《模电最新版多媒体ppt课件第4章-集成运算放大器的应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电最新版多媒体ppt课件第4章-集成运算放大器的应用.ppt（160页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、4.1 集成运放应用概述 4.2 集成运放放大、运算电路 4.3 集成测量放大器与集成隔离放大器 4.4 有源滤波器 4.5 集成运算放大器的非线性应用4.6 集成运放应用常识与应用实例,1.掌握集成运算放大器特性、线性应用条件及其”虚短”、“虚断”特性，了解运放主要参数。,2.掌握集成运放构成的常用电路（反相输入、同相输入、差分输入运放电路和加法、减法、微分、积分运算电路）电路组成、特点及应用。,4.选学滤波器功能及其分类，一阶、二阶有源滤波器的组成、特点。,5.理解测量放大器组成及其特点，了解集成测量放大器、集成光电隔离放大器及其应用。,3.掌握集成运算非线性应用条件及其特点。会识读单值、
2、滞回电压比较器、窗口比较器的电路，会计算单值、滞回电压比较器阈值电压和输出电压。了解集成电压比较器及其应用。,6.了解集成运放的使用常识，会根据要求正确选用元器件。,集成运算放大器的型号众多，性能各异，应用广泛，在许许多多的电子产品中都可以发现它的存在，而运放线性应用的放大器和非线性应用的比较器又是最常见的电路形式。,数字万用表是一种多用途的常用电子测量仪器，其主要功能是对电压、电流和电阻进行测量。它具有显示直观、读数准确度高，测量项目多、使用简便等特点，是电子爱好者测量各种电学参数、排除电路故障的得力助手。DT890B+型的数字万用表如图4.0.1所示，表中就用集成运放组成自动关机电路。该数
3、字万用表内部电路板如如图4.0.2所示，箭头所指为集成运放芯片。,图4.0.1 DT890B+型数字万用表外观 图4.0.2 DT890B+型万用表内部电路板,4.1.1 运算放大器电压传输特性和主要性能参数,一、电压传输特性 集成运放的电压传输特性是输出电压uo与输入电压（同相输入端与反相输入端之间电压差值）的关系曲线，函数式为,由此可画出集成运放开环情况下的传输特性如图4.1.1所示。由图可知，集成运放有两个工作区。一是饱和区（称为非线性区），运放由双电源供电时输出不是饱和值+UOm 就是-Uom。二是放大区（又称线性区），曲线的斜率为电压放大倍数，理想运放Aod,在放大区的曲线与纵坐标重
4、合。但实际上是不可能的，亦即实际中的集成运放的特性是非理想的，放大区特性曲线如图4.1.1所示的ab线段或a/b/线段。,图4.1.1 集成运放传输特性,二、集成运放主要性能参数,1开环差模电压增益Aod 集成运放的开环差模电压增益是指输出端和输入端之间无任何元件时输出信号电压与输入差模电压之比，用Aod表示。Aod与输出电压Uo的大小有关，通常是在规定输出电压幅度时（如Uo10V）测得的值。,Aod通常用分贝数dB表示，则为,2输入失调电压UIO及其温漂 dUIO/dT 如果集成运放差动输入级非常对称，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入级很难达到对称，通
5、常在室温25下，为了使输入电压为零时输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放输入级电路的不对称程度。UIO越小越好，一般为（110）mV。另外，输入失调电压的大小还随温度、电源电压的变化而变化。通常输入失调电压UIO对温度的变化率称之为输入电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）用 dUIO/dT表示,一般为(1020)V/.,3输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT 在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流IIO，有IIO=IB1IB2，它反映了输入级两管输入电流的不对称情况，IIO越小越好，一般为1nA0.1A。
6、IIO随温度的变化而变化，IIO随温度的变化率称之为输入失调电流温漂用dIIO/dT表示，单位为nA/。4输入偏置电流IIB 输入偏置电流(Input bias current)是指集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2，IIB越小越好，一般为10nA10A。,5开环差模输入电阻Rid 差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电阻。它反映输入端向差动信号源索取电流的能力。其值越大越好，一般为几兆欧姆。MOS集成运放Rid 高达106M以上。6开环差模输出电阻Rod 集成运放开环时，从输入端看进去的等效电阻，称之为输出电阻。它反映集成 运放输出
7、时的负载能力，其值越小越好。一般Rod小于几十欧姆。7共模抑制比KCMR 共模抑制比为：KCMR=Aod/Aoc(Aoc 称共模放大倍数)，它表示集成运放对共模信号的抑制能力，其值越大越好，一般KCMR为60130dB之间。,8转换速率SR(Slew rate)SR是指集成运放输出电压随时间的最大变化率，SR越大越好。,9.小信号频率参数集成运放(741)工作于小信号状态幅频特性如图4.1.2所示。,图4.1.2 集成运放(741)幅频特性,（1）开环带宽BW BW为运放开环差模电压增益值比直流增益下降了3dB所对应的信号频率。BW=fH（2）单位增益带宽BWG fT为运放开环电压增益频率特性
8、曲线上其增益下降到Aod=1时，即Aod为0dB的时的信号频率。单位增益带宽BWG为 BWG=fT=AodBW=AodfH 741运放Aod=2105时，它的fT=21057HZ=1.4MHZ。集成运放闭环应用时，BWG就是反馈放大电路的增益带宽积。BWG=Auf BWf,4.1.2 典型的双运放四运放简介,随着半导体制造工艺水平的提高，已经把两个甚至多个集成运放制作在同一芯片上。双运放就是在同一芯片上制作了两个相同的运放。这种高密度封装，不仅缩小体积，更重要的是在同一芯片上同时制作而成，而且温度变化一致，电路一致性好。图3.2.3是双运放F353的管脚排列图。电路由于采用了内补偿技术，使用时
9、不需外接消振的补偿电路，调零由外接补偿电压解决。,图4.1.3 双运放F353管脚排列图,4.1.2 典型的双运放四运放简介,四运放LM324引脚排列图如图4.1.4所示。它是通用型单片高增益运算放大器，它既可以单电源使用，也可双电源使用。UIO=+2mV,IIO=+5nA,Aod=100dB,KCMR=70dB。,图4.1.4 四运放LM324引脚排列图与贴片封装产品实物图（a）引脚排列图（b）贴片封装LM324D实物图,集成运算放大器性能参数的测试应采用相应的测试电路进行，大规模生产和对参数要求较高的场合。应采用专用仪器进行测试，如IST750等。可用万用表可检测集成运放好坏，方法为选择5
10、00型万用表R1k档分别测量各引脚间的电阻值，LM324典型数据如表4.1.1所示。,测试应该注意一下几点：应分别检查LM324的四个运算放大器，各对应的引脚间的电阻值应基本相应基本相等，否者参数的一致性差。若用不同的型号万用表的R1k档测量，电阻值会；略微有异。但在上述测量中，只要有一次电阻值为零，即说明内部有短路故障；读数的无穷大时，则说明开路损坏。,4.1.3 集成运放理想化条件和线性应用条件,一、集成运放理想化条件,满足理想化的集成运放应具有无限大的差模输入电阻，趋于零的输出电阻，无限大的差模电压增益和共模抑制比，无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。显然实际的集成运放不可能具有上述
11、理想特性，但是在低频工作时它的特性是接近理想的。例如741，其典型开环差模电压增益为2105，差模输入电阻为2M，输出电阻为75。因此在低频情况下在实际使用和分析集成运放电路时，就可以近似地把它看成为理想集成运算放大器,二、集成运放线性应用条件及其特性,把集成运放接成负反馈组态是集成运放线性应用的必要条件。,在分析集成运放线性应用时，可应用集成运放理想化条件。集成运放理想化具有以下两个特性:,1.虚短(Virtual short circuit)2.虚断(Virtual open circuit),上一章分析了负反馈对放大电路的影响，负反馈同样能改善集成运放组成电路的性能：采用负反馈可减小失调
12、及其温漂对输出的影响，反馈越深失调及其温漂对输出的影响，越小。负反馈可提高放大倍数精度及稳定度。由于各种电容的作用，特别是在内部电路中加了相位补偿电容后，运放的开环带宽很窄，如F007只有7HZ，无法适应交流信号放大要求，负反馈可将带宽扩展（1+AF）倍。负反馈还可以使输入电阻、输出电阻、失真度等性能得到改善。在分析集成运放线性应用时，可把集成运放视为理想运放。,1.虚短(Virtual short circuit)理想集成运放线性应用时，为深度负反馈电路，可得,XiXf 即uid0，当运放的输出电压uo为有限值时，集成运放的输入电压趋于零，即两个输入端电压相等 u+=u-因此，集成运算放大器
13、同相输入端与反相输入端可视为短路。,2.虚断(Virtual open circuit),需要注意的是，虚短不能认为两个输入端短路，因为实际上的uid不可能等于零，虚断也不能认为是开路，因为实际上iid不可能等于零。,理想集成运放的输入电阻趋于无穷大，故其输入端相当于开路，集成运放就不需要向前级索取电流，即 i+=i-=0 利用以上两个特性，可以十分方便地分析各种运放的线性应用电路。,“虚短”和真短路有什么不同？虚断”和真断路有什么不同？,1.图4.1.1中非理想运放的线性区的特性曲线是哪段？理想运放线性区特性曲线有什么特点？非理想运的非线区相对应的特性曲线是哪段？2.什么情况下集成运放可视为
14、理想运放？3.集成运放线性应用的必要条件是什么？要使集成运放工作于非线性区，运放应处于何种组态？4.放大电路的单位增益带宽与闭环增益Auf、闭环带宽(通频带)BWf是什么关系？,4.2 集成运放放大、运算电路,4.2.1 反相输入放大电路,图中，Rf为反馈电阻，构成电压并联负反馈组态；电阻RP称为直流平衡电阻。,Ro=0,图4.2.1 反相输入放大电路,4.2.2 同相输入放大电路,放大电路的输入电阻Ri放大电路的输出电阻 Ro=0,输入信号ui经电阻R2送到同相输入端，Rf与R1使运放构成电压串联负反馈电路。,图4.2.2 同相输入放大电路,图4.2.2所示电路中，R2应怎么选择？为什么？,
15、图4.2.4 电压跟随器其它形式电路,电压跟随器与射极跟随器类似，但其跟随性能更好，输入电阻更高、输出电阻为零，常用作变换器或缓冲器。在电子电路中应用极广。其实用电路还有其它两种形式，电路如图4.2.4所示。图b电路在同相输入端加一隔离电阻，防止因输入电阻过高而引人周围电场的干扰，Ri=R。,图4.2.3 电压跟随器,4.2.3 差分输入放大电路,当取R1=R2和Rf=R3时,则上式为,差分输入放大电路的两个输入端都有信号输入。ui1通过R1接至运放的反相输入端，ui2通过R2、R3分压后接至同相输入端，而uo通过Rf、R1反馈到反相输入端。,图4.2.5 差分输入放大电路,集成运放组成的差分
16、输入放大电路是一个减法器，对共模信号有抑制作用，即使使用一级运放电路，选用较高共模抑制比的运放，电路也具有一定的抗共模噪声干扰的能力。在要求较高场合，可用多个运放组成抗共模噪声电路。测量放大器就是三个运放组成差动组态的高性能抗共模噪声电路。目前已有专用集成芯片生产，详见4.2.7节。用两个运放组成抗共模噪声电路见例4.2.1。,集成运放组成差分输入放大电路，加接负载后，运算(输出输入)关系是否会发生改变？,4.2.4 相加放大器,当取R1=R2=R时,当取R=Rf时,两个输入信号ui1、ui2分别通过R1、R2接至反相输入端。Rf为反馈电阻，R3为直流平衡电阻。,一、反相加法器,图4.2.6
17、反相加法器,集成运放组成的反相加法器在调整一路输入端电阻时，不会影响其他路信号形成的输出值，因而调节方便，得到较广泛应用。,二、同相加法器,应用叠加定理进行分析：,设ui1单独作用，ui2=0,同相加法器如图4.2.7所示，输入信号ui1、ui2都加到同相输入端，而反相输入端通过电阻R3接地。,图4.2.7 同相加法器,设ui2单独作用，ui1=0,二者迭加得,若取：R1=R2、R3=Rf,则,集成运放组成的同相加法器共模输入电阻较高，且输入端电阻不易调整，常用于要求输入电阻较大的场合。,4.2.5 积分和微分电路,若C上起始电压为零，则,若C上起始电压不为零，则,一、积分电路,积分运算(In
18、tegratial operation)电路如图4.2.9所示。输入信号ui通过电阻R接至反相输入端，电容C为反馈元件。,图4.2.9 积分电路,图4.2.10 积分运算电路在不同输入情况下的波形,二、微分电路（Differentiatial operation）,将图4.3.4中反相输入端的电阻R和反馈电容C位置互换，便构成基本微分运算电路，如图4.2.11所示。,图4.2.11 基本微分运算电路,图4.3.7所示电路并不实用，当输入电压产生阶跃变化或有脉冲式大幅值干扰，都会使集成运放内部的放大管进入饱和截止状态，以至于当信号消失了，内部管子还不能脱离原状态而回到放大区，出现阻塞现象，电路只
19、有切断电源后方能恢复，即电路无法正常工作。此外基本微分电路容易产生自激振荡，使电路不能稳定工作。,为解决上述问题，组成微分实用电路如图4.2.12（a）所示。R1限制输入电流亦即限制了R中电流，VZ1、VZ2用以限制输出电压，防止阻塞现象产生，C1为小容量电容，起相位补偿作用，防止产生自激振荡。若输入为方波，且RCT/2（T为方波周期），则输出为尖顶波，如图4.2.12（b）所示。,图4.2.12 实用微分运算电路,1.反相输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？2.同相输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？3.差分输入放大电路有什么特点？可实现什么运算功能？4.集成运放组成的反相加
20、法器与同相加法器各有什么优缺点？5.写出积分电路输出输入关系式。能用积分电路实现波形变换吗？能实现什么波形变换？6.写出微分电路输出输入关系式。实用微分电路中，与基本微分电路相比增加的R1、C1、VZ1和VZ2各起什么作用？,4.3 集成测量放大器与集成隔离放大器,4.3.1测量放大电路 集成测量放大器在理想情况下仅放大两输入端间的电压差，当输入电压差为零时，输出将为零。集成测量放大器可分为固定增益、引脚可编程增益、数字控制仪器放大器等。增益固定测量放大器是由三运放组成的测量放大器的基础上发展起来的，测量放大电路又称精密放大电路或仪用放大电路，所用电阻均采用精密电阻。用3个集成运放组成测量放大
21、电路（Instrumental AMp）如图4.3.1所示。,图4.3.1 测量放大电路,由于A1、A2采用高输入阻抗的同相输入放大电路的形式。根据虚短的概念，uN1=ui1，uN2=ui2，根据虚断的概念，流过R1、RP为同一电流iR1，且iR1=（ui1ui2）/RP。因此运放A1和A2输出电压之差为,运放A3为减法运算电路，有,上式表明，输入电压与输出电压的差值成正比。该电路的放大倍数Au（即差模电压放大倍数）为,调节RP就可方便地改变放大倍数，且RP接在运放A1、A2的反相输入端之间，它的阻值改变不会影响电路的对称性。该电路具有很高的共模抑制比。只要A3的两输入端所接的电阻对称，uo1
22、和uo2共模成分则可以互相抵消。例如，若ui1、ui2为共模信号，即ui1ui2，由式（3.1.13）可知uo0，即KCMR。从以上分析可知，即使运放本身KCMR不是很大，只要A1、A2对称性很好，各电阻阻值的匹配精度高，整个电路的KCMR仍然非常大。若电阻匹配误差为0.001%，KCMR可达100dB。,测量放大器具有很高共模抑制比，广泛应用于精密测量领域，集成测量(仪用)放大器就是以其为基础制成的。,测量放大电路应用非常广泛，目前已有单片集成芯片产品，如AD524、AMP-02、AMP-03、INA104、LH0036、LH0038等，增益可调范围为11000，输入电阻高达108数量级，共
23、模抑制比为105。,4.3.2 典型集成测量（精密）放大器应用简介,鲍尔勃朗公司生产的INA104固定增益精密放大器基本电路，如图4.3.2所示。图中A4是缓冲级，A1、A2、A3组成测量放大电路，RG是外接电阻，按公式（4.3.3）可得,4.3.2 典型集成测量（精密）放大器应用简介,如果ui1、ui2有一共模信号UCM，则A4就起作用，这时引脚接到引脚，引脚和引脚相连并接到ui1、ui2信号电缆的外屏蔽层，以减少分布电容效应，使交流系统的共模抑制性能得到改善。,4.3.2 典型集成测量（精密）放大器应用简介,图4.3.2INA104基本电路,将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路
24、称为隔离放大器。它切断了输入、输出侧电路间的直接联系，避免干扰信号混入，而有用信号能正常放大输出。,4.3.3 用光耦和运放组成的隔离放大器,一、光耦合放大器电路 光耦合放大器电路如图4.3.3所示这是一个典型的交流耦合放大电路适当选取发光回路限流电阻R1，使B3的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大作用。,4.3.3 用光耦和运放组成的隔离放大器,图4.3.3 光电耦合放大电路,图4.3.3中的光耦MOC8102为线性光耦合器，能否用非线性4N35光耦代替？,二、互补式光耦合隔离放大电路 互补式光耦合隔离放大电路如图4.3.5 所示。运算放大器A1组成输入放大电路，A2组成输出放大电
25、路。B1和B2是特性完全对称的线性光耦合器。B2用作A1和A2间的信号隔离传输，B1为A1的非线性反馈，以弥补B2的非线性。若A1和A2处于理想工作状态，i1=i2，取R2=R3，A1、A2为反相输入放大电路，反相输入端具有“虚地”特性，由电路可得,4.3.3 用光耦和运放组成的隔离放大器,由于光耦合器的工作速度远低于运算放大器的工作速度，为此在反馈支路中加接电容C以改善电路的频率特性，并加接R4和电容C来提高电路的稳定性。但C值过大，会使电路频率上限降低，R4和C值过小，使电路稳定性变差，通常C值取1500pF。该电路的频带可达040kHz，线性度为0.1。,4.3.3 用光耦和运放组成的隔
26、离放大器,图4.3.4 互补式光耦合隔离放大电路,这一电路用对称的光耦合器来“补偿”光耦合器的非线性。线性度与B1、B2的对称性有关，要选同一型号性能参数尽可能一致的光耦合器。,图4.3.4中的输入部分和输出部分的接地符号相同吗？为什么输入输出采用两组不同的电源，且不用公共地？,4.3.4 集成隔离放大器简介,集成隔离放大器根据隔离模式划分可分为两口隔离和三口隔离，两口隔离是指输入部分和输出部分欧姆隔离，三口隔离是信号输入部分、输出部分和功率供给部分相互欧姆隔离。根据隔离方式不同可分为：变压器隔离放大器，如两口隔离的AD204、三口隔离的AD210等；电容隔离放大器，如ISO106；光电隔离放
27、大器及其应用。,4.3.5 集成光电隔离放大器ISO100及其应用,集成光电耦合型放大器因其体积小、失调电压低、漂移小、频带宽、漏电流小和价格低等优点，很适合于各种输入、输出间需隔离的应用场合。特别在工业过程控制、电机和晶闸管控制、生物医学测量、测试设备、数据采集和光电变换器等领域得到广泛应用。,集成光电耦合型放大器又称集成光电隔离放大器，有较多型号，受篇幅限制，仅以ISO100小型廉价集成光电隔离放大器为例，介绍其内电路、性能及其应用电路设计。,特点,ISO100型集成光电隔离放大器应用方法与普通运放类似，既可电流输入，也可电压输入，它的体积小，失调电压低，价格便宜，耐压高达750V以上，而
28、且漏电流极小，240V50Hz时，小于0.3A。,主要参数,一、内电路与引脚排列图,图4.3.5 ISO100内电路与引脚图（a）内电路（b）引脚图,光电隔离放大器ISO100内电路与引脚排列图如图7.4.1所示。其中A1为单位增益电流放大器（电流放大倍数为1）起电流电压转换器作用，IREF1、IREF2为12A基准电流源。光电耦合器由LED与VD1、VD2组成。,二、IS0100的基本接线方法,IS0100型集成光电隔离放大器的基本接线方法有单极性和双极性两种接法。单极性同相放大组态电路如图7.4.2（a）所示。采用这一接法时，输入、输出级的两个恒流源IREF1、IREF2无用，故16脚、8
29、脚分别接输入地和输出地。如外接电路需要恒流源的场合，可将IREF1、IREF2作为独立的精密恒流源使用。图（a）所示电路接法仅能放大单极性的负信号。本电路若为电流输入，输出电压为,若为电压输入为Ui，则输出电压为,图4.3.6 ISO100基本接法（a）同相单极性接法（b）同相同极性接法（c）同相双极性接法,若要在同相输入情况下，既可放大正信号，又可放大负信号，需要对电流源进行改接，将IREF1、IREF2分别接至A1与A2的反相端,以使运放A1的输出端始终能为LED提供激励电流。电路接法参阅图4.3.6（c）。为保证双极性时放大器工作于线性状态，输入电流的变化范围应在10A以内。,单极性反相
30、输入组态如图4.3.6（b）所示。该电路只能放大正信号。反相输入双极性放大电路接法如图4.3.6（c）所示。与图(b)不同之处是将两个恒流源IREF1、IREF2分别由接地改接到A1与A2的反相输入端。,三、IS0100应用电路设计注意事项,在用ISO100设计应用电路时，应注意以下问题：,(1)因ISO100的18脚可能流过较大的直流电流，故输入回路公共端引脚17应通过独立的引线接到输入地线，而不应与18脚就近短接共用地线，以免引入干扰；,(2)信号如通过长线引入，应选用有屏蔽的电缆或双绞线电缆；(3)设计印制板时应注意减少输入、输出间的分布电容；(4)输入、输出两部分的外部元件和导线之间的
31、距离应尽量远，以减少漏电流和高压击穿。(5)必须采用隔离电源供电，即输入、输出正负电源的地线必须是相互隔离的，不能采用同组电源供电。,四、光电二极管检测放大电路,用光敏二极管作为传感器，其电流很小，可用ISO100组成隔离放大电路，因光敏二极管的信号电流是单极性的，采用单极性的光电转换放大电路如图4.3.7所示。,图4.3.7 光电转换放大器,1.集成运放组成的测量放大电路有哪些特点？2.图4.3.1所示电路中电位器RP起什么作用？RP调节过程中是否会影响整个电路的对称性？3.为什么要采用隔离放大器？隔离放大器有哪3大类？4.光电隔离放大器应用时要注意哪些问题？,4.4 有源滤波器,同无源滤波
32、器相比，有源滤波器具有一定的信号放大和带负载能力可很方便的改变其特性参数等优点；此外，因其不使用电感和大电容元件，故体积小，重量轻。但是由于集成运放的带宽有限，因此有源滤波器的工作频率较低，一般在几千赫兹以下，而在频率较高的场所，采用LC无源滤波器或固态滤波器效果较好。,4.4.1 滤波器的功能及其分类 滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过，而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路。只用无源器件R、L、C 组成的滤波器称为无源滤波器,采用有源器件和R、C元件组成的滤波器称为有源滤波器。,按照功能（或幅频特性）的不同，滤波器分为 低通滤波器（Low-pass filter,简写LP
33、F）、高通滤波器(High-pass filter简写HPF)、带通滤波器（Band-pass filter简写BPF）、带阻滤波器（Band-elimination filter简写BEF）。其理想的幅频特性如图4.4.1所示。,我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，反之，把阻止信号通过或衰减信号的频率范围定义为阻带。通带与阻带的分界点的频率称为截止频率，如图4.4.1所示的fL、fH分别为下限截止频率和上限截止频率。,图4.4.1 各种滤波器的理想幅频特性,4.4.2 一阶低通滤波器,图4.4.2 一阶有源低通滤波器图 4.4.3 一阶低通滤波器的幅频特性,一阶低通滤波器电路如图4.4.
34、2所示，它是由运放和RC网络组成。,4.4.2 一阶低通滤波器,特征频率：,通带增益：,当f=0时，,当f=f0时,当f=10f0时,fo与f0定义有什么不同？Au与Aup有什么不同？,4.4.3 一阶高通滤波器,把图4.4.2中的R、C的位置互换，则可以得到如图4.4.4所示的一阶有源高通滤波器，同样可得到它的特征频率和通带电压放大倍数分别为：,图4.4.4 一阶高通滤波器,图4.4.5 一阶高通滤波器的幅频特性曲线,4.4.4 二阶有源滤波器,图4.4.6 二阶低通滤波器,一、二阶低通滤波器 在图4.4.2的基础上再增加一节RC低通网络，使衰减斜率更大些，这样就构成了二阶LPF，目前使用较
35、多的是二阶压控电压源LPF，其中运放、R1、Rf组成电压控制的电压源，故名压控电压源LPF。其电路构成如图4.4.6所示。,图4.4.7 二阶低通滤波器的幅频特性,经推导，该电路的频率特性为：,式中，为通带增益,f0为特征频率,Q为品质因数，令,则电压放大倍数为,当Q=0.707时，幅频特性响应曲线较平坦。而当Q0.707时，高频端将出现升峰，一般这是我们不希望的。,二、二阶高通滤波器,其中,二阶压控电压源高通滤波器的频率特性为：,图4.4.8 二阶压控电压源高通滤波器,4.4.5 带通滤波器和带阻滤波器,一、带通滤波器 带通滤波器可由高通和低通滤波器串联而成，两者同时覆盖的同一频段形成一个通
36、频段，即构成带通滤波器。其原理框图和幅频特性如图4.4.9所示。二阶压控电压源带通滤波器电路如图4.4.10所示。图中R1、C1组成低通网络，R2、C2组成高通网络，两者相串联就组成了带通滤波器。,图4.4.9 带通滤波器方框图和幅频特性,如果组成带通滤波器的低通滤波器的上限截止频率fH小于高通滤波器的下限截止频率fL时，组成的带通滤波器能滤波吗？为什么？,该电路的频率特性为,图4.4.10 二阶压控电压源BPF,由图中可以看出Q值越大，带宽 BW 越窄，选频特性越好。,带通滤波器中心频率fo与低通滤波器的上限截止频率fH、高通滤波器的下限截止频率fL什么关系？写出表达式。,二、带阻滤波器,带
37、阻滤波器是用来抑制或衰减某一频段内的信号，而对此频段外的信号允许通过，故也称为陷波器。这种滤波器经常用于电子系统抗干扰。带阻滤波器由低通和高通滤波器并联而成，两者对某一频段均不覆盖，形成带阻频段。其原理框图和理想幅频特性如图4.4.11所示。,图 4.4.11 带阻滤波器原理框图与幅频特性,图4.4.12所示为典型的双T 带阻滤波器。,图4.4.12 双T二阶压控电压源BEF,由图中可以看出Q值越大，BW越窄，选择性越好。,其低通和高通RC网络并联形成双T网络，与运放和电阻R1、Rf形成二阶压控电压源的BEF。,如果组成带阻滤波器的低通滤波器的上限截止频率大于高通滤波器的下限截止频率时，组成的
38、带阻滤波器会出现什么现象？为什么？,1.一阶低通滤波器、高通滤波器的特征频率由哪些元件参数决定？通带增益由哪些元件参数决定？2.二阶低通滤波器、高通滤波器的特征频率由哪些元件参数决定？通带增益由哪些元件参数决定？3.一阶、二阶低通滤波器有何不同？4.带阻滤波器与带通滤波器的电路结构上有什么不同？中心频率由哪些元件参数决定？,4.5 集成运算放大器的非线性应用,4.5.1 集成运放非线性应用条件,集成运放有线性和非线性两种工作状态。在开环工作或加正反馈时，由于集成运放的放大倍数很高，输入信号即使很小，也足以使运放工作在非线性工作状态。集成运放处于非线性工作时的电路统称为非线性应用电路。这种电路大
39、量地被用于信号比较、信号转换和信号发生、以及自动控制系统和测试系统中。为了简化分析，同集成运放的线性运用一样，仍然假设电路中的集成运放为理想元件。,集成运放开环工作状态电路如图4.5.1所示。,u+为同相输入电压，u为反相输入电压，uid为差动输入电压 uid=u+u,uo=Aod(u+u),图4.5.1 集成运放开环工作状态电路,由于Aod,所以，当 uid=u+-u0 即 u+u 时，输出电压达到正向最大值,uo=+Uom，其值比正电源电压低12V；当uid=u+-u 0即u+u 时，输出电压达到负向最大值，uo=Uom，其值比负电源电压高12V。由于集成运放差模输入电阻很大，在非线性应用
40、时，输入电流约为零，仍有“虚断”的特性。,4.5.2 电压比较器（Voltage comparator）,一、单值电压比较器 1单值电压比较器工作原理 开环工作的运算放大器是最基本的单值比较器，电路如图4.5.2a所示。,4.5.2 单值电压比较器及电压传输特性,图4.5.2(c)所示的输出电压值为多大？画出该电路的电压传输特性，它与图(b)特性有什么区别？,在电路中，输入信号ui与基准电压UREF进行比较。当uiUREF时，Uo=-Uom,在ui=UREF时，uo发生跳变。该电路理想传输特性如图4.5.2b所示。如果以地电位为基准电压，即同相输入端通过电阻R接地，组成如图4.5.3a所示电路
41、，就形成一个过零比较器(Zero crossing comparator)，则 当ui0时，则Uo=-Uom 也就是说，每当输入信号过零点时，输出信号就发生跳变。,在过零比较器的反相输入端输入正弦波信号可以将正弦波转换成方波，波形图如图4.5.3b所示,图4.5.3 过零比较器,2电压比较器的阈值电压(Threshold voltage),由上述分析可知，电压比较器翻转的临界条件是运放的两个输入端电压u+=u，对于图4.5.2所示电路为ui与UREF比较，当ui=UREF时（即u+=u时）电路状态发生翻转。,我们把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压Uth。图4.5
42、.2所示电路的Uth=UREF,过零比较器的Uth=0。因为这种电路只有一个阈值电压，故称为单值电压比较器。,2电压比较器的阈值电压(Threshold voltage),比较器从一种饱和状态翻转为另一种饱和状态，必要经过线性放大区，也就是翻转这一时刻运放工作于线性区，这一时刻可应用虚短特性。也就是说，运放当 u+=u-时翻转。我们在求解比较器的问题时，就是通过u+=u-列出方程式，从而求得阈值电压。,二、迟滞比较器(Regenerative comparator),单限比较器有一缺点，如果输入信号在阈值电压附近发生抖动时或者受到干扰时，比较器的输出电压就会发生不应有的跳变，就会使后续电路发生
43、误动作。为了提高比较器的抗干扰能力，人们研制了一种具有滞回特性的比较器，亦称迟滞比较器。迟滞比较器电路如图4.5.4a所示。,图中输入信号通过平衡电阻R接到反相端，基准电压UREF通过R1接到同相输入端，同时输出电压uo通过R2接到同相输入端，构成正反馈。,图4.5.4 迟滞比较器,由图4.5.4可知，i-=0，电阻R上的压降为零，即u-=ui，而同时u+受UREF和uo的影响，当uo=+Uom时，由叠加定理可求得,此时ui=u-，输出电压将保持Uom值，但当ui减少，使u-时，uo将再次由Uom跳变到+Uom。其传输特性曲线如图4.5.4b所示。,此时，ui=uu+，输出电压将保持+Uom；
44、但当ui增加，使u 时，uo将由+Uom跳变到Uom，此时，同相端电压为,由以上分析可知迟滞比较器有两个不同的门限电压，我们把 称为上限门限电压，用UT1表示；把 称为下限门限电压，用UT2表示，它们的差值称为门限宽度，又称回差电压或迟滞宽度（Hystersis voltage），用UT表示，即 UT=UT1UT2。,由于迟滞比较器有两个不同的门限电压，因此只要门限宽度大于干扰电压的变化幅度，就能有效的抑制干扰信号。且UT越大，比较器抗干扰能力越强，但分辩率越差。迟滞比较器常用来组成整形、波形产生等电路。,例4.5.1图示4.5.5a所示电压比较器，双向稳压管的稳定电压为6V，请画出它的传输特
45、性。当输入一个幅度为4V的正弦信号时，画出输出电压波形。,图4.5.5 例4.5.1图,三、窗口比较器,单限比较器和迟滞比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只翻转一次。为了检测出输入电压是否在两个给定电压之间，可采用窗口比较器。窗口比较器电路如图4.5.6所示。窗口比较器又称双限比较器。,图4.5.6 窗口比较器,4.5.3 集成电压比较器及其应用,集成电压比较器是一种专用的模拟电压比较器。它虽比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且一般不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等数字集成电路。有些芯片负载能力强，可直接驱动继电器或指
46、示灯。,4.5.3 集成电压比较器及其应用,一、集成电压比较器分类 集成电压比较器按芯片内电压比较器个数不同，可分为单、双和四电压比较器；按功能不同可分为通用性、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型电压比较器；按输出方式可分为普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种方式。集电极（或漏极）开路输出电路在使用时必须在输出端接一电阻至电源。互补输出电路有两个输出端，若一个为高电平，另一输出必为低电平。此外，有的集成电压比较器带有选通端，用来控制电路处于工作状态还是禁止状态。其中工作状态电路按电压传输特性工作；而禁止状态电路处于高阻状态，从输出端看进去相当于开路，电路不再按电压传输特性工作。,二、
47、集成电压比较器主要参数,三、LM339集成电压比较器及其应用,图4.5.7 LM339象限比较器管脚排列,2.应用示例 用LM339比较器构成一个12V汽车蓄电池电压过压、欠压保护(示警)电路如图4.5.8所示。，当蓄电池电压大于13V时和低于10V时，各由一个发光二极管LED发光告警。R14、R24为LED限流电阻。蓄电池充电后的电压会高于标称值，使用过程中，电压会低于标称值。,三、LM339集成电压比较器及其应用,图4.5.8 汽车蓄电池过压欠压保护(告警)电路,图中A1组成过压检测电路，A2组成欠压检测电路。VZ提供参考电压建立稳定阈值电压，R3为VZ偏置限流电阻。VZ选用LM385-2
48、.5集成电压基准源。其电压温度系数为2010-6/C，动态电阻为0.6，工作电流IR1mA，UREF=2.5 V。比较器阈值电压UT=2.5V。,三、LM339集成电压比较器及其应用,1.R11取标称值10k电阻，R12应选什么系列、标称值多大的电阻？2.LED1选用BT111X红色发光二极管，其最大电流IFM=20mA、正向电压UF1=1.9V，工作电流IF=10mA，限流电阻R14应选什么系列、标称值多大的电阻？,1.集成运放非线性应用电路应接成什么组态？2.过零比较器的阈值电压为多大？单值电压比较器有什么缺点？怎么克服？3.迟滞比较器有什么优点？为提高抗干扰能力，对迟滞比较器的什么性能参
49、数做怎样改进？4.既然构成比较器的集成运放工作于非线性区，按理不能用“虚短”这一特性，为什么在求阈值电压时可用特性列出方程求得？5.为检测出某电路的输入电压是在两给定的电压之间，应采用什么比较器？,4.6 集成运放应用常识与应用实例,4.6.1 集成运放应用常识,一、集成运放的选用 根据集成运放的性能不同分类，集成运放有高增益的通用型、高输入阻抗、低漂移、低功耗、高速、高压、高精度、大功率等各种专用型集成运算放大器，以及在运放应用电路基础发展而来的集成电压比较器、集成仪器放大器、隔离放大器等。在选用时要考虑有高的性能价格比，即要以较低的价格达到较高的性能。一般来说，专用型集成运放性能较好，但价
50、格较高。在工程实践中不能一味地追求高性能，而且专用集成运放仅在某一方面有优异性能，所以在使用时，应根据电路的要求，查找集成运放手册中的有关参数，合理的选用。,二、集成运放外接电阻的选用,外接电阻的选择，对集成运放放大电路的性能有重大的影响。由于一般集成运放的最大输出电流Iom为（510）mA，从图4.2.1所示反相比例放大电路可知，流过反馈电阻Rf的电流if应满足下列要求：,而uo一般为伏级，故Rf至少取k以上的数量级。如果Rf和R1取值太小，会增加信号源的负载。如果取用M级，也不合适，其原因有二：其一，电阻是有误差的，阻值越大，绝对误差越大，且电阻会随温度和时间变化产生时效误差，使阻值不稳定
