11讲 集成运放的应用2017ok

1、11测量放大器（自学）测量放大器（自学）32重点重点重点重点采样保持电路（自学）采样保持电路（自学）42第一节第一节 有源滤波器有源滤波器教学内容：教学内容：滤波器种类无源滤波器特点及频率特性有源滤波器特点及频率特性重点：重点：有源滤波器的工作原理与频率特性难点：难点：一频率特性分析集成运放的应用集成运放的应用3电路的频率特性电路的频率特性AtIiim)sin() t ( 0I0f0If 22C1LRUIiIm0Ttt1t2t4.t34频率特性频率特性550Hz与120Hz叠加信号波形及其频谱6上述信号叠加随机噪声后的波形及其上述信号叠加随机噪声后的波形及其频谱频谱7歌手的频谱歌手的频谱8心电

2、信号、心电信号、50Hz噪声干扰噪声干扰及其频谱及其频谱9高通（高通（HPF）低通（低通（LPF）带阻（带阻（BEF）带通（带通（BPF）一、一、滤波电路的作用和分类滤波电路的作用和分类抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带10二、低通滤波器二、低通滤波器1. 1. 无源滤波电路无源滤波电路RCf21 H令令iou UUARCjCjRCj1111当 f = fH 时， Au = 0.707H11ffjAu2H11ffAu缺点：缺点：1.电压放大倍数低；电压放大倍数低；2.带负载能力差。带负载能力差。空载时空载时带负载时带负载时CRRjRRRA)/(LLLu11

3、1 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；无源滤波电路的滤波参数随负载变化； 有源滤波电路的滤波参数有源滤波电路的滤波参数不随负载变化不随负载变化。 运放提高了滤波电路的放大能力。运放提高了滤波电路的放大能力。2. 有源滤波电路有源滤波电路无源低通滤波器无源低通滤波器同相比例放大器同相比例放大器121 1）一阶低通）一阶低通有源有源滤波器滤波器H0H1Fj1j11ffAffRRuuC+iC11UCjRCjUUURRU)(11Fo 求电压放大倍数，设输入为求电压放大倍数，设输入为正弦波信号正弦波信号, 则有则有RCRRUUAuj111Foi故：故：RCf21H1F01RRAu 一阶低通有源滤波器与无

4、源低通滤波器的通带一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同，截止频率相同，且且不受负载影响不受负载影响，通带，通带电压放大倍电压放大倍数数亦亦得到提高得到提高。频率趋于频率趋于0 0时的放大倍数时的放大倍数称为通带放大倍数称为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节13 运放相当于同相放大器，低频信号经运放放大输出。运放相当于同相放大器，低频信号经运放放大输出。1.输入电压输入电压ui 的的 f fH ： ，容抗值比较小，因此电，容抗值比较小，因此电容上有电流流过。容上有电流流过。fCX21CfH ：上限频率上限频率RCf 21H工作原理工作原理( (低通特性）：低通特性）：1）一阶低

5、通有源滤波器：）一阶低通有源滤波器：14H0H1Fiouj1j11ffAffRRUUAu解决办法：解决办法： 采用二阶低通有源滤波器。采用二阶低通有源滤波器。 表明进入高频段的下降速率为表明进入高频段的下降速率为20dB/十倍频，不理想。十倍频，不理想。波特图Pfflg20152 2）二阶低通有源滤波器）二阶低通有源滤波器 LPF0.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff110低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性二阶低通有源滤波器：二阶低通有源滤波器：输入电压经过两级输入电压经过两级 RC 低通电路，低通电路，在高频段，对数幅频特性以在高频段，对数幅频特性以 -40 dB /十倍

6、频的速度下降，十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。使滤波特性比较接近于理想情况。一阶一阶: :20dB/20dB/十倍频十倍频二阶二阶: :40dB/40dB/十倍频十倍频理想特性理想特性16 频率越低，输出越小。频率越低，输出越小。输入电压输入电压ui：f fL： , ,容抗值比较小，信号容抗值比较小，信号经电容无衰减。经电容无衰减。fCXc21fL ：下限频率下限频率RCf 21L工作原理工作原理( (高通特性）：高通特性）：二、一阶高通有源滤波器：二、一阶高通有源滤波器：17 二阶高通滤波器二阶高通滤波器 2231RCjRCjAARCjUUAupupiou ffQjffAoo

7、up 112高通滤波电路与低通滤波电路的高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为对数幅频特性互为“镜像镜像”关系。关系。18低通低通高通高通iUoUf2fuAlg20O低通低通fuAlg20f1O高通高通阻阻阻阻f2f1fuAlg20O通通方法：低通滤波器和高通滤波器串联起来方法：低通滤波器和高通滤波器串联起来三、带通滤波器三、带通滤波器(BPF)必须满足必须满足21ff 19带通滤波器的典型电路带通滤波器的典型电路低通电路：低通电路：R和和C电路组成电路组成低通频率：低通频率： f1高通电路：高通电路： C和和 R2电路组成电路组成高通频率：高通频率： f2带通滤波器频率：带通滤波器频率

8、：f2 - f120工作原理：在规定的频带内，工作原理：在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。信号能顺利通过。低通低通高通高通iUoU方法：低通滤波器和方法：低通滤波器和高通滤波器并联起来高通滤波器并联起来四、带阻滤波器四、带阻滤波器(BEF)f2f1fuAlg20O通阻通通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通必须满足必须满足12ff 21带阻滤波器的典型电路带阻滤波器的典型电路低通电路：低通电路：R、R、2C电路组成电路组成低通频率：低通频率：f1高通电路：高通电路： C、C、2R电路组成电路组成高通频率：高通频率：f2带

9、阻滤波器频率：带阻滤波器频率：f f222Question? 通常心电信号频率为通常心电信号频率为0100Hz，幅度约为，幅度约为1mV左右，而外界干扰很强，几乎可以淹没心电信左右，而外界干扰很强，几乎可以淹没心电信号，主要干扰为号，主要干扰为随机噪声随机噪声和和50Hz工频工频干扰。干扰。 请问提取心电信号的滤波电路应当如何设计才请问提取心电信号的滤波电路应当如何设计才能能有效抑制外界干扰？有效抑制外界干扰？23心电信号、心电信号、弱噪声干扰弱噪声干扰及其滤波效果及其滤波效果24心电信号、心电信号、强噪声干扰强噪声干扰及其滤波效果及其滤波效果25小小 结结 有源滤波电路一般由有源滤波电路一般

10、由RC网络和集成运放组成，可网络和集成运放组成，可用于信号的筛选，一般分为用于信号的筛选，一般分为LPF、HPF、BPF、BEF四大类。四大类。 有源滤波器的主要性能指标为：有源滤波器的主要性能指标为： 通带放大倍数通带放大倍数Aup 通带截止频率通带截止频率fL、fH、带宽带宽fbw 实际滤波电路的选择需要根据信号、噪声和干扰实际滤波电路的选择需要根据信号、噪声和干扰的特点合理选择。的特点合理选择。26视频：温控电风扇视频：温控电风扇27第二节第二节 电压比较器电压比较器教学内容：教学内容：过零比较器过零比较器单限比较器单限比较器窗口比较器窗口比较器重点：重点： 电压比较器的工作原理与分析电

11、压比较器的工作原理与分析难点：难点：一一传输特性分析传输特性分析集成运放的应用集成运放的应用28一、概述一、概述比较电压的大小比较电压的大小将一个将一个输入电压输入电压与一个与一个参考电压参考电压进行比较，当输进行比较，当输入电压达到或超过入电压达到或超过参考电压参考电压（阈值电压阈值电压）时，比）时，比较器的输出状态发生变化。较器的输出状态发生变化。输出的只有两种状态：输出的只有两种状态：高电平高电平或或低电平低电平。分类：分类：过零比较器、单限比较器、双限比较器过零比较器、单限比较器、双限比较器等。等。uR：参考电压参考电压 ui ：输入电压输入电压292. 2. 集成运放的非线性工作区集

12、成运放的非线性工作区比较器工作于集成运放的非线比较器工作于集成运放的非线性区，其特点为：性区，其特点为：u+ u- - 时，时， uOUOMu+ u- - 时，时， uOUOM3. 3. 电压比较器的描述方法：电压比较器的描述方法：电压传输特性电压传输特性 uOf (uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素： 输出高电平输出高电平UOH 和输出低电平和输出低电平UOL 使输出产生跃变的输入电压称为使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压阈值电压UT 输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向30二、过零比较器二、过零比较器1. 1. 反相过零比较器反相

13、过零比较器（1）UT0（2）UOH UOM ，UOL UOM（3） uI 0 时时 uO UOMUOM-UOMuiuo-UOMUOM2. 2. 同相过零比较器同相过零比较器0uiuo031UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouiuo例题：反相输入过零比较器的应用例题：反相输入过零比较器的应用uiuO32 由于集成运放的由于集成运放的UOM较大，为了将输出电压控较大，为了将输出电压控制在一个幅度内，需要有制在一个幅度内，需要有限幅限幅的措施。的措施。 输出限幅电路输出限幅电路UOH UZ UOL UZ不可缺少！不可缺少！33 比较器传输特性的分析方法：比较器传输特性的分析方法：写出写出

14、 u+、u- -的表达式，令的表达式，令u+ u- -，求解出的求解出的 uI即即为为UT；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输入电压作用于根据输入电压作用于同相输入端同相输入端还是还是反相输入端反相输入端决定输出电压的跃变方向。决定输出电压的跃变方向。34三、三、单限比较器单限比较器过零比较器是门限电平为零的单限比较器。过零比较器是门限电平为零的单限比较器。UOM-UOMuiuo0 单限比较器有一个单限比较器有一个门限电平门限电平，当输入电压等于此门限，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。电平时，输出端的状态立即发生跳变。1

15、V1V注意：注意：当当 uI= UT时比较器输出翻转，时比较器输出翻转， UT称为阈值电压。称为阈值电压。35ZOUU作用于反相输入端作用于反相输入端uIuO+UOM- -UOMO+UZ- -UZREF21URR 传输特性分析：传输特性分析：REF212URRRu REF12TURRU 得得令令 , 0 uuI211uRRR 比较器翻转一定是发生在比较器翻转一定是发生在u+ u- -时刻。时刻。写出写出 u+、u- -的表达式，令的表达式，令u+ u- -，求，求解出的解出的 uI即为即为UT； 若要若要UT 0，则应如何修改电路？则应如何修改电路？ 若要改变曲线跃变方向，则应如若要改变曲线跃

16、变方向，则应如何修改电路？何修改电路？ 若要改变若要改变UOL、UOH呢？呢？阈值？阈值？36温控电风扇温控电风扇的基本原理电路的基本原理电路 由负温度系数的热敏电阻由负温度系数的热敏电阻Rt为一臂组成测温电桥，其输为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由比较器输出出经测量放大器放大后由比较器输出“启动启动”与与“停止停止”信信号，经三极管放大后控制继电器号，经三极管放大后控制继电器“接通接通”与与“断开断开”，进而，进而控制电扇的控制电扇的“启动启动”与与“停止停止” 。R1R2R3R4R5R6R7R8RtRW1RW2RW3JTA2A1+12V-12Vou P33337四、窗口比较器四

17、、窗口比较器RHIUu OMUOMURLIUu OMUOMU当当uIURH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截止；截止； uO= UZ。当当uIURH时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止；截止； uO= UZ 。当当URLuI URH时，时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止；均截止； uO= 0。综上所述，双限比较器在输入信号综上所述，双限比较器在输入信号 uI URH 时，时，输出为高电平；而当输出为高电平；而当 URL uI u 时，时，uo 0 ；输出端不接输出端不接 DZ 时时，uo = UOM； 接接 DZ 限幅时限幅时，

18、uo = UZu+ u 时，时，uo 0 ；1.1.确定阈值确定阈值传输特性传输特性输出电压跃变的条件输出电压跃变的条件2.2.确定输出电压确定输出电压3.3.确定跃变方向确定跃变方向输入接负，输入接负，(输出输出)由正到负；由正到负； 输入接正，由负到正。输入接正，由负到正。40传感器传感器放大器放大器滤波器滤波器比较分析比较分析采样保持采样保持A/D 转换器转换器计算机系统总线计算机系统总线控制电路控制电路信号检测系统基本框图信号检测系统基本框图集成运放在信号测量及处理上的应用集成运放在信号测量及处理上的应用提取测量信号提取测量信号放大测量信号放大测量信号抑制干扰信号抑制干扰信号去除无用信号去除无用信号信号加工信号加工处理系统处理系统41由于传感器没有输