现代电子线路05集成运算的运用PPT课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,第五章,No.,*,第五章,No.,1,第五章,：,集成运放的应用,本章内容：,5.1,运算放大器的线性运用,5.2,运算放大器的非线性运用,第五章,No.,2,5.1,运算放大器的线性运用,一、比例运算电路,u-,u,+,u,o,电路均满足深度负反馈条件。,虚短：,，即正反向输入端可看作短路。,（,virtual short circuit,）,虚断：理想运放输入偏置电流为零，即 ，输入,端没有电流流入，相当于断路（虚断,virtual open circuit,）。,1,、理想运放的特性,第五章,No.,3,2,、反相比例运算电路,虚断条件：,虚短条件：,以满足差动输入级的对称性,若,，则,，相当于反相器。,失真问题：无法讨论，一般要求电源电压是,u,o,的三倍，避免饱和失真。,此时称,a,点为虚地,(virtual ground),点。,u,o,A,u,i,R,1,R,f,R,p,i,i,i,-,i,f,i,+,a,补偿电阻,第五章,No.,4,输出电阻：属于电压负反馈，,R,o,0,，输出特性类似于恒压源。,输入电阻：属于并联负反馈，,R,i,R,1,，电路输入电阻由,R,1,决定。,电路外围电阻一般不超过兆欧量级，否则不满足运放理想化条件，在要求大输入电阻和高增益时，可采用如下电路：,u,o,A,u,i,R,1,R,f2,R,p,R,f1,R,f3,u,第五章,No.,5,u,o,A,u,i,R,1,R,f,R,p,i,1,i,-,i,f,i,+,虚断条件：,虚短条件：,若,，则,，相当于电压跟随器。,A,u,i,u,o,输入电阻：,输出电阻：,3,、同相比例运算电路,第五章,No.,6,u,o,A,u,i2,R,1,R,f,R,1,u,i1,R,f,整理，得：,4,、差分比例运算电路,若,，则,，电路实现减法运算。,第五章,No.,7,1,、反相输入加法电路,u,o,A,u,i1,R,1,R,f,R,p,i,i1,i,f,a,u,i2,R,2,i,i2,u,i3,R,3,i,i3,a,为虚地点。,二、加减运算电路,(scaling circuit),(inverting input summing circuit),第五章,No.,8,2,、同相输入加法电路,u,o,A,u,i1,R,1,R,f,R,4,i,i1,i,4,u,i2,R,2,i,i2,u,i3,R,3,i,i3,R,式中,即,整理，得,(noninverting input summing circuit),第五章,No.,9,又因为,化简，得：,第五章,No.,10,3,、差分输入加减电路,u,o,A,u,i1,R,1,R,f,R,5,u,i2,R,2,u,i3,R,3,u,i4,R,4,u,i1,、,u,i2,为反相输入求和，输出为,u,o1,，,u,i3,、,u,i4,为同相输入求和，输出为,u,o2,，,叠加，得,(differential input),第五章,No.,11,同相级联减法电路,u,o1,A,u,i1,R,1,R,f1,R,2,u,o,A,u,i2,R,3,R,f2,R,4,优点：输入电阻高。,同相串联减法电路,若,则，,第五章,No.,12,三、积分、微分运算电路,1,、积分运算电路,u,o,A,u,i,R,C,R,p,i,C,令,，则,可见，输出电压与输入电压的积分成正比。,t,u,i,(t),0,t,u,o,(t),0,矩形波三角波,(integration circuit),第五章,No.,13,2,、微分运算电路,u,o,A,u,i,R,C,R,p,i,C,可见，输出电压与输入电压的微分成正比。,t,u,i,(t),0,t,u,o,(t),0,矩形波尖脉冲,其它运算：对数、指数、乘法、除法,(differential circuit),第五章,No.,14,滤波电路：,对信号的频率具有选择性，可使特定频率范围的信号,顺,利通过，阻止其它频率的信号通过。在通信、自动测量及控制等系统中，用于数据传输、抑制干扰等。,四、,RC,有源滤波电路,1,、概述,无源滤波器：,由无源元件,R,、,L,和,C,构成，如,LC,滤波电路（体积大，,不易集成）、,RC,滤波电路（信号衰减）；,有源滤波器：,由集成运放和,RC,电路构成，性能好、有隔离作用，,高频性能差，一般不高于,10kHz,。（高频可用,LC,无源滤波器，对于带通滤波，可用陶瓷滤波器或声表面波滤波器。）,filter,（,LPF,）,第五章,No.,15,理想低通滤波器（,LPF,）,理想高通滤波器（,HPF,）,理想带通滤波器（,BPF,）,理想带阻滤波器（,BEF,）,根据电路的通带、阻带在幅频特性中的位置不同，滤波电路可以分为四大类：,通带 阻带,|A,u,|,A,UM,f,f,H,阻带 通带,|A,u,|,A,UM,f,f,L,阻带 通带 阻带,|A,u,|,A,UM,f,f,H,f,L,通带 阻带 通带,|A,u,|,A,UM,f,f,H,f,L,(low pass filter),(high pass filter),(band pass filter),(band elimination filter),第五章,No.,16,实际滤波器在通带与阻带之间存在,过渡带（以低通滤器为例）。,通带截止频率,f,H,：当,|A,u,|=0.707A,UM,时的频率；,通带：从,0,到,f,H,的频段；,过渡带：从,f,H,到,|A,u,|,接近,0,的频段；,阻带：,|A,u,|,接近,0,的频段；,通带放大倍数：通带中输出电压与输入电压之比,A,UM,。,（对低通滤波器即为频率等于,0,时的输出电压与输入电压之比。）,滤波电路的重要特性指标：,通带放大倍数（,A,UM,）、通带截止频率（,f,H,、,f,L,）、过渡带的衰减斜率。,目标：通带内,|A,u,|,平坦，过渡带衰减斜率大。,实际低通滤波器幅频特性,通 带 过渡带 阻带,f,|Au|,A,UM,0.707A,UM,f,H,实际滤波器,第五章,No.,17,C,R,u,I,u,O,20lg|A,u,|,-20dB/,十倍频,0.1f,H,3dB,f,f,H,10f,H,20lg|A,uM,|,其中：,2,、低通滤波器（,LPF,）,、一阶无源,RC,低通滤波器,第五章,No.,18,带负载,R,L,情况：,其中：,无源滤波器电压放大倍数低，带负载能力差；,其通带放大倍数和截止频率都受负载影响，不便于多级级连。,C,R,u,I,u,O,R,L,20lg|A,u,|,-20dB/,十倍频,3dB,f,f,H,f,H,20lg|A,uM,|,第五章,No.,19,在无源滤波电路和负载之间加入隔离电路,（电压跟随器）即构成了有源滤波器，克服无源滤波器带负载能力差的缺点。,、一阶有源,RC,低通滤波器,u,I,u,o,R,C,R,L,若采用同相运算电路，则滤波器还能起到放大作用。,u,I,u,o,R,C,R,L,R,f,R,1,具有放大作用的,LPF,第五章,No.,20,其中：,u,I,u,o,R,C,R,L,R,f,R,1,通带电压放大倍数：,过渡带衰减缓慢。,-20dB/,十倍频,-3,f/f,H,1,0,10,0.1,-20,第五章,No.,21,其中：,、二阶有源,RC,低通滤波器,u,I,u,o,R,C,R,L,R,f,R,1,R,C,增加一级,RC,网络，构成二阶,LPF,。,通带电压放大倍数：,第五章,No.,22,当 时，上式,分母的模应为 ，即,解得：,代入,f,0,，,-40dB/,十倍频,-3,f/f,H,1,0,10,0.1,-20,-40,过渡带衰减速度增大一倍。,在,f,0,处的幅频特性差；,巴特沃斯,(Butterworth),、切比雪夫,(Chebyshev),、贝塞耳,(Bessel),滤波器；,高阶低通滤波器可由多个低阶低通滤波器级连得到；,电路设计仿真。,第五章,No.,23,3,、高通滤波器,（,HPF,）,、一阶无源,RC,高通滤波器,其中：,C,R,u,I,u,O,LPF,与,HPF,具有对偶性，即将,R,、,C,位置互换，低通滤波就成为高通滤波器。,20lg|A,u,|,20dB/,十倍频,0.1f,L,3dB,f,f,L,10f,L,20lg|A,uM,|,第五章,No.,24,、一阶有源高通滤波器,u,I,u,o,R,C,R,L,R,f,R,1,过渡带的衰减斜率：,20dB/,十倍频,20lg|A,u,|,20dB/,十倍频,0.1f,L,3dB,f,f,L,10f,L,其中：,20lg|A,uM,|,第五章,No.,25,其中：,、二阶有源高通滤波器,过渡带的衰减斜率：,40dB/,十倍频,u,I,u,o,R,L,R,f,R,1,R,C,R,C,第五章,No.,26,将低通滤波器与高通滤波器级连，就可得到带通滤波器。,f,H,LPF,HPF,u,i,u,o,f,L,f,L,f,H,f,H,f,L,4,、带通和带阻滤波电路,、带通,RC,有源滤波器（,BPF,）,条件：,BPF,u,i,u,o,第五章,No.,27,将输入信号同输入到低通滤波器和高通滤波器，然后再将两个输出求和，就可得到带阻滤波器。,、带阻,RC,有源滤波器（,BEF,）,f,H,f,L,f,L,f,H,f,H,f,L,条件：,LPF,求和,u,i,u,o,HPF,BEF,u,i,u,o,第五章,No.,28,5.2,运算放大器的非线性运用,波形发生器：,无需外加激励而能产生周期性信号的电路。又称信号发生器、振荡器。,根据需要的不同，可产生正弦信号、脉冲信号、函数信号、噪声信号、扫频信号和调制信号。,波形发生器,正弦波发生器,非正弦波发生器,反馈式正弦波发生器,负阻式正弦波发生器,多谐振荡器（矩形波发生器）,函数信号发生器,噪声信号发生器,扫频信号发生器,调制信号发生器,第五章,No.,29,比较器：,比较输入信号电压大小的电路。输出为二值状态（非高即低），与输入不成线性关系。用于测量技术、自动控制、波形发生器与波形变换电路。,比较器,单限比较器,滞回比较器（迟滞比较器）,双限比较器,第五章,No.,30,一、单限比较器,单限比较器：,只有一个门限电压的比较器。,u,o,R,R,u,i,U,REF,1,、基本单限比较器,u,i,u,o,0,U,REF,u,o+,u,o-,电压传输特性,运放工作在开环状态，,（,10,5,以上）,u,i,U,REF,时，,u,o,u,o-,（负向饱和）,门限电压,由,u,o,的正负可判断,u,i,与门限电压（阈值电压）的大小关系。,反相输入,第五章,No.,31,2,、过零比较器,阈值电压为零的比较器。,u,i,u,o,0,-U,Z,-U,D,U,Z,+U,D,电压传输特性,两个稳压二极管对接与,R,1,构成限幅电路，使输出不至饱和。,u,i,0,时，,u,o,U,Z,+U,D,u,i,U,REF2,u,i,u,o,0,U,REF1,u,o+,-U,D,U,REF2,1,、当,u,i,U,REF2,时，,u,o1,为低电平，,D,1,截止；,u,o2,为高电平，,D,2,导通；,u,o,输出高电平。,2,、当,U,REF2,u,i,U,REF1,时，,u,o1,为高电平，,D,1,导通；,u,o2,为低电平，,D,2,截止；,u,o,输出高电平。,第五章,No.,40,四、矩形波发生器,（多谐振荡器）,1,、方波发生电路,、电路组成,R,1,、,R,2,构成滞回比较器；,R,、,C,构成负反馈回路，利用,RC,电路的充放电特性，改变电容,C,两端的电压，作为滞回比较器的输入信号使输出发生跳变。,u,o,R,R,2,2D,Z,R,3,C,R,1,A,第五章,No.,41,、工作原理,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),t,1,u,C,(t),-U,Z,-U,D,U,+H,U,+L,设初态时，电容两端电压为零，输出为高电平。,、,u,o,为高电平，开始通过,R,对,C,充电，充电常数为,当电容电压达到,U,H,时，输出跳变为低电平,u,o-,=-U,Z,-U,D,，由于电容电压大于输出电压，电容开始通过,R,放电。,充电,u,o,R,R,2,2D,Z,R,3,C,R,1,A,第五章,No.,42,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),t,1,u,C,(t),t,2,t,3,-U,Z,-U,D,U,+H,U,+L,放电,、,u,o,为低电平，电容放电。,电容放电为零后，开始反相充电，当电容电压达到,U,L,时，输出跳变为高电平,u,o+,=U,Z,U,D,。,、,u,o,为高电平，电容反向放电为零后，正向充电。达到,U,+H,后输出跳变为,u,o-,。,如此循环，输出方波信号。,u,o,R,R,2,2D,Z,R,3,C,R,1,A,第五章,No.,43,、振荡频率,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),t,1,u,C,(t),t,2,t,3,-U,Z,-U,D,U,+H,U,+L,T,1,T,2,对于负半周：,三要素法：,解得：,电路充放电时间常数一致，故,T,2,T,1,。,则：,周期,频率,第五章,No.,44,2,、占空比可调的矩形波发生电路,由于二极管的存在，放电通路为,R,W1,、,D,1,、,R,和,C,，时间常数为,(R,W1,+R)C,；充电通路为,R,W2,、,D,2,、,R,和,C,，时间常数为,(R,W2,+R)C,。,改变电位器,R,W,的滑动端位置，可以改变输出矩形波的占空比。,u,o,R,R,2,2D,Z,R,3,C,R,1,A,D,1,D,2,R,W,R,W1,R,W2,第五章,No.,45,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),-U,Z,-U,D,T,2,T,1,占空比,可调范围,第五章,No.,46,五、三角波发生器*,1,、电路结构,A,1,构成同相输入滞回比较器，,A,2,构成积分器，,A,2,的输出经反馈作为,A,1,的输入信号使,A,1,产生方波信号，,A,1,输出的方波将在积分器上变换成线性度很高的三角波输出。,u,o1,R,R,2,2D,Z,R,3,R,1,A,1,A,2,u,o,C,第五章,No.,47,2,、工作原理,A,1,输出跳变的临界条件为：,即,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),u,o1,(t),-U,Z,-U,D,U,+H,U,+L,T,1,T,2,周期,三角波斜率,第五章,No.,48,六、锯齿波发生器*,1,、电路结构,在三角波基础上引入二极管，改变积分电容充放电时间常数，使输出波形不对称，形成锯齿波。,u,o1,R,R,2,2D,Z,R,3,R,1,A,1,A,2,u,o,C,R,A,D,第五章,No.,49,2,、工作原理,t,0,U,Z,+U,D,u,o,(t),u,o1,(t),-U,Z,-U,D,U,+H,U,+L,T,2,T,1,