模拟电子技术(姚娅川)第5章 集成运放的基本应用

模拟电子技术第5章集成运放的基本应用主要内容5.1理想的集成运放5.2基本运算电路5.3模拟乘法运算电路5.4有源滤波器5.5电压比较器APuNuOuOuPNuuOHUOLU实际运放理想运放5.1理想的集成运放一、理想运放的参数为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：虚短虚断1.线性区二、运放的工作区域()oodPNuAuu0NPNPuuii2.非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！具有两个特点：（2）运放的输入电流等于零，即仍然满足虚断概念一.反相比例运算虚地点i1=if（虚断）因为有负反馈，利用虚短和虚断u+=0u－=u+=0（虚地）反馈方式：电压并联负反馈uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11电压放大倍数:1fioRRuuAfo1iRuRu5.2基本运算电路5.2.1比例运算电路例题:R1=10k,Rf=20k,ui=-1V。求:uo、Ri。说明R0的作用，R0应为多大？特点：共模输入电压=0（u－=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=R1）R0为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R0=R1//Rfuu+－A∞+RiiRuu－+ffoi110R210201fuRRAV2)1)(2(iuouAu1iRR二.同相比例运算电路u-=u+=uii1=if（虚断）平衡电阻R=Rf//R1foi1i0RuuRu因为有负反馈，利用虚短和虚断反馈方式：电压串联负反馈uu+－A∞+o－uu+fiRf1iR1Ri特点：输入电阻高缺点：共模输入电压≠0（u－=u+=ui）电压放大倍数:1fio1RRuuAAu=1三.电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。uuo+∞uA+－－+uiui=u+=u-=uo因为有负反馈，利用虚短和虚断：1.反相求和运算：若R1=R2=R,平衡电阻R0=R1//R2//Rf0uui1+i2=if5.2.2加减运算电路一.加法运算电路uuu－0u2R∞AfofRi2+i+i2u－R+i1Ri11虚地fo2i21i1RuRuRu)(i22fi11fouRRuRRu)(i2i1fouuRRu2.同相求和运算：当R1=R2=Rf=R时,uuuuRi1RRf+i1A+－－∞ofiu+i2R12uu+－A∞+o－uu+fifRRRii112i2111i212)()(uRRRuRRRu])())[(1(2i2111i212fouRRRuRRRRRuAuu2ioi1uuu同相比例运算:ifo)1(uRRu二.减法运算电路1、利用加法器和反相比例器)(OA2fi11fuRRuRRuoi11fi22fi22fi11f))((uRRuRRuRRuRRuouuu0f－uuR－i1RRoiA+1+∞+R2fAR+－u∞u－++Ri2uOA/2R叠加原理2、差动减法器ui1作用i11fuRRuoui2作用i22331f)1(uRRRRRuo综合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo231fRRRR若uuui1+f+R3u∞－AuR－oR1+R2i2uuuu3Rf+i1++12RRoA∞－－RuuuR+u－fA∞+o－1RR2i2R+3uuui1+f+R3u∞－AuR－oR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo则有：Ruii虚地tiCuud1CCO一、积分电路5.2.3积分运算电路和微分运算电路tuRCd1iuu+o∞iiAC+i－R1RCuC反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间设Uom=15V,ui=+3V,R=10k,C=1FtuRCud1iotuRCi1求积到饱和值的时间：MiOM1TuRCUs05.0iOMMuRCUT练习:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。uu+o∞iA+i－R1RCiCCutui0212345tuo0-2-4-6应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0uu+o∞iA+i－R1RCiCCu二、微分电路：u-=u+=0RiuOdtduCiiCCiidtduRCuiouuo1－CRAi+R+∞iiC)90sin(tRCtRCuocostui0tuo0tsinui例：,求uo。dtduRCuio90°uuo1－CRAi+R+∞iiCDOuuRuiiidTD/SDeuuIiSdTDlnIiuu一.对数运算电路5.2.4对数和指数运算电路SiTSdTlnlnRIuuIiu利用PN结的指数特性实现对数运算uuD+－A∞+idRi1ioRBJT的发射结有BEOuu注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7V利用虚短和虚断，有RuiiiCTBETBEe)e(SSECuuuuIIiiRIuuSiTln用三极管实现对数运算SCTBElnIiuuSCTlnIiuuu+1+∞A－oTiRiicRiiRudO二.指数运算电路T/SieuuRITi1SlnuuRIuuD+－A∞+iRRdoiiuO是ui的反对数运算（指数运算）用三极管实现反对数运算电路BEiuu利用虚短和虚断，电路有要求V7.0BEiuuTieSOuuRIuRiuFOTBEeSEFuuIii以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路uu－+TA+R4∞iifieo基本原理5.3.1利用对数和指数电路的乘法运算电路)ln(lnlnyxyxuuuuyxeeuuuuu对数运算X对数运算Y加法运算反对数运算lnuXuYlnuXlnYlnu+=ln（XuYu）XouY=u5.3模拟乘法运算电路例如：S1XTO1lnIRuuuS2YTO2lnIRuuu)ln(lnlnS2YS1XTS2YTS1XTO2O1O3IRuIRuuIRuuIRuuuuu）＋（＝To3/u4SOeURIu若取R1＝R2＝R3＝R4＝R，可得：YXSO1uuIRuuuu+－A∞++－A∞++－A∞++－A∞+1234YX3TR1R2R3R33R4Ruo1uo2OT12TEbe26mV)+(1IrXELOmV26'uIRuXELmV26'uIRYXOuKuu对于差放有：XbeLO'=urRueYCRuII2123E一.基本原理V+EE-+--+u+uRe－oVXcTR1c2TR3TYuCCc1ic2ic3i5.3.2变跨导乘法电路模拟乘法器功能：实现两个模拟量相乘其中K为比例因子，量纲:V-1符号：uuuoXYYXOuKuu5.3.3模拟乘法器的应用1.乘法运算立方运算电路2.平方和立方运算平方运算电路uuuoXYuo=KuXuYuuoiuo=K(ui)2uuiouo=K2(ui)33.除法运算电路根据虚断21ii2o11i1RuRui2o1ouKuu如果令K=R2/R1则:i2i1ouuu注意：为保证电路为负反馈，必须有：i112o1uRRu0i2uuuu+2+Ro11∞i1i－Aii2uo1RR2i2i112ouuKRRu4.开平方运算电路)(1i12OuRRKuui为负值！2oo1Kuu负反馈条件？i12o1uRRuuu+RRA－o1iuii∞11o+2R2有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。滤波器的分类：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）5.4有源滤波器5.4.1滤波器的基本概念及分类ω|A|0ωC通带阻带A0ω|A|0ωCA0阻带通带ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻滤波器的用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。1.一阶RC低通滤波器(无源)5.4.2有源低通滤波器CjRCjuuAiO11RCj11H11j传递函数：RC1H截止频率：幅频特性：2)(11HA++++-i+uRC+uo-此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：2)(11HA++++-i+uRC+uo-0.707H截止频率01|A|2.一阶有源低通滤波器uu+－A+∞i+u－uRf1RRCoi)11(ujuHuRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf)11)(1(1HfjRR)1(OHjAiOuuA传递函数：1fo1RRA通带增益：截止频率：)1(RCHRC1H幅频特性及幅频特性曲线uu+－A+∞i+u－uRf1RRCo传递函数：iOuuA)11)(1(1HfjRR幅频特性：21)(11)1(HfRRA缺点：阻带衰减太谩。H0.7071+Rf/R101+Rf/R1|A|3.二阶有源低通滤波器uu+－A∞+miouRfRRCCR1u+u－uAuRRufO1o)1(CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA－2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA传递函数：当Ao＜3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当f＞＞fL时，幅频特性曲线的斜率为-40dB/dec。当Ao≥3时，源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线O31AQ222o)(])(1[QAAHHuAuRRufO1o)1()11)(1(1LfjRR)1(OLjAiOuuA传递函数：1fo1RRA通带增益：截止频率：)1(RCL5.4.3有源高通滤波电路1.一阶有源高通滤波器uuo1+∞ui－+f+－ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRuRC1L幅频特性：21)(11)1(LfRRA缺点：阻带衰减太慢幅频特性及幅频特性曲线iOuuA传递函数：)11)(1(1LfjRRuuo1+∞ui－+f+－ARRuRC01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|2.二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线(2)通带增益1fO+1=RRAuuu+RfRiR－∞－muCA+oR1+uC2L22L)(1]-)[(1QA（1）幅频特性：RC1L其中：O31AQ当AO≥3时，电路自激幅频特性曲线当Ao＜3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当f＜＜fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec。可由低通和高通串联得到1111CRA0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O21通带测评阻带阻碍阻带阻碍低通截止频率2221CR高通截止频率必须满足125.4.3有源高通滤波电路uuR－∞CR－+Cfi1o+uRA+uRR2VV低通滤波器高通滤波器uiuoωω12可由低通和高通并联得到必须满足12A0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O12通带测评阻带阻碍通带测评5.4.5有源带阻滤波电VV1/2－A