第八章 集成運(yùn)放的應(yīng)用,8.1 集成運(yùn)放在數(shù)學(xué)運(yùn)算中的應(yīng)用,8.2 有源濾波器電路,8.3 電壓比較器,Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。,例：若UOM=12V，Ao=106， 則|ui|<12V時(shí)，運(yùn)放 處于線性區(qū)。,線性放大區(qū),8.1集成運(yùn)放在數(shù)學(xué)運(yùn)算中的應(yīng)用,由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。,理想運(yùn)放的條件,放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行分析。,運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),分析運(yùn)放組成的線性電路的出發(fā)點(diǎn):,虛短 虛斷 放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)， 可以分開(kāi)分析。,i1= i2,1. 放大倍數(shù),虛短,虛斷,反相比例運(yùn)算電路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)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(diǎn)。,3. 反饋方式,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,輸出電阻很?。?反相比例電路的特點(diǎn)：,1. 共模輸入電壓為0。,2. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。,3. 由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小。,4. 在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用 。,同相比例運(yùn)算電路,u-= u+= ui,反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。,虛短,虛斷,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。,虛斷,同相比例電路的特點(diǎn)：,3. 共模輸入電壓為ui。,1. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。,2. 由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。,此電路是電壓串聯(lián)負(fù)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(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。,反相求和運(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)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(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)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(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。,流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛斷）,左圖也是同相求和運(yùn)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(diǎn)電位法求u+。,例：求Au =?,i1= i2,虛短,虛斷,虛斷,單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,虛短,虛斷,虛斷,解出：,單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路的特例：差動(dòng)放大器,例：設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 畫(huà)電路。,系數(shù)為負(fù)的信號(hào)從反相端輸入，系數(shù)為正的信號(hào)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(fù)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(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié),微分運(yùn)算電路與積分運(yùn)算電路,u= u+= 0,微分運(yùn)算,輸入方波，輸出是三角波。,積分運(yùn)算,U,積分時(shí)限,應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。,其他一些運(yùn)算電路：對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路、乘法與除法運(yùn)算電路等，由于課時(shí)的限制，不作為詳細(xì)講授內(nèi)容。,積分電路的主要用途：,1. 在電子開(kāi)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(shí)間量。 4. 移相。,運(yùn)算電路要求:,1. 熟記各種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。 2. 掌握以上基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。 3. 會(huì)用 “虛斷(ii=0)”和“虛短 (u+=u) ”分析給定運(yùn)算電路的 放大倍數(shù)。,濾波電路的分類,1. 按信號(hào)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(wú)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(wú)源濾波器的缺點(diǎn)（以一階濾波器為例）,傳遞函數(shù)：,1. 帶負(fù)載能力差。,2. 無(wú)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(diǎn)：,將兩級(jí)一階低通濾波器串接,？,各級(jí)互相影響！,有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：,1. 不使用電感元件，體積小重量輕。,2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)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(gè)低階濾波電路串起來(lái)就可構(gòu)成高階濾波電路，無(wú)需考慮級(jí)間影響。,3. 除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。,有源濾波器的缺點(diǎn)：,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(shí)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(xiàng)，故稱為一階濾波器。,幅頻特性：,相頻特性：,有放大作用,3. 運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。,幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類似,電路的特點(diǎn)：,2. =o 時(shí),1. =0 時(shí),解出：,其中：,二階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項(xiàng)，故稱為二階濾波器。,R1= 時(shí)：AF=1, =o時(shí)：,由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器,例：兩個(gè)一階有源濾波器串接構(gòu)成二階有源濾波器。,分析簡(jiǎn)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(duì)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(dāng)ui UR時(shí) , uo = +Uom 當(dāng)ui < UR時(shí) , uo = -Uom,特點(diǎn):運(yùn)放處于 開(kāi)環(huán)狀態(tài),8.3 電壓比較器,單門(mén)限比較器,UR,當(dāng)ui UR時(shí) , uo = -Uom,若ui從反相端輸入,過(guò)零比較器: 當(dāng)UR =0時(shí),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(fù)反饋回路上,R =R,遲滯比較器,特點(diǎn):電路中使用正反饋, 運(yùn)放處于非線性狀態(tài),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) ：,設(shè)ui , 當(dāng)ui = < U+L, uo從-UOM +UOM,這時(shí), uo =-UOM , U+= U+L,設(shè)初始值: uo =+UOM , U+= U+H 設(shè)ui , 當(dāng)ui = U+H , uo從+UOM -UOM,傳輸特性,U+H上門(mén)限電壓 U+L下門(mén)限電壓 U+H - U+L稱為回差,例:設(shè)輸入為正弦波, 畫(huà)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(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫(huà)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(shí)翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門(mén)限電壓。,當(dāng)u+ u- =0 時(shí), uo= +UOM 當(dāng)u+< u- =0時(shí), uo= -UOM,當(dāng)uo= -UOM,當(dāng)uo= +UOM,ui=,ui=,傳輸特性曲線,遲滯比較器(上行)(續(xù)),上下門(mén)限電壓,加上參考電壓后的遲滯比較器(上行) ：,上下門(mén)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,