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1、第五章 利用运算放大器的模拟信号处理本章将介绍对于机电一体化系统中联系各模拟组成部分十分重要的运算放大器电路。本章学习目的通过本章内容的阅读、讨论、研究和运用，要求达到以下目标：1. 了解线性放大器的输入/输出特性。2. 了解在电路分析中如何利用理想运算放大器的模型。3. 能设计倒相放大器、同相放大器、加法器、差分放大器、仪表放大器、积分器、微分器和采样/保持放大器。4. 了解“真实”运算放大器的特性以及局限性。5.1概述由于几乎所有机电一体化系统和测量中都存在电路，所以工程师们对电信号的采集和处理有基本的了解是必不可少的。这些电信号通常来自将物理量（如温度、应变、位移、流速）变换为电流或电压

2、（一般为电压）的传感器。传感器输出通常称为模拟信号，它是连续且随时间变化的信号。来自传感器的信号通常没有我们希望的形式，而可能以下列形式出现：.信号非常弱，其数值通常属于毫伏范围；.背景过于“嘈杂”，通常是由电磁干扰引起的；.通常包含由不良传感器设计或安装引起的错误信息；.通常含有由传感器和仪表设计引起的直流偏置。 这些问题中的大部分能加以校正，需要的信号可以通过适当的模拟信号处理提取。最简单且最常用的信号处理形式是放大，在此，电压信号的幅度被放大。其他信号处理形式包括信号反相、微分、积分、相加、相减和比较。 模拟信号完全不同于呈离散且只采用有限个数状态或数值的数字信号。由于计算几何微处理器要

3、求数字信号，故涉及计算机测量控制的任何应用都要求进行模数（A/D）转换。本章将介绍模拟信号处理的基本原理，其中包括信号处理电路的设计和分析。运算放大器是一种在许多信号处理电路中用作基本组成部件的集成电路。第六章将重点讨论数字电路，第八章将讨论把模拟信号转换成可以用数字装置，如计算机进行处理的模式。5.2放大器人们已经花费了大量的精力研究与讨论放大器，所以我们不能指望重用几页纸就能说清楚这个问题。这里，我们将考察放大器的突出特点，并确定如何能用集成电路来设计放大器。在理想情况下，放大器只提高幅度而不影响不同分量的相位关系。当选择或设计放大器时候，我们必须考虑尺寸、成本、功耗、输入阻抗、输出阻抗、

4、增益和带宽。实际尺寸取决于制作放大器使用的元件。在20世纪60年代以前，真空管放大器很普遍，但它们是大功率耗散装置，热耗散很显著。便携式放大器既大又重，需要频繁更换电池。自固态技术出现以来，依靠载流子通过固态半导体材料的固态技术已经取代了由庞大的真空管包围住低压气体使电子流动的真空管技术。目前，固态晶体管和集成电路已显著的改变了放大器的设计，得到微小型冷态工作的放大器。它们是功耗相当小的装置，很容易制成带可更换电池的便携式放大器。通常，我们将放大器模拟成一个二端口器件，输入输出电压均以地位参考，如图5.1所示。放大器的增益又被定义为输出电压幅度与输入电压幅度之比，即 正常情况下，我们希望放大器

5、呈幅度线性，在此，增益对所有频率为常数。然而，放大器可能被有意识的设计或只对某些频率起放大作用，形成滤波效应。在这种情况下，输出特性受放大器的带宽和相关截止频率的控制。 放大器的输入阻抗（）和输出阻抗（）由测量各自的电压与电流之比求出： 对于下一节所述的运算放大器，大于100千欧，为几欧或更小。5.3运算放大器运算放大器是一种由许多内部晶体管、电阻器和电容器组成的低成本通用集成电路。它可以与外部分立部件结合，形成各种各样的信号处理电路。运算放大器是下列电力路的基本组成部件：.放大器.积分器.加法器.微分器.比较器.A/D和D/A转换器.有源滤波器.取样/保持放大器在下面几节中，我们将介绍其中的

6、大部分应用。运算放大器因其能完成许多不同运算而得名。5.4运算放大器的理想模型图5.2示出理想运算放大器的电路符号和接线端名称。理想运算放大器是假定具有无限大增益的差动输入、单一输出的放大器。符号有时在电路图中用来表示无限大增益并假定这是理想运算放大器。电压全都以公共地为参考。运算放大器是需要连接外部电源（±15V）的有源器件。外部电源一般都未在电路图上标示出来。由于运算放大器是有源器件，故输出电压和电流可能大于加到反相端和同相端得值。如图5.3所示，运算放大器通常包括从输出到负（反相）输入端的反馈。这种所谓闭环结构形成放大器的稳定和对增益的控制。当运算放大器电路没有反馈时候，称作运

7、算放大器具有开环结构。这种结构因无限大的增益而导致显著的不稳定性，因而很少采用。在下面几节介绍的例子中，反馈的效用将变得十分明显。图5.4示出可能有助于分析包含运算放大器的电路的理想模型。这个模型以描述理想运算放大器的下列假定作为依据。（1） 两个输入端具有无限大的阻抗，因此没有从输入电路汲取电流。因而， （5.4）（2） 具有无限大的增益。结果，输入电压之差必须为0，否则输出将是无限大。在图5.4中，这一点由将两个输入端短路来表示。因此， （5.5）即使在两个输入端之间表示成短路，我们仍假定电流不可能流过这个短路。（3） 它具有零输出阻抗。因此，输出电压不取决于输出电流。应当指出，和全都以公

8、共地为参考。此外，为了获取稳定的线性特性，输出与反相输入之间必须有反馈。这些假定和模型可能显得不合逻辑和混乱，但当用在包含负反馈的电路中时，却可以提供与真实运算放大器性能的极好近似。借助这个理想的模型，我们只需用基尔霍夫定律和欧姆定律对运算放大电路进行全面的分析。5.5倒相放大器倒相放大器由将两个外部电阻器连接到运算放大器上。如图5.7。正如名称所包含的意思，这个电路将输入电压倒相并进行放大。注意,电阻器形成反馈环，这个反馈环总是转到运算放大器的反相输入端，因而意味着为负反馈。现在，我们用基尔霍夫定律和欧姆定律对这个电路进行分析。首先，我们用图5.8中虚线框内所示的运算放大器的理想模型代替运算放大器。在节点C处应用基尔霍夫电流定律，并利用假定1，即没有电流流入运算放大器的输入端 （5.6）此外，由于两个输入端在理想型中假定为短路，所以C实际上处于地电位，即 （5.7）由于电阻器R两端的电压是 ，故有， （5.8）又由于电阻器两端电压是 ，故有，(5.9)将式子（5.6）代入式子（5.9），得 （5.10）将式子（5.10）除以式子（5.8）,便得出输入/输出的关系： （5.11）因此，放大器的电压增益仅由外接电阻和R决定且总是负值。这