集成运算放大器的应用电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成运算放大器的应用电路,全有文档,1,基本运算电路,2,有源滤波电路,4,集成运放的使用注意事项,3,电压比较器和矩形波发生器,本章小结,1,基本运算电路,利用集成运放实现数学运算的电路，通常接成负反馈。,1.1,比例运算放大器,1.,反相输入比例运算电路,电路如图,1,所示,:,图,1,反相输入比例运算电路,由分析可知，图,1,就是电压并联负反馈放大器，,由第,5,章得：,（,1,）,（,1,）式表明：,输出电压与输入电压成比例关系，且相位相反。,由于输入信号是从集成运放反相输入端输入的，故称之为反相输入比例运算电路。,当,R,1,=,R,f,时,输出电压与输入电压大小相等,相位相反,故称为反相器。,2.,同相输入比例运算电路,电路如图,2,（,a,）所示,图,2,（,a,）同相输入比例运算电路,经分析知：该电路为电压串联负反馈放大电路，,由第,5,章得：,（,2,）式表明，,输出电压与输入电压成比例关系，且相位相同。由于输入信号是从同相端输入的，故称为同相输入比例运算电路。,若令,=0,R,1,，电路如图,2(b),所示,(2),在图,2(b),中由于,u,+,=u,-,，,u,-,u,+,=,u,i,，,u,-,=,u,o,因而电压放大倍数,A,uf,1,，表明,u,o,跟随,u,i,而变化，故有电压跟随器之称。,图,2,（,b,）电压跟随器,1.2,加法运算,如图,3,所示。,图,3,加法运算电路,根据“虚断”的概念可得：，其中,再根据“虚短”的概念可得,则,(3),实现了各信号按比例进行加法运算。,如取,R,1,=R,2,=,R,n,=,R,f,则,u,0,=-(u,i1,+u,i2,+,u,in,),，实现了各输入信号的反相相加。,1.3,减法运算,1.,反相输入求和式减法器,电路如图,4,所示。,图,4,反相输入求和式减法器,图中，第一级为反相输入比例器，若,=,R,1,，则第,一级为反相器，,u,01,=-,u,i1,；第二级为反相输入加法器。,令,R,2,=,R,3,，于是有,=,(4),若,R,2,R,3,可实现两信号各自乘以比例系数后再相减，,即,=,(5),2.,差动式减法器,电路如图,5,所示。,图,5,差动式减法器,首先，令,单独作用时，电路成为反相比例运算电路。如图,6,（,a,）所示,=0,，当,其输出电压为,再令,=0,当,单独作用时，电路变成为同相输入比例运算电路。如图,6,（,b,）所示。,图,6,（,b,）,u,i1,单独作用时,这样,当,R,1,=R,2,=R,3,=,R,f,=R,时,u,o,=u,i1,-,u,i2,该电路,成为减法器。,(6),同相端电压为：,其输出电压为：,1.4,微积分运算,1.,积分运算,电路如图,7,所示。,图,7,积分运算电路,进行充电。假设电容,C,的初始电压为零，那么,=,(8),上式表明，输出电压为输入电压对时间的积分，,且相位相反。,积分电路的波形变换作用如图,7,（,b,）所示，它,可将矩形波变成三角波形,。,在图,7,中，根据“虚短”的概念，,0,再根据“虚,断”的概念，,0,，则 ，即：电容,C,以,2.,微分运算,电路如图,8,所示。,图,8,微分电路,在这个电路中，,A,点同样为“虚地”，即,再根据“虚断”的概念，假设电容,C,的初始电压为零，那么,则输出电压,(9),上式表明，输出电压为输入电压对时间的微分，且相位相反。,微分电路的波形变换作用如图,8,（,b,）所示，,可将矩形波变成尖脉冲输出。,0,，则,。,1,思考题,实现数学 运算的电路均为反馈电路，它们是正反馈还是负反馈？你会用什么方法来分析基本运算电路？,在图,1,中同相输入端所接电阻,R,2,起什么作用？,比较利用反相输入求和实现减法运算及差动输入减法电路的优缺点。,返回,2,有源滤波电路,2.1,基本概念,滤波器是一种能够实现选频的电路，,通常把不受衰减或衰减很小的频率范围，叫做“,通带,”；受很大衰减的频率范围，叫做“,阻带,”。“通带”和“阻带”的界限频率，叫做,截止频率,。按照“通带”和“阻带”相互位置的不同，滤波器分为：,(1),低通滤波器,(2),高通滤波器,(3),带通滤波器,(4),带阻滤波器,滤波电路的幅频特性如图,9,所示。,图,9,滤波电路的幅频特性,2.2,有源滤波器,1.,有源低通滤波器,(1),电路组成,图,10,为有源低通滤波器。,图,10,有源低通滤波器,电压放大倍数,A,u,的模值为：,(10),(2),传输特性,当,=0,时，,根据截止频率的定义，当,时所对应的频率为截止频率，记为,由（,10,）式可以看出，当,时，正好满足要求,。,电路的截止频率 。其幅频特性,如图,11,所示。,图,11,有源低通滤波器的幅频特性,在实际电路中，低通滤波器用来除掉电子机器和电机等产生的噪声（高频干扰信号）。如图,12,所示：,图,12,低通滤波器消除噪声,2.,有源高通滤波器,若把图,10,中的,R,和,C,的位置调换，就成为有源高通 滤波器，如图,13,所示。,图,13,有源高通滤波器,3.,带通和带阻滤波器,根据低通、高通、带通和带阻滤波器的理想幅频特性曲线可知，只要低通电路的上限截止频率 大于高通滤波器的下限截止频率 ，则,低通电路与高通电路串联，就可构成带通滤波器,，其通常也就是二者覆盖部分，即 。若是低通滤波器的上限截止频率 小于高通滤波器的下限截止,频,率 ，则将,低通滤波器与高通滤波器,并联可构成带阻滤波器,，其构成原理框图及幅频特性如图,14,所示。,图,14,构成带通和带阻滤波器的框图及幅频特性,什么是无源滤波器电路，什么是有源滤波器电 路？,按滤波电路选出信号频率的不同，滤波器可分为哪几种？,画出高通,RC,有源滤波电路和幅频特性，并与低通滤波器加以比较。,返回,2,思考题,3,电压比较器和矩形波发生器,3.1,电压比较器,电压比较器的基本功能是比较两个或多个模拟量 的大小，并由输出端的高、低电平来表示比较的结果。,电压比较器中的集成运放，通常是“开环”或接成“正反馈”。因而工作于非线性状态。,1.,单门限电压比较器,电路如图,15,所示,图,15,同相输入单门限电压比较器比较器,图中的运放处于开环工作状态，具有很高的开环差模电压增益，所以：,当 时，输出电压为负饱和值 ；,当 时，输出电压为正饱和值 ；,当 ，电路翻转。,将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平,时，所对应的输入电压 的值称为门限电平,U,TH,，显,然，该电路有一个门限电平，所以称为单门限电压比较,器。其传输特性见图,15,（,b,）所示，波形见图,15(c),所,示。,由分析可知,，,使用比较电路时，可根据输出电,压的极性判别信号电压的大小。,当参考电压,U,REF,=0,时，则输入信号电压每次过零，其输出电压都会发生跳变，这种比较器称为过,零比较器。,单门限电压比较器的优点是电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。,提高抗干扰能力的一种方案是采用,迟滞比较器,。,2.,迟滞比较器,（,1,）电路组成,图,116 (a),反相输入滞回电压比较器电路图,（,2,）门限电平的计算,当输出为正向饱和电压 时，将集成运放的同相端电压称为上门限电平，用 表示，则有,当输出为负向饱和电压 时，将集成运放的同相端电压称为下门限电平，用 表示，则有,（,3,）传输特性和回差电压,U,TH,滞回比较器的传输特性如图,16(b),所示,由以上分析可以看出，该比较器具有,“,滞回,”,特性。,我们,把上门限电压,U,TH1,与下门限电压,U,TH2,之差值称,为,“,回差电压,”,，用,U,TH,表示，,“回差电压”的存在，大大提高了电路的抗干扰能力。只要干扰信号的值小于“回差电压”，比较器就不会因为干扰而误动作。,迟滞比较电路可用于波形整形、波形变换（将正弦波和三角波变成方波）、波形产生等场合,。,3.2,矩形波发生器,1.,电路组成,图,17 (a),矩形波发生器电路图,2.,工作原理,在接通电源的瞬间，假设此时输出电压为正饱和电压,+,，则同相端的电压为,电容在输出电压,+,的作用下开始充电。,当充电电压 升至,值时,电路翻转，输出电压由,+,值翻至,-,。,同相端电压变为,电容,开始放电，,u,c,开始下降，当电容电压,u,c,降至,值时，输出电压又翻转到 值。如此周而复始，在集成运放的输出端得到了如图,17(b),所示的电压波形。,3.,输出信号频率,电路输出的矩形波电压的周期，取决于充、放电的,R,时间常数。可以证明其周期为：,则输出信号频率为,(14),改变,RC,值就可以调节矩形波的频率。,怎样分析电压比较器。,在图,16,所示的滞回比较器的输入端加以正弦信号，试画出其输出电压波形。,在图,17,所示的矩形波发生电路中，能否得到一个三角波。,3,思考题,返回,4,集成运放的使用注意事项,1.,集成运放的输出调零,集成运放的内调零,如图,18,所示,辅助调零电路如图,19,所示。,2.,单电源供电时的偏置问题,双电源集成运放单电源供电时，该集成运放内部各点对地的电位都将相应提高，因而输入为零时，输出不再为零，这是通过调零电路无法解决的。为了使双电源集成运放在单电源供电下能正常工作，必须将输入端的电位提升，如图,20,、,21,所示，其中图,20,所示电路适用于反相输入交流放大。图,21,所示电路适用于同相输入交流放大。,3.,集成运放的保护,（,1,）输入端保护,当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，,为此，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如,22,所示，将输入电压限制在二极管的正向导通,压降以内。,(2),输出端保护,为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，如图,23,所示，将两个稳压管反向串联，就,可将输出电压限制在稳压管的稳压值,U,Z,的范围内。,(3),电源保护,电路,如图,24,所示。,4.,相位补偿,4,思考题,双电源集成运放如何在单电源电路中使用？,集成运放产生自激怎么办？,对集成运放应采取什么保护措施？,返回,本章小结,1.,基本运算电路和有源滤波电路中的集成运放均接,成负反馈，工作在线性区，,“,虚短,”,和,“,虚断,”,的概念,是分析这类电路的有力工具。,2.,集成运放在组成运算电路时，可实现比例，加,法、减法、微分、积分等数学运算。要求掌握这些电路,的组成及其分析方法。,3.,有源滤波电路是由无源滤波器和集成运放构成的,电路，根据选频特性的不同，可分为低通、高通、带通,和带阻滤波器。,4.,将集成运放接成开环或正反馈时，可实现对信号,电压的比较，并以输出电平的高低表示比较的结果。单,门限电压比较器只有一个门限电平。迟滞比较器有两个,门限电平，分析时要时刻注意门限电平的值，从而确定,使输出发生跳变时的输入电压的值，画出电压传输特性,曲线。,5.,利用滞回电压比较器加接网络可构成矩形波,发生器，分析时注意门限电平的两个值及电容器上的电,压的变化，当电容器上的电压等于门限电平时，电路会,翻转，从而在输出端产生矩形波。,集成运放在使用中应注意调零，消除自激，以及,输入、输出和电源极性的保护。,返回,本 章 完,