模拟电子技术(姚娅川) 集成运放的基本应用

模拟电子技术第5章集成运放的基本应用主要内容5.1理想的集成运放

5.2基本运算电路

5.3模拟乘法运算电路5.4有源滤波器5.5电压比较器5.1理想的集成运放一、理想运放的参数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：虚短虚断1.线性区二、运放的工作区域2.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！具有两个特点：（2）运放的输入电流等于零，即仍然满足虚断概念一.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:5.2基本运算电路5.2.1比例运算电路例题:

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二.同相比例运算电路u-=u+=uii1=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:Au=1三.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：1.反相求和运算：若R1=R2=R,

平衡电阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if5.2.2加减运算电路

一.加法运算电路虚地2.同相求和运算：当R1=R2=Rf=R时,同相比例运算:二.减法运算电路1、利用加法器和反相比例器叠加原理2、差动减法器

ui1作用

ui2作用

综合：则有：一、

积分电路5.2.3积分运算电路和微分运算电路反相积分器：如果u

i=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间设Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F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。tui0212345tuo0-2-4-6应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0二、微分电路：u-=u+=0tui0tuo0例：,求uo。90°一.对数运算电路5.2.4对数和指数运算电路

利用PN结的指数特性实现对数运算BJT的发射结有注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7V利用虚短和虚断，有用三极管实现对数运算

二.指数运算电路uO是ui的反对数运算（指数运算）用三极管实现反对数运算电路利用虚短和虚断，电路有要求以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路

基本原理

5.3.1利用对数和指数电路的乘法运算电路5.3模拟乘法运算电路

例如：若取R1＝R2＝R3＝R4＝R，可得：

对于差放有：

一.基本原理5.3.2变跨导乘法电路模拟乘法器功能：实现两个模拟量相乘

其中K为比例因子，量纲:V-1符号：

5.3.3模拟乘法器的应用1.乘法运算立方运算电路

2.平方和立方运算平方运算电路uo=KuXuYuo=K(ui)2uo=K2(ui)33.除法运算电路根据虚断如果令K=R2/R1则:注意：为保证电路为负反馈，必须有：4.开平方运算电路)(1i12OuRRKu-=ui为负值！负反馈条件？

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。

滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。

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）5.4有源滤波器5.4.1滤波器的基本概念及分类ω|A|0ωC通带阻带A0ω|A|0ωCA0阻带通带ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通

各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻

滤波器的用途

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。1.一阶RC低通滤波器(无源)5.4.2有源低通滤波器传递函数：截止频率：幅频特性：此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：0.707

H截止频率01|A|2.一阶有源低通滤波器传递函数：通带增益：截止频率：幅频特性及幅频特性曲线传递函数：幅频特性：缺点：阻带衰减太谩。

H0.7071+Rf/R101+Rf/R1|A|3.二阶有源低通滤波器传递函数：

当Ao＜3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当f＞＞fL时，幅频特性曲线的斜率为-40dB/dec。

当Ao≥3时，源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线传递函数：通带增益：截止频率：5.4.3有源高通滤波电路1.一阶有源高通滤波器幅频特性：缺点：阻带衰减太慢幅频特性及幅频特性曲线传递函数：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)

L|A|2.二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线

(2)通带增益（1）幅频特性：其中：当AO≥3时，电路自激幅频特性曲线

当Ao＜3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当f＜＜

fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec。

可由低通和高通串联得到低通截止频率高通截止频率必须满足5.4.3有源高通滤波电路

可由低通和高通并联得到必须满足5.4.5有源带阻滤波电5.5电压比较器

将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uoui0+UOM-UOM5.5.1电压比较器概述1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM5.5.2单限比较器tuituo+Uom-Uom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）uoui0+Uom-UomUREFUREF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uoui0+Uom-UomUREF当ui<UREF时,uo=+Uom当ui>UREF时,uo=-Uom

若ui从反相端输入一般单限比较器及其电压传输特性令，得到uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3.限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值当ui>0时,uo=+UZ当ui<0时,uo=-UZ

（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZ当ui>0时,uo=-UZ当ui<0时,uo=+UZ

5.5.3滞回比较器1.工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。（1）当uo=+UZ时，（2）当uo=-UZ时，UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui

,当ui=<UT-时,

uo从-UZ

+UZ这时,uo=-UZ,u+=UT-设初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+设ui,当ui=>UT+时,

uo从+UZ

-UZ例题：Rf=10k

，R2=10k

，UZ=6V，UREF=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：uoui08V3V传输特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性+6V-6V5.5.4窗口比较器本章小结1．集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。2．集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。3．有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减