精密整流电路

目录 7 1 9精密整流电路 7 1集成运算放大器的线性应用 7 1 1比例运算电路 7 1 2加法运算电路 7 1 3减法运算电路 7 1 4积分运算电路 7 1 5微分运算电路 7 1 6电压 电流转换电路 7 1 7电流 电压转换电路 7 1 8有源滤波器 第7章集成运算放大器的基本应用 7 2集成运放的非线性应用 7 2 1单门限电压比较器 7 2 2滞回电压比较器 7 3集成运放的使用常识 7 3 1合理选用集成运放型号 7 3 2集成运放的引脚功能 7 3 3消振和调零 7 3 4保护 目录 第7章集成运算放大器的基本应用 本章重点 1 集成运算放大器的线性应用 比例运算电路 加减法运算电路 积分微分运算电路 一阶有源滤波器 二阶有源滤波器 2 集成运算放大器的非线性应用 单门限电压比较器 滞回比较器 第7章集成运算放大器的基本应用 本章难点 3 集成运算放大器的组成与调试 1 虚断和虚短概念的灵活应用 2 集成运算放大器的非线性应用 集成运算放大器 简称集成运放 在科技领域得到广泛的应用 形成了各种各样的应用电路 从其功能上来分 可分为信号运算电路 信号处理电路和信号产生电路 从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用 第7章集成运算放大器的基本应用 7 1集成运算放大器的线性应用 预备知识 集成运放的两种工作状态 1 运放的电压传输特性 设 电源电压 VCC 10V 运放的Aod 104 Ui 1mV时 运放处于线性区 Aod越大 线性区越小 当Aod 时 线性区 0 2 理想运算放大器 开环电压放大倍数Aod 差摸输入电阻Rid 输出电阻Ro 0 为了扩大运放的线性区 给运放电路引入负反馈 理想运放工作在线性区的条件 电路中有负反馈 运放工作在线性区的分析方法 虚短 u u 虚断 ii ii 0 3 线性区 4 非线性区 正 负饱和状态 运放工作在非线性区的条件 电路开环工作或引入正反馈 运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论 1 同相比例运算电路 u u ui i1 if 虚断 平衡电阻R Rf R1 因为有负反馈 利用虚短和虚断 反馈方式 电压串联负反馈 特点 输入电阻高缺点 共模输入电压 0 u u ui 电压放大倍数 7 1 1比例运算电路 2 反相比例运算 虚地点 i1 if 虚断 因为有负反馈 利用虚短和虚断 u 0 u u 0 虚地 反馈方式 电压并联负反馈 电压放大倍数 例题1 R1 10k Rf 20k ui 1V 求 uo Ri 说明R0的作用 R0应为多大 特点 共模输入电压 0 u u 0 缺点 输入电阻小 Ri R1 R0为平衡电阻 使输入端对地的静态电阻相等 R0 R1 Rf 采用T型反馈网络的反相比例电路 目的 在高比例系数时 避免R1阻值太小 使输入电阻太小 分析 u u 0 虚短 i1 i2 虚断 Au 1 3 电压跟随器 此电路是同相比例运算的特殊情况 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 ui u u uo 因为有负反馈 利用虚短和虚断 7 1 2加法运算电路 1 反相加法器 若R1 R2 R 平衡电阻R0 R1 R2 Rf i1 i2 if 虚地 2 同相求和运算 当R1 R2 Rf R时 同相比例运算 叠加原理 1 差动减法器 ui1作用 ui2作用 综合 则有 减法运算电路 2 利用加法器和反相比例器 7 1 4积分运算电路 反相积分器 如果ui 直流电压 输出将反相积分 经过一定的时间后输出饱和 积分时间 设Uom 15V ui 3V R 10k C 1 F 求积到饱和值的时间 练习 画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形 应用举例 输入方波 输出是三角波 微分电路 u u 0 7 1 6电压 电流转换电路 能将输入电压变换为输出电流的电路 称为电压 电流转换器 这种电路在自动控制系统 用它来驱动继电器 仪表等 1 负载悬浮 负载未接地 11 2 负载未悬浮 负载接地 若满足关系 则 因为 满足直流平衡条件R1 Rf R2 RL 因此R1 Rf R2 RL 电压 电流转换器 7 1 7电流 电压转换电路 在光电检测装置中 需要把光电池输出的微弱电流转换成与之成正比的电压 这时就需要用到电流 电压转换电路 Uo if Rf i1Rf 7 1 8有源滤波器 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器 但其工作频率较低 一般在几千赫以下 在频率由较高的场合 常采用 C无源滤波器或固态滤波器 滤波器的功能 对频率进行选择 过滤掉噪声和干扰信号 而保留其有用信号 滤波器的分类 低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 各种滤波器的理想幅频特性 1 一阶有源低通滤波器 LPF 传递函数中出现 的一次项 故称为一阶滤波器 传递函数 幅频特性 相频特性 幅频特性及幅频特性曲线 传递函数 截止频率 7 15 3 时 运放输出 带负载能力强 电路特点 一阶低通滤波器的幅频特性 2 一阶有源高通滤波器 HPF 传递函数 7 16 7 17 幅频特性及幅频特性曲线 幅频特性 传递函数 一阶高通滤波器的对数幅频特性 其中 3 二阶有源低通滤波器 LPF Aup 1 Rf R1 传递函数中出现 的二次项 故称为二阶滤波器 式中 以上两式表明 当21 在f f0处的电压增益将大于Aup 幅频特性在f f0处将抬高 当Aup 3时 Q 有源滤波器自激 由于将C1接到输出端 等于在高频端给LPF加了一点正反馈 所以在高频端的放大倍数有所抬高 甚至可能引起自激 幅频特性曲线 二阶有源低通滤波器的对数幅频特性 4 二阶有源高通滤波器 HPF 由此绘出频率响应特性曲线 1 通带增益 2 频率响应 其中 结论 当f f0时 幅频特性曲线的斜为 40dB dec 当Aup 3时 电路自激 频率响应特性曲线 二阶有源高通滤波特性 带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过 而将此频带以外的信号阻止通过 在各种抗干扰设备中 就是利用带通滤波器的这种作用来接收某一频带范围内的有用信号 而消除高 低频段的干扰和噪声 带通滤波器是由低通和高通滤波器串联而成的 两者同时被覆盖的频带即等于fH fL形成一个通频带 其原理示意图见图7 24 a 图是二阶压控电压源带通滤波器电路 其中R C1构成低通网络 R2 C2组成高通网络 二者串联后接在集成运放的同相输入端 可求得二阶压控电压源带通滤波器的频率特性为 5 有源带通滤波器 BPF 可由低通和高通串联得到 必须满足 低通特征角频率 高通特征角频率 5 有源带通滤波器 BPF 7 21 7 22 7 23 7 25 带阻滤波器的作用是在规定的频带内 信号被阻止通过 而在此频带之外的信号能够顺利通过 带阻滤波器 又名陷波器 和带通滤波器一样常用于各种抗干扰设备电路中 如抑制50Hz交流电源引起的工频干扰信号 在工业控制中常常用到它 将低通滤波器和高通滤波器并接在一起 就形成了带阻滤波器 两者同时被阻断的频带即为该滤波器的阻带 其原理示意图见图7 26 由图可知 凡是ffH的信号则可从高通滤波器通过 惟有fL f fH的信号被阻断 fL为低通滤波器的通带截止频率 fH为高通滤波器通带截止频率 6 有源带阻滤波器 BEF 图7 27 a 所示为典型的双T带阻滤波器 信号经并联而成的双T网络加到运放的同相输入端 6 有源带阻滤波器 BEF 6 有源带阻滤波器 BEF 可由低通和高通并联得到 必须满足 例7 5 为消除50Hz的工频干扰 在工业检测仪表电路中 常使用如图7 27所示的陷波器 要求Q 10 试求电路中各个电阻的阻值和电容值 解 已知该陷波器的中心频率fo 50Hz 假设C 4700pF 求得 图7 27双T带阻滤波器 陷波器 由 则 而 则 由电路的直流平衡要求可得 解得 7 1 9精密整流电路 精密整流电路是由于硅二极管的起始导通电压约为0 5V 用它来进行整流 会产生很大的误差的缘故而提出对小信号电压进行整流 若采用由集成运放组件和二极管组成的如图所示整流电路就可完成对微弱信号进行半波精密整流 t uo 0 1 当ui 0时 集成运放输出电压u o为负 于是二极管D1导通 深度的电压并联负反馈使运放的反相输入端 点为 虚地 即u 0 因此 u o 0 7V 此时二极管D2截止 电路输出电压uo 0 当ui 0时 集成运放输出电压u o为正 于是二极管D2导通 深度的电压并联复反馈通过D2和Rf加在虚地点 使u 0 此时电路输出电压为 半波精密整流波形 由分析可知 即使ui10 V 就会使D1导通 而当ui 10 V 则又会使D2导通 也就是说 只要输入电压的幅度超过10 V 电路就能正常工作 最小整流电压峰值仅为10 V 7 2 1单门限电压比较器 1 过零比较器 门限电平 0 7 2集成运放的非线性应用 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF为参考电压 当ui UREF时 uo Uom当ui UREF时 uo Uom 运放处于开环状态 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 用稳压管稳定输出电压 3 限幅电路 使输出电压稳定 忽略了UD 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上 R R uo ui UZ R R A 1 滞回比较器 特点 电路中使用正反馈 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo Uom 3 当uo负饱和时 uo Uom A 滞回电压比较器 7 2 2滞回电压比较器 2 滞回比较器 设ui 当ui UTH2 uo从 Uom Uom 这时 uo Uom U UTH2 设初始值 uo Uom U UTH1设ui 当ui UTH1 uo从 Uom Uom 这时 uo Uom U UTH1 3 传输特性 UTH1上门限电压UTH2下门限电压UTH1 UTH2为回差 UTH 滞回电压比较器输出特性 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 uo ui R1 R2 RF U A 滞回比较器波形变换 加上参考电压后的迟滞比较器 上 下门限 DZ uo ui R1 R2 RF U UREF A 滞回电压比较器 例题 R1 10k R2 10k UZ 6V UR 10V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 ui 6V 6V 8V 3V DZ A R3 滞回电压比较器 7 3 1合理选用集成运放型号 按照集成运放指标 性能不同分类 集成运放可分为高放大倍数的通用型 高输入阻抗 低漂移 低功能 高速 宽带 高压 大功率和电压比较器等专用集成运放 在结构上还有单片多运放型功放 在选用集成运放时 要遵循经济适用原则 选用性价比较高的运放 一般指标性能高的运放 专用集成运放 价格也相应较高 在无特别要求的场合应尽量选用通用型 多运放型运放 7 3集成运放的使用常识 7 3 2集成运放的引脚功能 集成运放的种类 门类很多 管脚数 管脚的功能和作用也不相同 如果不充分了解管脚的功能 盲目使用 就会造成使用失当 引来麻烦 因此在使用前必须认真查阅该型号器件的技术资料 从中了解其指标参数和使用方法 7 3 3消振和调零 相位补偿的原理 是在具有高放大倍数的集成运放内部的中间级利用电容CB 几十皮法 几百皮法 构成电压并联负反馈电路 目前大多数集成运放内部电路已设置消振补偿网络 如5G6234 但有些运放 如5G24 宽带运放5G1520等需外接消振补偿电容后 才能使用 如图7 36的5G24的8 9脚间跨接30pF小电容CB就是利用相位补偿来消振的 1 产生高频自激振动原因 极间电容和其他寄生参数 2 消除高频自激振动方法 相位补偿 调零原理 在运放的输入端外加一个补偿电压 以抵消运放本身的失调电压 达到调整的目的 调零方法 1 静态调零法即将两个输入端接地 调节调零电位器Rp 使输出为零 2 动态调零法 即加入信号前将示波器的扫描线调到荧光屏的中心位置 加入信号后扫描线的位置若发生偏移 调节调零电位器 使波形回到荧光屏中心的对称位置 这样运放的动态零点就被调好 调零电路有内部调零和外部调零两种电路 运放调零电路 7 3 4保护 1 输入端保护 为防止输入信号电压过高 损坏输入端的晶体管 为此 在输入端接入反向并联的二极管 2 输出端保护 为防止输出电压过大 可利用稳压管的反向击穿特性来保护 如图所示 将两个稳压管反向串联 将输出电压限制在 UZ UD 的范围内 3 电源保护 为防止正 负电源极性接反 可用二极管来保护 如图所示 本章小结 1 集成运放可以构成加法 减法 积分 微分等多种运算电路 在这些电