第4章 集成运算放大器的应用.ppt

1 4 1信号运算电路4 2信号测量电路4 3信号处理电路4 4信号产生电路4 5集成串联型稳压电路 第4章集成运算放大器的应用 2 4 1 1比例运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 电路结构 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样放大倍数与运放本身无关 只与反馈系数即外部元件有关 4 1信号运算电路 3 i1 i2 1 放大倍数 虚短路 虚断路 1 反相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 电压并联负反馈 4 2 电路的输入电阻 ri R1 RP R1 R2 uo 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大R2 而大电阻的精度差 因此 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 5 输出电阻小 共模电压为0 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 输入电阻也不大 6 反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 接近恒压源 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此从信号源取的电流较大 对信号源要求较高 5 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 4 输入和输出反相 7 2 同相比例运算电路 u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚断路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚断路 f 8 同相比例电路的特点 3 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 4 输入与输出同相 放大倍数大于等于1 9 此电路是电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分立元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 3 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 10 4 1 2加法和减法运算电路 作用 将若干个输入信号之和或之差按比例放大 类型 同相求和与反相求和 电路结构 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 11 1 反相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 12 可用叠加法求 虚地 13 2 同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 14 先求u 与输出关系 则有 u 与ui1和ui2的关系如何 流入运放输入端的电流为0 虚断路 叠加法 15 左图也是同相求和运算电路 如何求同相输入端的电位 提示 1 虚断路 流入同相端的电流为0 2 节点电位法求u 16 解出 3 减法运算电路 双端输入差动放大器 叠加法 17 差动放大器放大了两个信号的差 可实现减法运算 该电路的特点是 由于采用双端差动输入 故具有高共模抑制比 但是由于有并联负反馈存在 故它的输入电阻不高 18 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 多输入信号 19 虚短路 虚断路 虚断路 由节点电压法 20 例设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 21 2 求各电阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 用节点电压法 22 优点 元件少 成本低 缺点 要求R1 R2 R5 R3 R4 R6 阻值的调整计算不方便 单运放的加减运算电路 改进 采用双运放电路 23 4 双运放的加减运算电路 24 例A D变换器要求其输入电压的幅度为0 5V 现有信号变化范围为 5V 5V 试设计一电平抬高电路 将其变化范围变为0 5V uo 0 5ui 2 5 V 实现此功能的方法很多 25 uo 0 5ui 2 5V 0 5 ui 5 V 26 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 27 1 反相积分运算 由于是反相积分故为负 4 1 3积分和微分运算电路 28 U 积分时限 如果积分器从某一时刻输入一直流电压 输出将反向积分 经过一定的时间后输出饱和 恒流充电 故积分效果好 几乎线性 不是指数充电 29 思考 如果输入是正弦波 输出波形怎样 输入方波 输出是三角波 也可以构作同相微分和同相积分电路 则输出为正 输入与输出同相 30 其他一些运算电路 对数与指数运算电路 乘法与除法运算电路等 由于课时的限制 不作为讲授内容 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 31 u u 0 2 反相微分运算 32 4 2 1电压表电路 4 2信号测量电路 1 直流电压表电路 IG正比于UX 虚短路 虚断路 输入电阻大 相当于电压表的内阻是 若 RF 10 表头的满偏电流IGmax 100 A 则 满偏电压Uxmax IGmaxRF 1mV 33 电路的优点 1 量程由表头的满偏电流IG和电阻RF决定 RF选用小电阻 能测量较小的电压 2 输入电阻高 对被测电路影响小 3 测量值与表头内阻RG无关 表头的互换性好 4 RF小 可以做得较精密 因此能较准确地测量小电压 UX UF RFIG 34 电压表扩大量程 1mV表头 分压电阻的计算 取R1 100k R2 900k R3 1M 35 2 交流电压表电路 整流桥把交流变成直流 ux 0时 电流由输出端经D2 表头 D4和电阻RF入地 uo 0 ux 0时 电流经由电阻RF D1 表头和D3流入输出端 uo 0 表头电流方向不变 表头指示值与反馈电阻无关 即表头的内阻和二极管的非线性电阻不会影响测量精度 36 1mV表头 100 10 A 10 100 A 1 1mA 表头的满偏电压UG IGRF 1mV 4 2 2电流表电路 U UF IGRF U U IXR 1 直流电流表电路 37 2 交流电流表电路 交流电流表电路与交流电压表电路类似 但被测电流从反相端引入 流过表头的电流为被测正弦电流ix的全波整流平均值Iav 38 3 电阻表 1mV表头 39 4 2 3测量放大器电路 40 虚短路 虚断路 41 因具有差动输入结构 故有高共模抑制比 由于输入均在同相端 此电路的输入电阻高 42 例由三运放放大器组成的温度测量电路 Rt 热敏电阻 集成化 仪表放大器 选择合适的电阻 使输出电压与温度之间有某一比例关系 由此可实现温度测量及控制 测温电桥 43 Rt f T C 44 4 3信号处理电路 4 3 1RC有源滤波电路 滤波器是一种选频电路 它能选出有用的信号 而抑制无用的信号 使一定频率范围内的信号能顺利通过 衰减很小 而在此频率范围以外的信号不易通过 衰减很大 无源滤波器 由电阻 电容和电感组成的滤波器 有源滤波器 含有运算放大器的滤波器 缺点 低频时体积大 很难做到小型化 优点 体积小 效率高 频率特性好 按频率范围的不同 滤波器可分为低通 高通 带通和带阻等 45 1 有源低通滤波器 设输入为正弦波信号 则有 故 46 若频率 为变量 则电路的传递函数 其模为 47 当 0时 T j 衰减很快 显然 电路能使低于 0的信号顺利通过 衰减很小 而使高于 0的信号不易通过 衰减很大 称一阶有源低通滤波器 为了改善滤波效果 使 0时信号衰减得更快些 常将两节RC滤波环节串接起来 组成二阶有源低通滤波器 48 2 有源高通滤波器 设输入为正弦波信号 则有 故 49 可见 电路使频率大于 0的信号通过 而小于 0的信号被阻止 称为有源高通滤波器 若频率 为变量 则电路的传递函数 其模为 50 1 过零比较器 UR 0时 4 3 2电压比较器 传输特性曲线 ui 0则输出为正 反之为负 ui 0则输出为正 反之为负 51 UR 当uiUR时 uo Uom 2 单阈值比较器 a 反相端输入信号 UR不为零 52 特点 运放处于开环状态 当ui UR时 uo Uom当ui UR时 uo Uom b 同相端输入信号 53 例 利用电压比较器将正弦波变为方波 方波与正弦波同相 问 若反相输入则如何 可实现过零检测 54 c 改进电路 ui uo UZ R R 注意此电阻不可少 此电路兼有线性与非线性两种工作状态 用稳压管进行限幅 55 单阈值比较器的特点 1 电路简单 2 当Ao不够大时 输出边沿不陡 3 容易引入干扰 56 1 下行迟滞比较器 分析 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM U 3 当uo负饱和时 uo UOM 特点 电路中使用正反馈 a 参考电压为零的下行迟滞比较器 3 6 3迟滞比较器 双阈值比较 57 分别称UH和UL上下门限电压 称 UH UL 为回差 当ui增加到UH时 输出由Uom跳变到 Uom 当ui减小到UL时 输出由 Uom跳变到Uom 传输特性 小于回差的干扰不会引起跳转 跳转时 正反馈加速跳转 正程 逆程 58 例 下行迟滞比较器的输入为正弦波时 画出输出的波形 特点 上下限对称 因为是反相输入故输出与输入反相 因为有回差 所以抗干扰能力强 干扰 跳变沿更陡 59 b 参考电压不为零的下行迟滞比较器 加上参考电压后的上下限 呈现不对称性 回差只与电源电压及电阻R1和R2有关 而与参考电压无关 60 下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较 61 例R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 62 首先计算上下门限电压 63 根据传输特性画输出波形图 64 u 0时翻转 可以求出上下门限电压 2 上行迟滞比较器 当u u 0时 uo UOM当u u 0时 uo UOM a 参考电压为零的上行迟滞比较器 65 上下门限电压 对称性 66 上下门限电压 当uo UOM时 当uo UOM时 b 参考电压不为零的上行迟滞比较器 67 传输特性 不对称 对称 同相输入其传输特性为上行 反相输入则为下行 68 3 改进的迟滞比较器电路在输出端加上双向稳压管进行限幅 思考题 如何计算上下限 69 4 3 3半波精密整流电路 利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性 构成对微小幅值电压进行整流的电路 uI 0时 uO 0 D1截止 D2截止 uO 0 uI 0时 uO 0 D1截止 D2导通 uO 0 uI0 D1导通 D2截止 uO R2 R1 vI 工作原理 输入正弦波 输出半波 70 1 电路结构 上下门限电压 下行的迟滞比较器 输出经R C电路充放电 再输入到此比较器的反相输入端 4 4 1矩形波发生电路 uc与u 比较 此电路中既有负反馈又有正反馈 4 4信号产生电路 71 2 工作原理 a 设uo UOM 此时 输出给C充电 则 u UH 一旦uc UH 就有u u 在uc UH时 u u uo保持 UOM不变 uo立即由 UOM变成 UOM 72 此时 C经输出端放电 b 当uo UOM时 u UL uc降到UL时 uo上翻 当uo重新回到 UOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 73 0 输出波形 指数充放电波形 74 c 周期与频率的计算 f 1 T uc上升阶段表示式 用三要素式代入 uc下降阶段表示式 75 2 矩形波发生电路的改进 76 电路1 方波发生器 矩形波 积分电路 三角波 此电路要求前后电路的时间常数配合好 不能让积分器饱和 4 4 3三角波发生电路 77 uo 三角波的周期由方波发生器确定 其幅值也由周期T和参数R C决定 78 电路2 电路1的改型 反向积分电路 上行迟滞比较器 特点 由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成 迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入 反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入 79 80 周期和频率的计算 81 电路3 是电路2的改型电路 调整电位器RW可以使三角波上下移动 即给纯交流的三角波叠加了一个直流分量 82 改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数 使放电的时间常数为0 即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器 4 4 3锯齿波发生器 稳压管限幅 83 84 4 5集成串联型稳压电路 4 5 1串联型稳压电路 1 串联式直流稳压电路的基本形式 由于采用了射极输出器 所以带负载的能力增强 Uo UZ UBE 85 两个主要缺点 1 稳压效果不好 Uo UZ UBE 2 输出电压不可调 改进的方法 在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节 输出电压受稳压管影响 86 2 改进的串联型稳压电源 当UI增加或输出负载变化使Uo升高时 C2 利用电压负反馈稳定输出电压 a 稳压原理 87 b 输出电压可调 调至最下端 调至最上端 若滑动端向下调输出电压如何变 分立元件温度稳定性差 88 3 集成运输放大器组成的串联型稳压电路 在运放理想条件下 串联反馈式稳压电路 UI T R1 R2 RL Uo AV RW R UZ 注 R1 和R2 中包含Rw 为电压串联深度负反馈故称串联稳压 89 ton 调节占空比改变输出电压 PWM 90 随着半导体工艺的发展 现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简