第六章-模拟集成放大器的线性应用.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,第六章 模拟集成放大器的线性应用,6.1 基本运算电路,当把运算放大器接入适当的反馈电路时，就可以构成各种运算电路。主要有比例运算、加减运算法、以及微积分运算等,，这称为运放的线性应用。,运放工作在线性区的条件：,电路中有负反馈！,运放工作在非线性区的条件：,电路中开环工作或引入正反馈！,一、比例运算：,1、,反相比例运算,：,分析依据,而又,显而易见，输出电压与输入电压成比例关系，并且在相位上是反相的，故称为反相比例运算,讨 论,若,R,1,=,R,f,则,u,0,=-,u,I,称,反号器。,电路的输入电阻:,实际取,R,2,=R,1,/,R,f,称平衡电阻。,_,+,+,R,F,R,1,R,P,u,i,u,o,i,1,i,2,i,b,-,i,b,+,例题1.,R,1,=10k,R,F,=20k,u,i,=-1V。,求:,u,o,，R,P,应为多大？,A,uf,=-（R,F,/R,1,）=-20/10=-2,u,o,=A,uf,u,i,=(-2)(-1)=2V,R,P,=R,2,=R,1,/R,F,=10/20=6.7 k,R,i,+,u,0,+,-,u,f,+,R,u,1,I,+,i,i,1,f,R,2,u,-,i,-,分析依据：,由图得,2、,同相比例运算,：,又由于,有,显然，输出电压与输入电压也成比例关系，并且相位上是相同的，故称同相比例运算。,讨论：,若取,或,称为电压跟随器（即,同号器,）,u,0,+,-,+,u,I,此时电路变为,例题2.,R,1,=10k,R,f,=20k,u,i,=-1V。,求:,u,o,，R,2,应为多大？,A,uf,=1+=1+20/10=3,R,f,R,1,u,o,=A,uf,u,i,=(3)(-1)=-3V,R,2,=R,1,/,R,f,=10/20=6.7 k,总结：比例运算就是求放大倍数,R,i,+,u,0,+,-,u,f,+,R,u,1,I,+,i,i,1,f,R,2,u,-,i,-,R,i,u,0,+,-,f,R,u,1,I1,+i,i,1,f,R,2,R,2,3,u,I2,二、加减运算电路,：,1、加法运算,反相求和运算,R,i,u,0,+,-,f,R,u,1,I1,+,i,i,1,f,R,2,R,2,3,u,I2,分析依据,由图知,若取,则,可见，实现了反向加法运算,R,i,u,0,+,-,f,R,u,1,I1,+,i,i,1,f,R,2,R,2,3,u,I2,R,u,0,+,-,f,R,u,1,I1,+,R,2,R,3,u,I2,R,4,同理可得,同相求和运算,若取,实现了同相加法运算,则得,2、减法运算,R,i,+,u,0,+,-,u,f,+,R,1,+,i,i,1,f,R,2,u,-,i,-,u,I1,u,I2,i,2,分析依据,同相比例运算,反相比例运算,当设,输入,有,当设,输入,有,两者均输入时，利用电压叠加原理,若取,则,显然为减法运算，但不是直接减。,当取,则,实现了直接差,如图,为了采用直接减法，通常采用如下形式,例题3.,R,1,=10k,R,2,=20k,u,i,1,=-1V，,u,i,2,=1V。,求:,u,o,u,o,_,+,+,R,2,R,1,R,1,R,2,u,i1,_,+,+,u,i2,_,+,+,R,2,R,1,R,P,u,o,=(u,o2,-u,o1,),=(20/10)3-(-1),=8V,R,2,R,1,u,o1,=u,i1,=-1V,u,o2,=u,i2,(1R,2,/R,1,)=3V,三、微积分运算,1、积分运算,与前相比，,R,f,换成了电容,C,f,分析依据,又,故称为积分运算,积分运算可实现波形转变，这个工具在电视中有应用,举例,则,图像如下示：,u,0,t,t,为锯齿波,波形完成了转变,R,u,0,+,-,u,f,+,C,u,1,I,+,i,i,i,f,R,2,u,-,u,c,分析依据,2、微分运算,对,C,1,:,又 ,为微分运算,它也可实现波形转换,t,u,i,0,t,u,o,0,例：,求,u,o,。,u,i,+,+,u,o,R,R,2,i,1,i,F,C,总 结,集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。,6.2,集成运算放大器小信号交流放大电路,上节讲的基本运算电路中，输入量可以理解为在中频范围内，不存在频率响应问题。而本节讨论的是输入任意频率交流量，所以接下来学习它们的放大特性及频率响应。集成运算放大器用来构成各种交流放大电路时，都带有很深的负反馈。它有三种输入方式：反向、同向和差分输入。,一、反相交流放大电路,双电源供电的反相交流运放电路,（说明：若在中频范围内求放大倍数，仍用上节的方法）,R,1,1,K,i,C1,1,uF,u,R,f,100,k,+,-,i,i,u-,+,-,u,o,+,-,+,1,f,+,V,CC,-,V,EE,要进行频率响应分析，各量要用相量形式，求传递函数,设输入交流信号 时，放大器输出电压为,由图,得：,整理得：,R,1,1,K,i,C1,1,uF,u,R,f,100,k,+,-,i,i,u-,+,-,u,o,+,-,+,1,f,+,V,CC,-,V,EE,因此，闭环电压增益为：,令 为直流电压放大倍数,由上式可见，放大电路具有高通特性，与运放本身无关，其下限频率,f,L,为,在通带内,C,1,可视为短路。故通带内交流放大倍数为,例,5.2.1,：已知集成运放,741,的,BWG,（反馈放大电路的增益带宽积）,=1MHZ,，试计算上图所示交流放大电路的下限和上限频率。,解：下限频率,f,L,为,2,、单电源供电的反相交流放大电路,R1,10,K,C1,10,uF,Rf,100,k,+,-,+,-,u,o,R2,3,k,R,1,k,R3,3,k,C3,23,uF,+,-,u,i,A,B,C2,10,uF,+,C,+,V,CC,CC,+,V,L,为使运算放大器能对交流信号进行有效的放大而不产生失真，设计时运算放大器的两输入端和输出端的静态电压不能为,0v,，而必须大于,0v,，一般取电源电压的,Vcc,的一半，因此图中电阻,R,2,、,R,3,为静态偏置电阻，当它们的阻值相等时，在同相端得到的静态电压为,V,CC,/2,，,又由于虚短路，在反相端的静态电压也为,V,CC,/2。,当运算放大器单电源应用构成线性放大器时，其同相端、反相端和输出端的静态电压相等，且一般为电源电压的一半。,图中,C,1,、,C,2,分别为交流输入和输出耦合电容。,C,3,为滤波电容，要求它们对交流的容抗近似为零。（因为，,A,、,B,、,C,三点对交流信号来说都为零电位，,R2,、,R3,被短路）这样可以画出交流等效电路。如下图所示：,（因为集成运算放大器的第一级为差分放大电路，同相输入端和反相输入端静电压为,V,CC,/2 ，,则相当于加负电源,V,EE,=-V,CC,/2,由对称性得，上面加正电源,V,CC,/2。,）,由于静态时同相端和反相端的电压为,V,CC,/2,，,所以等效于 ，,的双电源供电的反相比例运算电路，因此，其通带内交流电压放大倍数为：,与频率无关。,二、同相交流放大电路,由于,该电路同相输入端为一,RC,高通电路，其下限频率决定于,C1,及,R2,，即,与运放本身无关。,R1,C1,Rf,+,-,R2,+,-,u,i,+,-,V,i,u+,u-,f,+,V,CC,EE,u,o,+,-,i,1,深度串联负反馈,闭环输入电阻,:,所以该电路输入电阻,:,上图所示电路，由于同相端接入电阻,R2,，故使该电路的输入电阻降低，其值近似等于,R2,。为提高输入电阻，可采用下图所示电路该电路中,C,2,的容量足够大，对交流可视为短路。这样输出电压,u,o,通过,R,f,在,R,1,上产生的反馈电压,使,R,2,中几乎没有交流电流通过，从而获得极高的输入电阻。,C,2,为自举电容。,R,2,引入正反馈，使流 过,R,2,的交流电流极小，从而获得高输入电阻,C,3,8,u,i,C,1,R,1,R,f,+,V,CC,u,o,+,V,CC,C,2,R,R,R,4,8,R,1,R,f,R,4,单电源,交流通路,三、交流电压跟随器与汇集放大电路,1.交流电压跟随器,8,u,i,C,1,R,1,+,V,CC,u,o,C,2,-,V,EE,R,2,R,1,、,R,2,:,给同相端提供直流通路,C,1,、,C,2,:,对交流短路,C,2,:,引入正反馈,提高输入电阻,2.汇集放大电路,8,u,i1,C,1,R,1,R,1,R,4,u,o,C,2,+24,V,+7.5,V,u,i2,u,i3,+15,V,R,5,3,k,3,k,33,F,68,F,1.2,k,597,交流通路,8,u,i1,R,1,R,1,R,4,+7.5,V,u,o,R,5,u,i2,u,i3,7.5,V,滤波电路是一种能使有用频率带宽信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。,有源滤波电路分为：,低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路。它由有源器件（集成运放、三极管、二极管）和电阻、电容构成滤波电路。,优点：,小型、价廉。且带有一定增溢。,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,6.3 有源滤波电路,滤波电路的种类,:,按,信号性质,:,模拟滤波器和数字滤波器,按,所用元件,:,无源滤波器和有源滤波器,按,按传递函数,:,一阶,二阶,高阶,阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器,.,按,频率特性：,低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器,f,f,f,f,通,通,通,阻,通,阻 通 阻,阻,阻,R,R,1,R,F,C,+,-,+,1.一阶有源低通滤波器,传递函数,RC,RC,传递函数中出现,的一次项,故称为一阶滤波器,一、,有源低通滤波电路,R,R,1,R,F,C,+,-,+,幅频特性及幅频特性曲线,传递函数,RC,其中：,将上式写成,其幅频特性和相频特性分别为：,0.707,0,f,H,f,A,u,1,0,-20,20,lg,A,u,dB,10,f/f,H,显然，一阶有源低通滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线与,RC,低通电路的幅频特性曲线和相频特性曲线完全相同。,2.二阶有源低通滤波器,R,R,1,R,F,C,+,-,+,C,R,P,传递函数中出现,的二次项,故称为二阶滤波器,在一阶有源低通滤波器的基础上，再加上一级,RC,低通电路构成简单二阶有源低通滤波电路。,式中,为等效品质因数,-,40,f/,f,H,0,-3,-,10,-,20,10,-,30,Q,=0.707,Q,=1,Q,=2,Q,=5,1,正反馈提升了,f,H,附近的,A,u,Good!,40,dB/,十倍频,传递函数,二、,有源高通集成滤波电路,R,R,1,R,F,C,+,-,+,高通,1.一阶有源高通滤波器,将低通滤波电路中的滤波元件,R,和,C,的位置互换，即可得到高通集成滤波电路。,幅频特性及幅频特性曲线,幅频特性：,0,1+,R,F,/R,1,0.707(1+,R,F,/R,1,),0,R,R,1,R,F,C,+,-,+,传递函数,2.二阶有源高通滤波器,由此绘出频率响应特性曲线,(1)通带增益,(2)频率响应,其中：,，,结论：当,f,f,0,时，幅频特性曲线的斜率 为+40,dB/,dec,；,当,A,O,3,时，电路自激。,频率响应特性曲线,带通滤波电路只允许某一频段内信号通过，因此具有两个截止频率，即上限截止频率和下限截止频率。只要将高通滤波电路和低通滤波电路进行适当组合，即可获得带通滤波电路,三、,有源带通滤波,器,图中,RC,组成低通电路，,C,1,R,3,组成高通电路。要求,RCR,3,C,1,所以低通电路的上限截止频率,f,H,大于高通电路的下限截止频率。,f,L,f,H,之间形成一个通带，从而构成带通滤波电路。,带通滤波器的中心频率,：,通频带,：,小 结,有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。,6.6 集成功率放大器及应用,常用的集成功率块有：,LM386,、,TDA2040,等，应用时把它当成多脚元件即可。它们都有固定的外接电路，组成一定功率的放大器。本文不再详介。,