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1、第八章 集成運放的應用,8.1 集成運放在數(shù)學運算中的應用,8.2 有源濾波器電路,8.3 電壓比較器,Ao越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。,,例：若UOM=12V，Ao=106， 則|ui|<12V時，運放 處于線性區(qū)。,線性放大區(qū),8.1集成運放在數(shù)學運算中的應用,由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。,理想運放的條件,,,,放大倍數(shù)與負載無關(guān)。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行分析。,運放工作在線性區(qū)的特點,分析運放組成的線性電路的出發(fā)點:,虛短 虛斷

2、 放大倍數(shù)與負載無關(guān)， 可以分開分析。,i1= i2,1. 放大倍數(shù),虛短,虛斷,反相比例運算電路,,結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。,,虛斷,2. 電路的輸入電阻,RP =R1 // R2,uo,4. 共模電壓,輸入電阻小、共模電壓為 0 以及“虛地”是反相輸入的特點。,3. 反饋方式,電壓并聯(lián)負反饋,輸出電阻很?。?反相比例電路的特點：,1. 共模輸入電壓為0。,2. 由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。,3. 由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小。,4. 在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用 。,同相比例運算電路,u-= u+= ui,,,反饋

3、方式：電壓串聯(lián)負反饋。,虛短,虛斷,,結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。,,虛斷,同相比例電路的特點：,3. 共模輸入電壓為ui。,1. 由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。,2. 由于串聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻大。,此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,電壓跟隨器,結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。,,,,,反相求和運算,實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。,,,,,,,調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信

4、號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。,同相求和運算,實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。,,此電路如果以 u+ 為輸入 ，則輸出為：,u+ 與 ui1 和 ui2 的關(guān)系如何？,注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨調(diào)整。,流入運放輸入端的電流為0（虛斷）,,左圖也是同相求和運算電路，如何求同相輸入端的電位？,提示： 1. 虛斷：流入同相端的電流為0。 2. 節(jié)點電位法求u+。,例：求Au =?,i1= i2,虛短,虛斷,虛斷,單運放的加減運算電路,實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。,虛短,虛斷,虛斷,,

5、,解出：,單運放的加減運算電路的特例：差動放大器,,,,例：設計一個加減運算電路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 畫電路。,系數(shù)為負的信號從反相端輸入，系數(shù)為正的信號從同相端輸入。,(2) 求各電阻值。,,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,,,,,,,1. 它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小 。,2. 關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻大。,3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓低。,比例運算電路與加減運算電路小結(jié),微分運算電路與積分運算電路,u= u+= 0,,,,微分運算,,輸入方波，輸出是三

6、角波。,,,積分運算,,U,積分時限,應用舉例2：如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。,其他一些運算電路：對數(shù)與指數(shù)運算電路、乘法與除法運算電路等，由于課時的限制，不作為詳細講授內(nèi)容。,積分電路的主要用途：,,1. 在電子開關(guān)中用于延遲。 2. 波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?3. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。 4. 移相。,運算電路要求:,1. 熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。 2. 掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。 3. 會用 “虛斷(ii=0)”和“虛短 (u+=u) ”分析給定運算電路的 放大倍數(shù)。,濾波電

7、路的分類,,1. 按信號性質(zhì)分類,3. 按電路功能分類:,低通濾波器；高通濾波器； 帶通濾波器；帶阻濾波器,2. 按所用元件分類,,模擬濾波器和數(shù)字濾波器,無源濾波器和有源濾波器,4. 按階數(shù)分類:,一階，二階 高階,8.2 有源濾波器,傳遞函數(shù)：,,幅頻特性,,相頻特性,傳遞函數(shù)的定義,低通,高通,帶通,帶阻,四種典型的頻率特性,無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）,傳遞函數(shù)：,1. 帶負載能力差。,2. 無放大作用。,3. 特性不理想，邊沿不陡。,截止頻率處：,此電路的缺點：,將兩級一階低通濾波器串接,？,,各級互相影響！,有源濾波器的優(yōu)點：,1. 不使用電感元件，體積小重量輕。,2. 有

8、源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級間影響。,3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。,有源濾波器的缺點：,1. 不宜用于高頻。,2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。,3. 可靠性較差。,4. 使用時需外接直流電源。,,一階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項，故稱為一階濾波器。,幅頻特性：,相頻特性：,有放大作用,3. 運放輸出，帶負載能力強。,幅頻特性與一階無源低通濾波器類似,電路的特點：,2. =o 時,1. =0 時,解出：,其中：,二階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)中

9、出現(xiàn) 的二次項，故稱為二階濾波器。,,,,,,,,,R1= 時：AF=1, =o時：,由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器,例：兩個一階有源濾波器串接構(gòu)成二階有源濾波器。,分析簡單,一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：,階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。,如何組成高通濾波器？,將低通濾波器中的R、C 對調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。,,一階有源高通濾波器,,幅頻特性：,,UR,UR為參考電壓,當ui UR時 , uo = +Uom 當ui < UR時 , uo = -Uom,特點:運放處于 開環(huán)狀態(tài),8.3 電壓比較器,單門限比較器,UR,當ui UR時 , uo = -Uom,若

10、ui從反相端輸入,過零比較器: 當UR =0時,例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓,電壓比較器的另一種形式： 將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路上,R =R,,遲滯比較器,特點:電路中使用正反饋, 運放處于非線性狀態(tài),1、因為有正反饋，所以輸出飽和。,2、當uo正飽和時(uo = +UOM) ：,3、當uo負飽和時(uo = -UOM) ：,設ui , 當ui = < U+L, uo從-UOM +UOM,這時, uo =-UOM , U+= U+L,設初始值: uo =+UOM , U+= U+H 設ui , 當ui = U+H , uo從+UOM -UOM,傳輸特性,U

11、+H上門限電壓 U+L下門限電壓 U+H - U+L稱為回差,,,,,,,,例:設輸入為正弦波, 畫出輸出的波形。,加上參考電壓后的遲滯比較器：,上下限：,例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:,2.遲滯比較器(上行),u+=0 時翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。,當u+ u- =0 時, uo= +UOM 當u+< u- =0時, uo= -UOM,當uo= -UOM,當uo= +UOM,ui=,ui=,傳輸特性曲線,遲滯比較器(上行)(續(xù)),上下門限電壓,加上參考電壓后的遲滯比較器(上行) ：,上下門限電壓,加上參考電壓后的遲滯比較器(上行)傳輸特性：,窗口比較器,VREF1 VREF2,,,,,,,,uO,uI,UREF2,UREF1,UOH,