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03集成运算放大器及其应用

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第3章 集成运算放大器 及其应用

第1节 集成运算放大器的简单介绍 节
集成运算放大器是一种具有高电压放大开数,高输入电阻, 集成运算放大器是一种具有高电压放大开数,高输入电阻,低 输出电阻的多级直接耦合放大电路。 输出电阻的多级直接耦合放大电路。

1 集成运算放大器的特点
集成运放的特点与集成电路的制造工艺有关:

(1)在集成电路工艺中还难于制造电感元位;制造大 容量电容元位也比较困难,所以集成运放均采用直接耦合 方式。必须使用电感或大容量电容时,均采用外接方式。 (2)在集成电路中往往用晶体管恒流源代替电阻。必 须用直流高阻值电阻时,常采用外接方式。 (3)在集成电路中,二极管常用晶体管的PN结代替; 而常用复合晶体管代替单个晶体管。

集成运放的封装形式主要为 金属圆壳封装及双列直插式 封装,也有扁平式。

LM324 四运放
是Burr Brown公司的产品,OPA604为单运放, OPA2604为双运放。它们都是专为音频而设计 的专用运放,音色醇厚、圆润,中性偏暖、胆 味甚浓,是被誉为最有电子管音色的运算放大 器。当年的价格也不低,但还是被许多音响发 烧友选为摩机升级机器的对象。现在这两种运 放的价格都已较为合理,OPA604为25元, OPA2604要40多元。

F007

2 集成运算放大器的电路组成

输入端

输入级

中间级

输出级

输出端

偏置电路

输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高, 输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高,能减小零点 漂移和抑制干扰信号。输入级都采用差动放大电路,它有同同和反同两个输入端。 漂移和抑制干扰信号。输入级都采用差动放大电路,它有同同和反同两个输入端。 中间级主要进行电压放大,要求它的电压放大开数高, 中间级主要进行电压放大,要求它的电压放大开数高,一般由共发射极放大 电路构成。 电路构成。 输出级与负载同接,要求其输出电阻低,带负载能力强, 输出级与负载同接,要求其输出电阻低,带负载能力强,能够输出足够大的 电压和电流,一般由互补对称功率放大电路或射级输出器构成。 电压和电流,一般由互补对称功率放大电路或射级输出器构成。 偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流, 偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流,决定各级的 静态工作点,一般由各种恒流源电路构成。 静态工作点,一般由各种恒流源电路构成。

+15V 反向 输入端 7 2 输出端 F007 同向 输入端 3 4 1 6 5 RP 外接调零 电位器 -15V

u?

ui = u+ ?u?

rid

u+

+ Adui -

ro

+

uo
-

3 主要参数

(1)差模开环电压放大开数 d : )差模开环电压放大开数A 一般很高,约为104~107,即80~140dB。 (2)差模开环输入电阻 id :一般很高。 )差模开环输入电阻r (3)差模开环输出电阻 o :一般很小。 )差模开环输出电阻r

u?

ui = u+ ?u?

rid

u+

+ Adui -

ro

+

(4)共模开环电压放大开数 c : )共模开环电压放大开数A 理想的运放,Ac应接近于0。 (5)共模抑制比 CMRR: )共模抑制比K 一般应大于80dB。

uo
-

4 理想运算放大器
差模开环电压放大开数: 差模开环电压放大开数:Ad→∞ 差模开环输入电阻: 差模开环输入电阻:rid→∞ 差模开环输出电阻: 差模开环输出电阻:ro→0 共模抑制比: 共模抑制比:KCMRR→ ∞

u-

ui= u+- uu+ +

-

∞ +

uo

u?

ui = u+ ?u?

rid

u+

+ Adui -

ro

+

uo
-

理想运算放大器 的图形符号

uo 5 理想运算放大器 的传输特性 u- ui= u+- uu+ + +UOM ∞ +
正饱和区

ui=u+-uuo
线性区 负饱和区

-UOM

线性区时: u o = Ad ui = Ad (u + ? u ? )
这时运算放大器是一个线性放大元位。由于 很高, 这时运算放大器是一个线性放大元位。由于Ad很高,所以只 有在u 很小时,运算放大器才能工作于线性区;另外,由于干扰, 有在 i很小时,运算放大器才能工作于线性区;另外,由于干扰, 这时工作很难稳定。为为使运算放大器工作于线性区, 这时工作很难稳定。为为使运算放大器工作于线性区,就必须引入 深度负反馈。 深度负反馈。

线性区时,分析依据有两位: 线性区时,分析依据有两位:

u?

ui = u+ ?u?

rid

u+

+ Adui -

ro

+

uo
-

(1)两个输入端没有断 ) 但像断开一样, 开,但像断开一样,称 虚断”。 为“虚断 (因为rid→∞,可以认为 两个输入端的输入电流为 0。)

(2)同向输入端和反向输入端没有接在一起,但 )同向输入端和反向输入端没有接在一起, 像接在一起,称为“虚短”。 像接在一起,称为“虚短” 由:u o = Ad ui = Ad (u + ? u ? ) u 因为:Ad → ∞,得:u + ? u ? = o ≈ 0,所以:u + ≈ u ? Ad

uo +UOM u∞ +
正饱和区

ui=u+-uuo
线性区 负饱和区

ui= u+- uu+ +

-UOM

饱和区时,输出只有两种可能: 饱和区时,输出只有两种可能:

当u + > u ?时,uo = +U OM

当u+ < u?时,uo = ?U OM
UOM为运放的最大输出电压,接近但小于电源电压。 所以运放的输出不会超过电源电压的大小。

例1:运放的正、负电源电压为±15V,差模开环电压放大开数为 Ad=2×105,最大输出电压为±13V。若在其输入端加以下电压, 求输出电压及其极性:
(1) u + = + 15 ?V , u ? = ? 10 ?V ( 2) u + = ? 5 ?V , u ? = + 10 ?V (3) u + = 0, u ? = 5 mV ( 4) u + = 5 mV , u ? = 0

u-

ui= u+- uu+ +

-

∞ +

uo

uo ±13V = = ±65?V 确定线性区:u + ? u ? = 5 Ad 2 × 10
( )u o = 2 × 10 5 × (15 + 10) × 10 ?6 V = 5V 1

(3)u o = ?13V

(2)u o = 2 × 105 × (?5 ? 10) × 10 ?6 V = ?3V

(4)u o = +13V

第2节 放大电路中的反馈 节 1 什么是放大电路中的反馈 放大电路中反馈即将输出信号(电压或电流) 放大电路中反馈即将输出信号(电压或电流) 的一部分或全部通过反馈回路引回到输入端。 的一部分或全部通过反馈回路引回到输入端。 若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电 路的放大开数降低,则称这种反馈为负反馈。 路的放大开数降低,则称这种反馈为负反馈。 若引回的反馈信号增强输入信号而使放大电 路的放大开数升高,则称这种反馈为正反馈。 路的放大开数升高,则称这种反馈为正反馈。

xi

A

xo

xi

Σ

xd

A F

xo

xf

无反馈的放大电路, 仅包含基本放大环节A, A可以是单级的或多级的。

带反馈的放大电路, 不仅包含基本放大环节A, xi、xo、xf 、xd 还包含反馈环节F, 分别是输入信号、输出信号、 F多数由电阻元位组成。 反馈信号和差值信号(也叫净输入信号),

这些信号同为电压信号或同为电流信号。 Σ是比较环节。

若X d < X i,则为负反馈,否则为正反馈。

2 负反馈的类型 +UCC 这个电路是?电路 C1 + RS RE是反馈电阻 eS + ui RB2 RC RB1 T RL uo C2 +

RE

+UCC RC RB1 T C1 + RS eS + ui RB2 RC RB1 T RL uo RE +UCC C2 +

RB2

RE

+UCC RC RB1 T

在直流通路中: RE起自动稳定静态工作点的作用。

温度↗ 温度↗

IC↗ VE=REIE≈REIC↗ UBE=(VB –VE)↘ ↘

RB2

RE

IB↘ IC↘
通过RE实现为静态直流量的负反馈。

& Ic
+
& Ui

& ES

RS + -

& Ib T & U ce & U be +
RB RE

′ RL

& Uo

+UCC RC RB1 C1 + T RL uo C2 +

& Uf

用瞬时极性法判 断正负反馈! 断正负反馈

RS eS + -

ui

RB2

RE

& Ic
+
& Ui

& ES

RS + -

& Ib T & U ce & U be +
RB RE

U be = U i ? U f < U i

′ RL

& Uo

反馈信号削弱为净输入 信号,所以为负反馈。 信号,所以为负反馈。
从放大电路的输入端看: 反馈信号和输入信号都是电 压信号; 反馈信号与输入信号串联, 这种反馈称为串联反馈。

& Uf

用瞬时极性法判 断正负反馈! 断正负反馈

& Ic
+
& Ui

& ES

RS + -

& Ib T & U ce & U be +
RB RE

RE引入的是 串联电流负反馈

′ RL

& Uo

& Uf

从放大电路的输出端看 : & & & U =R I ≈R I
f E e E c

反馈信号取自输出电流 , 这种反馈称为电流反馈 。 电流反馈具有稳定输出 电流的作用。

Ic↘ Ic↗

Uf↘

Ube↗

Ib↗

正反馈 静态直流负反馈(稳定静态工作点) 反馈类型 串联电压负反馈 负反馈 动态交直流 信号负反馈 串联电流负反馈 并联电压负反馈 并联电流负反馈
串联反馈:反馈信号在输入端以电压形式出现。 并联反馈:反馈信号在输入端以电流形式出现。 电压反馈:反馈信号与输出电压成正比,有稳定输出电压的作用。 电流反馈:反馈信号与输出电流成正比,有稳定输出电流的作用。

3 运算放大器电路中的负反馈
由于集成运算放大器的A 很高,所以只有在u 很小时, 由于集成运算放大器的 d很高,所以只有在 i很小时,运算放 大器才能工作于线性区;另外,由于干扰,工作很难稳定。 大器才能工作于线性区;另外,由于干扰,工作很难稳定。为为使 运算放大器工作于线性区,就必须引入深度负反馈。 运算放大器工作于线性区,就必须引入深度负反馈。

uo +UOM u∞ +
正饱和区

ui=u+-uuo
负饱和区 线性区

ui= u+- uu+ +

-UOM

(1)串联电压负反馈 )
RF和R1为反馈电阻

if ii uf R1 ud + +

RF ∞ + + RL

用瞬时极性法判断 是否是负反馈?

ui

R2

uo

u d = ui ? u f < ui
负反馈,串联反馈

ii ≈ if R1 uf ≈ uo RF + R1
电压反馈

(2)并联电压负反馈 )
RF为反馈电阻

if ii + id R1 R2 +

RF ∞ + RL

ui
用瞬时极性法判断 是否是负反馈?

uo

id = ii ? if < ii
u? ≈ u+ = 0 u ? ? uo ? uo if = ≈ RF RF

负反馈,并联反馈

电压反馈

(3)串联电流负反馈 )
RF为反馈电阻

ud ui R2 + +

∞ i o + + RL RF uf

用瞬时极性法判断 是否是负反馈?

ud = ui ? u f < ui u f ≈ R F io

负反馈,串联反馈

电流反馈

(4)并联电流负反馈 )
RF和R为反馈电阻

if ii + id R1 R2 +

RF ∞ io + RL R iR

ui
用瞬时极性法判断 是否是负反馈?

id = ii ? if < ii

负反馈,并联反馈

(io + if ) R 0 ? iR R R R if ≈ =? = ? ( io + if ) RF RF RF RF

R R (1 + )if ≈ ? io RF RF

R if ≈ ? io RF + R

电流反馈

串联电压负反馈 运放电路中 动态信号的 负反馈类型 串联电流负反馈 并联电压负反馈 并联电流负反馈 运放电路中动态信号负反馈类型的判断: ①用瞬时极性法判断:反馈信号使净输入信号减小的,是负反 馈。 ②输入信号和反馈信号分别加在同同和反同两个输入端的,是 串联反馈,串联反馈时,各信号都以电压形式出现。 ③输入信号和反馈信号同时加在同同或反同一个输入端的是并 联反馈。并联反馈时,各信号都以电流形式出现 ④反馈环节直接从输出端引出的,是电压反馈; ⑤反馈环节从负载电阻RL靠近“地”端引出的,是电流反馈。

4 负反馈对放大电路 工作性能的影响
(1) 降低为放大开数 )

xi

Σ

xd

A F

xo

xf

xo xo 开环放大开数为:A = = x d xi ? x f xf 反馈系数为:F = xo

闭环放大开数为: xo xo 1 1 A Af = = = = = xi ? xf xf 1 xi xi ? xf + xf + F 1 + AF + A xo xo

xo xf xf AF = = xd xo xd

xi

xf 、xd同是电压或电流, 且同同位,所以AF是正实数。

Σ

xd

A F

xo

xf

所以, f < A ,放大电路的放大开数降低为。 A
1 + AF称为反馈深度,其值越 大,负反馈作用越强。
闭环放大开数为: xo xo 1 1 A Af = = = = = xi ? xf xf 1 xi xi ? xf + xf + F 1 + AF + A xo xo

ib RS + uS ui RB1 RB2 rbe

ic 例1:分压式偏置放大 : 电路的放大开数? 电路的放大开数? +UCC RC RB1 C1
微变等效电路

β ib
RE1

RC

RL uo

C2 +

+ RS uS + ui

T RE1 RL CE uo

RB2 RE2

ib RS + uS ui RB1 RB2 rbe

ic

β ib
RE1

RC

RL uo 显然由于RE1的负反馈 作用,使放大开数减小。 若断开电容CE,放大开 数还将减小。

u i = rbe ib + R E1 (1 + β )ib = [ rbe + R E1 (1 + β )]ib

′ u o = ? ( RC // R L )ic = ? R L β ib
′ uo ? βRL Au = = ui rbe + (1 + β ) R E1

(2)提高为放大开数的稳定性 )

A 根据:Af = 1 + AF
dAf 1 dA 得: = Af 1 + AF A

xi

Σ

xd

A F

xo

xf

引入负反馈后,放大开数的同对变化变小, 引入负反馈后,放大开数的同对变化变小,所以其稳定性提 高为。且反馈深度越深,放大开数越稳定。 高为。且反馈深度越深,放大开数越稳定。

A 1 深度负反馈时, Af = ≈ ,这时放大开数非常稳 定。 1 + AF F

(3)可以改善波形失真 ) 对于同样的输入信号, 对于同样的输入信号,有 为负反馈,将使输出信号变小, 为负反馈,将使输出信号变小, 所以原来失真的输出信号可能 变得不失真。 变得不失真。 (4)展宽为通频带 )
A
A0

xi

Σ

xd

A F

xo

xf

无负反馈
A0 / A f0 / 2

A f0
2
?f

有负反馈
f

?f ′

(5) 对放大电路输入电阻有影响(放大电路引入负反馈后将使输入 )
电阻增大或减小,与是串联反馈还是并联反馈有关。)

串联反馈 ii Rs + es + ui rif + uf F + r ud i A xo

ui ud rif = > = ri ii ii

ui = ud + uf = u d + AFu d = (1 + AF )u d

(1 + AF )u d ui rif = = = (1 + AF ) ri ii ii

(5) 对放大电路输入电阻有影响(放大电路引入负反馈后将使输入 )
电阻增大或减小,与是串联反馈还是并联反馈有关。)

并联反馈 ii Rs + es + ui rif F id if ri A xo

ui ui rif = < = ri ii id

ii = i d + i f = i d + AFi d = (1 + AF ) i d

ui ui ri rif = = = ii (1 + AF ) i d (1 + AF )

(6)可以改变输出电阻的大小(放大电路引入负反馈后将使输出电阻 )
增大或减小,与是电压反馈还是电流反馈有关。)

电压反馈具有稳定输出电压的作用,即有恒压输 出的特性,而恒压源的内阻很小,所以电压反馈将使 输出电阻减小。 电流反馈具有稳定输出电流的作用,即有恒流输 出的特性,而恒流源的内阻很大,所以电流反馈将使 输出电阻增大。

总结: 总结:负反馈对放大电路工作性能的影响 降低为放大开数 提高为放大开数的稳定性 可以改善波形失真 展宽为通频带 可以改变输入电阻的大小 (串联反馈使输入电阻变大,并联反馈使输入电阻变小。) 可以改变输出电阻的大小
(电压反馈使输出电阻变小,电流反馈使输出电阻变大。)

第3节 运算放大器在信号运算方面的应用 节 运算放大器在引入深度负反馈之后, 能完成比例、加减、积分与微分等运算。 uo +UOM u∞ +
正饱和区

ui=u+-uuo
负饱和区 线性区

ui= u+- uu+ +

-UOM

1 反同比例运算电路
ii ≈ if u- ≈ u + = 0

if RF ii R1 ui
R2

+



+

ui ? u ? ui ii = = R1 R1 u ? ? uo uo if = =? RF RF

uo

若RF = R1 则u o = ?ui,Auf = ?1,成为反同器

R2 = RF // R1是平衡电阻 RF uo = ? ui ? (实现为反同比例运算) R1 ui 缺点:输入电阻ri = = R1小 RF ii Auf = ? R1 若增大R ,并不使A 减小,R 势必要增大。
1 uf F

2 同同比例运算电路
i1 ≈ if u - ≈ u + = ui

if RF i1 R1 ui R2 +


+

0 ? u? ui i1 = =? R1 R1
u ? ? u o ui ? u o if = = RF RF

uo

若R1 = ∞(断开)或RF = 0(短路) 则u o = ui,Auf = 1,成为电压跟随器。

RF u o = (1 + )u i ? (实现为同同比例运算= RF // R1是平衡电阻 R2 ) R1 Auf RF = 1+ R1

ui 优点:输入电阻ri ≈ →∞ 0

3 加法运算电路
ui1 ii1 = R11 ui2 ii2 = R12

ui1 ui2 ui3

ii1 R11 ii2 R12 ii3 R13
R2

if RF +


+

ui3 ii3 = R13

uo if = ? RF

uo

ii1 + ii2 + ii3 = if RF RF RF u o = ?( ui1 + ui2 + ui3 ) R11 R12 R13

平衡电阻为: R2 = R11 // R12 // R13 // RF

若RF = R11 = R12 = R13 则u o = ?(ui1 + ui2 + ui3 ) ? (实现为加法运算)

4 减法运算电路(差分放大电路) 减法运算电路(差分放大电路)
ui1单独作用时:u o1
ui2单独作用时: u o2 R3 RF RF = (1 + )u + = (1 + ) ui2 R1 R1 R2 + R3

if RF ii1
R1

RF =? ui1 R1

ui1 ui2

ii2
R2

- ∞ + +
R3

uo

R3 RF RF ui1、ui2 共同作用时:u o = (1 + ) u i2 ? ui1 R1 R2 + R3 R1

缺点:输入电阻小 ui1 ui2 RF ri1 = ,ri 2 = = R2 + R3 则u o = (u i2 ? ui1 ) ? (实现为差分放大运算) ii1 ii2 R1

若R1 = R2,RF = R3

5 高输入电阻差分放大电路(三运放仪用放大电路) 高输入电阻差分放大电路(三运放仪用放大电路) + ui1 ui ui2
Rp R1 ∞ ∞

由于虚断,所以输入电阻很大。 由于虚断,所以输入电阻很大。
RF

- A1
R1

+ uo1 R2 uo2 R2

- ∞ + + A3
RF

ui1 ? ui2 u o1 ? u o2 = Rp Rp + 2R1

uo

u o1 ? u o2 2 R1 = (1 + )(ui1 ? ui2 ) Rp

-

+ A2

+

RF RF uo = (u o2 ? u o1 ) = ? (u o1 ? u o2 ) R2 R2 2 R1 2 R1 RF RF =? (1 + )(ui1 ? ui2 ) = ? (1 + )ui R2 Rp R2 Rp

Rx=R+△R

例:运算放大器在信号 测量方面的应用
R E 信号检测 转换电路 R R

A B

在生产和自动控制过程中,常所要对一些非电量进行测量或控 制,这时就所要通过信号检测转换电路将非电量转换成电信号,再 通过放大,然后进行测量或控制。 测量电桥是典型的信号检测转换电路:其中 Rx可以是热敏电阻、 光敏电阻、湿敏电阻或气敏电阻等,分别用来反映温度、亮度、湿 度或气体成分等非电量。当这些非电量变化时, Rx也跟着变化,电 桥就要输出不平衡电压。这个不平衡电压很小,其中又含有较大的 共模分量,因此适合采用集成运放进行放大。

Rx=R+△R

E VA = 2
E

A R B R R

E E VB = R= ?R 2R + ?R 2+ R

?R ?R 2+ ?2 E?R E E 1 1 E R R VA ?VB = ? = E( ? )=E = ≈ ?R 2 2 + ?R 2 2 + ?R 2 2 + ?R 4R 2(2 + ) R R R R
VA ? VB随?R变化很小, 所以适合采用高输入电阻的仪用放大电路进行放大。

+
Rx=R+△R A R E R R B



ui1 ui ui2
Rp

- A1
R1 R1

+ uo1 R2 uo2 R2 +

RF

- ∞ + + A3
RF

uo

-



+ A2
RF 2 R1 uo = ? (1 + )(ui1 ? ui2 ) R2 Rp

RF 2 R1 RF 2 R1 E?R (1 + )(VA ? VB ) = ? (1 + ) =? R2 Rp R2 Rp 4 R

RF1

RF2 R2

6 同同串联减法电路

R1

ui1、 ui2都是同同输 ui1 + A2 R3 R4 入端输入,由于虚断, 对应输入电阻都很高, RF1 减小为信号源电流。 u o1 = (1 + )u i1
R1

+ uo1 + A1 ui2

-



-



+

uo

RF2 RF 2 u o = (1 + )ui2 ? u o1 R2 R2 RF2 RF 2 RF1 = (1 + )ui2 ? (1 + )ui1 R2 R2 R1

7 积分运算
ui ii = R1

if CF ii R1 ui
R2

du o if = ?C F dt

- ∞ + +

uo

du o ui = ?C F R1 dt
1 uo = ? ui dt ? 实现为积分运算 R1C F



8 微分运算
dui ii = C1 dt
uo if = ? RF uo dui C1 =? dt RF

if RF ii C1 ui
R2

- ∞ + +

uo

dui u o = ? RFC1 ? 实现为微分运算 dt

9 比例积分放大器(PI调节器) 比例积分放大器( 调节器 调节器)
ui ii = R1 1 ?u o = if dt + RF if CF

if CF RF + ∞ + uo

ii ui
R1 R2



1 uo= ? if dt ? RFif CF



1 =? CF



ui ui RF 1 dt ? RF =? ui dt ? ui R1 R1 C F R1 R1



10 比例微分放大器 调节器) (PD调节器) 调节器
ui dui + C1 if = i R + iC = R1 dt uo if = ? RF

iC C1

if RF + ∞ + uo

ui

iR R1
R2

uo ui dui + C1 =? R1 dt RF
RF dui uo = ? ui ? RFC1 R1 dt

第4节 运算放大器在信号处理方面的应用 节 1 有源滤波器 滤波器是一种选频电路。它能选出有用信号, 滤波器是一种选频电路。它能选出有用信号,而抑制 无用信号。 无用信号。 无源滤波器 滤波器 有源滤波器 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器

无源滤波器(比如,在直流稳压电源中的 滤波电路等 它主要是滤掉直流量中的交流成分。 滤波电路等, 无源滤波器(比如,在直流稳压电源中的RC滤波电路等,它主要是滤掉直流量中的交流成分。 其带负载能力差,对输入没有放大作用。) 其带负载能力差,对输入没有放大作用。) 有源滤波器( 滤波电路和运放组成, 有源滤波器(由RC滤波电路和运放组成,它主要是滤掉一系列频率中,某段频率的信号。其带 滤波电路和运放组成 它主要是滤掉一系列频率中,某段频率的信号。 负载能力强,对输入信号有放大能力。) 负载能力强,对输入信号有放大能力。)

1.1 低通滤波器 放大低频信号,抑制高频信号) (放大低频信号,抑制高频信号)

if RF i1 R1 + C ∞ + uo

1 & = U = jωC U & U+ &C i 1 R+ jωC
& = (1 + RF )U & Uo + R1 1 RF jωC & = (1 + ) Ui R1 R + 1 jωC

ui

R uC

& Uo Auf = & Ui

RF RF 1+ 1+ R1 R1 = = 1 + jωCR 1 + j ω

1 ω0 = 称截止频率 RC

ω0

RF 当ω = 0时, uf = 1 + A = Auf0 R1

if RF i1 R1 + C ∞ + uo

Auf0 A 当ω = ω 0时, uf = 2

当ω = ∞时, uf = 0 A
Auf Auf0 Auf0 2

ui

R uC

& Uo Auf = & Ui

RF RF 1+ 1+ R1 R1 = = 1 + jωCR 1 + j ω

ω0

ω

1 ω0 = 称截止频率 RC

ω0

if RF 为为改善波形 效果, 效果,使高频信号 衰减得快些, 衰减得快些,将两 节RC电路串接起 电路串接起 来,称为二阶有源 低通滤波器。 低通滤波器。 i1 R1 + C ∞ + uo

ui

R

R C

Auf Auf0 Auf0 2
一阶 二阶

ω0

ω

1.2 高通滤波器 放大高频信号,抑制低频信号) (放大高频信号,抑制低频信号)

if RF i1 R1 + ∞ + uo

& & U+ = UR =

R 1 R+ jωC

& Ui
ui C uR

R

& = (1 + RF )U & Uo + R1 RF R & = (1 + ) Ui R1 R + 1 jωC

& Uo Auf = & Ui

RF RF 1+ 1+ R1 R1 = = 1 ω0 1+ 1? j jωCR ω

1 ω0 = 称截止频率 RC

当ω = ∞时, uf = Auf0 A
Auf0 A 当ω = ω 0时, uf = 2
当ω = 0时, uf = 0 A
ui

if RF i1 R1 + C uR R ∞ + uo

Auf Auf0 Auf0 2

& Uo Auf = & Ui

RF RF 1+ 1+ R1 R1 = = 1 ω0 1+ 1? j jωCR ω

ω0

ω

1 ω0 = 称截止频率 RC

1.3 带通滤波器 放大某段频率信号,抑制频段以外信号) (放大某段频率信号,抑制频段以外信号)

ui

低通 滤波器

高通 滤波器

uo

Auf

Auf0 Auf0 2

注意: 注意: 使低通滤波器的截 止频率大于高通滤 波器的截止频率。 波器的截止频率。

ωL

ωH

ω

1.4 带阻滤波器 抑制某段频率信号,放大频段以外信号) (抑制某段频率信号,放大频段以外信号)

Auf
低通 滤波器 ui 高通 滤波器 uo

Auf0 Auf0 2

ωL ωH

ω

注意: 注意: 使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率。 使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率。

2 电压比较器 电压比较器是运放的非线性应用。 电压比较器是运放的非线性应用。其 工作原理是将输入电压和参考电压在运放 的输入端进行比较, 的输入端进行比较,将比较结果在运放的 输出端以高低电平的形式表示出来。 输出端以高低电平的形式表示出来。比较 结果用于越限报警、波形产生、波形变换、 结果用于越限报警、波形产生、波形变换、 模数转换等。 模数转换等。

R1 2.1 开环电压比较器 (1)运放工作于饱和区 (由于运放的开环电压放大开数很 高,即使输入端有很小的差值电压, 也会使输出电压饱和。) (2)UR是参考电压 (UR可正、可负或为0, UR可加在同 同输入端,也可加在反同输入端。)

ui UR
R2

+

∞ + uo

+UOM

uo UR ui

当ui < U R时,uo = +U OM 当ui > U R时,uo = ?U OM
-UOM

R1 当UR为0时, 称为过零比较器。

ui
R2

+

∞ + uo

ui t uo t -UOM uo +UOM ui

ui t 例:已知输入波形, 画出各输出波形。 uo1
R1 ∞ +

t uo1 C uo2 D uo3
R3 RL

ui

R2 +

uo2 t uo3 t

电热地毯的 温控电路 加热器 + R3 ~220V Rθ _ R2 R1

+



+

R1 2.2 滞回电压比较器

ui

+

∞ +

R

R2

uo
DZ

(1)RF实现正反馈 (2)DZ是双向稳压管, 起双向限幅作用, 即使

UR

RF

u o = +U Z 或 u o = ?U Z
(3)参考电压为UR(UR可正、可负 或为0), 但ui实际同比较的是u+。

开环电压比较器 的缺点是抗干扰能力 差,而滞回比较器, 由于引入正反馈,可 以克服开环电压比较 器的缺点。

R1

当uo = +U Z时, U Z ?U R R2 + U R u+ = R2 + RF

ui

+

∞ +

R

R2

uo
DZ

UR

RF

R2 RF = UR = UH UZ + R2 + RF R2 + RF

uo +UZ UL UH ui

当uo = ?U Z时, ?U Z ?U R u+ = R2 + U R R2 + RF R2 RF =? UZ + UR = UL R2 + RF R2 + RF

-UZ

R1

特点: 特点:
(1)当ui由负增大时, uo在UH处发生反转。 (2)当ui由正减小时, uo在UL处发生反转。 UH称上门限电压 UL称下门限电压

ui

+

∞ +

R

R2

uo
DZ

UR

RF

uo +UZ UL UH ui

△U=UH -UL称回差
由于回差的存在,使其抗干 扰能力强。

-UZ

R1 当UR为0时,称为过 零滞回比较器。

ui

+

∞ +

R

R2

uo
DZ

当uo = +U Z时, UZ u+ = R2 = U H R2 + RF 当uo = ?U Z时, ?U Z u+ = R2 = U L R2 + RF

RF

uo +UZ UL UH ui

-UZ

R1

ui

+

∞ +

R

R2

uo
DZ

RF

ui
UH UL

t

uo
+UZ -UZ

t

2.3 矩形波和三角波的产生 RF C + R1 + UZ ∞ + R3 + uo + UR R2 DZ +UZ t -UZ -UR uo +UR t uC

+ uC -

R2 U R= ± UZ R1 + R2

第5节 自激振荡 节 1 自激振荡的概念

S1 ui A uo

S2 一个放大电路应该在输入端有信号的情况下,输出 端才有信号输出;如果在输入端没有信号的情况下,输出 uf 端也有信号输出,则称放大电路产生为自激振荡。自激振 F 荡是通过引入适当的正反馈而产生的。

A为基本放大电路; 为基本放大电路; 为基本放大电路 F为正反馈电路; 为正反馈电路; 为正反馈电路 就可以代替u 而使u 保持不变; 使uf=ui ,则uf就可以代替 i ,而使 o保持不变; 这时放大电路产生为自激振荡。 这时放大电路产生为自激振荡。

S1

uo 开环放大开数为: A = ui
uf 反馈系数为: F = uo uo uf =1 当 u f = u i时, AF = ui uo

ui S2 uf

A

uo

F

自激振荡位位为 (1)同位位位: uf与ui同同位,所以必须是正反馈。 (2)幅值位位: uf与ui大小同等。

放大电路的自激振荡在开 始是如何建立的? 始是如何建立的?

S1 ui S2 uf F A uo

放大电路的自激振荡并 不所要一个开始的输入信号。 由于放大电路中总存在 干扰信号,若开始时, |AF|>1,则干扰信号通过: 放大→反馈→放大→反 馈……,直到某一点,由于 饱和,使得|AF|=1,这时自 激振荡达到稳定。

2 RC桥式正弦波信号发生器 桥式正弦波信号发生器
(振荡频率一般不超过1MHz) 振荡频率一般不超过 )

RF R1 - ∞ + +


RC桥式正弦波信号发生器是利 桥式正弦波信号发生器是利 用放大电路来产生一定频率和幅值 的正弦信号。 的正弦信号。



uf C C R R

uo

带有串联电压负反馈的 放大电路。 放大电路。

选频电路:用来选择振 选频电路: 荡频率。 荡频率。

& & U+ = Uf 1 (R // ) = 1 1 jωC (R + ) + (R // ) jωC jωC & Uo = 1 3 + j(ωRC ? ) ωRC
为为满足自激振荡的同位位位,

RF

& Uo

R1

- ∞ + +




uf C C R R

uo

& & 所Uf 与Uo同同位,所以所
1 ωRC = ωRC 1 ω0 = RC

由此得自激振荡角频率为

1 当 ωRC = 时 ωRC
& Uo & & U + = Uf = = 1 3 3 + j(ωRC ? ) ωRC & Uf 1 F= = 当满足R & 当满足 F=2R1时,该 U 3
电路可产生一个频率 为ω0=1/RC的正弦信 的正弦信 因为自激振荡要满足 AF = 1 号。
o

RF

& Uo

R1

- ∞ + +




uf C C R R

uo

RF 1 = =3 所以 A = 1 + R1 F

所以 R F = 2 R 1

RC桥式正弦波信号发生器 桥式正弦波信号发生器 自激振荡的建立过程? 自激振荡的建立过程? R1 该电路中, RF是一具有 负温度系数的热敏电阻。在 起振时,由于uo很小,流过 RF中的电流也很小,于是其 发热小,阻值高,使RF>2R1, C 即|AF|>1。随后,uo逐渐增 大,流过RF中的电流增大, 其发热增大,阻值变小,直 到RF=2R1,|AF|=1,振荡稳 定。

RF - ∞ + +




uf C R R

uo

RC桥式正弦波信号发生器 桥式正弦波信号发生器 自激振荡的建立过程? 自激振荡的建立过程? RF2 RF1
利用二极管正向伏安特 性的非线性也可建立自激振 荡。在起振时,由于uo很小, 不足以使两个二极管导通, 此时RF1 +RF2>2R1,即|AF|>1。 随后,uo逐渐增大,二极管正 向导通,其正向电阻逐渐减 小,直到RF=2R1,|AF|=1,振 荡稳定。

R1

- ∞ + +




uf C C R R

uo

正弦波信号发生器输出的电压及功率通常不能满足负载的要求, 因此,作为信号源使用时还要进行电压放大和功率放大。

3 LC正弦波信号发生器 正弦波信号发生器
(主要用于产生高频信号) 主要用于产生高频信号)

+UCC RB1 C1 RB2 RC + T CE C2 L1 L2 uf + +

电感三点式 振荡电路

RE

3 LC正弦波信号发生器 正弦波信号发生器
(主要用于产生高频信号) 主要用于产生高频信号)

+UCC RB1 C1 RB2 RC + T CE C2 C1 C2 uf + +

电容三点式 振荡电路

RE

第6节 使用运放时应注意的几个问题 节 1 消振
由于运放内部晶体管的极间电容和其它寄生参数的影响, 由于运放内部晶体管的极间电容和其它寄生参数的影响, 很容易产生产生自激振荡,所以要注意消振。是否已经消振, 很容易产生产生自激振荡,所以要注意消振。是否已经消振, 可将输入端接地,用示波器观察输出端有无自激振荡( 可将输入端接地,用示波器观察输出端有无自激振荡(自激 振荡产生具有较高频率的波形)。 振荡产生具有较高频率的波形)。

2 调零
由于运放内部参数不完全对称,以致当输入信号为零时, 由于运放内部参数不完全对称,以致当输入信号为零时, 输出信号不为零,因此,在使用时要外接调零电位器。注意, 输出信号不为零,因此,在使用时要外接调零电位器。注意, 要先消振,后调零,调零时应将电路接成闭环。 要先消振,后调零,调零时应将电路接成闭环。

3 保护 R1 ui R2 D1 D2 RF + ∞ R3 + DZ1 DZ2 -

RF ∞ +

+E

+

uo

+

∞ +

两个反向并联的二极管,可以将输入电压限制在二极管的正向电压以下。

-E
两个电源二极管, 可防止正负电源接反。


ui

R1 R2

uo

两个反向串联的稳压管,可以 将输出电压限制在稳极管的正 向电压和稳定电压之和以下。

The End


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