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第四章 测量基础电路

2 基本运放电路
2．1反相比例放大器＊
信号从集成运算放大器的反相端输入，因而输出信号与输入信号相位相反。这种放大器组态称为反相放大器，应用最为广泛. Rf
简单的反相比例放大器如图2-3所示。其外 Rr
部元件为输入回路电阻Rr、反馈电阻Rf、平衡 Vi -
电阻Rp。 A Vo
根据集成运算放大器的基本原理，反相比例 +
放大器的主要设计公式可归纳如下: Rp
闭环电压增益 Af= 图2-3 反相比例放大器
2．2同相比例放大器*
工作原理：信号从同相端输入，因而输出信号与输入信号相位相同.这种运算放大器组态，称为同相比例放大器。同相比例放大器也 Rp
是应用很广的一种基本组态，其基本电路形式如 Vi +
图2—4所示。 A Vo
根据理想运算放大器的性能,可以方便地导 Rf
出同相比例放大器的下列基本公式:
理想输入阻抗 Rr
闭环增益 图2—4 同相比例放大器
2．3加法放大器＊
图2-5为典型的反相加法器电路。各输入信号电压将通过各自回路输入电阻转换为电流，在“虚地”点相加，流经反馈电阻而转换为输出电压,因而输出电压为输入信号电压之和，即：

当取
则
而
当取,n表示输入信号的个数，则加法器可用于求算n个输入信号的平均值.
如果把加法放大器与减法放大器结合起来,可组合成进行加减混合运算的加减放大器。
R1 Rf
V1 R2
V2 -
R3 A Vo
V3 +
Rr
V4 R4
图2-5 加法器电路
2．4减法放大器*
减法放大器又称为差动比例放大器，其主要用途是从大的共模信号背景中提取并放大差模信号.减法器广泛用于电桥中不平衡信号的检测及传感器的差值信号放大等。
简单的减法器由一只运算放大器和四只电阻构成，如图2—6所示。
2．5积分电路
图2-7是集成运放理想模拟积分电路。其输出电压是输入电压的积分，当集成运放的开环增益无限大，输入失调电压、输入偏置电流及其漂移为零时，根据等效电路可得到：

2．6微分电路
如果将积分电路中的电阻R和电容器C的位置互换，则可构成图2-11所示的微分电路。

2．7电压比较器与应用＊
模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟输入电压相对大小的器件.这两个模拟输入电压,可以一个是模拟输入信号,另一个是参考电压,也可以两个都是模拟输入电压。比较器的符号与运放相同,理想比较器的特性如图4—20所示。当〈时，输出为逻辑1电平；当〉时,输出为逻辑0电平；当时,是输出发生变化的临界点。
Vo

Vi —
A Vo
VR + 0 VR Vi
< 〉
图4-20：电压比较器及其特性
1） 任意电平比较器
利用运放构成的求和型任意电平比较器电路如图4—21所示。这种比较器的特点是两个相比较的电压均加在运放的反相端，它的比较电平(比较器的翻转临界点）为：

其输出的高低电平分别为运放的正、负饱和电位， R1
加入钳位电路，可输出所要求的逻辑电平。 Vi —
上式表明，这种比较器的比较点电压不仅与 VR A Vo
VR有关,而且与电阻R1与R2的比值有关,这给 R2 +
比较点电压的选择带来灵活性.
若采用单片集成电压比较器构成求和型任意 R
电平比较器，输出的高低电平就是比较器的逻辑
电平。 图4-21：求和型任意电平比较器
2)滞后电平比较器*
滞后比较器又称为斯密特触发器。在比较器的同相端加入少量的正反馈,即可构成滞后比较器。图4-22为任意电平滞后比较器的原理图和传输特性.
图示电路的上、下比较电平及滞后电平分别为：
Vo
R VoH
Vi —
R2 A Vo △V
VR + V+L V+H
R1 0 Vi
VoL
图4—22： 任意电平滞后比较器及传输特性

教材初稿编辑： 上海交通大学材料学院

由传输特性可见，对于这种比较器，当输入电压从低值达到上比较电平时，比较器输出从高电平跳变为低电平，这种滞后特性称为下行滞后特性，简称下行特性。
在这种比较器中，改变参考电压,可同时调节上、下比较电平，而不影响滞后电平。但改变反馈系数，虽可调节滞后电平，同时亦会影响上、下比较电平，三个参数不能独立调节是这种电路的缺点.

3）窗口比较器的仿真电路*

4-24：窗口比较器的仿真电路

2．8仪器放大器＊
在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，这些信号的电平分布很广，低到几微伏高到几伏.由于信号远离运放，两者地电位不能统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引入的误差。这些共模干扰信号可能高达10V,为了抑制干扰,运放常采用差动输入方式,对测量电路的基本要求是:
（1） 高输入阻抗。以减轻信号源的负载效应和抑制传输网络电阻不对称引入的误差。
（2） 高共模抑制比。以抑制各种共模干扰引入的误差。
（3） 高增益及宽的增益调节范围。以适应信号源电平的宽范围。
（4） 非线性误差要小。
（5） 零点的时间及温度稳定性要高。零位可调，或者能自动校零.
（6） 具有优良的动态特性，即放大器的输出信号应尽可能快地跟随被测量的变化。
以上这些要求通常采用多运放组合的测量放大器来满足。典型的组合方式有：二运放同相串联式测量放大器;三运放同相并联式测量放大器及四运放高共模抑制测量放大器。

图4-25：仪器放大器
对差动放大器有：

2．9线性检波电路*
把正负极性交变的信号转换成单极性的直流信号称为整流。单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流称为线性检波，又称精密检波。
1）精密半波检波电路
由运放和二极管组成的精密半波检波电路如图 所示。两个二极管分别接在运放的反馈回路中，运放接成反相放大器形式。
设输入信号为正弦信号，即。 R2
当输入电压为正时，运放输出电压Vo’为负，
二极管D1导通，D2截止。D1导通使运放处于 D1
深度负反馈状态，从而保证了运放的反相输入 Vi —
端为虚地，由于输出信号是从虚地经过电阻R2 R1 + A Vo’ D2 Vo
而取出,所以输出电压Vo=0。
当输入电压为负时，运放的输出电压Vo’
为正，二极管D1截止,而D2的状态取决于Vo’ R
的大小。若Vo’〈VD，D2 亦截止,运放处于开
环工作状态，此时，Vo’=，即有 图4—26 精密半波检波器
.因为运放的开环增益很高（一般为)，所以很小.这就相当于把二极管的阀值电压降低，从而有效地克服了二极管的阀值电压对检波性能的影响,大大提高了电路对于小信号的检波能力。一旦〉，导通，运放处于反相比例放大工作状态，其输出电压。如果取，则有。显然，由于D2的导通，使运放处于深度负反馈闭环工作状态，而D2又处于反馈回路之中，因此二极管D2导通后的非线性特性由于负反馈的作用而明显地改善，使检波电路的输出和输入之间具有良好的线性关系.根据以上分析，精密半波检波电路的输出电压为:

其波形图及检波特性如图 所示。图中是指经滤波后的直流输出电压。
Vi
Vo

0 t
Vo

0 t 0 Vi
（a） (b）
图 4—27 :精密半波检波器的波形及检波特性

2．10滤波器电路
滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止或衰减其它频率信号的电路，滤波器可由LC或RC无源元件组成,亦可由有源器件和LC或RC网络构成。前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。
无源滤波电路和有源滤波电路
无源滤波电路：利用LCR组成的滤波电路,缺点1）存在电感2）输入电阻、输出电阻不易控制；3）低频需较大的电感和电容值；
有源滤波电路：利用RC无源滤波电路和运放组成的滤波电路，特点1)没有电感元件2）输入阻抗高、输出阻抗小；3)可以将输入信号放大易调节；缺点1）由于运放带宽乍，一般用于频率小于几十千赫以下,但当大于10KHZ时LC滤波效果会较好；2）需供电；3）不适合高电压、大电流；

按频率特性可将有源滤波器分为低通滤波(LPF，即Low Pass Filter）、高通滤波（HPF，即High Pass Filter）、带通滤波（BPF,即Band Pass Filter）、带阻滤波(BEF，即Band Eliminate Filter）等四种。
图4－34：滤波器电路
低通滤波
带通滤波
带阻滤波
高通滤波
dB
f
dB
dB
dB
f
f
f

按截止频率FP附近幅频特性或相频特性的不同，滤波效果可以分：
l 通带内幅度最平坦，“巴特沃兹”特性；Q～0。7，适合一般滤波。
l 幅频特性在一定范围内有波动,在F=F0附近下降较陡，“契比雪夫"特性；Q～1.0，适合调制解调电路。
l 相位平坦,“贝塞尔”特性；Q～0.4，对脉冲响应没有过冲现象,脉冲波形失真小；

a：巴特沃兹 b：契比雪夫 c：贝塞尔
图4－30：滤波电路

2．10．1典型电路
一阶LPF*：

通带电压放大倍数：
传递函数：
通带截止频率：

二阶压控电压源LPF：

通带电压放大倍数：
传递函数：
通带截止频率：