磁针1507模电12 INA 滤波器 0130

主讲教师：元增民2015级注册电气工程师考培电工与模数电技术参考书目[1]张炳达，注册电气工程师执业资格考试公共/专业基础考试复习教程，天津大学出版社，2013年[2]元增民，模拟电子技术简明教程，清华大学出版社，2014年[3]元增民，电工技术，国防科大出版社，2011年[4]谢庆等，注册电气工程师(供配电)执业资格考试基础考试历年真题详解，人民交通出版社，2014年本课件补充的知识点都来自于参考书[2]、[3]，特此一并注明。本节要务OPA应用及滤波器1.乘除法及乘方开方电路2.仪表放大器INA3.比较器4.滤波器模拟电子技术第十二次课8.2.2模拟乘法器1.模拟乘法器(a)模拟乘法电路(b)乘法电路符号图8.2.3模拟乘法电路工作原理省略rb'b有

设β2=β1=β，则图8.2.3所示电路输出电压与输入电压关系(8.2.3)将对数、反对数及加减电路综合起来，也能实现乘除法。2.模拟除法器及开方器图8.2.5模拟开方器电路图8.2.4模拟除法器电路1)模拟除法器从OPA同相比例电路看2)模拟开方器令ui2=uo，式(8.2.4)变为(8.2.4)(8.2.5)从OPA乘法电路看2/5/2023198页题2-22图仿真题2-22如题2-22图所示模拟乘法器和运放器都是理想的，已知ui1>0，电路输出电压与输入电压的关系应为

。A.B.C.D.解uo1=ui2=kuoui1，从中求出为除法运算器，选D图8.3.1测量放大器原始电路2.信号处理特征：CMRR=1，一放对差模信号ud和共模信号uc“一视同仁”地加以放大，貌似公允，实质上良莠不分，共模抑制任务完全交给二放。8.3集成运算放大器线性应用(3)----仪表放大器INA(8.3.1)1.电路结构特征：两个同相比例电路加一个减法器总电压放大倍数(InstrumentAmplifier)图8.3.2测放原始电路在差模输入电压下的表现——接地没用图8.3.3测放原始电路在共模输入电压下的表现——离不开接地此接地对差模信号无用，但为共模放大提供方便——有害！图8.3.4测量放大器工作原理

信号处理特征：一放对差模信号ud加以放大，对共模信号uc，Rg相当断开，蜕化为电压跟随器，减轻了二放的共模抑制任务。一放差模电压放大倍数一放对共模信号相当电压跟随器，其共模电压放大倍数一放共模抑制比(8.3.2)总电压放大倍数图8.3.5AD623型测量放大器电路基本工作原理AD623电压放大倍数为根据所需要的电压放大倍数A可计算需要接入的电阻2023/2/5滤波器概念、种类和幅频特性滤波器：一种根据频率选择信号的电路。图9.1.1五种滤波器的理想幅频特性曲线低通滤波器(LPF)：0~fH的低频信号允许通过，f>fH的高频信号被衰减。高通滤波器(HPF)：fL~∞的高频信号允许通过，f<fL的低频信号被衰减。带通滤波器(BPF)：fL~fH的中频信号允许通过，f<fL及f>fH的信号被衰减。带阻滤波器(BEF)：f<fL和f>fH的信号允许通过，fL~fH的中频信号被衰减。全通滤波器(APF)：所有频率的信号都允许通过，指定频率的信号发生相移。前四种滤波器，看重的是幅频特性，全通滤波器看重的则是相频特性。滤波器分RC电路组成的无源滤波器和外加OPA的有源滤波器两种。9.1滤波器9.1无源滤波器9.1.1一阶RC低通滤波器及高通滤波器1.一阶RC低通滤波器依RC串联分压，图9.1.2所示RC电路输出电压、幅频及相频特性图9.1.2一阶RC低通滤波器(滞后移相器)(9.1.1)(9.1.1a)φ(ω)=-arctan(ωRC)(9.1.2)频率越高，A(ω)越小，故为低通滤波。通常幅频特性的低频段需要详细考究，高频段只要粗略观察。频率取对数，能使低频段展开、高频段压缩。放大器、滤波器的幅频特性一般是频率的幂函数ωm。频率取对数，则有x=lgω，幅频特性取对数，则有L=lg(ωm)=mlgω=mx，就把幂函数转换为线性函数，使幅频特性具有渐近线而显得舒展优美。频率取对数，还能使相频特性曲线具有点对称性。如此真是一箭三雕。频率及幅频特性都取对数的幅频特性曲线叫做对数幅频特性曲线。频率横轴取对数，纵轴用角度的相频特性曲线叫做半对数相频特性曲线。对数幅频特性曲线与半对数相频特性曲线合称为波德图。图9.1.2一阶RC低通滤波器(滞后移相器)(9.1.1a)φ(ω)=-arctan(ωRC)(9.1.2)图9.1.3一阶RC低通滤波器的波德图L(x)=20lg|A(ω)|=-10lg(1+102x)(9.1.1b)φ(x)=-arctan10x(9.1.2a)一阶RC低通滤波器的对数幅频特性曲线有渐近线显得舒展，半对数相频特性曲线点对称。频率变化10倍，对数频率x变化1，叫做10倍频程，用dec表示设ω0=1/RC，则ωRC=ω/ω0设x=lg(ω/ω0)，则有ω/ω0=10x然后就把A(ω)、φ(ω)转换为图9.1.3一阶RC低通滤波器的波德图对数幅频特性中频段与渐近线交点处的频率ω0=1/RC叫转折频率。渐近线斜率为-20dB/dec时，ω0处的增益下降3dB。以增益下降3dB作为上限频率条件，20dB/dec时上限频率与转折频率重合

ωH=ω0=1/RCfH=f0=1/2πRC例

要求一阶RC低通滤波器上限频率fH=15kHz，C=0.1μF，则

R=1/(2πfHC)=1/(6.283×15000×0.1/1000000)=106.1Ω频率变化10倍，对数频率x变化1，叫做10倍频程，用dec表示(9.1.3)2.一阶RC高通滤波器依RC串联分压，图9.1.4所示RC电路输出电压、幅频及相频特性图9.1.4一阶RC高通滤波器(超前移相器)(9.1.4)φ(ω)=90º-arctan(ωRC)(9.1.5)图9.1.5一阶RC高通滤波器的波德图L(x)=20lg|A(ω)|=20x-10lg(1+102x)(9.1.4a)φ(x)=90º-arctan10x(9.1.5a)对数幅频特性渐近线的斜率为20dB/dec，仍以-3dB点作为下限频率条件ωRC=ω/ω0lg(ωRC)=x，ωRC=10xωL=ω0=1/RCfL=f0=1/2πRC(9.1.6)低通滤波器的上限频率和高通滤波器的下限频率统称为截止频率。电压下降到原值的0.707倍时，功率下降一半。故按照电压下降到原值的0.707倍时得到的上、下限频率也叫做半功率频率(点)。9.1.2帯通滤波器图9.1.6带通滤波器幅频特性曲线1.串并联型RC带通滤波器稳态时分压比谐振频率谐振频率下的RC串并联电路分压比

F0=1/3图9.1.7正分压比RC串并联带通滤波器(9.1.7)(9.1.7a)(9.1.8)偏离谐振频率时分母中的虚部不再为0，故分压比将小于1/3。

RC串并联电路ωRC=1谐振时，RC串联阻抗Zrcs、RC并联阻抗Zrcp及总阻抗Z计算如下再次说明谐振时Zrcp=0.5Zrcs，串联分压比Zrcp/(Zrcp+Zrcs)=0.5Zrcs/(0.5Zrcs+Zrcs)=1/3。等值RC串并联电路谐振分压比1/3的另一种解释

2.电容三点式LC负分压并联谐振电路图9.1.8并联电容型负分压比LC并联谐振电路电感L1与电容C1的串联阻抗L1C1串联体与电容C2的并联阻抗并联谐振频率稳态时自电容C1上端引出电压与输入电压的串联分压比并联谐振频率下的分压比(9.1.9)(9.1.10)3.电感三点式LC负分压并联谐振电路图9.1.9电感三点式负分压比LC并联谐振电路电感L1与电容C1的串联阻抗L1C1串联体与电感L2的并联阻抗并联谐振频率以L1下端为基准，自L1上端引出电压与输入电压的串联分压比(9.1.12)(9.1.11)关于谐振滤波器特性的总结通过对几种谐振滤波器分压比的讨论可以明确，谐振时滤波器呈现电阻性，其分压比不是正实数就是负实数，相位移不是0º就是180º。因此，只要在振荡电路方案设计时根据放大器开环放大倍数的符号和滤波器谐振分压比的符号，按照正反馈要求合理选择反馈信号与零输入信号之间的相加反馈关系或相减反馈关系，就可以组合形成正反馈。只要组合形成正反馈，具体进行电路调整时只需满足幅度条件就可以使电路起振。9.1.3帯阻滤波器略，参见教科书8.4.1单限比较器(a)电路符号(b)芯片引脚图8.4.1四电压比较器LM339四电压比较器LM339特性如下。1)集电极开路输出。2)低饱和压降，输出电流1mA时饱和压降仅140mV。3)电源电压范围为+36V或±18V，电源电流1~2mA。4)输入共模电压范围允许-3V~+36V。LM339配用单+5V电源,其同相端电压大于反相端时,比较器正向饱和,输出电压接近+5V,代表高电平1；同相端模拟电压小于反相端时,比较器负向饱和,输出电压接近0V,代表低电平0，见图8.5.2(b)。8.4集成运算放大器非线性应用(a)应用电路(b)I/O特性图8.4.2LM339电压比较器应用电路

塑膜透明时，光电三极管受光多，集电极电流大，电阻压降大，运放同相输入端获得电压低。设塑膜透明时，运放同相输入端获得电压为U1，塑膜有彩膜等遮挡透光少时，运放同相输入端获得电压为U2，则U1<U2。调整电位器使其电压为U=0.5(U1+U2)

，就能使LM339比较器在塑膜透明时输出0，在塑膜有彩膜等遮挡透光少时输出1。就是说，LM339比较器输出0代表走袋快，输出1代表走袋慢。8.4.2滞后比较器图8.4.3对称滞后比较器电路图8.4.4对称滞后比较器跳变回环图8.4.5不对称滞后比较器电路图8.4.6不对称滞后比较器跳变回环4.给集成运放增加功率放大级5.(1~5)V到(4~20)mA转换电路电流放大倍数

取Re=250Ω，则当ui=(1~5)V时，ic≈ie=(4~20)mA。该电路具有电流电压转换比不受晶体管β值温度系数影响、运放芯片输出电流小负担轻的优点。电压放大倍数图8.5.3(1~5)V转(4~20)mA电路图8.5.2带BJT功放级的闭环运算放大电路ic≈ie=ui/Re如何记忆公式总是有学员问，哪些公式需要记忆？公式是知识点的精华，而且实用价值很高，当然记得越多越好。作为老师，应该告诉学生如何记公式。首先，众多公式，应该分个轻重缓急。重要公式，像模电的BJT输入电阻计算公式，共射放大器自身电压放