020年1月27日星期一 3 7 1 2理想运放的两个工作区 2020年1月27日星期一 4 例 设电源电压 VCC 10V 运放的AOd 106 求ui ui 0 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 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 2020年1月27日星期一 7 i1 if 虚地 2 分析 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 10 1 uo与ui同相 且uo ui 2 若令Rf 0或R1 则Auf 1即uo ui 跟随器 闭环增益 讨论 2020年1月27日星期一 11 另一种同相比例运算电路 如果令 分压 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 14 通过电流相加的办法来实现电压相加 讨论 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 16 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 2020年1月27日星期一 17 解出 如果令 分析 闭环增益 2020年1月27日星期一 18 四 三运放电路 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 20 减法运算电路 2020年1月27日星期一 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 精密放大器 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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VP1 VN1 Vi1 VP2 VN2 Vi2 各电流值为 又 得 2020年1月27日星期一 24 7 2 3微积分运算电路 uN uP 0 1 微分运算电路 虚地 2020年1月27日星期一 25 若输入 则 移相 应用举例 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 28 对数运算电路 7 2 4对数和指数运算电路 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 30 指数运算电路相当于反对数运算电路 指数运算电路 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 32 7 2 5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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 36 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 其中 模 幅频响应 特性 相位角 相频响应 拉氏变换 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 49 传递函数 其中 特征角频率 故 幅频相应为 2 RC有源一阶低通滤波电路 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 52 归一化的幅频响应 相频响应 电压增益与通带增益的比 2020年1月27日星期一 53 归一化的幅频响应波特图 2020年1月27日星期一 54 7 4 3高通滤波电路 1 RC有源一阶高通滤波电路 2020年1月27日星期一 55 2 压控电压源二阶高通滤波电路 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 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 57 2 压控电压源二阶带通滤波电路 传递函数 得 7 4 34 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 59 2 双T有源二阶带阻滤波电路 双T选频网络 2020年1月27日星期一 60 双T有源二阶带阻滤波电路 2020年1月27日星期一 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 7 5电子信息系统预处理中所用放大电路 7 5 1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 2020年1月27日星期一 62 2 基本电路 2020年1月27日星期一 63 3 集成仪表用放大器 2020年1月27日星期一 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 2020年1月27日星期一 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2V 即从 0 5 1 5V 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 因而仪表放大器的输出电压范围为 5 15V 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 2020年1月27日星期一 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