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单元任务 一阶低通同相比例放大电路 1 滤波电路的应用2 有源滤波电路3 滤波电路的应用4 集成运放在使用中的一些问题 第五学习单元集成运算放大器在信号处理方面的应用 完成单元任务的理论基础 5 1有源滤波电路5 2精密仪用放大电路5 3高精度整流电路5 4模拟乘法器5 5集成运放在使用中的一些问题 第五学习单元集成运算放大器在信号处理方面的应用 5 1 1基本概念5 1 2一阶低通滤波电路 LPF 5 1 3一阶高通滤波电路 HPF 5 1 4高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性5 1 5二阶压控电压源低通滤波电路5 1 6二阶压控电压源高通滤波电路5 1 7带通滤波电路和带阻滤波电路5 1 8有源滤波电路中阻容元件参数的计算5 1 9开关电容滤波电路 SCF 5 1有源滤波电路 一 滤波器的功能 保留信号中所需频段的成分 抑制其它频段信号 二 滤波电路的分类 1 按信号性质分类 模拟滤波器和数字滤波器 2 按所用元件分类 无源滤波器和有源滤波器 3 按电路功能分类 4 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 5 1 1基本概念 无源滤波器 由无源元件R L C组成 缺点 1 带负载能力差 当RL变化时 输出信号的幅值将随之改变 滤波特性也随之变化 有源滤波器 三 无源滤波器和有源滤波器 2 无放大作用 由于R及C上有信号压降 使输出信号幅值下降 3 过渡带较宽 幅频特性不理想 边沿不陡 由有源器件集成运放和无源元件R C组成 优点 1 不使用电感元件 体积小重量轻 2 有源滤波电路中可加电压串联负反馈 使输入电阻高 输出电阻低 输入输出之间具有良好的隔离 只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路 无需考虑级间影响 3 除滤波外 还可放大信号 放大倍数容易调节 有源滤波器的缺点 1 不宜用于高频 因为通用型集成运放的带宽一般较窄 一般使用频率在几千赫以下 2 不宜在高电压 大电流情况下使用 3 可靠性较差 4 使用时需外接直流电源 四 滤波电路的传递函数 传递函数的定义 传递函数 S j 分母中S的幂次数称为滤波器的阶数 幅频特性 相频特性 四 四种功能滤波器的幅频特性 通带的电压增益 截止频率 四 四种功能滤波器的幅频特性 5 1 2一阶低通滤波电路 LPF 电压跟随器 传递函数 通带的电压增益 5 1 2一阶低通滤波电路 LPF 同相比例放大器 传递函数 通带电压增益 5 1 2一阶低通滤波电路 LPF 反相比例放大器 传递函数 通带电压增益 5 1 2一阶低通滤波电路 LPF 幅频特性 S j 2 f 令 则 幅频特性 低通截止频率 对数幅频特性 缺点 一阶低通有源滤波器在f fH时 滤波特性不理想 对数幅频特性下降速度为 20dB 十倍频 解决办法 采用二阶低通有源滤波器 5 1 3一阶高通滤波电路 HPF 传递函数 通带电压增益 幅频特性 S j 2 f 令 则 幅频特性 高通截止频率 对数幅频特性 缺点 一阶高通有源滤波器在f fL时 滤波特性不理想 对数幅频特性上升速度为 20dB 十倍频 解决办法 采用二阶高通有源滤波器 将低通滤波器中的R C对调 低通滤波器就变成了高通滤波器 5 1 4高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性 低通滤波器 高通滤波器 5 1 4高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性 5 1 5二阶压控电压源低通滤波电路 传递函数 由上三式解出 5 1 5二阶压控电压源低通滤波电路 传递函数中出现f的二次项 故称为二阶滤波器 传递函数 式中Q称为等效品质因数 低通截止频率 要求Aup处于2 3之间 5 1 5二阶压控电压源低通滤波电路 对数幅频特性 输入电压经过两级RC低通电路 在高频段 对数幅频特性以 40dB 十倍频的速度下降 使滤波特性比较接近于理想情况 根据高通滤波电路与低通滤波电路的对偶性 得 传递函数 要求Aup 3 5 1 6二阶压控电压源高通滤波电路 只允许某一段频带内的信号通过 将此频带以外的信号阻断 阻 通 阻 一 带通滤波电路 BPF 构成 5 1 7带通滤波电路和带阻滤波电路 5 1 7带通滤波电路和带阻滤波电路 R2 2R R3 R 图中 式中 中心频率 电路及传输函数 二 带阻滤波电路 BEF 阻止某一频段内的信号通过 在此频带以外的信号能顺利通过 又称陷波器 功能 构成 通阻通 电路及传输函数 式中 通带电压放大倍数 中心频率 步骤 由fL或fH或中心频率f0 先选取C值 一般在几百pF 1 F 确定R值 一般在几K 几百K 根据Aup或Q值 运放的同相和反相输入端直流通道外接电阻平衡 确定其他元件参数 5 1 8有源滤波电路中阻容元件参数的计算 例试确定二阶压控电压源LPF的电阻和电容值 要求fn 1 Aup 2 解 先选取C 0 01 F 由 得 R1 RF 64K R1 RF 13 51 K 取 开关电容滤波电路的工作原理 充电 放电 1高电平 2低电平 T1导通T2截止 u1向C1充电 1低电平 2高电平 T1截止T2导通 C1向C2放电 特征频率 用工作于开关状态的MOS管 构成电子开关 和小电容组成的开关电容来取代有源滤波电路中的电阻元件所构成的滤波电路称为开关电容滤波电路 概念 等效 基本电路 特点 开关电容 MOS管T1 T2受时钟信号 1 2控制 导通或截止 5 1 9开关电容滤波电路 SCF 5 2 1概述5 2 2精密差分测量放大电路 5 2精密仪用放大电路 第五章所述的由集成运放组成的基本放大电路 都把集成运放看作理想运放 但实际运放器件参数Aud Rid KCMR BW等不可能为无穷大 Ro UIO IIO及温漂等不可能为零 此外 电路的外接电阻器 电源的电压等也会随温度而变 再有分布电容 分布电感 印刷电路板的绝缘介质存在漏电等 这些因数均会引起运放组成的放大电路运算误差 为减小误差 采用三个运放组成的精密差分测量放大电路 5 2 1概述 5 2 2精密差分测量放大电路 A1 A2构成同相并联差动放大器 A3构成基本差动放大器 测量电桥 电桥平衡时 us1 us2 输出uo 0 若Rt感受的温度变化后 产生 us1 输出uo与 us1成正比 高精度整流电路能实现微小信号的整流 若uImaxUon 则uO仅在大于Uon近似为uI 失真 5 3高精度整流电路 电路 图中 V1 V2 Rf构成反馈网络 ui从反相端输入 当ui为正半周时 uo 为负值 由于集成运放的反相端为 虚地 点 V1导通 V2截止 则uo 0 当ui为负半周时 uo 为正值 V1截止 V2导通 通过Rf的电流为ui R1 不难得出 工作原理 波形 传输特性 集成运放的输出电压与二极管的阈值电压无关 与输入电压成比例关系 电压传输特性曲线是通过原点 斜率为 Rf R1的一条直线 若Rf R1 那么uo ui 5 4 1模拟乘法器的基本电路及其工作原理5 4 2集成模拟乘法器的应用 5 4模拟乘法器 输出电压正比于两个模拟输入电压之积 功能 符号 输出输入关系 uo t KuX t uY t 变跨导式模拟乘法器 是以恒流源式差动放大电路为基础 采用变跨导的原理而形成 5 4 1模拟乘法器的基本电路及其工作原理 变跨导式模拟乘法器的原理 恒流源式差分放大电路的输出电压为 当IEQ较小 电路参数对称时 结论 uo与uX与I的乘积成正比 压控电流源 当uY uBE3时 则 即 变跨导式模拟乘法器的原理 跨导 改变输入电压uY即改变了I及其对应的跨导gm和uo 一 平方运算 二 正弦波倍频电路 如果 则 5 4 2集成模拟乘法器的应用 三 除法运算 因为i1 i2 所以 则 四 开方运算 只有ui为负电压时 才能进行开方运算 将被测电路的电压信号和电流信号分别接到乘法器的两个输入端 则输出电压即为被测电路的功率 五 功率测量 一 合理选用集成运放型号 二 在使用集成运放时应了解引脚的功能 三 集成运放的消振和调零 为了提高集成运放的精度 消除因失调电压和失调电流引起的 需要对集成运放进行调零 调零电位器 5 5集成运放在使用中的一些问题 辅助调零 反相输入调零 同相输入调零 四 集成运放的保护措施 电源端保护 输入端保护 输出端保护 五 集成运放电路外接电阻值的选取 集成运放的外接电阻值尽可能配用几千欧至几百千欧之间 六 输出电流和输出功率的扩展 除