电子技术课程模拟电路成运放的应用Ⅰ课件

第7章集成运放的应用Ⅰ（信号的运算和处理）7.1概述7.2基本信号的运算电路7.3模拟乘法器的应用7.4有源滤波电路7.5电子信息系统预处理中所用放大电路11/22/20221第7章集成运放的应用Ⅰ（信号的运算和处理）7.1概述7.ri大:几十k

M运放的特点：KCMRR很大ro小：几十~几百A

很大:104~1077.1概述理想运放的特点1、开环差模增益Aod=∞2、差模输入电阻rid=∞3、输入偏置电流IB1=IB2=04、输出电阻r0=05、共模抑制比KCMRR=∞6、频带宽度BW=∞7、输入失调电压、输入失调电流均为零7.1.1理想运放的特性11/22/20222ri大:几十kM运放的特点：KCMRR很7.1.2理想运放的两个工作区uiuo_++∞uPuN11/22/202237.1.2理想运放的两个工作区uiuo_++∞uPuN例:设电源电压±VCC=±10V。运放的AOd=106,求ui│ui│≤0.01mV时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，当AOd→∞时，线性区→0怎样使理想运放工作在线性区？在输出与输入之间加深度负反馈。11/22/20224例:设电源电压±VCC=±10V。运放的AOd=106,求u虚短路虚断路虚短路、虚断路的概念uiuo_++∞uPuN1、开环增益Aod=∞2、差模输入电阻rid=∞iNiP11/22/20225虚短路虚断路虚短路、虚断路的概念uiuo_++∞uPuN1（1）输入信号加在反相输入端；7.2基本运算电路7.2.1比例运算电路1.特点_++RfR1R2ui

uo（2）同相端通过R2接地，以保证运放工作于对称状态,R2=Rf//R1；（3）Rf与R1组成反馈网络，且为电压并联负反馈。一、反相比例运算电路11/22/20226（1）输入信号加在反相输入端；7.2基本运算电路7.2.i1ifi1=if虚地!2.分析_++RfR1R2ui

uo11/22/20227i1ifi1=if虚地!2.分析_++RfR1R2ui（1）uo与ui反相——反相放大器；（2）Auf只与Rf，R1有关，且有三种情况；（3）当Rf=R1时，uo=-ui，此时运放相当于作变号运算。

闭环增益3.讨论11/22/20228（1）uo与ui反相——反相放大器；闭环增益3.讨论10二、同相比例运算电路uo_++RfR1R2uiuN=uP=ui（1）输入信号加在同相输入端，反馈网络加在反相输入端；（2）不存在“虚地”。特点11/22/20229二、同相比例运算电路uo_++RfR1R2uiuN=u（1）uo与ui同相，且uo＞ui，（2）若令Rf=0或R1=∞，则Auf=1即uo=ui——跟随器

闭环增益：_++RfR1R2ui讨论11/22/202210（1）uo与ui同相，且uo＞ui，闭环增益：_++Rf_++RfR1R2uiuoR3

另一种同相比例运算电路如果令_++RfR1R2ui分压11/22/202211_++RfR1R2uiuoR3另一种同相比例运算电路如三、电压跟随器_++Rfuiuo电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。11/22/202212三、电压跟随器_++Rfuiuo电压并联负反馈，输7.2.2加减运算电路_++RfR1R2ui2uoRPui1i1i2if一、反相求和运算电路虚地!用叠加原理如何？11/22/2022137.2.2加减运算电路_++RfR1R2ui2uoRP通过电流相加的办法来实现电压相加。讨论_++RfR1R2ui2uoRPui111/22/202214通过电流相加的办法来实现电压相加。讨论_++RfR1R2增加一个输入支路，构成同相求和电路。_++RfR1RPuiuo二、同相求和运算电路解出：11/22/202215增加一个输入支路，构成同相求和电路。_++RfR信号分别从同相输入端和反相输入端加入，也称差动输入，特点：三、减法运算电路(差动输入)_++RfR1R2ui2uoR3ui1电路不存在“虚地”现象。_++RfR1R2uiuoR311/22/202216信号分别从同相输入端和反相输入端加入，也称差动输入，_++RfR1R2ui2uoR3ui1解出：如果令分析闭环增益11/22/202217_++RfR1R2ui2uoR3ui1解出：如果令分析闭四、三运放电路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+_++RfR1R2ui2uoR3ui111/22/202218四、三运放电路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+ui1和ui2为差模输入信号，uo1和uo2也是差模信号，Rw的中点为交流零电位。

A3减法运算电路。11/22/202219++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+ui1R1R1–+A3R2R2uouo1uo2减法运算电路11/22/202220R1R1–+A3R2R2uouo1uo2减法运算电路10/1是一种高增益、高输入电阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差动输入，单端输出的形式。用于弱信号放大

调节Rw可以改变放大器的增益。讨论精密放大器11/22/202221是一种高增益、高输入电阻和高共模抑制比的直接耦合放大利用反相求和以实现减法运算第1级反相比例第2级反相求和即当时得例

电路如图，设A1、A2为理想运放，求输出信号与输入信号之间的函数关系。解:用叠加11/22/202222利用反相求和以实现减法运算第1级反相比例第2级反相求和即当例

电路如图，设A1、A2为理想运放，试求输出信号与输入信号之间的函数关系。解电路中A1、A2为理想运放，由输入端虚短的条件有VP1＝VN1=Vi1、VP2＝VN2=Vi2

各电流值为又得11/22/202223例电路如图，设A1、A2为理想运放，试求输出信号与输入信号7.2.3微积分运算电路uN=uP=0ui－++uoRfR2i1ifC1.微分运算电路虚地!11/22/2022247.2.3微积分运算电路uN=uP=0ui－++u若输入：则：tui0tuo0移相应用举例：11/22/202225若输入：则：tui0tuo0移相应用举例：10/11/202应用举例：tui0积分运算电路tuo0(1)输入方波，输出是三角波(to时刻电容电压为0)。i1ifui-++RR2Cuo11/22/202226应用举例：tui0积分运算电路tuo0(1)输入方波，输出(2)输入直流电压，输出将反向积分，一定时间TM后输出饱和,积分停止。tui0tuo0U-UomTM积分时限定时！i1ifui-++RR2Cuo11/22/202227(2)输入直流电压，输出将反向积分，一定时间TM后输出饱和对数运算电路7.2.4对数和指数运算电路11/22/202228对数运算电路7.2.4对数和指数运算电路10/11/202uO是ui的对数运算。三极管的发射结有注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏利用虚短和虚断，有利用三极管实现对数运算11/22/202229uO是ui的对数运算。三极管的发射结有注意：ui必须大于零，指数运算电路相当于反对数运算电路。指数运算电路11/22/202230指数运算电路相当于反对数运算电路。指数运算电路10/11/21理想运算放大电路的两个重要结论是________。a.虚地与反相b.虚短与虚地c.虚短与虚断d.断路和短路2集成运放一般分为两个工作区，它们是________工作区。a.线性与非线性b.正反馈与负反馈c.虚短和虚断3施加深度负反馈可使运放进入________；使运放开环或加正反馈可使运放进入________。a.非线性区b.线性工作区4集成运放能处理________。a.交流信号b.直流信号c.交流信号和直流信号5由理想运放构成的线性应用电路，其电路放大倍数与运放本身的参数________。a.有关b.无关c.有无关系不确定课堂练习11/22/2022311理想运算放大电路的两个重要结论是________。课堂7.2.5实际运放电路的误差分析共模抑制比KCMR为有限值的情况输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况11/22/2022327.2.5实际运放电路的误差分析共模抑制比KCMR为有1.共模抑制比KCMR为有限值的情况同相比例运算电路闭环电压增益理想情况越大，误差越小。11/22/2022331.共模抑制比KCMR为有限值的情况同相比例运算电路闭环电2.输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况输入为零时的等效电路VNVoR2R1//Rf(IIB-IIO/2)R2VPVIO(IIB-IIO/2)(R2//Rf)11/22/2022342.输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况输入解得误差电压当时，可以消除偏置电流引起的误差，此时当电路为积分运算时，即换成电容C，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在11/22/202235解得误差电压当时减小误差的方法输入端加补偿电路利用运放自带的调零电路11/22/202236减小误差的方法输入端加补偿电路利用运放自带的调10/11功能：实现两个模拟量相乘

其中K为乘积系数，量纲:V-1符号：

7.3

模拟乘法器及其应用7.3.1模拟乘法器简介11/22/202237功能：实现两个模拟量相乘其中K为乘积系数，量纲:V-1理想模拟乘法器应具备如下条件：(1)ri1和ri2为无穷大；(2)ro为零；(3)K值不随信号幅值而变化，且不随频率而变化；(4)当vx或vY为零时vo为零，电路没有失调电压、电流和噪声。11/22/202238理想模拟乘法器应具备如下条件：(1)ri1和ri2为无穷大；对于差放有：7.3.2模拟乘法器的基本工作原理书p339乘法11/22/202239对于差放有：7.3.2模拟乘法器的基本工作原理书p339

7.3.2模拟乘法器的应用1.相乘运算电路模拟相乘电路立方运算电路

2.乘方运算电路平方运算电路11/22/2022407.3.2模拟乘法器的应用1.相乘运算电路模拟3.除法运算电路据虚断如果令K=R2/R1则工作（保证负反馈）条件？3.除法运算电路据虚断如果令K=R2/R1则工作（保4.开方运算电路)(1112OvRRKv-=v1必须为负值！二极管作用？防止出现闭锁现象4.开方运算电路)(1112OvRRKv-=v1必须为负值5.开立方运算电路5.开立方运算电路7.4有源滤波电路滤波电路的种类:按信号性质:模拟滤波器和数字滤波电路按电路功能:低通滤波电路高通滤波电路带通滤波电路带阻滤波电路按所用元件:无源滤波电路和有源滤波电路一阶有源滤波电路二阶有源滤波电路按阶次:11/22/2022447.4有源滤波电路滤波电路的种类:按信号性质:模拟滤波7.4.1基本概念1.基本概念滤波器：使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号得电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路电路传递函数定义时，有其中——模，幅频响应（特性）——相位角，相频响应拉氏变换11/22/2022457.4.1基本概念1.基本概念滤波器：使有用频率信号通2.分类——按幅频特性分低通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合——整流后滤波。高通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合——阻容放大器的耦合。带通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声——载波通信。带阻（BEF）用于抑制干扰。全通（APF）通阻通Auω阻通Auω通阻Auω阻阻通Auω11/22/2022462.分类——按幅频特性分低通（LPF）用于工作信号为低无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。

RuiRLCuouiRLCLuo4、由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波电路的优点：（1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。（2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。（3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。3、无源滤波电路和有源滤波电路11/22/202247无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。RuiRL1、RC无源一阶低通滤波电路7.4.2低通滤波电路RuiCuo一阶RC无源滤波电路

缺点：带负载的能力差，例如R=27k，RL=3k，对于直流而言，uo只有ui的十分之一，而当RL断开时，uo=ui，其中当为了提高带负载的能力，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。11/22/2022481、RC无源一阶低通滤波电路7.4.2低通滤波电路Rui传递函数其中特征角频率故，幅频相应为2.RC有源一阶低通滤波电路11/22/202249传递函数其中特征角频率故，幅频相应为2.RC有源一阶低通滤3.压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源电路（VCVS）对于滤波电路，有得滤波电路传递函数（二阶）书352式7.4.1411/22/2022503.压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源电路（VCVS）对

称为通带增益(中频)称为特征角频率称为等效品质因数则滤波电路才能稳定工作注意：用代入，可得频率响应：11/22/202251称为通带增益(中频)称为特征角频率称为等效品质因数则滤波电归一化的幅频响应相频响应电压增益与通带增益的比11/22/202252归一化的幅频响应相频响应电压增益与通带增益的比10/11/2归一化的幅频响应波特图11/22/202253归一化的幅频响应波特图10/11/2022537.4.3高通滤波电路1.RC有源一阶高通滤波电路11/22/2022547.4.3高通滤波电路1.RC有源一阶高通滤波电路10/2.压控电压源二阶高通滤波电路将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。传递函数归一化的幅频响应滤波电路才能稳定工作11/22/2022552.压控电压源二阶高通滤波电路将低通电路中的电容1.低通和高通串联必须满足7.4.4带通滤波电路低通特征角频率高通特征角频率11/22/2022561.低通和高通串联必须满足7.4.4带通滤波电路低通特征2.压控电压源二阶带通滤波电路令传递函数得(7.4.34)11/22/2022572.压控电压源二阶带通滤波电路令传递函数得(7.4.34)7.4.5带阻滤波电路1.低通和高通并联必须满足通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。11/22/2022587.4.5带阻滤波电路1.低通和高通并联必须满足2.双T有源二阶带阻滤波电路双T选频网络11/22/2022592.双T有源二阶带阻滤波电路双T选频网络10/11/202双T有源二阶带阻滤波电路11/22/202260双T有源二阶带阻滤波电路10/11/202260在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。7．5电子信息系统预处理中所用放大电路

7．5．1仪表用放大器

集成仪表用放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。

从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。1.特点仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。11/22/202261在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集2.基本电路11/22/2022622.基本电路10/11/2022623.集成仪表用放大器11/22/2022633.集成仪表用放大器10/11/2022634.应用举例图为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为-50～+150℃，分辨率为0.1℃。图中R1、R2、D和Rwl构成测量电桥，D为温度传感器。电桥的输出信号接到集成仪表放大INAl02的输人端进行放大。A2构成的电压跟随器，起隔离作用。电压比较器