電路與電子技術(shù)-第6章--集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用4演示文檔

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.,6.5集成運(yùn)放的應(yīng)用,以集成運(yùn)為放核心部件，在其外圍加上一定形式的外接電路，即可構(gòu)成各種功能的電路，例如能對(duì)信號(hào)進(jìn)行加、減、微分和積分的運(yùn)算電路，濾波電路、比較電路以及波形產(chǎn)生和變換電路等。,集成運(yùn)放有線性和非線性兩個(gè)工作區(qū)域，因此在分析具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，首先判斷運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，再運(yùn)用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)分析電路的工作原理。,一般判斷運(yùn)放工作狀態(tài)的方法是看電路中引入反饋的極性，若為負(fù)反饋，則工作在線性區(qū)；若為正反饋或者沒有引入反饋（開環(huán)狀態(tài)），則運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。,集成運(yùn)算放大器加入負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算功能的電路統(tǒng)稱為運(yùn)算電路。在運(yùn)算電路中，運(yùn)放工作在線性區(qū)，在分析各種運(yùn)算電路時(shí)，要注意輸入方式，利用“虛短”、“虛斷”和“虛地”的特點(diǎn)。,.,6.5.1 運(yùn)算電路,圖所示為反相比例運(yùn)算電路。輸入電壓ui通過(guò)電阻R1接入運(yùn)放的反相輸入端。RF為反饋電阻，同相輸入端電阻R2接地，為保證運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱性，要求R2=R1 //RF 。,1. 比例運(yùn)算電路,（1）反相比例運(yùn)算電路,工作原理分析：,電路引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，所以電路的運(yùn)放工作在線性區(qū)，并具有虛短和虛斷的特點(diǎn)。,由于虛斷，故i+ = 0，即R2上沒有壓降，則u+ = 0；,ii = iF,i- = 0,又因虛短，可得 = 0，這說(shuō)明在反相比例運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端與同相輸入端的電位不僅相等，而且均等于零，如同該兩點(diǎn)接地一樣，這種現(xiàn)象稱為虛地。,.,則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：,則反相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：,因?yàn)? ii = iF,放大倍數(shù)僅與反饋網(wǎng)絡(luò)電阻數(shù)值有關(guān),可做公式使用,.,式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。若RF = R1，則uo = - ui ，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相反。這時(shí)，反相比例電路只起反相作用，稱為反相器。,可看出，反相比例電路的輸入電阻不高，這是由于電路中接入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋的緣故。由前面分析可知，并聯(lián)負(fù)反饋將降低輸入電阻。,反相比例運(yùn)算電路中引入了深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋，該電路輸出電阻很小，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。,.,圖為同相比例運(yùn)算電路，運(yùn)放的反相輸入 端通過(guò)電阻R1接地，同相輸入端則通過(guò)補(bǔ)償電阻R2接輸入信號(hào)，R2 = R1 // RF。電路通過(guò)電阻RF引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。,根據(jù)虛短：u + = u - = ui,則同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：,（2）同相比例運(yùn)算電路,根據(jù)虛斷: i+ = i - = 0 ，即i1=if,放大倍數(shù)僅與反饋網(wǎng)絡(luò)電阻數(shù)值有關(guān),,,.,如同相比例運(yùn)算電路中的RF = 0，則由上式可知輸入電壓與輸出電壓之間相等，即：ui=uo，且相位相同，故稱電路為電壓跟隨器。,同相比例運(yùn)算電路引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有較高的輸入電阻和很低的輸出電阻，這是這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)。,Auf的值總為正，表示輸出電壓與輸入電壓同相。且其比值總是大于或等于1。即：,.,取樣保持電路：由取樣門(開關(guān))和保持電容組成。當(dāng)取樣脈沖到來(lái)時(shí)，取樣門閉合，uC=ui (ui ＞uC，C充電， ui ＜uC，C放電)。,取樣門(開關(guān))可以用理想二極管代替,取樣脈沖,當(dāng)取樣脈沖過(guò)去時(shí)，取樣門打開，電容電壓保持不變。這樣，就可以將輸入信號(hào)ui對(duì)應(yīng)取樣脈沖到達(dá)時(shí)刻的樣品取出，且在脈沖休止期間保持住。其模型如圖所示。,.,,當(dāng)取樣脈沖uS為高電平時(shí)，管子導(dǎo)通。此時(shí)，若ui＞uC，電容C充電且uC = ui 。若ui ＜ uC ，電容仍可通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管向運(yùn)放放電，且也能保證uC = ui 。而當(dāng)uS為低電平，且uS ＜uGSoff(夾斷電壓)時(shí)，則場(chǎng)效應(yīng)管截止，電容電壓保持。,如果將上圖中的單向開關(guān)(二極管D)換成一個(gè)雙向開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)，電容不僅有充電回路，也有放電回路，則可實(shí)現(xiàn)取樣保持功能。如下圖所示。,電壓跟隨器的應(yīng)用,.,.,前面介紹的反相和同相比例運(yùn)算電路，都是單端輸入放大電路，差分比例運(yùn)算電路屬于雙端輸入放大電路，其電路如圖所示。,（3）差分比例運(yùn)算電路,,,代入上式，可得：,.,當(dāng)滿足R1 = R1’，RF = RF ’時(shí)，整理上式，可求得輸出電壓與輸入電壓關(guān)系式為：,,所以，差分比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為：,,在電路元件參數(shù)對(duì)稱的條件下，差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電阻為：,,由以上分析可見，差動(dòng)比例運(yùn)算電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比，實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)比例運(yùn)算。,Rif= 2R1,實(shí)現(xiàn)了差分放大電路,.,用疊加定理求解差分比例運(yùn)算電路,利用疊加定理,.,因?yàn)樘摱蹋磚 + = u -，所以得到：,在理想條件下，因?yàn)樘摂啵琲+ = i- = 0，求得反相輸入端的電位為：,故,.,因?yàn)樘摱?，即u + = u -，所以得到：,在理想條件下，因?yàn)樘摂?，i+ = i- = 0，求得反相輸入端的電位為：,由疊加定理,.,思考題,組成哪種基本運(yùn)算電路？ 與用一個(gè)運(yùn)放組成的完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？ 為什么在求解第一級(jí)電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不考慮第二級(jí)電路對(duì)它的影響？,理想運(yùn)放，高輸入電阻，所以前后級(jí)不相互影響,A1為同向輸入運(yùn)放，A2為差動(dòng)輸入運(yùn)放,.,比例運(yùn)算電路是一種基本的運(yùn)放應(yīng)用電路，以它為基礎(chǔ)可以組成具有各種用途的實(shí)際電路。,數(shù)據(jù)放大器是由比例運(yùn)算電路構(gòu)成的一種高增益、高輸入電阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差動(dòng)輸入、單端輸出的形式。,比例運(yùn)算電路的運(yùn)放應(yīng)用,當(dāng)應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，獲得的信號(hào)電壓變化量常常很小，而共模電壓卻很高。,通常用在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)控制、精密測(cè)量以及生物工程等系統(tǒng)中，對(duì)各種傳感器送來(lái)的緩慢變化信號(hào)加以放大，然后輸出給系統(tǒng)。數(shù)據(jù)放大器質(zhì)量的優(yōu)劣常常是決定整個(gè)系統(tǒng)精密的關(guān)鍵。,.,例：利用相減電路可構(gòu)成“稱重放大器”。圖給出稱重放大器的示意圖。圖中壓力傳感器是由應(yīng)變片構(gòu)成的惠斯頓電橋，當(dāng)壓力(重量)為零時(shí)，Rx=R，電橋處于平衡狀態(tài)，ui1=ui2，相減器輸出為零。而當(dāng)有重量時(shí)，壓敏電阻Rx隨著壓力變化而變化，而電橋失去平衡，ui1 ≠ui2,相減器輸出電壓與重量有一定的關(guān)系式。試問(wèn)，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關(guān)系。,典型值是當(dāng)電源電壓US=10 V時(shí)，電橋輸出的差動(dòng)信號(hào)最大約30mV。,.,稱重放大器的簡(jiǎn)化圖：,戴維南定理可知：,先把電源部分從電路中斷開：,電路分析如下：,ui2,ui1,,,.,則：,重量(壓力)變化，Rx隨之變化，則uo也隨之變化，所以測(cè)量uo就可以換算出重量或壓力。,.,圖是由三個(gè)集成運(yùn)放組成的通用數(shù)據(jù)放大器，其中每個(gè)集成運(yùn)放接成比例運(yùn)算電路形式。電路包含兩個(gè)放大級(jí)，A1、A2組成第一級(jí)，二者均接成同相輸入方式，因此輸入電阻很高。由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，它們的漂移和失調(diào)都有互相抵消的作用。A3組成差動(dòng)放大級(jí)，將差動(dòng)輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。,例：圖中的三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器即是目前應(yīng)用測(cè)量放大器。,由圖可推出：,作業(yè),.,,,,,,實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入信號(hào)按各自不同的比例求和或求差的電路統(tǒng)稱為加減運(yùn)算電路。,2. 加減運(yùn)算電路,（1）加法運(yùn)算電路,① 反相加法運(yùn)算電路,.,反相求和運(yùn)算電路 方法二：利用疊加原理 首先求解每個(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸出電壓。,,.,必不可少嗎？,同相求和運(yùn)算電路,,,方法1利用節(jié)點(diǎn)電流法求解,與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號(hào),② 同相加法運(yùn)算電路,設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf,方法2疊加原理同學(xué)自行分析,.,例 試設(shè)計(jì)一個(gè)反相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均≥100kΩ。,由上可得Rf=300kΩ，R2=100kΩ,R1=150kΩ。,實(shí)際電路中，為了消除輸入偏流產(chǎn)生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一直流平衡電阻Rp,并令Rp=R1‖R2‖Rf=50kΩ，如圖所示。,解 根據(jù)題意反相器為如圖所示，為滿足輸入電阻均≥100kΩ，可先選R2=100kΩ，,根據(jù)題意：uo=-(2ui1+3ui2),反相加器的輸出表達(dá)式為,.,電阻值過(guò)大或過(guò)小，可先選RF = 100 kΩ，則,,例 假設(shè)一個(gè)控制系統(tǒng)中的溫度、壓力和速度等物理量經(jīng)傳感器后分別轉(zhuǎn)換成為模擬電壓量uI1、uI2、uI3，要求該系統(tǒng)的輸出電壓與上述各物理量之間的關(guān)系為：uo = -3ui1 - 10ui2 – 0.53 ui3,解 ：根據(jù)上述表達(dá)式，可選用反向求和電路。,將以上給定的關(guān)系式與式比較，可得：,求和電路的表達(dá)式,.,差分比例運(yùn)算電路實(shí)際上就是一個(gè)簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算電路。如果在差動(dòng)比例運(yùn)算電路的同相輸入端和反相輸入端各輸入多個(gè)信號(hào)，就變成了一般的加減運(yùn)算電路，如圖所示，它綜合了反相加法運(yùn)算電路和同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)，所以也可稱為雙端輸入求和運(yùn)算電路。,當(dāng)ui1 = ui2 = 0時(shí)，電路為同相求和運(yùn)算電路，由上分析可知，設(shè)此時(shí)的輸出電壓為uo2，根據(jù)式得：,③ 加減運(yùn)算電路,當(dāng)ui3 = ui4 = 0時(shí)，u+ = u -= 0，電路為反相加法運(yùn)算電路。設(shè)此時(shí)的輸出電壓為uo1，根據(jù)式得：,令RN = R1 // R2 // RF ，RP = R3 // R4 // R5 ，取RN = RP，使電路參數(shù)對(duì)稱。利用疊加定理可方便地得到這個(gè)電路的運(yùn)算關(guān)系。,.,根據(jù)疊加定理，輸出電壓為：,利用RN = R1 // R2 // RF ，RP = R3 // R4 // R5，令 RN = RP ，則：,利用上圖實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算，要保證RN = RP，有時(shí)選擇參數(shù)比較困難，這時(shí)可考慮用兩級(jí)電路實(shí)現(xiàn)，下面舉例說(shuō)明。,.,例 求解圖所示電路uo和ui1、ui2、ui3的運(yùn)算關(guān)系。,將uo1代入uo，可得：,解 圖所示為由兩個(gè)反相加法電路組成的加減運(yùn)算電路。圖中,.,電容的電壓和電流之間有微分和積分關(guān)系，利用它來(lái)構(gòu)成積分和微分運(yùn)算電路。,從而實(shí)現(xiàn)了輸入電壓與輸出電壓之間的積分運(yùn)算。通常上式中電阻R與電容C的乘積稱為積分時(shí)間常數(shù)，用符號(hào)“τ”表示。,3. 積分和微分運(yùn)算電路,（1）積分運(yùn)算電路,積分電路如圖所示，由虛地和虛短的概念可得ii = iC ，所以輸出電壓uo為：,積分器：是完成積分運(yùn)算的電路，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。,.,積分電路的應(yīng)用：,如圖所示。當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，若t0時(shí)刻電容上的電壓為零，則輸出電壓波形如圖（a）所示。,當(dāng)輸入為方波時(shí)，輸出電壓分別如圖（b）所示。,當(dāng)輸入為正弦波時(shí)，輸出電壓分別如圖（c）所示。,.,例電路如圖所示，R=100kΩ，C=10μF。當(dāng)t=0~t1(1s)時(shí)，開關(guān)S接a點(diǎn)；當(dāng)t=t1(1s)~t2(3s)時(shí)，開關(guān)S接b點(diǎn)；而當(dāng)t＞t2(3s)后，開關(guān)S接c點(diǎn)。已知運(yùn)算放大器電源電壓UCC=|-UEE|=15V，初始電壓uC(0)=0,試畫出輸出電壓uC(0)的波形圖。同學(xué)自行分析,.,解 (1)因?yàn)槌跏茧妷簽榱?uC(0)=0)，在t=0~1s間，開關(guān)S接地，所以u(píng)o=0。,輸出電壓從零開始線性下降。當(dāng)t=3s時(shí):,(2)在t=1~3s間，開關(guān)S接b點(diǎn)，電容C充電,充電電流,.,(3)在t＞3s后，S接c點(diǎn)，電容C放電后被反充電，uo從-4V開始線性上升，一直升至電源電壓UCC就不再上升了。那么升到電源電壓(+15V)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tx是多少?,u o(t)的波形如圖所示。,.,微分是積分的逆運(yùn)算。將積分電路中R和C的位置互換，即可組成基本微分電路，如圖所示。,可見，輸出電壓正比于輸入電壓的微分,（2）微分運(yùn)算電路,微分電路的應(yīng)用：,微分電路的階躍響應(yīng)：,微分電路的波形變換作用如圖所示，可將矩形波變成尖脈沖輸出。,由虛地和虛短的概念可得iC = iR ，則輸出電壓為：,.,微分電路的應(yīng)用：,工程上，常把比例（Proportion）、積分（Integration）和微分（Differentiation）電路結(jié)合起來(lái)構(gòu)成PID校正電路，用作自動(dòng)控制系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)節(jié)。,如圖所示。PID校正電路也叫PID調(diào)節(jié)器，它實(shí)際上是一個(gè)運(yùn)算控制器，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例（P）、積分（I）和微分（D）的控制運(yùn)算，比例積分運(yùn)算用來(lái)提高調(diào)節(jié)精度，微分運(yùn)算用來(lái)加速過(guò)渡過(guò)程。,.,模擬乘法器是一種完成兩個(gè)模擬信號(hào)相乘的電子器件。應(yīng)用十分廣泛，不僅用于模擬信號(hào)的運(yùn)算，而且已經(jīng)擴(kuò)展到電子測(cè)量?jī)x表、無(wú)線電通信等各個(gè)領(lǐng)域。,其中k是比例系數(shù)，其值可正可負(fù)，若k大于0則為同相乘法器，若k值小于0則為反相乘法器。k值通常為+0.1V -1或-0.1V -1。,4. 模擬乘法器及其應(yīng)用（不講）,（1）模擬乘法器的電路符號(hào)和運(yùn)算關(guān)系,模擬乘法器的電路符號(hào)如圖所示，它有兩個(gè)輸入電壓信號(hào)uX、uY和一個(gè)輸出電壓信號(hào)uo。輸出電壓：,符號(hào),運(yùn)算關(guān)系,.,模擬乘法器的用途十分廣泛，除了用于模擬信號(hào)的運(yùn)算，如乘法、平方、除法及開方等運(yùn)算以外，還在電子測(cè)量及無(wú)線電通訊等領(lǐng)域用于振幅調(diào)制、混頻、倍頻、同步檢測(cè)、鑒相、鑒頻、自動(dòng)增益控制及功率測(cè)量等方面。,以此類推，當(dāng)多個(gè)模擬乘法器串聯(lián)使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)ui的任意次方運(yùn)算。,（2）模擬乘法器的應(yīng)用,① 平方運(yùn)算電路,將模擬乘法器的兩個(gè)輸入端并聯(lián)后輸入相同的信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)平方運(yùn)算，如圖所示。其輸出電壓：,.,,圖所示為除法運(yùn)算電路，模擬乘法器放在反饋回路中，并形成深度負(fù)反饋。根據(jù)乘法規(guī)律可得 。再由“虛短”和“虛斷”得到u - = u + = 0，i1 = i2，于是有 。,從而實(shí)現(xiàn)了ui1對(duì)ui2的除法運(yùn)算， 是其比例系數(shù)。,② 除法運(yùn)算電路,將uo1代入，整理可得：,必須指出：ui1和uo1極性必須相反，才能保證運(yùn)放工作于深度負(fù)反饋狀態(tài)，因此要求ui2必須為正，ui1的極性可以是任意的。此為二象限除法器。,.,在圖所示除法運(yùn)算電路中，如果將ui2端也接到uo端，則除法運(yùn)算電路變成了開方運(yùn)算電路，如圖所示。,所以,,顯然，信號(hào)ui的極性必須和比例常數(shù)K的符號(hào)相反，電路才能正常工作。圖中二極管的作用是防止出現(xiàn)當(dāng)ui因受干擾等原因變?yōu)檎禃r(shí)，uo為負(fù)值的情況，而且uo1與ui都為正值，運(yùn)算放大電路變?yōu)檎答?，電路不能正常工作，電路將出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，加了二極管后，即可避免鎖定現(xiàn)象的發(fā)生。,③ 開方運(yùn)算電路,由圖可得：,.,以上是模擬乘法器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用舉例。下面再舉幾個(gè)例子簡(jiǎn)單說(shuō)明模擬乘法器在電子測(cè)量和無(wú)線通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用。,則乘法器的輸出電壓為：,輸出電壓中包含兩部分，一部分是直流成分，另一部分是角頻率為2ω的余弦電壓。可在輸出端接一個(gè)隔直電容將直流成分隔離，則可得到二倍頻的余弦輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了倍頻作用。,④ 倍頻電路,如果將一個(gè)正弦波電壓同時(shí)接到乘法器的兩個(gè)輸入端，即,.,⑤ 功率測(cè)量電路,功率等于相應(yīng)的電壓與電流的乘積，因此，可將被測(cè)電路的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別接到乘法器的兩個(gè)輸入端，則其輸出電壓即反映了被測(cè)電路的功率。,⑥ 自動(dòng)增益控制電路,為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，常利用一個(gè)直流電壓來(lái)控制電路的增益，所以也稱為壓控增益。可將信號(hào)電壓和直流控制電壓分別接到乘法器的兩個(gè)輸入端，則電路的增益將隨著直流控制電壓的大小而變化。,.,6.5.2 有源濾波器 有源濾波器是一種信號(hào)處理電路，在有源濾波器中集成運(yùn)放工作在線性工作狀態(tài)。 1. 濾波的概念及濾波器的分類 何為濾波：在電子電路傳輸?shù)男盘?hào)中，往往包含多種頻率的信號(hào)分量，其中除有用頻率分量外，還有無(wú)用的甚至是對(duì)電子電路工作有害的頻率分量，如高頻干擾和噪聲。濾波器的作用就是，允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)順利通過(guò)，而抑制或阻止其他頻率信號(hào)，即濾波。 無(wú)源濾波器和有源濾波器：僅僅由無(wú)源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波器稱為無(wú)源濾波器。由無(wú)源元件和有源元件（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成運(yùn)放）共同組成的濾波器稱為有源濾波器。 濾波器的分類：根據(jù)濾波器輸出信號(hào)中所保留的頻率段的不同，可將濾波器分為低通濾波器（（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）四大類。它們的幅頻特性如圖6-49所示，被保留的頻段稱為“通帶”，被抑制的頻段稱為“阻帶”。Au為各頻率的增益，Aum為通帶的最大增益，圖中虛線所示為實(shí)際濾波特性，實(shí)線為理想濾波特性。,.,圖6-49,.,濾波電路的理想特性是： （1）通帶范圍內(nèi)信號(hào)無(wú)衰減地通過(guò)，阻帶范圍內(nèi)無(wú)信號(hào)輸出； （2）通帶與阻帶之間的過(guò)渡為零。 2. 各種有源濾波器 圖6-50所示RC電路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器。圖6-50（a）電路中，電容C上的電壓為輸出電壓，對(duì)輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)，電容的容抗XC很小，則輸出電壓中的高頻信號(hào)幅值很小，受到抑制，為低通濾波電路。圖6-50（b）電路中，電阻R上的電壓為輸出電壓，由于高頻時(shí)容抗很小，則高頻信號(hào)能順利通過(guò)，而低頻信號(hào)被抑制，因此為高通濾波電路。其幅頻特性如圖6-49（a）、（b）所示。,圖6-50,.,無(wú)源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)源濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：通帶電壓放大倍數(shù)低，帶負(fù)載能力差、濾波特性受負(fù)載影響，過(guò)濾帶較寬、幅頻特性不理想等。 為了克服無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)，可將RC無(wú)源濾波器接到集成運(yùn)放的同相輸入端。因?yàn)榧蛇\(yùn)放為有源元件，故稱這種濾波電路為有源濾波器。 （1）有源低通濾波器 圖6-51（a）所示電路為有源低通濾波器，RC為無(wú)源低通濾波電路，輸入信號(hào)通過(guò)它加到同相比例運(yùn)算電路的輸入端，即集成運(yùn)放的同相輸入端，因而電路中引入了深度電壓負(fù)反饋。,圖6-51,高頻信號(hào)入地，低頻信號(hào)放大（同向輸入比例運(yùn)放）,.,圖6-51（a）所示電路的電壓放大倍數(shù)為：,,式中,,,工作原理分析： 在圖6-51（a）所示電路中，當(dāng)f = 0時(shí)，電容C相當(dāng)于開路，此時(shí)的電壓放 大倍數(shù)Aup即為同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)。一般情況下，Aup＞1，所 以與無(wú)源濾波器相比，合理選擇R1和RF就可得到所需的放大倍數(shù)。由于電路引 入了深度電壓負(fù)反饋，輸出電阻近似為零，因此電路帶負(fù)載后， 與 關(guān)系不 變，即RL不影響電路的頻率特性。當(dāng)信號(hào)頻率f為通帶截止頻率f0時(shí)，| |= Aup/ ；因此在圖6-51（b）所示的對(duì)數(shù)幅頻特性中，當(dāng)f = f0時(shí)的增益比通帶 增益20lg Au p下降3 dB。當(dāng)f ＞ f0時(shí)，增益以-20 dB/十倍頻的斜率下降，這是 一階低通濾波器的特點(diǎn)。而理想的低通濾波器則在f＞f0時(shí)，增益立刻降到0。,.,為了改善一階低通濾波器的特性，使之更接近于理想情況，可利用多個(gè)RC環(huán)節(jié)構(gòu)成多階低通濾波器。具有兩個(gè)RC環(huán)節(jié)的電路，稱為二階低通濾波器；具有三個(gè)RC環(huán)節(jié)的電路，稱為三階低通濾波器電路；依此類推，階數(shù)愈多，f＞f0時(shí)，| |下降愈快， 的頻率特性愈接近理想情況。圖6-52（a）所示電路就是一種二階低通濾波器，圖6-52（b）所示是其不同Q（品質(zhì)因數(shù)）值下的幅頻特性。由圖可以看出，二階低通濾波器的幅頻特性比一階的好。,,圖6-52,.,（2）有源高通濾波器 將圖6-52（a）所示一階低通濾波器中R和C的位置調(diào)換，就成為一階有源高通濾波器，，如圖6-53（a）所示。在圖中，濾波電容接在集成運(yùn)放輸入端，它將阻隔、衰減低頻信號(hào)，而讓高頻信號(hào)順利通過(guò)。 同低通濾波器的分析類似，我們可以得出高通濾波器的下限截止頻率為f0 = 1/（2πRC），對(duì)于低于截止頻率的低頻信號(hào)，|Au|＜0.707|Au m|。 一階有源高通濾波器的帶負(fù)載能力強(qiáng)，并能補(bǔ)償RC網(wǎng)絡(luò)上壓降對(duì)通帶增益的損失，但存在過(guò)渡帶較寬，濾波性能較差的特點(diǎn)。采用二階高通濾波，可以明顯改善濾波性能。將圖6-48（a）所示二階低通濾波器中R和C的位置調(diào)換，就成為二階有源高通濾波電路。如圖6-53（b）所示。,圖6-53,低頻信號(hào)抑制，高頻信號(hào)通過(guò)且放大,.,（3）有源帶通濾波器 將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，如圖6-54所示，就可得到帶通濾波器。設(shè)前者的截止頻率為f01，后者的截止頻率為f02，f02應(yīng)小于f01，則通頻帶為（f01 - f02）。實(shí)用電路中也常采用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路，如圖6-55（a）所示，圖（b）是它的幅頻特性。Q值愈大，通帶放大倍數(shù)數(shù)值愈大，頻帶愈窄，選頻特性愈好。調(diào)整電路的Au p能夠改變頻帶寬度。,圖6-54,.,圖6-55,.,（4）有源帶阻濾波器 將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，就可得到帶阻濾波器，如圖6-56所示。其中低通濾波器的截止頻率f01應(yīng)小于高通濾波器的截止頻率f02，因此電路的阻帶為（f02 - f01）。 實(shí)用電路常利用無(wú)源LPF和HPF并聯(lián)構(gòu)成無(wú)源帶阻濾波器，然后接同相比例運(yùn)算電路，從而得到有源帶阻濾波器，如圖6-57所示。由于兩個(gè)無(wú)源濾波器均由三個(gè)元件構(gòu)成英文字母T，故稱之為雙T網(wǎng)絡(luò)。,圖6-56,圖6-57,.,功能及應(yīng)用：電壓比較器（簡(jiǎn)稱比較器）是信號(hào)處理電路，其功能是比較兩個(gè)電壓的大小，通過(guò)輸出電壓的高電平或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系。在自動(dòng)控制和電子測(cè)量中，常應(yīng)用于鑒幅、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、各種非正弦波形的產(chǎn)生和變換。,6.5.3 電壓比較器,輸入信號(hào)和輸出信號(hào)：電壓比較器的輸入信號(hào)通常是兩個(gè)模擬量，一般情況下，其中一個(gè)輸入信號(hào)是固定不變的參考電壓UREF，另一個(gè)輸入信號(hào)則是變化的信號(hào)ui。輸出只有兩種可能的狀態(tài)：正飽和值+UOM或負(fù)飽和值-UOM?？梢哉J(rèn)為，比較器的輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號(hào)則是數(shù)字量，即0或1。,集成運(yùn)放的工作狀態(tài)：電壓比較器中集成運(yùn)放通常工作在非線性區(qū)，即滿足：當(dāng)u -＜u+ 時(shí)，Uo = +UOM，正向飽和；當(dāng)u - ＞u+ 時(shí)，Uo = -UOM，負(fù)向飽和；當(dāng)u - = u+ 時(shí)，-UOM＜Uo＜+UOM，狀態(tài)不定。,.,比較器,將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一參考電壓相比較，輸出一定的高/低電平。,功能：,特性：,運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。,.,1. 運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。,運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法,2. 運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若U+＞U- 則UO=+UOM； 若U+＜U- 則UO=-UOM。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0） 注意：此時(shí)不能用虛短！即： U+≠U-,同向輸入的電壓比較器,.,1) 過(guò)零比較器: （門限電平=0）,1.單門限電壓比較器,Ui>0,u0=+u0M Ui<0,u0=-u0M,Ui0,u0=-u0M,同向輸入的電壓比較器,反向輸入的電壓比較器,.,例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)： 若U+＞U- 則UO=+UOM； 若U+＜U- 則UO=-UOM。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）,思考如何利用電壓比較器得到相反的方波？,.,2) 單門限比較器（與參考電壓比較）,UREF,UREF為參考電壓,當(dāng)ui > UREF時(shí) , uo = +Uom 當(dāng)ui < UREF時(shí) , uo = -Uom,運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài),.,UREF,當(dāng)ui UREF時(shí) , uo = -Uom,若ui從反相端輸入,.,用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓,忽略了UD,3) 限幅電路——使輸出電壓穩(wěn)定,.,穩(wěn)幅電路的另一種形式接法：,將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上,.,2. 滯回比較器,1. 滯回比較器,特點(diǎn):電路中使用正反饋。,1、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?2、當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo =+UOM) ：,3、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo =-UOM) ：,單限比較器的不足：?jiǎn)蜗揠妷罕容^器只有一個(gè)閾值電壓，只要輸入電壓經(jīng)過(guò)閾值電壓，輸出電壓就產(chǎn)生躍變。,若輸入電壓受到干擾或噪聲的影響在閾值電壓上下波動(dòng)，即使其幅值很小，輸出電壓也會(huì)在正、負(fù)飽和值之間反復(fù)躍變。若發(fā)生在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，這種過(guò)分靈敏的動(dòng)作將會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，甚至干擾其它設(shè)備，使之不能正常工作。,.,滯回比較器,設(shè)ui ?, 當(dāng)ui = < UT-, uo從-UOM ? +UOM,這時(shí), uo =-UOM , U+= UT-,設(shè)初始值: uo =+UOM , U+= UT+ 設(shè)ui ?, 當(dāng)ui = > UT+, uo從+UOM ? -UOM,.,傳輸特性,UT+上門限電壓 UT-下門限電壓 UT+- UT-稱為回差,）,回差電壓,.,,,,,,,,例:設(shè)輸入為正弦波, 畫出輸出的波形。,.,加上參考電壓后的遲滯比較器：,上下限電壓：,由疊加原理：,.,例題：R1=10k?，R2=10k ? ，UZ=6V， UR=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫 出輸出uo的波形。,上、下限：,.,.,同相輸入遲滯比較器,電路如圖所示，信號(hào)與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)同相端電壓U+=U-=0時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為,同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性,先求跳變電壓,當(dāng)U+=U-=0時(shí)，發(fā)生跳變,上門限電壓,下門限電壓,.,3 雙限電壓比較器(窗口比較器),窗口比較器是一種用于判斷輸入電壓是否處于兩個(gè)已知電平之間的電壓比較器，常用于自動(dòng)測(cè)試、故障檢測(cè)等場(chǎng)合。,圖 (a)給出一個(gè)雙運(yùn)放或雙比較器組成的窗口比較器，兩個(gè)參考比較電平分別為UR1和UR2，且假定UR2＞UR1。由圖可見：,.,,當(dāng)輸入電壓ui＜UR1(顯然也小于UR2)時(shí)，Uo1為低電平UoL（同向比較器），而Uo2為高電平UoH（反向輸入比較器），D1截止，D2導(dǎo)通，Uo≈UoH。,當(dāng)輸入電壓ui ＞UR2時(shí)，Uo1為高電平UoH，而Uo2為低電平， D1導(dǎo)通， D2截止，Uo≈UoH。,當(dāng)UR1＜ ui ＜UR2時(shí)，Uo1和Uo2均為低電平UoL， D1 、 D2同時(shí)截止，輸出Uo=0。其傳輸特性如圖 (b)所示。,設(shè)UR2＞UR1,.,利用上述窗口比較器設(shè)計(jì)的雙向高壓過(guò)壓檢測(cè)電路如圖所示。,,,,,,,,,,,,,,-,+,C,1,,,-,+,C,2,,,,,,,,u,i,,,,,,U,o1,U,o2,V,1,V,2,,,,,,,,,,,,,,+5V,-5V,,,,,R,2,R,1,V,3,,,R,3,R,4,,,,,,,,T,U,Z,=6V,,,,,.,R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過(guò)規(guī)定值，KA動(dòng)作，自動(dòng)切斷電源。分析其工作原理。,溫度 超過(guò) 規(guī)定值，ui > UR， uo= +UOM，T 導(dǎo)通。 KA 動(dòng)作，切斷電源。,溫度未超過(guò)規(guī)定值，ui < UR， uo= –UOM，T 截止。 KA 不動(dòng)作。,例運(yùn)放組成的過(guò)溫保護(hù)電路,.,1.電路結(jié)構(gòu),由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的,上下限:,方波發(fā)生器,6.5.5 非正弦波發(fā)生電路（不講）,.,2.工作原理：,(1) 設(shè) uo = + UOM ,,此時(shí)，輸出給C 充電, uc ?,則：u+=UT+,,,一旦 uc > UT+ , 就有 u- > u+ ,,在 uc < UT+ 時(shí)，,u- < u+ ,,uo 立即由＋UOM 變成－UOM,, 設(shè)uC初始值uC(0+)= 0,方波發(fā)生器,uo保持+UOM不變,.,此時(shí)，C 經(jīng)輸出端放電,再反向充電,(2) 當(dāng)uo = -UOM 時(shí)，,u+=UT-,uc達(dá)到UT-時(shí)，uo上翻,,當(dāng)uo 重新回到＋UOM 以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。,,.,,,,,,,,,,,,,,,周期與頻率的計(jì)算：,,f = 1/T,此期間是分析問(wèn)題時(shí)的假設(shè),實(shí)際上用示波器觀察波形時(shí)看不到這段波形.,.,周期與頻率的計(jì)算：,,,T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充電條件一樣T1 = T2。,T2階段uc(t)的過(guò)渡過(guò)程方程為:,.,,UC (?)=+UOM,周期與頻率的計(jì)算：,,.,思考題：點(diǎn) b 是電位器 RW 的中點(diǎn)，點(diǎn) a 和點(diǎn) c 是 b 的上方和下方的某點(diǎn) 。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于 a、b、c 三點(diǎn)時(shí)的 uo 、 uc 相對(duì)應(yīng)的波形圖。,設(shè)Rwa> Rwc,.,2. 三角波發(fā)生電路,工作原理分析：集成運(yùn)放A2構(gòu)成一個(gè)積分電路，集成運(yùn)放A1構(gòu)成滯回電壓比較器，其反相端接地，集成運(yùn)放A1同相端的電壓由uo和uo1共同決定。,.,,當(dāng)u+ ＞0時(shí)，uo1 = +UOM；當(dāng)u+ ＜0時(shí)，uo1 = -UOM。在電源剛接通時(shí)，假設(shè)電容器初始電壓為零，集成運(yùn)放A1輸出電壓為正飽和電壓值+UOM，積分器輸入為+UOM，電容C開始充電，輸出電壓uo開始減小，u+ 值也隨之減小，當(dāng)uo減小到-（R2/R1）UOM時(shí)，u+ 由正值變?yōu)榱?，滯回比較器A1翻轉(zhuǎn)，集成運(yùn)放A1的輸出uo1 = -UOM。,.,,顯然，可以通過(guò)改變R1、R2、R3的阻值來(lái)改變?nèi)遣ǖ念l率,當(dāng)uo1 = -UOM時(shí)，積分器輸入負(fù)電壓，輸出電壓uo開始增大，u+ 值也隨之增大，當(dāng)uo增加到（R2/R1）UOM時(shí)，u+ 由負(fù)值變?yōu)榱?，滯回比較器A1翻轉(zhuǎn)，集成運(yùn)放A1的輸出uo1 = +UOM。,此后，前述過(guò)程不斷重復(fù)，便在A1的輸出端得到幅值為UOM的矩形波，A2輸出端得到三角波，可以證明其頻率為：,.,3 鋸齒波發(fā)生器,三角波發(fā)生器波形圖,電路與工作原理：,鋸齒波發(fā)生器,應(yīng)改變積分器的充放電時(shí)間常數(shù),充電：(R4∥R‘)C，放電：仍為R4C,,.,≈T,電位器滑動(dòng)端在最上端時(shí)：,鋸齒波發(fā)生器,.,例如圖所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。 A1輸出為方波，該方波通過(guò)電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過(guò)來(lái)三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成振蕩，其波形如圖所示。,雙運(yùn)放方波–三角波振蕩器,.,.,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是目前較為通用的一種穩(wěn)壓電路。圖所示是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)圖。它由基準(zhǔn)電壓源、比較放大電路、調(diào)整電路和采樣電路四部分組成。三極管T接成射極輸出器形式，主要起調(diào)整作用。因?yàn)樗c負(fù)載RL相串聯(lián)，所以這種電路稱為串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。,6.5.4 集成穩(wěn)壓電路,1. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,Uo↑,.,組成：集成穩(wěn)壓電路的工作原理與分立元件的穩(wěn)壓電路是相同的。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣包括有基準(zhǔn)電壓源、比較放大器、調(diào)整電路、采樣電路和保護(hù)電路等部分。,2. 集成穩(wěn)壓電路,型號(hào)后面的兩位數(shù)字(××)代表輸出電壓值，可為±5 V、±6 V、±8 V、±12 V、±15 V、±18 V和±24 V七個(gè)等級(jí)。這個(gè)系列的產(chǎn)品，輸出的最大電流可達(dá)1.5 A。例如W7805表示輸出電壓為+5 V，輸出電流為1.5 A；W7905表示輸出電壓為-5 V，輸出電流為0.5 A。,集成穩(wěn)壓電路的類型：按其內(nèi)部的工作方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、開關(guān)型；按其外部特性可分為三端固定式、三端可調(diào)式、多端固定式、多端可調(diào)式、正電壓輸出式、負(fù)電壓輸出式。,現(xiàn)主要介紹三端集成穩(wěn)壓電路。三個(gè)端子分別是輸入端、穩(wěn)定輸出端和公共接地端。,三端集成穩(wěn)壓電路的通用產(chǎn)品有W78××系列（正電壓輸出）和W79××系列（負(fù)電壓輸出）。,.,集成三端穩(wěn)壓器是集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用途十分廣泛，而且非常方便。集成三端穩(wěn)壓器有78××系列(輸出正電壓)和79××系列(輸出負(fù)電壓)，后面兩位數(shù)表示輸出電壓值，如7812，即表示輸出直流電壓為+12V。,集成三端穩(wěn)壓器,三端穩(wěn)壓器電路圖及外形圖,.,典型接法,C1可防止輸入引線較長(zhǎng)而帶來(lái)的電感效應(yīng)產(chǎn)生的自激,C2用來(lái)減小負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾,C3 為容量較大的電解電容，用來(lái)減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾,.,三端穩(wěn)壓電源的功能可以擴(kuò)展。圖 (a)是一個(gè)擴(kuò)流電路。圖中T為擴(kuò)流晶體管，輸出總電流Io=Io′+IC。,1）提高輸出電流的電路,集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用,.,圖 (b)電路是一個(gè)擴(kuò)大輸出電壓的電路，該電路輸出電壓為：,式中，IQ為穩(wěn)壓器靜態(tài)工作電流，通常比較??；UR1是穩(wěn)壓器輸出電壓Uo′,2）提高輸出電壓的電路之一,.,目前，三端穩(wěn)壓器的最高輸出電壓是24 V。當(dāng)需要大于24 V的輸出電壓時(shí)，可采用圖所示的電路提高輸出電壓。圖中VXX是三端穩(wěn)壓器的標(biāo)稱輸出電壓；IZ是組件的穩(wěn)態(tài)電流，約為幾mA；外接電阻R1上的電壓是VXX；R2接在穩(wěn)壓器公共端3和電源公共端之間。按圖示接法的輸出電壓為：,提高輸出電壓的電路之二,.,圖 (c)電路是一個(gè)輸出電壓可調(diào)電路。只不過(guò)在三端穩(wěn)壓器和可調(diào)電位器之間加了隔離運(yùn)放電路。所以，輸出電壓表達(dá)式同式。調(diào)節(jié)RW的中心抽頭位置即可調(diào)節(jié)輸出電壓Uo值。,3）輸出電壓可調(diào)電路,.,當(dāng)需要正負(fù)電壓同時(shí)輸出時(shí)，可用一塊W7800正壓?jiǎn)纹€(wěn)壓器和一塊W7900負(fù)壓?jiǎn)纹€(wěn)壓器連接成圖所示的電路。這兩塊穩(wěn)壓器有一個(gè)公共接地端，并共用整流電路。,5）具有正負(fù)電壓輸出的穩(wěn)壓電源,